CN103312980B - 成像设备及其图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种成像设备及其图像传感器，其中，所述成像设备包括透镜单元和图像传感器，所述图像传感器包括用于检测透镜单元形成的图像的多个图像检测像素和用于检测图像的焦点的多个焦点检测像素，其中，多个焦点检测像素被以非均匀形式布置，其中，在非均匀形式中，在多个焦点检测像素之间的共用间隔内的布置彼此不同。因此，在最小化图像传感器上形成的图像的图像质量降低的同时，可准确测量在图像传感器上形成的图像的焦点。

Description

成像设备及其图像传感器
本申请要求于2012年3月15日提交到韩国知识产权局的第10-2012-0026567号韩国专利申请的权益，该申请的公开通过引用全部包含于此。
技术领域
本发明总体上涉及一种成像设备及其图像传感器，更具体地讲，涉及一种使用图像传感器中提供的用于检测焦点的像素之间的相位差来检测透镜单元形成的图像的焦点的成像设备及其图像传感器。
背景技术
当使用成像设备捕捉图像时，正确检测透镜单元形成的图像的焦点是重要的。在现有技术中，使用用于检测焦点的镜来检测图像的焦点的方法已被使用。然而，使用用于检测焦点的镜来检测图像的焦点的方法另外需要在成像设备的主体中包括用于检测焦点的镜，因此，增加了成像装置的体积，成像装置变得厚且尺寸大。
为了解决该问题，使用图像传感器中提供的用于检测焦点的像素之间的相位差来检测图像的焦点的方法最近已被使用。特别地，布置在图像传感器中的焦点检测像素的微透镜的位置被设置在不同于普通图像检测像素的微透镜的参考位置，光屏蔽膜被安装在焦点检测像素的空腔中的一侧上或焦点检测像素的光电二极管区域偏向一侧。在这些情况下，焦点检测像素仅检测通过图像形成透镜的一侧的光。
如上所述，如果检测通过图像形成透镜的一侧的光的第一焦点检测像素(AF1像素)和检测通过图像形成透镜的另一侧的光的第二焦点检测像素(AF2)被布置在图像传感器中，则成像设备可通过根据用于检测第一焦点的像素的图像与根据用于检测第二焦点的像素的图像的相位的比较来检测图像的焦点状态。
即，根据使用焦点检测像素来检测图像的焦点的方法，以在包括焦点检测像素的图像传感器中防止图像的图像质量降低的方式来布置焦点检测像素非常重要。在图1A中示出的现有技术中的图像传感器100中，通过以预定间隔P投入像素，焦点检测像素110被周期性地布置。
图1B是示出图1A的图像传感器100的特定区域130的示图。如图1B所示，焦点检测像素131、132、133和134被以固定间隔(例如，12个像素)均匀地布置。
然而，如图1C所示，当对象120的边界清晰时，焦点检测像素之间的距离长。因为对象120的边界与焦点检测像素之间的距离长，所以当对象的边界清晰时，在检测图像的焦点时导致问题。
另外，如果缩短焦点检测像素之间的距离以更清楚地检测图像的焦点，则可准确检测图像的焦点状态，这需要许多焦点检测像素，并引起在图像传感器上形成的图像的图像质量降低的问题。
因此，需要可在最小化降低图像的图像质量的焦点检测像素的数量同时更准确检测将被捕捉的图像的焦点的图像传感器。
发明内容
因此，已做出本发明以解决现有技术中出现的上述问题和/或缺点。因此，本发明的一方面提供一种成像设备及其图像传感器，所述成像设备及其图像传感器可在最小化图像传感器上形成的图像的图像质量降低的同时准确测量在图像传感器上形成的图像的焦点。
根据本发明的一方面，提供一种成像设备，所述成像设备包括透镜单元和图像传感器，其中，用于检测透镜单元形成的图像的多个图像检测像素和用于检测图像的焦点的多个焦点检测像素被布置在图像传感器中，其中，多个焦点检测像素以非均匀形式被布置，其中，在非均匀形式中，多个焦点检测像素之间的共用间隔内的布置彼此不同。
根据本发明的另一方面，提供一种图像传感器，所述传感器用于将透镜单元形成的图像转换为电信号，其中，所述传感器包括用于检测透镜单元形成的图像的多个图像检测像素和用于检测图像的焦点的多个焦点检测像素，其中，多个焦点检测像素以非均匀形式被布置，其中，在非均匀形式中，多个焦点检测像素之间的共用间隔内的布置彼此不同。
根据本发明的另一方面，提供一种成像设备，所述成像设备包括透镜单元和图像传感器，其中，所述图像传感器包括用于检测透镜单元形成的图像的焦点的多个焦点检测像素，并将透镜单元形成的图像转换为电信号，其中，基于在图像传感器中以预定间隔布置的参考像素，多个焦点检测像素被布置在预定范围中。
根据本发明的另一方面，一种用于将透镜单元形成的图像转换为电信号的图像传感器包括用于检测透镜单元形成的图像的多个图像检测像素和用于检测图像的焦点的多个焦点检测像素，其中，基于在图像传感器中以预定间隔布置的参考像素，多个焦点检测像素被布置在预定范围中。
附图说明
通过以下结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，在附图中：
图1A至图1C是示出包括焦点检测像素的传统图像传感器的示图；
图2是示出根据本发明的实施例的成像设备的配置的框图；
图3A和图3B是示出根据本发明的实施例的各种焦点检测像素的示图；
图4A和图4B是示出根据本发明的实施例的包括焦点检测像素的图像传感器的示图；
图5是示出根据本发明的实施例的用于布置图像传感器的焦点检测像素的方法的示图；
图6是示出比较在现有技术中的焦点检测像素的均匀布置与根据本发明的焦点检测像素的非均匀布置的焦点检测性能的曲线图的示图；
图7是示出具有清晰边界的对象以比较在现有技术中与根据本发明的焦点检测性能的示例的示图。
具体实施方式
在下文中，参照示出本发明的各个方面的附图更详细描述本发明的各种实施例。
图2是示出根据本发明的实施例的成像设备200的配置的框图。如图2所示，成像设备200包括透镜单元210、图像传感器220、信号处理单元230、存储单元240、显示单元250、驱动单元260和控制单元270。
透镜单元210包括变焦透镜、聚焦透镜和光圈，并从外部对象接收光信号，其中，变焦透镜能够扩大或缩小对象的大小，聚焦透镜调节对象的焦点，光圈调节光量。
图像传感器220将通过透镜单元210入射的对象的光信号转换为电信号并输出电信号。图像传感器220包括用于检测透镜单元210形成的图像的多个图像检测像素和用于检测透镜单元210形成的图像的焦点的多个焦点检测像素。
图3A和图3B是示出根据本发明的实施例的各种焦点检测像素的示图。根据本发明的实施例，如图3A所示，焦点检测像素320的透镜的光轴被配置为与普通图像检测像素310的透镜的光轴相比偏向一侧。通过将焦点检测像素320的透镜的光轴配置为不同于普通图像检测像素310的透镜的光轴，焦点检测像素仅检测沿透镜单元210的一个方向通过的光。
另外，根据本发明的实施例，焦点检测像素340的透镜的光轴与普通图像检测像素330的透镜的光轴彼此相同，光屏蔽膜350被配置在空腔的一侧表面上。通过将光屏蔽膜350配置在焦点检测像素340的一侧表面上，焦点检测像素仅检测沿透镜单元210的一个方向通过的光。
然而，可选择地，如图3A和图3B示出的焦点检测像素340可通过另一方法被检测，例如通过将发生光电转换的焦点检测像素的光电二极管区域配置为偏向一侧来仅检测沿透镜单元210的一个方向通过的光。从而，焦点检测像素仅检测沿透镜单元的一个方向通过的光。
此外，图像传感器220包括一对包括第一焦点检测像素(AF1像素)和第二焦点检测像素(AF2像素)的焦点检测像素，其中，第一焦点检测像素用于检测通过透镜单元210的一侧的光，第二焦点检测像素用于检测通过透镜单元210的另一侧的光。参照图4A至图6更详细描述用于在图像传感器220中布置焦点检测像素的详细方法。
信号处理单元230针对从图像传感器220输出的电信号执行信号处理(诸如，增益调节、噪声去除、伽马校正、亮度信号分离、图像信号压缩等)。信号处理单元230将处理的图像显示在显示单元250上或将处理的图像存储在存储单元240中。这里，显示单元250包括位于成像设备200的主体上的取景器。
驱动单元260驱动透镜单元210以根据通过控制单元270产生的驱动控制信号来匹配图像的焦点。
控制单元270根据用户输入来控制成像设备200的整体操作。
即，控制单元270通过将通过包括在图像传感器220中的第一焦点检测像素获得的图像的相位与通过第二焦点检测像素获得的图像的相位比较来检测图像的焦点状态。然后，控制单元270基于检测的焦点状态来产生透镜控制驱动信号，并将透镜控制驱动信号输出到用于驱动透镜单元210的驱动单元260。
在下文中，参照图4A至图6更详细描述用于在图像传感器220中布置焦点检测像素的方法。
图4A和图4B是示出根据本发明的实施例的包括焦点检测像素的图像传感器的示图。即，焦点检测像素410以非均匀形式被布置在图像传感器400中，其中，在非均匀形式中，在焦点检测像素之间的共用间隔内的布置彼此不相同。
焦点检测像素410被布置为与沿第一预定方向相隔预定间隔P的参考像素位置沿第二预定方向隔开预定距离δ。预定方向除了是上、下、右和左方向之外，还是对角线方向。
另外，当以采样模式操作时，预定距离δ根据成像设备200的操作方法而不同。采样模式是指需要用于成像的高帧率的模式，并且是成像设备的实时取景被显示的模式或自动聚焦操作被执行的模式。在采样模式中，存在2R2S方法(2像素读取2像素跳过模式)和1R2方法(1像素读取2像素跳过模式)，其中，2R2S方法用于从四个连续的图像检测像素中读取两个图像检测像素并跳过两个图像检测像素，1R2方法用于从三个连续图像检测像素中读取一个图像检测像素并跳过两个图像检测像素。
如果采样模式是2R2S方法，则四个连续的图像检测像素被重复，因此，预定距离δ与四个像素相对应，其中，预定距离δ是焦点检测像素410与参考像素位置相隔的距离。如果采样模式是1R2S方法，则六个连续的图像检测像素被重复，因此，预定距离δ是与六个像素相对应的距离，其中，预定距离δ是焦点检测像素410与参考像素位置相隔的距离。
如图4A所示，预定距离δ是常数。然而，可选择地，距离δ可根据多个聚焦检测像素410而不同。例如，如果采样模式是2R2S方法，则预定距离δ是四个像素内的距离，如果采样模式是1R2S方法，则预定距离δ是六个像素内的距离。
如图4B所示，因为焦点检测像素410被以非均匀形式(其中，在焦点检测像素之间的共用间隔内的布置彼此不相同)布置在图像传感器400中，所以即使对象420的边界清晰，对象420的边界与焦点检测像素410之间的距离也被减小，从而，可更准确检测图像的焦点。
另外，因为检测不到图像的焦点检测像素410被以非均匀形式布置，所以与焦点检测像素410被以固定间隔均匀布置的情况相比，可最小化通过焦点检测像素410捕捉的图像的图像质量的下降。
图5是示出当图像传感器220在采样模式中以2R2S方法操作时的焦点检测像素的示图。特别地，在图5中，图4A中示出的一个区域500已被放大。标记Gr、Gb、R和B的像素是在以采样模式操作期间所读取的图像检测像素，标记AF的像素是焦点检测像素，剩余的像素是在以采样模式操作期间所跳过的图像检测像素。
如图5所示，图像传感器220被划分为多个区域510、520、530和540，并且参考像素位置515、525、535和545存在于多个区域内的中心。根据本发明的实施例，参考像素位置515、525、535和545被以12个像素的间隔布置。为了检测图像的焦点，两个焦点检测像素作为一对存在于图像传感器220中。在下文中，为了示例目的，一对焦点检测像素被认作一个焦点检测像素。
焦点检测像素517、527、537和547被布置在沿预定方向与参考像素位置相隔预定距离(例如，四个像素)的位置。例如，在第一区域510中，焦点检测像素517被布置在沿向左方向与参考像素位置515相隔四个像素的位置，在第二区域520中，焦点检测像素527被布置在沿向左方向与参考像素位置525相距四个像素并沿向上方向相隔四个像素的位置。另外，在第三区域530中，焦点检测像素537被布置在沿向下方向与参考像素位置535相隔四个像素的位置，在第四区域540中，焦点检测像素547被布置在沿向右方向与参考像素位置545相隔四个像素并沿向下方向相隔四个像素的位置。
为了防止捕捉的图像质量的下降，焦点检测像素被布置在布置R像素的位置和布置B像素的位置，而非布置G像素的位置。
另外，焦点检测像素517、527、537和547被布置在布置图像检测像素的像素行中，其中，在采样模式操作中图像检测像素被读取以检测透镜单元210形成的图像。例如，布置在第一区域510的焦点检测像素517被布置在第五和第六像素行中，其中，在采样模式中所读取的图像检测像素被布置在第五和第六像素行中。另外，剩余的焦点检测像素527、537和547也被布置在布置采样模式中所读取的图像检测像素的像素行中。
另外，在采样模式操作期间，焦点检测像素不被布置在用于检测透镜单元210形成的图像的像素上。即，可布置焦点检测像素的像素位置是在采样模式操作期间不被读取的图像检测像素的位置。
如上所述，焦点检测像素不被布置在布置在采样模式操作期间所读取的图像检测像素的像素位置，而被布置在布置图像检测像素的像素行中。因此，在采样操作期间图像的图像质量不下降，可最小化用于读取像素的读出电路。
在图5中，尽管参考像素位置被以18个像素的间隔布置，但是可选择地，参考像素位置可被以10个像素或20个像素的间隔布置。例如，如果采样模式是1R2S方法，则参考像素位置被以18个像素的间隔布置。
另外，如图5所示，尽管焦点检测像素被布置为与参考像素位置隔开预定距离(四个像素)，但是可选择地，焦点检测像素还可被布置在所述区域中的预定位置而非与参考像素位置隔开预定距离。
图6是示出显示在使用包括以非均匀形式形成的焦点检测像素的图像传感器的情况下根据本发明的实施例的焦点检测性能的曲线图的示图。
即，图6是示出在如图7示出的对象的边界指示清晰的垂直线的状态下，用于比较如图1A示出的当焦点检测像素被以18个像的素周期布置时与如图4A所示的当参考像素位置被以18个像素的周期布置并且焦点检测像素被以非均匀形式布置时的散焦值的示图。
特别地，如图1A所示，当焦点检测像素被以预定周期(通过虚线指示)布置时，成像设备200不能够从一个点检测到散焦值变为“0”的点，而在各个范围5至6中检测到散焦值变为“0”的点。因此，如果在捕捉具有明显边界的对象的图像时焦点检测像素被以预定周期布置，则成像设备难以准确检测图像的焦点。
然而，如图4A所示，如果焦点检测像素被以非均匀形式(通过实线指示)布置，则可从一个点(在5.5的附近)检测到成像设备的散焦值变为“0”的点。因此，成像设备200可准确控制透镜单元210以匹配图像的焦点。
如上所述，根据本发明的实施例，因为焦点检测像素被非均匀布置，所以在最小化图像传感器上形成的图像的图像质量降低的同时可准确测量在图像传感器上形成的图像的焦点。
尽管在图4A中，描述所有区域被示出为不同的形式，可选择地，可以在预定数量的区域的相同单元中形成多个区域中的像素形式。在图像传感器中，均匀或非均匀地布置多个包括所述多个区域的区域。例如，可在多个区域中重复形成图5中示出的四个区域中的像素形式。
虽然已经参照本发明的各种实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节上进行各种改变。

Claims (9)

1.一种成像设备，包括：
透镜单元；
图像传感器，包括用于检测透镜单元形成的图像的多个图像检测像素和用于检测图像的焦点的多个焦点检测像素，
其中，多个焦点检测像素以非均匀形式被布置，其中，在非均匀形式中，多个焦点检测像素中的每一个被布置为与相隔预定间隔的参考像素位置沿不同方向隔开预定距离，
其中，图像传感器被划分为多个区域，其中，在多个区域中的每个区域中，多个焦点测像素以非均匀形式被布置，并且在多个区域之间，多个焦点测像素的布置非均匀。
2.如权利要求1所述的成像设备，其中，
在多个区域的各个中，多个焦点检测像素沿预定方向与参考像素位置隔开预定距离，
在多个区域的各个中，多个图像检测像素被布置在剩余的位置中。
3.如权利要求2所述的成像设备，其中，在图像传感器中，均匀或非均匀地布置多个包括所述多个区域的区域。
4.如权利要求1所述的成像设备，其中，当成像设备以采样模式操作时，焦点检测像素被布置在像素行中，在所述像素行中布置用于检测透镜单元形成的图像的图像检测像素，
采样模式包括成像设备的实时取景被显示以及自动聚焦操作被执行的模式。
5.如权利要求4所述的成像设备，其中，当成像设备以采样模式操作时，焦点检测像素被布置在与用于检测透镜单元形成的图像的像素不同的位置。
6.如权利要求2所述的成像设备，其中，参考像素位置被以10个像素至20个像素的间隔连续布置。
7.如权利要求6所述的成像设备，其中，当成像设备在采样模式中仅使用四个连续图像检测像素中的两个时，所述多个区域中的参考像素位置被周期性地每隔12个像素布置。
8.如权利要求6所述的成像设备，其中，当成像设备在采样模式中仅使用三个连续图像检测像素中的一个时，所述多个区域中的参考像素位置被周期性地每隔18个像素布置。
9.一种包括在如权利要求1所示的成像设备中的图像传感器。
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