CN103780848B - 图像传感器和摄像设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种图像传感器和摄像设备。所述图像传感器包括：多个图像形成像素，用于接收穿过成像光学系统的摄像光瞳区域的光束；多个第一焦点检测像素，用于接收穿过比所述摄像光瞳区域小的第一光瞳区域的光束；以及多个第二焦点检测像素，用于接收穿过比所述摄像光瞳区域小的第二光瞳区域的光束。所述第一光瞳区域的几何中心不同于所述第二光瞳区域的几何中心。所述第一焦点检测像素的微透镜相对于像素中心的偏心不同于与所述第一焦点检测像素邻接的图像形成像素的微透镜相对于像素中心的偏心。

Description

图像传感器和摄像设备
技术领域
本发明涉及一种图像传感器和使用该图像传感器的摄像设备。
背景技术
已经提出了使用利用在各像素上形成有微透镜的二维图像传感器的光瞳分割相位差方法(摄像面相位差方法)作为检测摄像镜头的焦点状态的方法的摄像设备。
在诸如照相机镜头单元等的光学系统中，入射光瞳是从该镜头的前方观看到的孔径光阑的光学图像。从该镜头的后方观看到的孔径光阑的相应图像已知为出射光瞳。孔径光阑的图像将在超出照相机镜头单元以外的特定距离处聚焦并且该距离已知为摄像镜头的光瞳距离。现代的图像传感器通常包括像素周围的微透镜阵列从而提高光捕获效率。作为其结果，图像传感器仅能够接受来自有限的角度范围和各光电二极管的光，因而图像传感器具有作为经由微透镜观看到的向着这些光电二极管的开口的图像的入射光瞳。图像传感器的入射光瞳距离是这些开口经由微透镜聚焦的距离。
美国专利4410804公开了使用针对一个像素形成有一个微透镜和多个分割得到的光电转换部的二维图像传感器的摄像设备。分割得到的光电转换部被配置为经由一个微透镜从摄像镜头的出射光瞳的不同区域接收光，由此进行光瞳分割。该设备通过根据这些分割得到的光电转换部所接收到的各信号获得图像偏移量来进行焦点检测，并且通过将分割得到的光电转换部所接收到的信号进行相加来获取摄像信号。该专利文献还公开了：该设备可以通过针对右眼和左眼单独显示各像素上横向分割得到的光电转换部所接收到的视差信号来获得立体图像。日本特开2000-156823公开了在包括多个图像形成像素的二维图像传感器中部分地配置有一对焦点检测像素的摄像设备。该对焦点检测像素被配置为经由具有开口的遮光层来从摄像镜头的出射光瞳的不同区域接收光，由此进行光瞳分割。该设备使用配置在二维传感器的绝大部分上的图像形成像素来获取摄像信号，并且通过根据部分地配置在该传感器上的焦点检测像素的信号获得图像偏移量来进行焦点检测。
例如，考虑具有可更换镜头的照相机。在这种情况下，如果摄像镜头的出射光瞳距离不同于图像传感器的入射光瞳距离，则图像传感器处的像高的增加将会导致在摄像镜头的出射光瞳和图像传感器的入射光瞳之间产生光瞳偏移。另外，由于批量生产的偏差所引起的微透镜和分割得到的光电转换部之间或者微透镜和具有开口的遮光层之间的位置偏移会导致在摄像镜头的出射光瞳和图像传感器的入射光瞳之间产生光瞳偏移。在使用摄像面相位差方法的焦点检测中，伴随着光瞳偏移的发生，经过了光瞳分割的各光瞳部分区域的不对称性增大，这导致焦点检测精度的下降。
日本特开2009-15164公开了通过配置彼此偏移了不同偏移量的多个焦点检测像素以在微透镜和分割得到的光电转换部之间进行定位来应对光瞳偏移的技术。该技术通过根据摄像镜头和焦点检测所用的像高来选择使经过了光瞳分割的各光瞳部分区域的不对称性最小的焦点检测像素，进行使用摄像面相位差方法的焦点检测。
然而，在实际的图像传感器中，由于各像素具有有限大小，因此关于分割得到的光电转换部或具有开口的遮光层在像素内部发生偏移的偏移量，存在上限。这使得无法应对图像传感器的周边像高处的光瞳偏移，由此导致焦点检测精度的下降。这就限制了光瞳分割相位差方法能够进行焦点检测的像高范围。
发明内容
本发明是考虑到以上问题而作出的，并且使得在通过使用光瞳分割相位差方法对摄像面进行焦点检测时、能够进行焦点检测的像高范围扩大。
根据本发明的第一方面，提供一种图像传感器，包括：多个图像形成像素，用于接收穿过成像光学系统的摄像光瞳区域的光束；多个第一焦点检测像素，用于接收穿过比所述摄像光瞳区域小的第一光瞳区域的光束；以及多个第二焦点检测像素，用于接收穿过比所述摄像光瞳区域小的第二光瞳区域的光束，其中，所述第一光瞳区域的几何中心不同于所述第二光瞳区域的几何中心，并且所述第一焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心不同于与所述第一焦点检测像素邻接的图像形成像素的透镜相对于像素中心的偏心，所述第一焦点检测像素在所述第一焦点检测像素的透镜和所述第一焦点检测像素的光电转换部之间包括具有第一开口的第一遮光层，所述第二焦点检测像素在所述第二焦点检测像素的透镜和所述第二焦点检测像素的光电转换部之间包括具有第二开口的第二遮光层，以及所述第一焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心和所述第二焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心的方向与所述第一开口的几何中心和所述第二开口的几何中心的平均位置相对于像素中心的偏心的方向相反。
根据本发明的第二方面，提供一种图像传感器，包括：多个图像形成像素，用于接收穿过成像光学系统的摄像光瞳区域的光束；多个第一焦点检测像素，用于接收穿过比所述摄像光瞳区域小的第一光瞳区域的光束；以及多个第二焦点检测像素，用于接收穿过比所述摄像光瞳区域小的第二光瞳区域的光束，其中，所述多个图像形成像素排列在与所述成像光学系统的光轴垂直的第一方向上，所述多个第一焦点检测像素以在与所述第一方向和所述光轴的方向垂直的第二方向上相对于所述多个图像形成像素存在偏移的方式排列在所述第一方向上，所述多个第二焦点检测像素以在所述第二方向上相对于所述多个图像形成像素存在偏移的方式排列在所述第一方向上，所述第一焦点检测像素在所述第一焦点检测像素的透镜和所述第一焦点检测像素的光电转换部之间包括具有第一开口的第一遮光层，所述第二焦点检测像素在所述第二焦点检测像素的透镜和所述第二焦点检测像素的光电转换部之间包括具有第二开口的第二遮光层，所述第二开口在所述第一方向上位于与所述第一开口的位置不同的位置处，所述第一开口的几何中心和所述第二开口的几何中心的平均位置相对于所述第一焦点检测像素的光电转换部的几何中心在所述第一方向上偏心，在所述第一方向上的相同像高处，所述第一焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心与所述图像形成像素的透镜相对于像素中心的偏心在所述第一方向上不同，在所述第一方向上的相同像高处，所述第二焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心与所述图像形成像素的透镜相对于像素中心的偏心在所述第一方向上不同，以及在所述第一方向上，所述第一焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心和所述第二焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心的方向与所述第一开口的几何中心和所述第二开口的几何中心的平均位置相对于像素中心的偏心的方向相反。
根据本发明的第三方面，提供一种包括上述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是示出根据本发明的实施例的摄像设备的示意结构的框图；
图2是本发明的实施例中的像素阵列的示意图；
图3A和3B分别是示出第一实施例中的结构1的第一焦点检测像素的示意平面图和示意截面图；
图4A和4B分别是示出第一实施例中的结构1的第二焦点检测像素的示意平面图和示意截面图；
图5A和5B分别是示出第一实施例中的图像形成像素的示意平面图和示意截面图；
图6A～6C是用于说明第一实施例中的结构1的光瞳分割的示意图；
图7A和7B分别是示出第一实施例中的结构2的第一焦点检测像素的示意平面图和示意截面图；
图8A和8B分别是示出第一实施例中的结构2的第二焦点检测像素的示意平面图和示意截面图；
图9A～9C是用于说明第一实施例中的结构2的光瞳分割的示意图；
图10A和10B分别是示出第一实施例中的结构3的第一焦点检测像素的示意平面图和示意截面图；
图11A和11B分别是示出第一实施例中的结构3的第二焦点检测像素的示意平面图和示意截面图；
图12A～12C是用于说明第一实施例中的结构3的光瞳分割的示意图；
图13A～13C是用于说明光瞳偏移的示意图；
图14A和14B是用于说明光瞳偏移的示意图；
图15A和15B分别是示出第二实施例中的结构1的第一焦点检测像素的示意平面图和示意截面图；
图16A和16B分别是示出第二实施例中的结构1的第二焦点检测像素的示意平面图和示意截面图；
图17A和17B分别是示出第二实施例中的图像形成像素的示意平面图和示意截面图；
图18A和18B分别是示出第二实施例中的结构2的第一焦点检测像素的示意平面图和示意截面图；以及
图19A和19B分别是示出第二实施例中的结构2的第二焦点检测像素的示意平面图和示意截面图。
具体实施方式
以下将参考附图来详细说明本发明的实施例。
第一实施例
整体结构
图1是示出根据本发明的第一实施例的作为包括图像传感器的照相机的摄像设备的结构的框图。参考图1，附图标记101表示第一透镜组，其中该第一透镜组101配置在成像光学系统的前端处并且被保持成在光轴方向上前后可移动；附图标记102表示光圈/快门，其中该光圈/快门102通过调节开口直径来进行摄像时的光量调节，并且在静止图像拍摄时还用作曝光时间调节快门；并且附图标记103表示第二透镜组。光圈/快门102和第二透镜组103在光轴方向上一体地前后移动以与第一透镜组101的前后移动连动地实现变倍作用(变焦功能)。
附图标记105表示第三透镜组，其中该第三透镜组105在光轴方向上前后移动以进行焦点调节；附图标记106表示光学低通滤波器，其中该光学低通滤波器是用于减轻所拍摄图像的伪色或波纹的光学元件；并且附图标记107表示图像传感器，其中该图像传感器107包括二维CMOS光电传感器和周边电路。
附图标记111表示变焦致动器，其中该变焦致动器111使凸轮筒(未示出)枢转以在光轴方向上前后驱动第一透镜组101、第二透镜组103和第三透镜组105，从而进行变倍操作。附图标记112表示光圈快门致动器，其中该光圈快门致动器112通过控制光圈/快门102的开口直径来调节摄像光量并且控制静止图像拍摄时的曝光时间。附图标记114表示调焦致动器，其中该调焦致动器114通过在光轴方向上前后驱动第三透镜组105来进行焦点调节。
附图标记115表示电子闪光灯，其中该电子闪光灯115用于在摄像时对被摄体进行照明。作为该闪光灯，适当使用利用氙管的闪光照明装置。然而，可以使用包括连续发光的LED的照明装置。附图标记116表示AF辅助光装置，其中该AF辅助光装置116将具有预定开口图案的掩模的图像经由投光透镜投影至视野，并且提高针对暗的被摄体或低对比度的被摄体的焦点检测性能。
附图标记121表示对照相机主体进行各种控制的照相机内的CPU，并且包括计算单元、ROM、RAM、A/D转换器、D/A转换器和通信接口电路。CPU121基于存储在ROM中的预定程序来驱动照相机的各种电路，以执行包括AF、摄像、图像处理和记录的一系列操作。
附图标记122表示电子闪光灯控制电路，其中该电子闪光灯控制电路122与摄像操作同步地对电子闪光灯115进行ON/OFF(点亮/熄灭)控制；附图标记123表示辅助光驱动电路，其中该辅助光驱动电路123与焦点检测操作同步地对AF辅助光装置116进行ON/OFF控制；附图标记124表示图像传感器驱动电路，其中该图像传感器驱动电路124控制图像传感器107的摄像操作并且通过对所获取到的图像信号进行A/D转换来将该信号发送至CPU121；并且附图标记125表示图像处理电路，其中该图像处理电路125对图像传感器107所获取到的图像进行诸如γ转换、颜色插值和JPEG压缩等的处理。
附图标记126表示调焦驱动电路，其中该调焦驱动电路125基于焦点检测结果来驱动/控制调焦致动器114，以通过在光轴方向上前后驱动第三透镜组105来进行焦点调节；附图标记128表示光圈快门驱动电路，其中该光圈快门驱动电路128驱动/控制光圈快门致动器112以控制光圈/快门102的开口；并且附图标记129表示变焦驱动电路，其中该变焦驱动电路129根据操作员所进行的变焦操作来驱动变焦致动器111。
附图标记131表示诸如LCD等的显示装置，其中该显示装置131显示与照相机的拍摄模式有关的信息、拍摄前的预览图像、拍摄后的确认图像、以及焦点检测时的聚焦状态显示图像等；附图标记132表示包括电源开关、释放(摄像触发)开关、变焦操作开关和摄像模式选择开关等的操作开关组；并且附图标记133表示能够拆卸的闪速存储器，其中该闪速存储器133记录所拍摄图像。
图像传感器
图2是示出第一实施例中的图像传感器的像素阵列的示意图。图2在20(列)×20(行)的范围内示出第一实施例中的二维CMOS传感器(图像传感器)的像素阵列。图2所示的20(列)×20(行)中的多个阵列配置在表面上以使得能够获取到高分辨率图像。本实施例将举例说明像素间距为4μm、有效像素计数为水平5575列×垂直3725行=约20000000个像素、并且摄像画面大小为22.3mm(水平)×14.9mm(垂直)的图像传感器。
在本实施例中，图2所示的2(行)×2(列)的焦点检测像素组200包括位于左上方的具有R(红色)光谱灵敏度的像素200R、位于右上方和左下方的具有G(绿色)光谱灵敏度的像素200G、以及位于右下方的具有B(蓝色)光谱灵敏度的像素200B。图2所示的2(行)×2(列)的像素组210(220、230、240或250)包括位于右上方和左下方的具有G光谱灵敏度的两个图像形成像素210G(220G、230G、240G或250G)。该像素组还包括位于左上方的具有W(白色)光谱灵敏度的第一焦点检测像素210SA(220SA、230SA、240SA或250SA)和位于右下方的具有W光谱灵敏度的第二焦点检测像素210SB(220SB、230SB、240SB或250SB)。
结构1
以下将说明结构1的焦点检测像素组230。图3A是在从图像传感器的光接收面侧(+z侧)观看的情况下作为图2所示的图像传感器的一个像素的第一焦点检测像素230SA的平面图。图3B是在从-y侧观看的情况下沿着图3A的a-a所截取的截面图。图4A是在从图像传感器的光接收面侧(+z侧)观看的情况下作为图2所示的图像传感器的一个像素的第二焦点检测像素230SB的平面图。图4B是在从-y侧观看的情况下沿着图4A的b-b所截取的截面图。图5A是在从图像传感器的光接收面侧(+z侧)观看的情况下作为图2所示的图像传感器的一个像素的第一图像形成像素230G的平面图。图5B是在从-y侧观看的情况下沿着图5A的c-c所截取的截面图。
如图3A～5B所示，在本实施例的第一焦点检测像素230SA、第二焦点检测像素230SB和图像形成像素230G的每一个中，形成了p型层300和n型层301夹持n-本征层302的具有pin结构的光电二极管(光电转换部)PD。光电转换部PD的区域等同于形成在n-本征层302中的耗尽层及其周围区域延伸了少数载流子扩散的距离的区域，并且与n-本征层302和n型层301的总区域几乎重叠。可以根据需要省略n-本征层302以形成p-n结光电二极管。在各像素的光接收侧上形成有用于使入射光聚光的微透镜305。
在图3A和3B所示的第一焦点检测像素230SA中，在微透镜305和光电转换部PD之间形成有具有第一开口的第一遮光层330a，其中该第一开口的几何中心相对于光电转换部的光接收面的几何中心在-x方向上偏心。
在图4A和4B所示的第二焦点检测像素230SB中，在微透镜305和光电转换部PD之间形成有具有第二开口的第二遮光层330b，其中该第二开口的几何中心相对于光电转换部的光接收面的几何中心在+x方向上偏心。
在结构1中，第一遮光层330a的第一开口的几何中心不同于第二遮光层330b的第二开口的几何中心。另外，使得第一遮光层330a的第一开口的几何中心和第二遮光层330b的第二开口的几何中心的平均位置与光电转换部的光接收面的几何中心几乎一致。
本实施例通过使用用于驱动图像传感器的布线层来形成具有第一开口的第一遮光层和具有第二开口的第二遮光层。也就是说，所形成的层兼用作布线层和遮光层。
在本实施例中，第一焦点检测像素在该第一焦点检测像素的微透镜和该第一焦点检测像素的光电转换部之间设置有具有第一开口的第一遮光层。另外，第二焦点检测像素在该第二焦点检测像素的微透镜和该第二焦点检测像素的光电转换部之间设置有具有第二开口的第二遮光层。
微透镜305使入射到图3A和3B(图4A和4B)所示的第一焦点检测像素230SA(第二焦点检测像素230SB)的光会聚。所会聚的光的一部分穿过第一遮光层330a(第二遮光层330b)的第一开口(第二开口)并且被光电转换部PD接收到。光电转换部PD根据所接收到的光量来生成电子空穴对，并且经由耗尽层使这些电子空穴对分离。然后，光电转换部PD将带负电的电子累积在n型层301中，而经由连接至恒压源(未示出)的p型层300将这些空穴排出到图像传感器外部。
与焦点检测像素相对比，在图5A和5B所示的图像形成像素230G中，仅在该像素的周边部上形成布线层330c，并且在该像素的中央部中没有形成遮光层。在微透镜305和光电转换部PD之间形成G(绿色)滤色器(未示出)。
图6A～6C是示出利用结构1的像素上所形成的遮光层的开口和光瞳分割之间的对应关系的示意图。图6A是在从+y侧观看的情况下沿着图3A的a-a所截取的第一焦点检测像素230SA的截面图，并且示出成像光学系统的出射光瞳面。图6B是在从+y侧观看的情况下沿着图4A的b-b所截取的第二焦点检测像素230SB的截面图，并且示出成像光学系统的出射光瞳面。图6C是在从+y侧观看的情况下沿着图5A的c-c所截取的图像形成像素230G的截面图，并且示出成像光学系统的出射光瞳面。在图6A～6C各自中，为了与出射光瞳面的坐标轴相匹配，使截面图的x轴和y轴相对于图3A～5B各自反转。
参考图6A～6C，附图标记400表示成像光学系统的出射光瞳；附图标记500表示图像形成像素230G的光瞳强度分布(摄像光瞳区域)；附图标记530a表示第一焦点检测像素230SA的光瞳强度分布(第一光瞳区域)；并且附图标记530b表示第二焦点检测像素230SB的光瞳强度分布(第二光瞳区域)。注意，附图标记PD表示光电转换部。来自被摄体的光束穿过成像光学系统的出射光瞳400并且入射到各像素。
参考图6C，图像形成像素的摄像光瞳区域500经由微透镜与光电转换部PD的光接收面几乎共轭，并且表示经由图像形成像素能够接收光的光瞳区域。光瞳距离为数10mm，而微透镜的直径为几μm。因此，微透镜的光圈值为数万，由此发生数10mm等级的衍射模糊。由于该原因，光电转换部PD的光接收面上的图像不是清楚区域而是表示光接收率分布。
使图像形成像素的摄像光瞳区域500最大以接收穿过成像光学系统的出射光瞳400的大量光束。另外，摄像光瞳区域500的几何中心在预定光瞳距离处与成像光学系统的几何中心几乎一致。
参考图6A，在第一焦点检测像素230SA的第一光瞳区域530a中，第一遮光层330a的几何中心经由微透镜与在-x方向上偏心的第一开口几乎共轭。图6A还示出经由第一焦点检测像素230SA能够接收光的光瞳区域。第一焦点检测像素230SA的第一光瞳区域530a小于图像形成像素的摄像光瞳区域500并且在光瞳面上其几何中心向着+X侧偏心。
参考图6B，在第二焦点检测像素230SB的第二光瞳区域530b中，第二遮光层330b的几何中心经由微透镜与在+x方向上偏心的第二开口几乎共轭。图6B还示出经由第二焦点检测像素230SB能够接收光的光瞳区域。第二焦点检测像素230SB的第二光瞳区域530b小于图像形成像素的摄像光瞳区域500并且在光瞳面上其几何中心向着-X侧偏心。
第一焦点检测像素230SA的第一光瞳区域530a的几何中心和第二焦点检测像素230SB的第二光瞳区域530b的几何中心彼此不同并且在相反方向上偏心。这使得可以在X方向上对成像光学系统的出射光瞳400进行光瞳分割。同样，使第一遮光层的第一开口的几何中心在-y方向上偏心并且使第二遮光层的第二开口的几何中心在+y方向上偏心，这可以在Y方向上对成像光学系统的出射光瞳400进行光瞳分割。
在结构1中，第一光瞳区域530a的几何中心不同于第二光瞳区域530b的几何中心。另外，第一光瞳区域530a的几何中心和第二光瞳区域530b的几何中心的平均值在预定光瞳距离处与摄像光瞳区域500的几何中心几乎一致。
本实施例的图像传感器包括：多个图像形成像素，用于接收穿过成像光学系统的摄像光瞳区域的光束；多个第一焦点检测像素，用于接收穿过比摄像光瞳区域小的第一光瞳区域的光束；以及多个第二焦点检测像素，用于接收穿过比摄像光瞳区域小的第二光瞳区域的光束，并且该图像传感器被配置成第一光瞳区域的几何中心不同于第二光瞳区域的几何中心。
结构2
以下将说明结构2的焦点检测像素组220。图7A是在从图像传感器的光接收面侧(+z侧)观看的情况下作为图2所示的图像传感器的一个像素的第一焦点检测像素220SA的平面图。图7B是在从-y侧观看的情况下沿着图7A的a-a所截取的截面图。图8A是在从图像传感器的光接收面侧(+z侧)观看的情况下作为图2所示的图像传感器的一个像素的第二焦点检测像素220SB的平面图。图8B是在从-y侧观看的情况下沿着图8A的b-b所截取的截面图。图像形成像素220G与结构1的第一图像形成像素230G相同。
在结构2中，第一焦点检测像素220SA的第一遮光层320a的第一开口的几何中心不同于第二焦点检测像素220SB的第二遮光层320b的第二开口的几何中心。另外，第一遮光层320a的第一开口的几何中心和第二遮光层320b的第二开口的几何中心的平均位置相对于光电转换部的光接收面的几何中心在-x方向上偏心。
与此相对比，图2所示的焦点检测像素组240的第一焦点检测像素240SA和第二焦点检测像素240SB被配置成第一遮光层的第一开口的几何中心和第二遮光层的第二开口的几何中心的平均位置相对于光电转换部的光接收面的几何中心在+x方向上偏心。
图9A～9C是用于说明结构2中的像素上所形成的遮光层的开口和光瞳分割之间的对应关系的示意图。图9A是在从+y侧观看的情况下沿着图7A的a-a所截取的第一焦点检测像素220SA的截面图，并且示出成像光学系统的出射光瞳面。图9B是在从+y侧观看的情况下沿着图8A的b-b所截取的第二焦点检测像素220SB的截面图，并且示出成像光学系统的出射光瞳面。在图9A～9C各自中，为了与出射光瞳面的坐标轴相匹配，使截面图的x轴和y轴相对于图7A～8B各自反转。
在结构2中，第一焦点检测像素220SA的第一光瞳区域520a的几何中心不同于第二焦点检测像素220SB的第二光瞳区域520b的几何中心。第一光瞳区域520a的几何中心和第二光瞳区域520b的几何中心的平均值在预定光瞳距离处相对于摄像光瞳区域500的几何中心向着+X侧偏心。
与此相对比，图2所示的焦点检测像素组240的第一焦点检测像素240SA和第二焦点检测像素240SB被配置成第一光瞳区域的几何中心和第二光瞳区域的几何中心的平均值在预定光瞳距离处相对于摄像光瞳区域500的几何中心向着-X侧偏心。
结构3
以下将说明结构3的焦点检测像素组210。图10A是示出在从图像传感器的光接收面(+z侧)观看的情况下作为图2所示的图像传感器的一个像素的第一焦点检测像素210SA的平面图。图10B是在从-y侧观看的情况下沿着图10A的a-a所截取的截面图。图11A是示出在从图像传感器的光接收面(+z侧)观看的情况下作为图2所示的图像传感器的一个像素的第二焦点检测像素210SB的平面图。图11B是在从-y侧观看的情况下沿着图11A的b-b所截取的第二焦点检测像素210SB的截面图。图像形成像素210G与结构1的第一图像形成像素230G相同。
在结构3中，第一焦点检测像素210SA的第一遮光层310a的第一开口的几何中心不同于第二焦点检测像素210SB的第二遮光层310b的第二开口的几何中心。第一遮光层310a的第一开口的几何中心和第二遮光层310b的第二开口的几何中心的平均位置相对于光电转换部的光接收面的几何中心在-x方向上偏心。第一焦点检测像素210SA和第二焦点检测像素210SB的微透镜相对于光电转换部的光接收面的几何中心在+x方向上偏心。
与此相对比，图2所示的焦点检测像素组250的第一焦点检测像素250SA和第二焦点检测像素250SB被配置成第一遮光层的第一开口的几何中心和第二遮光层的第二开口的几何中心的平均位置相对于光电转换部的光接收面的几何中心在+x方向上偏心。第一焦点检测像素250SA和第二焦点检测像素250SB的微透镜相对于光电转换部的光接收面的几何中心在-x方向上偏心。
第一焦点检测像素和第二焦点检测像素的微透镜在与第一开口的几何中心和第二开口的几何中心的平均位置偏心的方向相反的方向上偏心。
由于在本实施例中第一焦点检测像素210SA的第一遮光层310a由用于驱动图像传感器的布线层构成，因此第一遮光层310a的第一开口无法在-x方向上进一步偏心。作为代替，使第一焦点检测像素210SA的微透镜在作为相反方向的+x方向上偏心。与结构2的情况相比，可以进一步增加第一遮光层310a的第一开口相对于第一焦点检测像素210SA的微透镜的偏心量。图像形成像素210G的微透镜与结构1的情况相同。
如图2所示，构成像素组210的第一焦点检测像素210SA和图像形成像素210G彼此邻接。图10A和10B所示的第一焦点检测像素210SA的微透镜的偏心不同于图5A和5B所示的图像形成像素230G的微透镜的偏心。同样，如图2所示，构成像素组210的第二焦点检测像素210SB和图像形成像素210G彼此邻接。图11A和11B所示的第二焦点检测像素210SB的微透镜的偏心不同于图5A和5B所示的图像形成像素230G的微透镜的偏心。
因此，在本实施例中，第一焦点检测像素210SA的微透镜的偏心不同于邻接的图像形成像素210G的微透镜的偏心。另外，第二焦点检测像素210SB的微透镜的偏心不同于邻接的图像形成像素210G的微透镜的偏心。
图12A～12C是示出结构3中的像素上所形成的遮光层的开口和光瞳分割之间的对应关系的示意图。图12A是在从+y侧观看的情况下沿着图10A的a-a所截取的第一焦点检测像素210SA的截面图，并且示出成像光学系统的出射光瞳面。图12B是在从+y侧观看的情况下沿着图11A的b-b所截取的第二焦点检测像素210SB的截面图，并且示出成像光学系统的出射光瞳面。在图12A～12C各自中，为了与出射光瞳面的坐标轴相匹配，使截面图的x轴和y轴相对于图10A～11B各自反转。
在结构3中，第一焦点检测像素210SA的第一光瞳区域510a的几何中心不同于第二焦点检测像素210SB的第二光瞳区域510b的几何中心。第一光瞳区域510a的几何中心和第二光瞳区域510b的几何中心的平均值在预定光瞳距离处相对于摄像光瞳区域500的几何中心向着+X侧偏心。
与此相对比，图2所示的焦点检测像素组250的第一焦点检测像素250SA和第二焦点检测像素250SB被配置成第一光瞳区域的几何中心和第二光瞳区域的几何中心的平均值在预定光瞳距离处相对于摄像光瞳区域500的几何中心向着-X侧偏心。
焦点检测
图2所示的第一焦点检测像素210SA(220SA、230SA、240SA或250SA)在x方向上规则排列，并且将从这多个第一焦点检测像素所获取到的被摄体图像称为图像A。同样，图2所示的第二焦点检测像素210SB(220SB、230SB、240SB或250SB)在x方向上规则排列，并且将从这多个第二焦点检测像素所获取到的被摄体图像称为图像B。可以通过根据图像A和B之间的图像偏移量(相对位置)计算散焦量(模糊量)来进行焦点检测。
光瞳偏移的处理
以下将说明本实施例中的针对图像传感器的周边像高处的光瞳偏移所进行的处理。图13A～13C、14A和14B示出图像传感器的周边像高处的第一焦点检测像素的第一光瞳区域、第二焦点检测像素的第二光瞳区域、以及成像光学系统的出射光瞳之间的关系。
图13A示出成像光学系统的出射光瞳距离D1与图像传感器的设置光瞳距离Ds几乎一致的情况。在这种情况下，成像光学系统的出射光瞳400被第一焦点检测像素230SA的第一光瞳区域530a和第二焦点检测像素230SB的第二光瞳区域530b几乎均匀地光瞳分割。
与此相对比，在图13B所示的成像光学系统的出射光瞳距离D1短于图像传感器的设置光瞳距离Ds的情况、或者图13C所示的成像光学系统的出射光瞳距离D1长于图像传感器的设置光瞳距离Ds的情况下，在图像传感器的周边像高处，成像光学系统的出射光瞳400被不均匀地光瞳分割。
随着光瞳分割变得不均匀，图像A和B的强度(图13B～13C)变得不均匀。结果，图像A和B中的一个图像的强度变得较大，并且另一个图像的强度变得较小。在由于周边像高等而导致图像A和B的强度变得大幅不均匀时，所获得的图像A和B的信号的其中一个可能无法具有充分的强度，这导致焦点检测性能的下降。
在本实施例中，结构3的第一焦点检测像素210SA和第二焦点检测像素210SB是预先配置的，其中在该结构3中，第一光瞳区域510a的几何中心和第二光瞳区域510b的几何中心的平均值在预定光瞳距离处相对于摄像光瞳区域500的几何中心向着+X侧大幅偏心。
图14A和14B示出如下情况：成像光学系统的出射光瞳距离D1不同于图像传感器的设置光瞳距离Ds，并且在周边像高处，在与图像传感器的设置光瞳距离Ds相对应的位置处的光瞳面上，成像光学系统的出射光瞳400变为向着+X侧大幅偏心。图14A示出向着+X侧大幅偏心的成像光学系统的出射光瞳400被结构1的第一焦点检测像素230SA的第一光瞳区域530a和第二焦点检测像素230SB的第二光瞳区域530b光瞳分割的情况。在这种情况下，光瞳偏移大并且发生不均匀的光瞳分割。与此相对比，图14B示出向着+X侧偏心的成像光学系统的出射光瞳400被结构3的第一焦点检测像素210SA的第一光瞳区域510a和第二焦点检测像素210SB的第二光瞳区域510b光瞳分割的情况。在这种情况下，即使在周边像高处，也可以减少光瞳偏移，并且可以进行均匀的光瞳分割。这样可以提高焦点检测性能。
以上结构可以根据图像传感器的周边像高处的光瞳偏移、使得利用光瞳分割相位差方法能够进行焦点检测的像高范围扩大。
第二实施例
以下将说明本发明的第二实施例。
结构1
以下将说明结构1的焦点检测像素组230。图15A是在从图像传感器的光接收面侧(+z侧)观看的情况下作为图2所示的图像传感器的一个像素的第一焦点检测像素230SA的平面图。图15B是在从-y侧观看的情况下沿着图15A的a-a所截取的截面图。图16A是在从图像传感器的光接收面侧(+z侧)观看的情况下作为图2所示的图像传感器的一个像素的第二焦点检测像素230SB的平面图。图16B是在从-y侧观看的情况下沿着图16A的b-b所截取的截面图。图17A是在从图像传感器的光接收面侧(+z侧)观看的情况下作为图2所示的图像传感器的一个像素的第一图像形成像素230G的平面图。图17B是在从-y侧观看的情况下沿着图17A的c-c所截取的截面图。
如图15B所示，第一焦点检测像素230SA在微透镜305和具有第一开口的第一遮光层330a之间具有层内透镜306。如图16B所示，第二焦点检测像素230SB在微透镜305和具有第二开口的第二遮光层330b之间具有层内透镜306。如图17B所示，在图像形成像素230G上没有形成层内透镜306。其它组件与第一实施例中的结构1的组件相同。
结构2
与结构1相同，在结构2的焦点检测像素组220的第一焦点检测像素220SA和第二焦点检测像素220SB各自上形成有层内透镜306。这同样适用于焦点检测像素组240的第一焦点检测像素240SA和第二焦点检测像素240SB。其它组件与第一实施例中的结构2的组件相同。
结构3
以下将说明结构3的焦点检测像素组210。图18A是在从图像传感器的光接收面侧(+z侧)观看的情况下作为图2所示的图像传感器的一个像素的第一焦点检测像素210SA的平面图。图18B是在从-y侧观看的情况下沿着图18A的a-a所截取的截面图。图19A是在从图像传感器的光接收面侧(+z侧)观看的情况下作为图2所示的图像传感器的一个像素的第二焦点检测像素210SB的平面图。图19B是在从-y侧观看的情况下沿着图19A的b-b所截取的截面图。
如图18B所示，在第一焦点检测像素210SA中，在微透镜305和具有第一开口的第一遮光层310a之间以在+x方向上偏心的方式形成层内透镜306。包括微透镜和层内透镜的合成微透镜被配置为在+x方向上偏心。同样，在第二焦点检测像素210SB中，在微透镜305和具有第二开口的第二遮光层310b之间以在+x方向上偏心的方式形成层内透镜306。包括微透镜和层内透镜的合成微透镜被配置为在+x方向上偏心。其它组件与第一实施例中的结构3的组件相同。
在结构3中，第一焦点检测像素210SA的第一遮光层310a的第一开口的几何中心不同于第二焦点检测像素210SB的第二遮光层310b的第二开口的几何中心。第一遮光层310a的第一开口的几何中心和第二遮光层310b的第二开口的几何中心的平均位置相对于光电转换部的光接收面的几何中心在-x方向上偏心。第一焦点检测像素210SA和第二焦点检测像素210SB的合成微透镜相对于光电转换部的光接收面的几何中心在+x方向上偏心。
与此相对比，图2所示的焦点检测像素组250的第一焦点检测像素250SA和第二焦点检测像素250SB被配置成第一遮光层的第一开口的几何中心和第二遮光层的第二开口的几何中心的平均位置相对于光电转换部的光接收面的几何中心在+x方向上偏心。第一焦点检测像素250SA和第二焦点检测像素250SB的合成微透镜相对于光电转换部的光接收面的几何中心在-x方向上偏心。
在本实施例中，第一焦点检测像素和第二焦点检测像素的各合成微透镜在与第一开口的几何中心和第二开口的几何中心的平均位置偏心的方向相反的方向上偏心。第一焦点检测像素和第二焦点检测像素的各合成微透镜包括多个微透镜。
其它组件与第一实施例中的组件相同。利用以上结构，可以根据图像传感器的周边像高处的光瞳偏移、使得利用光瞳分割相位差方法能够进行焦点检测的像高范围扩大。
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 (7)

1.一种图像传感器，包括：
多个图像形成像素，用于接收穿过成像光学系统的摄像光瞳区域的光束，
其特征在于，还包括：
多个第一焦点检测像素，用于接收穿过比所述摄像光瞳区域小的第一光瞳区域的光束；以及
多个第二焦点检测像素，用于接收穿过比所述摄像光瞳区域小的第二光瞳区域的光束，
其中，所述第一光瞳区域的几何中心不同于所述第二光瞳区域的几何中心，并且所述第一焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心不同于与所述第一焦点检测像素邻接的图像形成像素的透镜相对于像素中心的偏心，
所述第一焦点检测像素在所述第一焦点检测像素的透镜和所述第一焦点检测像素的光电转换部之间包括具有第一开口的第一遮光层以覆盖所述第一焦点检测像素的光电转换部从而限制穿过所述摄像光瞳区域的光束，所述第一遮光层遮蔽穿过所述摄像光瞳区域的部分光束，
所述第二焦点检测像素在所述第二焦点检测像素的透镜和所述第二焦点检测像素的光电转换部之间包括具有第二开口的第二遮光层以覆盖所述第二焦点检测像素的光电转换部从而限制穿过所述摄像光瞳区域的光束，所述第二遮光层遮蔽穿过所述摄像光瞳区域的部分光束，以及
所述第一焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心和所述第二焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心的方向与所述第一开口的几何中心和所述第二开口的几何中心的平均位置相对于像素中心的偏心的方向相反。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第二焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心不同于与所述第二焦点检测像素邻接的图像形成像素的透镜相对于像素中心的偏心。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一焦点检测像素和所述第二焦点检测像素的各透镜分别包括多个透镜。
4.一种图像传感器，包括：
多个图像形成像素，用于接收穿过成像光学系统的摄像光瞳区域的光束，
其特征在于，还包括：
多个第一焦点检测像素，用于接收穿过比所述摄像光瞳区域小的第一光瞳区域的光束；以及
多个第二焦点检测像素，用于接收穿过比所述摄像光瞳区域小的第二光瞳区域的光束，
其中，所述多个图像形成像素间隔排列在与所述成像光学系统的光轴垂直的第一方向上，
所述多个第一焦点检测像素以在与所述第一方向和所述光轴的方向垂直的第二方向上相对于所述多个图像形成像素存在偏移的方式间隔排列在所述第一方向上，
所述多个第二焦点检测像素以在所述第二方向上相对于所述多个图像形成像素存在偏移的方式间隔排列在所述第一方向上，
所述第一焦点检测像素在所述第一焦点检测像素的透镜和所述第一焦点检测像素的光电转换部之间包括具有第一开口的第一遮光层以覆盖所述第一焦点检测像素的光电转换部从而限制穿过所述摄像光瞳区域的光束，
所述第二焦点检测像素在所述第二焦点检测像素的透镜和所述第二焦点检测像素的光电转换部之间包括具有第二开口的第二遮光层以覆盖所述第二焦点检测像素的光电转换部从而限制穿过所述摄像光瞳区域的光束，所述第二开口在所述第一方向上位于与所述第一开口的位置不同的位置处，
所述第一开口的几何中心和所述第二开口的几何中心的平均位置相对于所述第一焦点检测像素的光电转换部的几何中心在所述第一方向上偏心，
在所述第一方向上的相同像高处，所述第一焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心与所述图像形成像素的透镜相对于像素中心的偏心在所述第一方向上不同，
在所述第一方向上的相同像高处，所述第二焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心与所述图像形成像素的透镜相对于像素中心的偏心在所述第一方向上不同，以及
在所述第一方向上，所述第一焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心和所述第二焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心的方向与所述第一开口的几何中心和所述第二开口的几何中心的平均位置相对于像素中心的偏心的方向相反。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述第一焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心和所述第二焦点检测像素的透镜相对于像素中心的偏心的方向是接近所述成像光学系统的光轴的方向，并且所述第一开口的几何中心和所述第二开口的几何中心的平均位置相对于像素中心的偏心的方向是远离所述成像光学系统的光轴的方向。
6.一种摄像设备，其特征在于，包括根据权利要求1所述的图像传感器。
7.一种摄像设备，其特征在于，包括根据权利要求4所述的图像传感器。
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