CN103765591B - 固态成像装置和数字相机 - Google Patents

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Abstract

第一和第二像素的敏感性和捕捉图像的分辨率得以改进。一种固态成像装置包括第一像素(37)和第二像素(38)。第一像素(37)具有第一PD(41)和第一光电转换膜(42)。第二像素(38)具有第二PD(44)和第二光电转换膜(45)。第一PD(41)和第二PD(44)形成在半导体衬底(51)的表面层中。第一光电转换膜(42)在相对于第一PD(41)的中心向右方向移位的位置中形成在第一PD(41)上方。第二光电转换膜(45)在相对于第二PD(44)的中心向左方向移位的位置中形成在第二PD(44)上方。第一光电转换膜(42)以光电方式转换入射在第一PD(41)的右区域上的入射光(60L1)。第二光电转换膜(45)以光电方式转换入射在第二PD(44)的左区域上的入射光(60R2)。

Description

固态成像装置和数字相机
技术领域
本发明涉及一种能够实现相位检测方法的对焦检测并且成像用于立体观察的视差图像的固态成像装置和一种包括该固态成像装置的数字相机。
背景技术
包括拍摄透镜和CCD类型或者CMOS类型固态成像装置的数字相机被广泛地使用。通常这种数字相机包括用于自动地调整拍摄透镜的焦距的自动对焦(在下文中被称作AF)功能。
所谓的相位检测AF功能是已知的(见专利文献1到3)。相位检测AF功能基于相位检测方法的对焦检测自动地调整拍摄透镜的焦距。除了用于成像正常图像(二维静止图像)的正常像素，还通过提供第一相差像素(在下文中简单地被称作第一像素)和第二相差像素(在下文中简单地被称作第二像素)实现相位检测AF功能。
正常像素具有与光电二极管的光接收表面的中心位置重合的正常开口部。正常像素通过正常开口部接收入射在光电二极管上的光。第一像素具有相对于光电二极管的光接收表面的中心位置在第一方向上移位的第一偏心开口部。第一像素通过第一偏心开口部接收入射在光电二极管上的光。第二像素具有相对于光电二极管的光接收表面的中心位置在第二方向上移位的第二偏心开口部。第二方向与第一方向相反。第二像素通过第二偏心开口部接收入射在光电二极管上的光。
正常开口部、第一偏心开口部，和第二偏心开口部通过遮光膜形成。遮光膜覆盖在其中形成光电二极管的半导体衬底上方。第一和第二偏心开口部的尺寸小于正常开口部的尺寸。
第一像素对从第一偏心开口部相对于光电二极管的光接收表面的中心位置移位的方向入射的光高度敏感。第二像素也是如此。例如，第一像素对于来自右上的入射光高度敏感。第二像素对于来自左上的入射光高度敏感。
从第一像素获得的图像和从第二像素获得的图像根据拍摄透镜的对焦状态在左右方向上彼此移位。在该两个图像之间的移位量对应于拍摄透镜的焦距的移位量。当拍摄透镜焦点对准时，该两个图像重合并且移位量为零。随着拍摄透镜焦点的移位量增加，在该两个图像之间的移位量增加。因此，通过检测从第一和第二像素获得的相应的图像的移位方向和在图像之间的移位量来确定拍摄透镜的调焦量。
在被摄体取景期间，包括相位检测AF功能的数字相机基于来自第一和第二像素的像素信号执行AF控制。在捕捉正常图像时，数字相机使用所有正常像素、第一像素和第二像素以产生图像数据。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开公布No.2006-105771
专利文献2：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.2010-093619
发明内容
本发明所要解决的问题
在于专利文献1到3中公开的固态成像装置中，因为第一像素的第一偏心开口部从光电二极管的光接收表面的中心位置移位，所以第一像素的光电二极管的一部分被遮光膜覆盖。因此，朝向被遮光膜覆盖的区域行进的光受到遮光膜阻挡。对于第二像素同样如此。因此，在第一和第二像素的每一个光电二极管上入射的光的量小于在正常像素的光电二极管上入射的光的量，并且第一和第二像素中的每一个的敏感性低于正常像素的敏感性。
在于专利文献1到3中公开的固态成像装置中，在第一像素上入射的光的方向与在第二像素上入射的光的方向相反。因此，在捕捉正常图像时，有必要执行所谓的像素相加，其中将相邻的第一和第二像素的像素信号相加。在此情形中，像素信号由来自第一和第二像素对的信号构成，从而正常图像的分辨率降低。
本发明的一个目的在于提供能够改进第一和第二像素的敏感性和捕捉图像的分辨率的一种固态成像装置和一种数字相机。
用于解决问题的手段
为了实现以上目的，本发明的固态成像装置的特征在于包括多个第一像素和多个第二像素。第一像素具有第一光电转换器和第一光电转换膜。第一光电转换器和第一光电转换膜以光电方式转换入射光。第一光电转换膜相对于第一光电转换器在第一方向上移位。第二像素具有第二光电转换器和第二光电转换膜。第二光电转换器和第二光电转换膜以光电方式转换入射光。第二光电转换膜相对于第二光电转换器在第二方向上移位。第二方向与第一方向相反。第一光电转换膜部分地覆盖第一光电转换器的入射侧，并且第二光电转换膜部分地覆盖第二光电转换器的入射侧。第一光电转换器位于第一像素的中心处，并且第二光电转换器位于第二像素的中心处。
该固态成像装置进一步包括第一加法器电路和第二加法器电路。第一加法器电路将在第一和第二像素的每一个中的光电转换器的信号和光电转换膜的信号相加。第二加法器电路将两个相邻第一和第二像素的两个光电转换器的信号相加并且将两个相邻第一和第二像素的两个光电转换膜的信号相加。
第一和第二光电转换器中的每一个是在半导体衬底的表面层中形成的光电二极管。第一光电转换器具有不被第一光电转换膜覆盖的部分，作为光接收区域。第二光电转换器具有不被第二光电转换膜覆盖的部分，作为光接收区域。第一和第二光电转换器中的每一个是在半导体衬底上方形成的光电转换膜。第一光电转换器具有不被第一光电转换膜覆盖的部分，作为光接收区域。第二光电转换器具有不被第二光电转换膜覆盖的部分，作为光接收区域。
光透过性绝缘膜形成在半导体衬底上方。第一和第二光电转换膜形成在绝缘膜上方。优选的是微凹凸体形成在位于光接收区域之上的绝缘膜的表面上。
第一和第二像素中的每一个包括微透镜和内透镜。微透镜的光轴与对应的像素的中心重合。微透镜位于微透镜的内侧上。内透镜的顶点与对应的光接收区域的中心重合。
优选的是反射壁形成在第一和第二光电转换膜中的每一个的侧面上。反射壁由高折射率的材料制成。
第一和第二像素具有滤色器。位于光接收区域之上的滤色器的部分的厚度可以不同于位于第一光电转换膜之上的滤色器的部分的厚度和位于第二光电转换膜之上的滤色器的部分的厚度。光接收区域的面积可以不同于第一光电转换膜的面积和第二光电转换膜的面积。
本发明的数字相机的特征在于包括用于形成被摄体的图像的拍摄透镜和用于捕捉图像的固态成像装置。固态成像装置的特征在于包括多个第一像素和多个第二像素。第一像素具有第一光电转换器和第一光电转换膜。第一光电转换器和第一光电转换膜以光电方式转换入射光。第一光电转换膜相对于第一光电转换器在第一方向上移位。第二像素具有第二光电转换器和第二光电转换膜。第二光电转换器和第二光电转换膜以光电方式转换入射光。第二光电转换膜相对于第二光电转换器在第二方向上移位。第二方向与第一方向相反。第一光电转换膜部分地覆盖第一光电转换器的入射侧，并且第二光电转换膜部分地覆盖第二光电转换器的入射侧。第一光电转换器位于第一像素的中心处，并且第二光电转换器位于第二像素的中心处。
本发明的效果
根据本发明，除了光电转换器，第一和第二像素中的每一个还包括光电转换膜。光电转换膜和光电转换器的位置在第一和第二像素之间反转。光电转换器和光电转换膜中的每一个具有光电转换功能。因此，在由第一和第二像素形成的大的区域中执行光电转换。由此第一和第二像素的敏感性得以改进。
在检测对焦时和在捕捉立体图像时，第一和第二像素的光电转换器的信号和光电转换膜的信号相加。在捕捉正常图像时，光电转换器的信号被加到在像素内的光电转换膜的信号。因此，与从第一和第二像素中的每一个生成一个像素的图像信号的传统情形相比较，捕捉图像的分辨率提高。
附图简要说明
图1是图示数字相机的电气配置的框图。
图2是图示固态成像装置的配置的平面视图。
图3是图示并排置放的第一像素和第二像素的截面视图。
图4是图示由第一加法器电路执行的相加处理的解释性视图。
图5是图示由第二加法器电路执行的相加处理的解释性视图。
图6是图示使用数字相机用于图像捕捉的步骤的流程图。
图7是图示固态成像装置的对比示例的截面视图。
图8是根据第二实施例替代光电二极管而提供有主光电转换膜的固态成像装置的截面视图。
图9是根据第三实施例在绝缘膜的表面上带有微凹凸体的固态成像装置的截面视图。
图10是图示根据第三实施例用于堆叠颗粒异物层和光电转换膜的步骤的解释性视图。
图11是图示用于颗粒异物层和光电转换膜的蚀刻处理的解释性视图。
图12是图示在蚀刻处理之后绝缘膜的表面的状态的解释性视图。
图13是根据第四实施例带有内透镜的固态成像装置的截面视图。
图14是图示根据第五实施例固态成像装置的两个相邻第一像素的结构的截面视图。
图15是根据第六实施例的固态成像装置的截面视图，其中滤色器被部分地制成厚的。
图16是图示根据第六实施例的抗蚀层形成过程和回蚀处理的解释性视图。
图17是图示在回蚀处理中平整化层的表面状态的解释性视图。
图18是其中滤色器部分地制薄的、根据第七实施例的固态成像装置的截面视图。
图19是图示根据第七实施例的抗蚀层形成处理和回蚀处理的解释性视图。
图20是图示在回蚀处理中平整化层的表面状态的解释性视图。
图21是根据第八实施例的固态成像装置的截面视图，其中光电转换膜的面积减小。
图22是固态成像装置的截面视图，其中光电转换膜的面积增加。
具体实施方式
[第一实施例]
在图1中，数字相机10具有CPU11。CPU11从存储器(未示出)读出各种程序和数据，并且基于来自操作单元12的控制信号顺序地执行它们。由此CPU11控制数字相机10的每个部。操作单元12包括快门释放按钮和各种操作按钮。
数字相机10用作能够产生用于立体观察的视差图像的单目3D相机。数字相机10具有特殊成像模式和正常成像模式。在特殊成像模式中，数字相机10产生视差图像。在正常成像模式中，数字相机10产生没有差异的正常图像(二维静止图像)。操作单元12用于切换数字相机10的成像模式。注意数字相机10还能够捕捉运动图像。
除了拍摄透镜15和机械快门16，透镜单元14还结合众所周知的对焦机构(未示出)。CPU11通过透镜驱动器18控制机械快门16和对焦机构。对焦机构在光轴的方向上移位对焦透镜(未示出)以调整焦距。对焦透镜包括在拍摄透镜15中。
机械快门16具有可移动部(未示出)。可移动部在关闭位置和打开位置之间移动。在关闭位置中，可移动部防止光进入成像部20的固态成像装置17。在打开位置中，可移动部允许光进入固态成像装置17。机械快门16将可移动部移位到打开位置或者关闭位置以打开或者封闭从拍摄透镜15到固态成像装置17的光路。透镜单元14包括用于控制入射在固态成像装置17上的光的量的孔径光阑(未示出)。
成像部20包括固态成像装置17。成像部20将来自拍摄透镜15的光转换成电图像信号并且输出电图像信号。成像部20生成用于产生正常图像的图像信号和用于产生视差图像并且用于相位检测AF的图像信号。
图像处理电路22对于从成像部20输入的图像信号执行各种处理，诸如灰度转换、白平衡校正和伽马校正，以产生图像数据。图像处理电路22在正常成像模式中产生正常图像数据。图像处理电路22在特殊成像模式中产生视差图像数据。视差图像数据由两个视点图像数据构成。图像处理电路22在正常成像模式和特殊成像模式中产生对焦检测图像数据对。
基于对焦检测图像数据，AF检测器23获得用于对焦拍摄透镜15的调焦量。基于由AF检测器23获得的调焦量，CPU11的AF控制器24通过透镜驱动器18移动对焦透镜。因此，焦距得以调整。
压缩/解压缩电路26压缩在图像处理电路22中产生的每个图像数据。压缩/解压缩电路26解压缩通过介质I/F27从存储器卡28读出的压缩图像数据。介质I/F27在存储器卡28上记录每个图像数据并且从存储器卡28读出每个图像数据。
外部I/F29连接到外部装置，诸如打印机和个人计算机，以与外部装置通信每个图像数据。USB(通用串行总线)等被用作外部I/F29。显示部30是液晶显示器等。显示部30显示通过图像(实时观察图像)、再现图像等。当捕捉视差图像时，显示部30显示立体图像。
成像部20具有固态成像装置17、放大器62a和62b、第一信号调整电路33、第二信号调整电路34，和信号加法器电路35。这些电路形成在其上形成固态成像装置17的半导体衬底上，并且构成成像部20。固态成像装置17是CMOS类型图像传感器。在CPU11的控制下，CMOS驱动器36驱动固态成像装置17。
在图2和3中，固态成像装置17具有第一相差像素(在下文中简单地被称作第一像素)37和第二相差像素(在下文中简单地被称作第二像素)38。在水平方向布置的第一像素37构成第一像素行39a。在水平方向布置的第二像素38构成第二像素行39b。第一像素行39a和第二像素行39b形成在固态成像装置17的成像表面上，使得第一像素行39a和第二像素行39b在垂直方向交替地布置。在垂直方向上彼此相邻的第一像素37和第二像素38被视为一对，这将在下面描述。
第一像素37具有第一光电二极管(PD)41和第一光电转换膜42。第一PD41和第一光电转换膜42中的每一个具有矩形形状并且将入射光以光电方式转换成信号电荷。如在图3中所示，第一光电转换膜42置放成部分地覆盖第一PD41。因此，作为光电转换器的第一PD41对于从右上入射的光高度敏感。相反，第一光电转换膜42对于从左上入射的光高度敏感。
以类似的方式，第二像素38具有第二光电二极管(PD)44和第二光电转换膜45。第二PD44和第二光电转换膜45中的每一个具有矩形形状并且将入射光以光电方式转换成信号电荷。第二光电转换膜45置放成部分地覆盖第二PD44。因此，作为光电转换器的第二PD44对于从左上入射的光高度敏感。相反，第二光电转换膜45对于从右上入射的光高度敏感。第一和第二光电转换膜42和45例如是有机光电转换膜或者由非晶硅制成。
第一像素37被提供有第一像素电路46a。第二像素38被提供有第二像素电路46b。第一像素电路46a放大存储在相应的第一PD41和第一光电转换膜42中的信号电荷，并且将它们输出为信号电压。第二像素电路46b放大存储在相应的第二PD44和第二光电转换膜45中的信号电荷，并且将它们输出为信号电压。
第一像素电路46a和第二像素电路46b中的每一个具有众所周知的读出晶体管、放大晶体管、开关晶体管、复位晶体管等。读出晶体管读出存储在PD和光电转换膜中的信号电荷。放大晶体管放大由读出晶体管读出的信号电荷并且将它们输出为信号电压。开关晶体管控制信号电压到信号线的读取。复位晶体管将存储在PD和光电转换膜中的信号电荷放电。
固态成像装置17被提供有驱动线47、第一PD信号线48a、第二PD信号线48b、第一光电转换膜信号线49a，和第二光电转换膜信号线49b。驱动线47驱动第一像素电路46a和第二像素电路46b。
第一PD信号线48a和第一光电转换膜信号线49a在水平方向上延伸。为每一个第一像素行39a提供第一PD信号线48a和第一光电转换膜信号线49a。第二PD信号线48b和第二光电转换膜信号线49b在水平方向上延伸。为每一个第二像素行39b提供第二PD信号线48b和第二光电转换膜信号线49b。
第一PD信号线48a读出与存储在第一PD41中的信号电荷相对应的信号电压。第二PD信号线48b读出与存储在第二PD44中的信号电荷相对应的信号电压。第一光电转换膜信号线49a读出与存储在第一光电转换膜42中的信号电荷相对应的信号电压。第二光电转换膜信号线49b读出与存储在第二光电转换膜45中的信号电荷相对应的信号电压。
驱动线47在垂直方向上延伸。为第一像素37和第二像素38的相应列提供驱动线47。CMOS驱动器36连接到CPU11。CMOS驱动器36通过相应的驱动线47驱动第一像素电路46a和第二像素电路46b。
通过相应的第一PD信号线48a和第二PD信号线48b读出信号电压，并且然后通过众所周知的输出电路和众所周知的放大器(这两者均未示出)向第一信号调整电路33输出每一个信号电压作为图像信号。以类似的方式，通过相应的第一光电转换膜信号线49a和第二光电转换膜信号线49b读出信号电压，并且然后通过众所周知的输出电路和众所周知的放大器(这两者均未示出)向第二信号调整电路34输出每一个信号电压作为图像信号。在下文中，对应于第一PD41的图像信号被称作第一RP图像信号。对应于第一光电转换膜42的图像信号被称作第一LF图像信号。对应于第二PD44的图像信号被称作第二LP图像信号。对应于第二光电转换膜45的图像信号被称作第二RF图像信号。
在图3中，N型层形成在半导体衬底(Psub)51的表面层中。半导体衬底51由P型硅形成。N型层构成相应的第一PD41和第二PD44。半导体衬底51形成有上述第一像素电路46a和第二像素电路46b(图3中未示出)。
透明绝缘膜54被提供在半导体衬底51上方。绝缘膜54例如由二氧化硅(SiO2)形成。遮光膜55被提供在绝缘膜54上方。遮光膜55例如由钨形成。遮光膜55具有第一偏心开口55a和第二偏心开口55b。第一偏心开口55a位于第一PD41之上。第二偏心开口55b位于第二PD44之上。
第一偏心开口55a形成在相对于第一PD41的中心向左方向移位的位置。由此遮光区域(在下文中简单地被称作右区域)，即第一PD41的大致右半部，被遮光膜55覆盖，而光接收区域(在下文中简单地被称作左区域)，即第一PD41的大致左半部，暴露。另一方面，第二偏心开口55b形成在相对于第二PD44的中心向右方向移位的位置。由此第二PD44的左区域(遮光区域)被遮光膜55覆盖，而第二PD44的右区域(光接收区域)暴露。
第一光电转换膜42和第二光电转换膜45被提供在遮光膜55上方。第一光电转换膜42置放成覆盖第一PD41的右区域。第二光电转换膜45置放成覆盖第二PD44的左区域。
提供光透过性平整化层57覆盖第一光电转换膜42和第二光电转换膜45以及遮光膜55。平整化层57的顶表面被平整化。滤色器58被提供在平整化层57上方。为相应的第一像素37和第二像素38提供滤色器58。对应于邻接的第一像素37和第二像素38对的滤色器58具有相同颜色。
第一PD信号线48a和第二PD信号线48b、第一光电转换膜信号线49a和第二光电转换膜信号线49b以及驱动线47(在图3中都未示出)形成在平整化层57中。
第一微透镜59a和第二微透镜59b被提供在滤色器58上方。第一微透镜59a的光轴OA1沿着第一PD41的中心线(第一像素37的中心线)定位。第二微透镜59b的光轴OA2沿着第二PD44的中心线(第二像素38的中心线)定位。
第一微透镜59a将从右倾斜方向入射在第一微透镜59a上的入射光60R1收集到第一PD41的左区域(光接收区域)上。另一方面，第一微透镜59a将从左倾斜方向入射在第一微透镜59a上的入射光60L1收集到第一光电转换膜42上。入射光60L1被第一光电转换膜42以光电方式转换，并且紧接在第一光电转换膜42之下形成遮光膜55，从而入射光60L1不到达第一PD41。因此，第一PD41对于入射光60R1高度敏感。第一光电转换膜42对于入射光60L1高度敏感。
第二微透镜59b将从左倾斜方向入射在第二微透镜59b上的入射光60L2收集到第二PD44的右区域(光接收区域)上。另一方面，第二微透镜59b将从右倾斜方向入射在第二微透镜59b上的入射光60R2收集到第二光电转换膜45上。入射光60R2被第二光电转换膜45以光电方式转换，并且紧接在第二光电转换膜45之下形成遮光膜55，从而入射光60R2不到达第二PD44。因此，第二PD44对于入射光60L2高度敏感。第二光电转换膜45对于入射光60R2高度敏感。
在图1中图示的第一信号调整电路33通过第一放大器62a连接到固态成像装置17。第一信号调整电路33将通过第一放大器62a从固态成像装置17输入的第一RP图像信号和第二LP图像信号中的每一个乘以预定系数K1。
以类似的方式，第二信号调整电路34通过第二放大器62b连接到固态成像装置17。第二信号调整电路34将通过第二放大器62b从固态成像装置17输入的第一LF图像信号和第二RF图像信号中的每一个乘以预定系数K2。系数K1和K2如此设定，使得在相同量的光入射在第一像素37和第二像素38上的情形中，图像信号的量基本彼此相等。
信号加法器电路35以预定组合将从相应的第一信号调整电路33和第二信号调整电路34输入的图像信号相加，并且向图像处理电路22输出结果。信号加法器电路35具有第一加法器电路64和第二加法器电路65。
在图4中，第一加法器电路64将两者均以时间序列从第一像素37读出的第一RP图像信号和第一LF图像信号逐像素地相加。由此生成第一像素内和信号。第一加法器电路64将两者均以时间序列从第二像素38读出的第二LP图像信号和第二RF图像信号逐像素地相加。由此生成第二像素内和信号。第一像素内和信号对应于一个像素的信号。第二像素内和信号对应于一个像素的信号。第一加法器电路64向图像处理电路22输出第一像素内和信号和第二像素内和信号。
图像处理电路22具有第一图像处理部66和第二图像处理部67。在正常成像模式激活第一图像处理部66。第一图像处理部66基于从第一加法器电路64输入的第一像素内和信号和第二像素内和信号产生正常图像数据。
在图5中，第二加法器电路65将第一像素37和第二像素38对的图像信号相加。更加具体地，第二加法器电路65将从像素37和38对中的第一像素37输出的第一RP图像信号和从其中的第二像素38输出的第二RF图像信号相加以生成第一像素间和信号。第二加法器电路65将从像素37和38对中的第一像素37输出的第一LF图像信号和从其中的第二像素38输出的第二LP图像信号相加，以生成第二像素间和信号。第一像素间和信号和第二像素间和信号被传输到图像处理电路22。
在特殊成像模式激活第二图像处理部67。第二图像处理部67产生R视点图像数据(第一图像)和L视点图像数据(第二图像)。基于从第一像素37和第二像素38对的信号生成的第一像素间和信号产生R视点图像数据。基于从第一像素37和第二像素38对的信号产生的第二像素间和信号生成L视点图像数据。
接着，参考图6的流程图描述数字相机10的操作。当通过操作单元12选择正常成像模式或者特殊成像模式时，CPU11通过透镜驱动器18驱动机械快门16并且通过CMOS驱动器36驱动固态成像装置17。
当机械快门16打开时，来自被摄体的光入射在固态成像装置17上。此时，入射光60R1通过第一偏心开口55a入射在第一PD41的左区域(光接收区域)上，第一偏心开口55a是穿过遮光膜55形成的。朝向第一PD41的右区域(遮光区域)引导的入射光60L1入射在第一光电转换膜42上。以类似的方式，入射光60L2通过第二偏心开口55b入射在第二PD44的右区域(光接收区域)上，第二偏心开口55b是穿过遮光膜55形成的。朝向第二PD44的左区域(遮光区域)引导的入射光60R2入射在第二光电转换膜45上。因此，入射光基本上由第一像素37和第二像素38的整个区域接收。
在固态成像装置17的第一像素37和第二像素38中的第一PD41和第二PD44与第一光电转换膜42和第二光电转换膜45中的每一个将入射光以光电方式转换成信号电荷并且将其存储。在CMOS驱动器36的控制下，相应的第一和第二像素电路46读出这些信号电荷作为信号电压。
从第一PD41输出的信号电压作为第一RP图像信号通过第一PD信号线48a被输出到第一信号调整电路33。以类似的方式，从第二PD44输出的信号电压作为第二LP图像信号通过第二PD信号线48b被输出到第一信号调整电路33。从第一光电转换膜42输出的信号电压作为第一LF图像信号通过第一光电转换膜信号线49a被输入到第二信号调整电路34。以类似的方式，从第二光电转换膜45输出的信号电压作为第二RF图像信号通过第二光电转换膜信号线49b被输入到第二信号调整电路34。
第一信号调整电路33将第一RP图像信号和第二LP图像信号中的每一个乘以预定系数K1，并且然后将信号输出到信号加法器电路35。第二信号调整电路34将第一LF图像信号和第二RF图像信号中的每一个乘以预定系数K2，并且然后将信号输出到信号加法器电路35。
如在图4中所示，第一加法器电路64将在每一个第一像素37内的第一RP图像信号和第一LF图像信号相加以生成第一像素内和信号。第一加法器电路64将在每一个第二像素38内的第二LP图像信号和第二RF图像信号相加以生成第二像素内和信号。第一像素内和信号和第二像素内和信号被输出到图像处理电路22。
如在图5中所示，第二加法器电路65将第一像素37和第二像素38对的第一RP图像信号和第二RF图像信号相加以生成第一像素间和信号。第二加法器电路65将第一像素37和第二像素38对的第一LF图像信号和第二LP图像信号相加以生成第二像素间和信号。第一像素间和信号和第二像素间和信号被输出到图像处理电路22。
在数字相机10的操作模式处于正常成像模式的情形中，图像处理电路22激活第一图像处理部66。第一图像处理部66基于从第一加法器电路64输入的第一像素内和信号和第二像素内和信号产生正常图像数据。
在数字相机10的操作模式处于特殊成像模式的情形中，图像处理电路22激活第二图像处理部67。第二图像处理部67基于从第二加法器电路65输入的相应的第一像素间和信号和第二像素间和信号产生R视点图像数据和L视点图像数据。
注意在正常成像模式中以上操作以预定周期重复。由第一图像处理部66产生的正常图像数据被输出到显示部30。在特殊成像模式中，R视点图像数据和L视点图像数据被以预定周期产生并且被传输到显示部30。因此立体图像得以显示。注意，如果显示部30并非旨在用于显示立体图像，则R视点图像数据被输出到显示部30。由此显示部30显示二维或者三维通过图像。
在正常成像模式和特殊成像模式中的任一个中，图像处理电路22产生R对焦检测图像数据(第一图像)和L对焦检测图像数据(第二图像)。R对焦检测图像数据和L对焦检测图像数据被用于相位检测AF。基于位于固态成像装置17的成像区域的一部分(例如，中心部分)中的第一像素37和第二像素38的第一像素间和信号和第二像素间和信号产生R对焦检测图像数据和L对焦检测图像数据。在第一图像和第二图像中的被摄体图像根据拍摄透镜15的对焦状态在左右方向上移位。注意，在特殊成像模式中，从整个成像区域获得的R视点图像数据和L视点图像数据可以被用作第一图像和第二图像。第一图像和第二图像被传输到AF检测器23。
AF检测器23分析第一图像和第二图像以检测在第一图像和第二图像之间的移位的方向和量。由此对焦透镜的调焦量(焦点对准位置)得以确定。对焦透镜包括在拍摄透镜15中。基于调焦量，AF控制器24通过透镜驱动器18移动对焦透镜。由此AF控制器24执行AF处理。注意在例如日本专利No.2959142和日本专利特开公布No.2009-128892中详细描述了相位检测AF，从而省略其说明。AF处理以预定周期执行直至操作单元12命令成像。
当在正常成像模式中将操作单元12的快门释放按钮按下一半时，如众所周知的那样，根据第一图像和第二图像的亮度计算暴光值。根据曝光值确定光圈值和曝光时间(存储时间)。根据光圈值控制孔径光阑。
当快门释放按钮被完全按下以命令成像时，所有的像素被复位。存储在每一个像素中的电荷被强制放电。在复位之后，曝光开始。执行光电转换并且在每一个像素中存储电荷。当经过了曝光时间时，机械快门16关闭以结束曝光。
当曝光完成时，从固态成像装置17输出一帧的图像信号。在第一信号调整电路33和第二信号调整电路34、第一加法器电路64，和图像处理电路22中，图像信号经历各种处理。由此产生正常图像数据。正常图像数据在压缩/解压缩电路26中被压缩并且然后通过介质I/F27记录在存储器卡28中。注意在获取图像信号之后机械快门16再次打开。由此通过图像的成像开始。
第一像素37和第二像素38中的每一个接收右倾斜入射光和左倾斜入射光。因此，通过像素内相加获得了具有基本与正常像素的图像信号相同的敏感性的图像信号。因此，无需为了改进敏感性而执行传统像素相加并且分辨率无任何降低。
另一方面，在图7中图示的对比示例中，固态成像装置70的第一PD41的右区域和第二PD44的左区域相对于光被遮蔽。固态成像装置70未提供有图3到5所示的第一光电转换膜42和第二光电转换膜45。在对比示例中，仅仅第一像素37的第一PD41的大致一半的区域接收入射光。仅仅第二像素38的第二PD44的大致一半的区域接收入射光。因此，在产生正常图像数据时，信号加法器电路71需要执行第一像素37的第一RP图像信号和第二像素38的第二LP图像信号的相加(像素相加)以生成一个像素的图像信号。由此正常图像数据的分辨率被减小为1/2。
在特殊成像模式中，当通过操作单元12命令成像时，在如上所述的自动曝光控制下执行立体成像。在成像之后，从固态成像装置17获得一个帧的图像信号。图像信号在第一信号调整电路33和第二信号调整电路34、第二加法器电路65，和图像处理电路22中经历各种处理。由此产生R视点图像数据和L视点图像数据。R视点图像数据和L视点图像数据在压缩/解压缩电路26中经历图像压缩并且然后作为图像文件中的视差图像数据被记录在存储器卡28中。
基于第一像素间和信号和第二像素间和信号产生R视点图像数据和L视点图像数据。第二加法器电路65执行像素间相加并且由此从两个像素生成两个像素信号。结果，敏感性提高。在捕捉立体图像之后，机械快门16再次打开。由此捕捉通过图像重新开始。
[第二实施例]
接着，参考图8描述本发明第二实施例的固态成像装置74。在上述第一实施例中，第一像素37和第二像素38分别具有第一PD41和第二PD44。替代PD，固态成像装置74使用光电转换膜。注意与第一实施例的固态成像装置17相同的部分具有相同的附图标记并且省略其说明(这适用于第三到第八实施例)。
在固态成像装置74的第一像素37中，第一主光电转换膜76形成在绝缘膜54上方。在第二像素38中，第二主光电转换膜77形成在绝缘膜54上方。第一主光电转换膜76和第二主光电转换膜77由与第一实施例的第一光电转换膜42和第二光电转换膜45相同的材料制成。
第一子光电转换膜78穿过绝缘膜54a形成在第一主光电转换膜76的右区域上方。第二子光电转换膜79穿过绝缘膜54a形成在第二主光电转换膜77的左区域上方。注意，第一子光电转换膜78和第二子光电转换膜79由与第一实施例的第一光电转换膜42和第二光电转换膜45相同的材料制成。
从右倾斜方向入射在第一微透镜59a上的入射光60R1被收集到第一主光电转换膜76的左区域上。从左倾斜方向入射在第一微透镜59a上的入射光60L1被收集到第一子光电转换膜78上。大部分的入射光60L1被第一子光电转换膜78以光电方式转换并且几乎不到达第一主光电转换膜76。由此第一主光电转换膜76对于入射光60R1高度敏感。第一子光电转换膜78对于入射光60L1高度敏感。
另一方面，从左倾斜方向入射在第二微透镜59b上的入射光60L2被收集到第二主光电转换膜77的右区域上。从右倾斜方向入射在第二微透镜59b上的入射光60R2被收集到第二子光电转换膜79上。大部分的入射光60R2被第二子光电转换膜79以光电方式转换并且几乎不到达第二主光电转换膜77。由此第二主光电转换膜77对于入射光60L2高度敏感。第二子光电转换膜79对于入射光60R2高度敏感。
因此，以类似于第一实施例的固态成像装置17的方式，基本上固态成像装置74的第一像素37和第二像素38的整个区域接收光。因此，固态成像装置74产生类似于第一实施例的固态成像装置17的效果。
[第三实施例]
接着，参考图9描述第三实施例的固态成像装置81。在上述第一实施例中，第一PD41的左区域(光接收区域)之上的绝缘膜54(在下文中被称作第一L绝缘膜54a)的表面和第二PD44的右区域(光接收区域)的绝缘膜54(在下文中被称作第二R绝缘膜54b)的表面被平整化。另一方面，在第三实施例的固态成像装置81中，在光接收区域上方的第一L绝缘膜54a和第二R绝缘膜54b的表面被形成为相应的非均匀表面82。每一个非均匀表面82具有微凹凸体(例如，带有多个锥形凸起的形状)。
颗粒异物层83被提供在第一光电转换膜42和遮光膜55之间，并且被提供在第二光电转换膜45和遮光膜55之间。颗粒异物层83包含颗粒异物诸如SiO2。颗粒异物层83被用于形成非均匀表面82。
第一L绝缘膜54a的非均匀表面82使得在平整化层57和第一L绝缘膜54a之间的平均折射率的改变连续。第二R绝缘膜54b的非均匀表面82使得在平整化层57和第二R绝缘膜54b之间的平均折射率的改变连续。由此表面反射受到抑制，并且因此第一像素37和第二像素38的敏感性提高。特别地，锥形凸起将入射光反射到第一PD41或者第二PD44，从而反射光被有效地使用。
接着，参考图10到12描述一种用于形成非均匀表面82的方法。在下文中，给出了关于第一像素37的说明。类似的说明适用于第二像素38。首先，如在图10中所示，在形成于半导体衬底51之上的绝缘膜54上方，遮光膜55、颗粒异物层83和光电转换膜84从底部起按照这个次序堆叠。
接着，如在图11中所示，抗蚀层85形成在光电转换膜84上方。在紧接在第一L绝缘膜54a之上的位置，穿过抗蚀层85形成开口85a。将抗蚀层85用作掩模，在半导体衬底51之上的每一个层上执行蚀刻处理。由此移除第一L绝缘膜54a之上的光电转换膜84。然后颗粒异物层83被蚀刻。在颗粒异物层83中，颗粒异物的蚀刻率不同于其余部分的蚀刻率，从而在蚀刻期间颗粒异物层83的表面具有微凹凸体。
当移除第一L绝缘膜54a之上的颗粒异物层83时，颗粒异物层83的微表面凹凸体的形状被转移到第一L绝缘膜54a之上的遮光膜55的表面。然后第一L绝缘膜54a之上的遮光膜55被移除，并且遮光膜55的微表面凹凸体的形状被转移到第一L绝缘膜54a的表面。由此，如在图12中所示，非均匀表面82形成在第一L绝缘膜54a的表面上。由此蚀刻处理完成。
此后，通过从光电转换膜84之上移除抗蚀层85而完成非均匀表面82的形成。此外，通过蚀刻处理等从光电转换膜84移除了不必要的部分。由此，形成第一光电转换膜42和第二光电转换膜45。
[第四实施例]
接着，描述在图13中图示的本发明第四实施例的固态成像装置87。在上述第一实施例中，第一微透镜59a将入射光收集到第一PD41和第一光电转换膜42上。第二微透镜59b将入射光收集到第二PD44和第二光电转换膜45上。在此情形中，在正常图像或者视差图像中可能发生渐晕。
固态成像装置87在第一微透镜59a与第一PD41和第一光电转换膜42之间具有第一内透镜88a。固态成像装置87在第二微透镜59b与第二PD44和第二光电转换膜45之间具有第二内透镜88b。
第一内透镜88a的最厚部分的顶点位于第一PD41的左区域(光接收区域)的中心之上。第一内透镜88a具有下凸形状，随着变得远离它的中心其厚度降低。第二内透镜88b的最厚部分的顶点位于第二PD44的右区域(光接收区域)的中心之上。第二内透镜88b具有下凸形状，随着变得远离它的中心其厚度降低。因此，第一光电转换膜42位于第一内透镜88a的裙部之下。第二光电转换膜45位于第二内透镜88b的裙部之下。
第一内透镜88a将从右倾斜方向入射在第一微透镜59a上的入射光60R1收集到第一PD41的光接收区域上。第一内透镜88a将从左倾斜方向入射在第一微透镜59a上的入射光60L1收集到第一光电转换膜42上。第二内透镜88b将从左倾斜方向入射在第二微透镜59b上的入射光60L2收集到第二PD44的光接收区域上。第二内透镜88b将从右倾斜方向入射在第二微透镜59b上的入射光60R2收集到第二光电转换膜45上。因此，第一微透镜59a和第二微透镜59b允许入射在第一微透镜59a和第二微透镜59b上的入射光适当地进入PD和光电转换膜。
在固态成像装置87中，每一个像素被提供有内透镜。注意每一个像素可以被提供有两个或者更多个内透镜。例如，在第一像素37中，内透镜形成在第一光电转换膜42和第一PD41的光接收区域中的每一个上方。在第二像素38中，内透镜形成在第二光电转换膜45和第二PD44的光接收区域中的每一个上方。
[第五实施例]
接着，描述在图14中图示的本发明第五实施例的固态成像装置90。在上述第一实施例中，第一光电转换膜42和第二光电转换膜45的侧面暴露。另一方面，反射壁91形成在固态成像装置90的第一光电转换膜42和第二光电转换膜45的侧面上。反射壁91由高折射率的材料制成。例如，在入射在第一像素37a上的入射光60R1的一部分击中相邻第一像素37b的第一光电转换膜42的侧面的情形中，反射壁91将入射光60R1反射回第一像素37a。由此入射光60R1进入第一PD41。因此，反射壁91防止入射光进入相邻像素的光电转换膜。
由此入射在第一像素37的第一PD41和第二像素38的第二PD44上的入射光的量增加。结果，第一像素37和第二像素38的敏感性提高。
[第六实施例]
在图15中图示的本发明第六实施例的固态成像装置95中，使得滤色器96的一部分比滤色器96的其余部分更厚。更加具体地，滤色器96形成有突出部分96a。突出部分96a形成在紧接在第一PD41的左区域(光接收区域)之上的位置和紧接在第二PD44的右区域(光接收区域)之上的位置中的每一个中。突出部分96a向下突出。通过改变突出部分96a的厚度而改变透射光的量。由此第一PD41和第二PD44的敏感性得到调整。
参考图16和17描述一种用于形成滤色器96的方法。如在图16中所示，在形成平整化层57之后，在平整化层57上方形成抗蚀层98。接着，穿过抗蚀层98形成开口98a。在紧接在第一PD41的左区域之上的位置和紧接在第二PD44的右区域之上的位置中的每一个中形成开口98a。然后执行抗蚀层98和平整化层57的总体蚀刻，即，所谓的回蚀处理。
如在图17中所示，由于回蚀处理，平整化层57形成有凹陷部分57a。凹陷部分57a形成在紧接在第一PD41的左区域之上的位置和紧接在第二PD44的右区域之上的位置中的每一个中。然后在平整化层57上方施加滤色器材料。由此滤色器材料填充凹陷部分57a。滤色器材料硬化。由此形成了具有突出部分96a的滤色器96。
[第七实施例]
在图18中图示的本发明第七实施例的固态成像装置100中，使得滤色器101的一部分比滤色器101的其余部分更薄。更加具体地，滤色器101形成有薄部分101a，每一个薄部分101a处于紧接在第一PD41的左区域之上的位置和紧接在第二PD44的右区域之上的位置中。薄部分101a的厚度小于其余部分的厚度。以类似于第六实施例的方式，薄部分101a的厚度改变以调整第一PD41和第二PD44的敏感性。
描述一种用于形成滤色器101的方法。如在图19中所示，抗蚀层103形成在平整化层57上方。分别地，抗蚀层103仅覆盖紧接在第一PD41的左区域之上的位置和紧接在第二PD44的右区域之上的位置。
接着，以类似于第六实施例的方式执行回蚀处理。由此，如在图20中所示，平整化层57形成有凸出部分57b，每一个凸出部分57b处于紧接在第一PD41的左区域之上的位置和紧接在第二PD44的右区域之上的位置中。滤色器材料施加在平整化层57上方并且硬化。由此形成了具有薄部分101a的滤色器96。
注意，在第六和第七实施例中，滤色器位于紧接在第一PD41的左区域和第二PD44的右区域之上的部分的颜色(例如，红色、绿色或者蓝色)可以不同于滤色器的其余部分的颜色。单个像素可以被提供有两个互补颜色的滤色器。可以省略滤色器以仅仅获得亮度信息。
[第八实施例]
接着，在图21中图示的本发明第七实施例的固态成像装置104中，与第一实施例相比较，第一光电转换膜42a和第二光电转换膜45a中的每一个的面积减小了ΔS。由此第一光电转换膜42a和第二光电转换膜45a的敏感性减小。
另一方面，在图22所示固态成像装置105中，与第一实施例相比较，第一光电转换膜42b和第二光电转换膜45b中的每一个的面积增加了ΔS。由此第一光电转换膜42b和第二光电转换膜45b的敏感性增加。
如上所述，第一光电转换膜和第二光电转换膜的面积改变以调整第一光电转换膜和第二光电转换膜的敏感性。PD和光电转换膜的面积被适当地调整以抵消在PD和光电转换膜的敏感性之间的差异。
入射在第一光电转换膜42和第二光电转换膜45上的光的大部分被以光电方式转换并且几乎不到达第一PD41和第二PD44。因此，在第一光电转换膜42和第二光电转换膜45之下的遮光膜55可以省略。
在每一个以上实施例中，固态成像装置仅仅包括第一和第二像素。除了正常图像，固态成像装置还能够捕捉立体图像。在仅仅捕捉正常图像的情形中，第一和第二像素被用于相位检测方法的AF控制。在此情形中，第一和第二像素被置放在距离测量区域例如屏幕的中心部分中。第三像素(正常像素)被置放在屏幕中心部分周围的区域中。每一个第三像素仅以光电转换器形成。在整个屏幕是距离测量区域的情形中，第一和第二像素对被分散到在屏幕内的适当的位置，并且第三像素被置放在屏幕的其余区域中。
在以上实施例中，在第一实施例的固态成像装置17中第一像素行39a和第二像素行39b交替地布置。第一和第二像素的布置样式不限于此。
在以上实施例中，固态成像装置、第一信号调整电路33和第二信号调整电路34，以及信号加法器电路35形成在同一半导体衬底上方。可替代地，固态成像装置、第一信号调整电路33和第二信号调整电路34，以及信号加法器电路35可以分开地提供。
可以使用能够显示二维图像或者三维图像的显示部30，诸如液晶显示器。柱面透镜方法、视差屏障方法、视差屏障方法、浮雕方法、帧序列方法、光方向方法等用于显示三维图像。
光电转换膜重叠在光电转换器(例如，光电二极管)上方。光电转换膜和光电转换器可以并排地置放。除了CMOS型固态成像装置，本发明还能够应用于CCD型固态成像装置。
彼此相邻的第一和第二像素被成对地使用。以对为基础读出信号电荷。然后执行像素内相加或者像素间相加。可替代地，可以以像素为基础读出信号电荷。存储在同一对的相邻的第一和第二像素中的电荷被相继地读出，并且然后可以执行相加处理。替代地，以像素为基础读出信号，并且来自光电转换器的像素信号和来自光电转换膜的像素信号经历图像处理。此后像素信号被写入两种类型的帧存储器中。然后，每一个像素信号被读出并且计算部可以以对为基础执行相加处理。
附图标记说明
10数字相机
17、74、81、87、90、95、100、104、105固态成像装置
37第一相差像素(第一像素)
38第二相差像素(第二像素)
41第一PD
42第一光电转换膜
44第二PD
45第二光电转换膜
58、96、101滤色器
59a第一微透镜
59b第二微透镜
76、77主光电转换膜
78、79子光电转换膜
82非均匀表面
88a第一内透镜
88b第二内透镜
91反射壁

Claims (10)

1.一种固态成像装置，其特征在于包括：
多个第一像素，每一个具有第一光电转换器和第一光电转换膜，所述第一光电转换器和所述第一光电转换膜以光电方式转换入射光，所述第一光电转换膜相对于所述第一光电转换器在第一方向上移位；以及
多个第二像素，每一个具有第二光电转换器和第二光电转换膜，所述第二光电转换器和所述第二光电转换膜以光电方式转换入射光，所述第二光电转换膜相对于所述第二光电转换器在第二方向上移位，所述第二方向与所述第一方向相反；
其中所述第一光电转换膜部分地覆盖所述第一光电转换器的入射侧，并且所述第二光电转换膜部分地覆盖所述第二光电转换器的入射侧，以及所述第一光电转换器位于所述第一像素的中心，并且所述第二光电转换器位于所述第二像素的中心。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其特征在于包括：
第一加法器电路，所述第一加法器电路用于将在所述第一像素和所述第二像素的每一个中的所述光电转换器的信号和所述光电转换膜的信号相加；以及
第二加法器电路，所述第二加法器电路用于将两个相邻的第一像素和第二像素的两个光电转换器的信号相加，并且将所述两个相邻的第一像素和第二像素的两个光电转换膜的信号相加。
3.根据权利要求1所述的固态成像装置，其特征在于，所述第一光电转换器和所述第二光电转换器中的每一个是形成在半导体衬底的表面层中的光电二极管，所述第一光电转换器具有不被所述第一光电转换膜覆盖的部分作为光接收区域，并且所述第二光电转换器具有不被所述第二光电转换膜覆盖的部分作为光接收区域。
4.根据权利要求1所述的固态成像装置，其特征在于，所述第一光电转换器和所述第二光电转换器中的每一个是形成在半导体衬底上方的光电转换膜，所述第一光电转换器具有不被所述第一光电转换膜覆盖的部分作为光接收区域，并且所述第二光电转换器具有不被所述第二光电转换膜覆盖的部分作为光接收区域。
5.根据权利要求3所述的固态成像装置，其特征在于，光透过性绝缘膜形成在所述半导体衬底上方，并且所述第一光电转换膜和所述第二光电转换膜形成在所述绝缘膜上方。
6.根据权利要求5所述的固态成像装置，其特征在于，微凹凸体形成在位于所述光接收区域之上的所述绝缘膜的表面上。
7.根据权利要求5所述的固态成像装置，其特征在于，所述第一像素和所述第二像素中的每一个包括微透镜和位于所述微透镜的内侧上的内透镜，所述微透镜的光轴与对应像素的中心重合，并且所述内透镜的顶点与对应的光接收区域的中心重合。
8.根据权利要求3所述的固态成像装置，其特征在于，所述第一像素和所述第二像素具有滤色器，并且所述滤色器中位于所述光接收区域之上的部分的厚度不同于所述滤色器中位于所述第一光电转换膜之上的部分的厚度和所述滤色器中位于所述第二光电转换膜之上的部分的厚度。
9.根据权利要求3所述的固态成像装置，其特征在于，所述光接收区域的面积不同于所述第一光电转换膜的面积和所述第二光电转换膜的面积。
10.一种数字相机，具有用于形成被摄体的图像的拍摄透镜和用于捕捉所述图像的固态成像装置，所述固态成像装置的特征在于包括：
多个第一像素，每一个具有第一光电转换器和第一光电转换膜，所述第一光电转换器和所述第一光电转换膜以光电方式转换入射光，所述第一光电转换膜相对于所述第一光电转换器在第一方向上移位；以及
多个第二像素，每一个具有第二光电转换器和第二光电转换膜，所述第二光电转换器和所述第二光电转换膜以光电方式转换入射光，所述第二光电转换膜相对于所述第二光电转换器在第二方向上移位，所述第二方向与所述第一方向相反；
其中所述第一光电转换膜部分地覆盖所述第一光电转换器的入射侧，并且所述第二光电转换膜部分地覆盖所述第二光电转换器的入射侧，以及所述第一光电转换器位于所述第一像素的中心，并且所述第二光电转换器位于所述第二像素的中心。
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