CN104954645A - 摄像元件、摄像设备和图像处理方法 - Google Patents

摄像元件、摄像设备和图像处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种摄像元件、摄像设备和图像处理方法。摄像元件包括像素矩阵、光瞳分割部和遮光部。像素矩阵中的像素包括光电转换部，并且以预定数量的像素的矩阵为单位来配置。光瞳分割部被配置在各像素的光电转换部的受光面侧以分割光瞳区域。被配置在光瞳分割部和光电转换部之间的遮光部遮挡光电转换部的受光面的预定区域。各像素的预定区域对应于在光瞳分割部分割光瞳区域时所获得的分割光瞳区域中的任一个。在受光面中预定区域的比例小于未被遮光部所遮挡的区域的比例。

Description

摄像元件、摄像设备和图像处理方法
技术领域
本发明涉及一种摄像元件和摄像设备，尤其涉及一种能够获得多个视差图像信号的摄像元件以及包括该摄像元件的摄像设备。
背景技术
在现有技术中，提出了这样一种摄像设备，其中，在该摄像设备中，摄像镜头的出射光瞳被分成多个区域，从而使得同时拍摄与通过分割所获得的光瞳区域相对应的多个视差图像。
美国专利4410804公开了一种使用二维摄像元件的摄像设备，其中，针对一个像素，形成一个微透镜和多个分割光电转换部。分割光电转换部被配置成通过一个微透镜接收来自摄像镜头的出射光瞳的不同光瞳子区域的光来分割光瞳。通过分割光电转换部接收光所获得的各个信号，生成与光瞳子区域相对应的多个视差图像。日本特开2001-083407说明了对通过像素中的分割光电转换部接收光所获得的所有信号进行相加，来生成被摄体的摄像图像。
多个所拍摄的视差图像相当于作为与光强度的空间分布和角度分布有关的信息的光场(LF)数据。斯坦福技术报告CTSR 2005-2,1(2005)公开了一种再调焦技术，在该技术中，通过使用所获得的LF数据绘制与摄像平面不同的虚拟成像平面处的合成图像，以在摄像之后改变摄像图像的聚焦位置。
日本特开2008-299184公开了一种使用摄像元件的摄像设备。该摄像元件包括用于遮挡除受光面的一部分以外的大部分(一半以上)区域的光的遮光层，其中，遮光层包括在各像素的微透镜和光电转换部的受光面之间所形成的开口部。日本特开2008-299184公开了一种摄像元件，其被配置成针对一组像素中所包括的各像素以预定图案使得遮光层的开口部偏心，以接收来自摄像镜头的出射光瞳的不同光瞳子区域的光。这样，分割摄像镜头的出射光瞳以拍摄与通过分割所获得的光瞳子区域相对应的多个视差图像。可以通过利用配线层在正常摄像像素中形成包括开口部的遮光层，来形成这种像素结构。这样制造出利用简单结构获得多个视差图像的摄像元件。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供一种摄像元件，包括：像素矩阵，其中在所述像素矩阵中，以预定数量的像素的矩阵为单位配置多个像素，其中各个像素包括用于对成像光学系统所形成的被摄体的光学图像进行光电转换的光电转换部；光瞳分割部，其被配置在各个像素的所述光电转换部的受光面侧，以分割所述成像光学系统的光瞳区域；以及遮光部，其被配置在各个像素的所述光瞳分割部和所述光电转换部之间，以遮挡所述光电转换部的受光面的预定区域，其特征在于，所述预定数量的像素的矩阵中所包括的各个像素的所述预定区域，对应于在所述光瞳分割部分割所述光瞳区域时所获得的所述预定数量的分割光瞳区域中的任一个，并且所述预定区域在所述受光面中的比例小于所述遮光部未遮挡的区域在所述受光面中的比例。
本发明还提供一种摄像设备，其特征在于，包括：上述的摄像元件；图像处理单元，用于对从所述摄像元件的各个像素所输出的像素信号进行处理；以及控制单元，用于控制所述图像处理单元，以生成与对应于所述预定区域的分割光瞳区域相对应的视差图像的像素信号，其中，用于生成所述视差图像的像素信号的控制包括如下控制：针对各个所述预定数量的像素的矩阵，对从所述多个像素所输出的像素信号进行相加，以生成所述被摄体的拍摄图像的像素信号；针对各个所述预定数量的像素的矩阵，获得从预定像素所输出的像素信号，以生成原始视差图像的像素信号；以及从所述拍摄图像的像素信号减去乘以预定系数后的原始视差图像的像素信号，以生成所述视差图像的像素信号。
本发明还提供一种图像处理方法，用于处理从摄像元件的各个像素所输出的像素信号，其中，所述摄像元件包括：像素矩阵，其中在所述像素矩阵中，以预定数量的像素的矩阵为单位配置多个像素，其中各个像素包括用于对成像光学系统所形成的被摄体的光学图像进行光电转换的光电转换部；光瞳分割部，其被配置在各个像素的所述光电转换部的受光面侧，以分割所述成像光学系统的光瞳区域；以及遮光部，其被配置在各个像素的所述光瞳分割部和所述光电转换部之间，以遮挡所述光电转换部的受光面的预定区域，所述预定数量的像素的矩阵中所包括的各个像素的所述预定区域，对应于在所述光瞳分割部分割所述光瞳区域时所获得的所述预定数量的分割光瞳区域中的任一个，其特征在于，所述图像处理方法包括以下步骤：针对各个所述预定数量的像素的矩阵，对从所述多个像素所输出的像素信号进行相加，以生成所述被摄体的拍摄图像的像素信号；针对各个所述预定数量的像素的矩阵，获得从预定像素所输出的像素信号，以生成原始视差图像的像素信号；以及从所述拍摄图像的像素信号减去乘以预定系数后的原始视差图像的像素信号，以生成所述视差图像的像素信号。
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显而易见。
附图说明
图1是应用根据本发明第一实施例的摄像元件的摄像设备的示意性结构图。
图2是根据本发明第一实施例的摄像元件的像素矩阵的示意性平面图。
图3A和3B分别是根据本发明第一实施例的摄像元件的子区域的示意性平面图和示意性横断面图。
图4是根据本发明第一实施例的形成单位像素的子像素的示意性平面图。
图5是根据现有技术的形成单位像素的子像素的示意性平面图。
图6是示出根据本发明第一实施例的摄像元件的子像素与受光光瞳子区域和非受光光瞳子区域的对应关系的图。
图7是示出根据本发明第一实施例的形成单位像素的多个子像素与受光光瞳子区域和非受光光瞳子区域的对应关系的图。
图8是示出根据本发明第一实施例的摄像元件获得视差图像信号的概念的图。
图9是示出根据本发明第一实施例的摄像元件的子像素的光瞳强度分布的例子的图。
图10是根据本发明第一实施例的形成摄像元件的单位像素的子像素的光瞳分割的示意性平面图。
图11是应用了根据本发明第一实施例的摄像元件的摄像设备的视差图像生成操作的流程图。
图12是根据本发明第一实施例的变形例的摄像元件中的像素矩阵的示意性平面图。
图13是根据本发明第二实施例的摄像元件中的像素矩阵的示意性平面图。
图14A和14B分别是根据本发明第二实施例的摄像元件中所包括的子像素的示意性平面图和示意性横断面图。
具体实施方式
现参考附图详细说明本发明的优选实施例。
现有技术的摄像元件遮挡各像素的光电转换部的、除受光面的一部分以外的大部分(一半以上)区域中的光来分割光瞳。因此，存在的问题是摄像元件的受光感光度显著降低。因此，考虑到上述问题做出本发明，并且本发明目的是提供一种摄像元件和一种摄像设备，其中，该摄像元件在各像素中的光电转换部的受光面中形成遮光层以分割光瞳，并且能够在抑制受光感光度降低的情况下获得多个视差图像。参考附图详细说明本发明的实施例。
第一实施例
参考图1～12说明本发明的第一实施例。
图1是示出作为应用根据本实施例的摄像元件的摄像设备的照相机的结构的图。摄像设备可以是如图1所示与镜头一体化的摄像设备，或者可以由镜头设备和摄像设备主体构成，其中，镜头设备包括用于形成被摄体的光学图像的成像光学系统，摄像设备主体包括摄像元件并且可拆卸地装配镜头设备。
在图1中，第一透镜单元101被配置在成像光学系统的前端，并且被保持成可在光轴方向上进退。光圈快门102调整其开口直径来调整摄像期间的光量，并且具有用于在拍摄静止图像时按照秒来调整曝光时间的快门功能。附图标记103表示第二透镜单元。光圈快门102和第二透镜单元103在光轴方向上整体地进退，并且与第一透镜单元101的进退操作连动地进行变焦动作(变焦功能)。
第三透镜单元105在光轴方向上进退以调节焦点。光学低通滤波器106是用于降低拍摄图像中的伪色和摩尔纹的光学元件。摄像元件107包括二维互补金属氧化物半导体(CMOS)及其周边部，并且具有如下所述的根据本实施例的结构。
变焦致动器111转动凸轮筒(未示出)以驱动第一透镜单元101或者第二透镜单元103在光轴方向上进退，从而进行变焦操作。光圈快门致动器112控制光圈快门102的开口直径以调节摄像期间的光量，并且在拍摄静止图像时进行曝光时间控制。调焦致动器114驱动第三透镜单元105在光轴方向上进退，从而调节焦点。
摄像期间所使用的照明单元115是用于照明被摄体的电子闪光灯，并且优选使用氙气管的闪光灯装置，但是还可以使用包括连续发射光的发光二极管(LED)的照明装置。自动调焦(AF)辅助光单元116通过投射透镜将具有预定开口图案的掩模的图像投射在视场上，以提高用于暗被摄体或者具有低对比度的被摄体的焦点检测能力。
中央处理单元(CPU)121是设置在照相机中的、用于控制照相机的各方面的CPU，并且包括运算部、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、模数(A/D)转换器、数模(D/A)转换器和通信接口部等。CPU基于存储在ROM中的预定程序，驱动照相机中所包括的各种单元，并且执行诸如AF、摄像以及图像处理和存储等的一系列操作。
电子闪光灯控制单元122进行控制以与摄像操作同步启动照明单元115。辅助光驱动单元123进行控制以与焦点检测操作同步启动AF辅助光单元116。摄像元件驱动单元124控制摄像元件107的摄像操作，并且对所获得的图像信号进行A/D转换以将其发送给CPU 121。图像处理单元125对通过摄像元件107所获得的图像进行诸如伽马(γ)转换、颜色插值和JPEG压缩等的处理。
调焦驱动单元126基于焦点检测的结果，驱动调焦致动器114，驱动第三透镜单元105在光轴方向上进退，并且作为结果，调节焦点。光圈快门驱动单元128驱动光圈快门致动器112，从而控制光圈快门102的开口。变焦驱动单元129响应于拍摄者的变焦操作，驱动变焦致动器111。
诸如液晶显示器等的显示器131显示与照相机的摄像模式有关的信息、摄像之前的预览图像、摄像之后确认用的图像、以及焦点检测期间的聚焦状态显示图像等。操作开关132包括电源开关、释放(摄像触发器)开关、以及变焦操作开关、摄像模式选择开关等。可拆卸闪速存储器133记录所拍摄的图像。
图2的示意性平面图示出本实施例中的形成摄像元件107(二维CMOS传感器)的单位像素和形成单位像素的子像素的像素矩阵。图2示出2行×2列范围内的本实施例的摄像元件的单位像素200的矩阵。各单位像素200包括预定数量的子像素阵列，并且图2示出一个单位像素包括3×3子像素201～209的例子。在实际摄像元件中，在摄像平面上配置大量的如图2所示的2×2单位像素(6×6子像素)以允许获得被摄体的摄像图像。在本实施例中，说明像素周期ΔX为9μm、并且有效像素为宽度方向上4000列×高度方向上2667行的、总计10,670,000个像素(子像素周期Δx为3μm，并且有效子像素为宽度方向上12000列×高度方向上8000行的、总计96,000,000个子像素)的摄像元件。摄像元件的具体结构规模不局限于此。
在图2所示的2×2单位像素组200中，具有红色(R)光谱感光度的单位像素200R被配置在该附图的左上位置，具有绿色(G)光谱感光度的单位像素200G被配置在右上和左下位置，并且具有蓝色(B)光谱感光度的单位像素200B被配置在右下位置。此外，各单位像素由N1×N2(3×3)子像素201～209的二维矩阵构成。
以形成图2所示的摄像元件的一个单位像素200G的子像素201～209的中的子像素205作为例子，参考图3A和3B说明根据本实施例的摄像元件的子像素的结构。图3A是在从受光面侧(+Z侧)观看时的子像素205的平面图，并且图3B是在从－y侧观看时，沿图3A中的线3B-3B所截取的横断面图。除遮光层的遮光部(稍后说明)的配置图案不同以外，除子像素205以外的子像素201～204、以及206～209也是相同的。
如图3A和3B所示，根据本实施例的摄像元件的子像素205包括具有pin结构的光电转换部(光电二极管)310，其中，在pin结构中，在p型层和n型层之间插入n-本征层。光电转换部310的区域是在图3B所示的n-本征层中所形成的、向外周延伸了少量载流子的扩散距离的耗尽层的区域，并且与通过组合n-本征层和n型层所获得的区域大体重叠。可以根据需要，省略n-本征层以获得pn结型光电二极管。
子像素205在受光侧包括用于会聚入射光的微透镜311，在微透镜311和光电转换部310之间包括颜色滤波器312。在各单位像素的子像素中，配置具有相同光谱感光度特性的颜色滤波器。对于各子像素，可以改变颜色滤波器的光谱透过率，或者可以根据需要，省略颜色滤波器。
此外，子像素205包括微透镜311和光电转换部310之间的遮光层305，其中，遮光层305包括开口部305b和用于遮挡光电转换部310的受光面的一部分的遮光部305a。如图3A所示，在本实施例中，遮光层305被配置成开口部305b的面积大于遮光部305a的面积。注意，可以根据需要，将遮光层305用作为配线层，并且用作为遮光层和配线层两者，这可以简化制造过程。
通过微透镜311会聚入射至图3A和3B所示的子像素205上的光，并且通过颜色滤波器312来分光，然后，通过遮光层305的遮光部305a遮挡这些光中的一部分，并且这些光中的大部分穿过开口部305b以被光电转换部310接收。这样，在本实施例中，受光面的开口部305b的比例大于遮光部305a的比例，因此还可以进一步抑制子像素的受光感光度的降低。
在光电转换部310中，根据所接收到的光的量而生成一对电子和空穴，并且该对电子和空穴被耗尽层所分离。此后，具有负电荷的电子被存储在n型层中，并且通过被连接至恒压源(未示出)的p型层，将具有正电荷的空穴排出到摄像元件外部。
图4是在图2所示的用于形成像素200G的各子像素201～209是具有图3A和3B所示的本实施例的结构的子像素的情况下，在从摄像元件的受光面侧(+Z侧)观看时的平面图。在图4中，以相同附图标记表示与图2、3A和3B相同的部分。遮光层301～309是分别在子像素201～209中所形成的遮光层。在图4中，遮光层301～309的遮光部301a～309a被分别配置成遮挡通过将光电转换部310的受光面在垂直方向上分成N1(＝3)个、并且在水平方向上分成N2(＝3)个而获得的N1×N2(＝9)个子区域中的不同子区域。除遮光部以外的区域被配置为开口部301b～309b。这样，在本实施例中，遮光层被配置成在光电转换部310的受光面中开口部301b～309b的比例大于遮光部301a～309a的比例。
这里，与本实施例相比，图5是在用于形成单位像素200G的各子像素是现有技术的子像素的情况下，在从摄像元件的受光面侧(+z侧)观看时的平面图。在现有技术的例子中，在子像素中形成遮光层5301～5309。遮光层5301～5309包括开口部510和520、以及作为除开口部510和520以外的区域的遮光部。形成在各遮光层5301～5309的左侧的长的矩形开口部520，以不会使得左右的两个配线短路。此外，除用于形成遮光层的遮光部的布局以外，与现有技术的例子有关的子像素的结构与本实施例的相同。
通过图5显而易见，在现有技术的例子中，在遮光层5301～5309中，分别形成开口部510以不会遮挡在将光电转换部的受光面分成N1×N2(＝9)个的情况下所获得的不同子区域。因此，在现有技术的例子中，遮光层5301～5309被配置成开口部510的面积小于遮光部的面积，这样不可避免地降低了子像素的受光感光度。
更具体地，在现有技术的例子中，遮光部相对于光电转换部的受光面的比例约为1-1/(N1×N2)(＝8/9)，而相反地，开口部的比例约为与1/(N1×N2)(＝1/9)一样小，因而，子像素的受光感光度明显降低。
另一方面，在本实施例中，遮光部相对于光电转换部的受光面的比例约为1/(N1×N2)(＝1/9)，并且开口部的比例约为与1-1/(N1×N2)(＝8/9)一样大，因而，可以显著抑制子像素的受光感光度的降低。
接着参考图6～10，说明根据本实施例的摄像元件中的光瞳分割部和视差图像的生成。
图6是以图3A和3B所示的子像素205作为例子，示出根据本实施例的子像素的受光光瞳子区域和非受光光瞳子区域的图。该附图是在从+y侧观看时，沿图3A中的线3B-3B所截取的、图3B所示的子像素205的横断面图，并且还示出成像光学系统的出射光瞳面。在图6中，与出射光瞳面的坐标轴相对应，将子像素的横断面图中的x轴和y轴相对于图3A和3B中的反转。
在摄像设备中，摄像元件被配置在摄像镜头(成像光学系统)的成像面附近，并且来自被摄体的光束穿过成像光学系统的出射光瞳以入射子像素。
在图6中，摄像光瞳区域600通过微透镜与光电转换部310的受光面大体处于共轭关系，并且是在没有遮光层305的情况下光电转换部310可以接收来自其的光的光瞳区域。摄像光瞳区域600被配置成使得受光区域尽可能地大以接收更多的穿过成像光学系统的出射光瞳640的光束，并且摄像光瞳区域600的中心与光轴大体一致。
非受光光瞳子区域605a通过微透镜与遮光层305的遮光部305a大体处于共轭关系，并且是由于遮光层305的遮挡，而子像素205不能接收来自其的光的光瞳子区域。
另一方面，受光光瞳子区域605b通过微透镜与遮光层305的开口部305b大体处于共轭关系，并且是不被遮光层305遮挡的并且子像素205可以接收来自其的光的光瞳子区域。
出射光瞳640根据成像光学系统的开口值和子像素的图像高度而改变，并且出射光瞳640和受光光瞳子像素605b的共同区域变成根据成像光学系统的开口值而通过子像素205接收来自其的光的受光光瞳子区域。因此，图4所示用于形成单位像素的多个子像素中的各遮光部301a～309a对应于出射光瞳640的分割光瞳区域中的任一个，并且开口部对应于其余的多个分割光瞳区域。在图5所示的现有技术的例子中，开口部510对应于分割光瞳区域中的任一个，因此利用开口部所接收到的光的光电转换输出，可以生成与一个分割光瞳区域相对应的视差图像。另一方面，在本实施例中，现有技术中的开口部510是遮光部301a～309a，因此从子像素的输出不能直接获得视差图像信号。因此，在本实施例中，如下所述，对开口部301b～309b的信号进行图像处理，以生成与分割光瞳区域中的一个相对应的视差图像的像素信号。这样，在明显抑制子像素的受光感光度的降低的同时，可以获得视差图像信号。
图7是本实施例的用于形成单位像素200G的子像素201～209的受光光瞳子区域和非受光光瞳子区域的示意性平面图。除子像素205以外的子像素201～204和206～209中的受光光瞳子区域和非受光光瞳子区域的关系，与图6中的子像素205的相同。
图7中的非受光光瞳子区域601a～609a分别通过微透镜与遮光层301的遮光部大体处于共轭关系，并且分别是子像素201～209不能接收来自其的光的光瞳子区域。采用对所有非受光光瞳子区域601a～609a进行相加以形成摄像光瞳区域600的结构。
另一方面，图7中的受光光瞳子区域601b～609b分别通过微透镜与遮光层301～309的开口部大体处于共轭关系，并且分别是子像素201～209可以接收来自其的光的光瞳子区域。
在本实施例中，在光电转换部的受光面中遮光部的比例约为1/(N1×N2)(＝1/9)，并且开口部的比例更大且约为1-1/(N1×N2)(＝8/9)。因此，各受光光瞳子区域601b～609b被配置成大于各非受光光瞳子区域601a～609a，因此可以实现抑制受光感光度的降低。
如图7所示，根据本实施例，用于形成摄像元件的各单位像素的子像素201～209接收来自其的光的受光光瞳子区域601b～609b分别建立以下公式(1-1)～(1-9)的关系。
公式(1-1)
受光光瞳子区域601b＝摄像光瞳区域600－非受光光瞳子区域601a
公式(1-2)
受光光瞳子区域602b＝摄像光瞳区域600－非受光光瞳子区域602a
公式(1-3)
受光光瞳子区域603b＝摄像光瞳区域600－非受光光瞳子区域603a
公式(1-4)
受光光瞳子区域604b＝摄像光瞳区域600－非受光光瞳子区域604a
公式(1-5)
受光光瞳子区域605b＝摄像光瞳区域600－非受光光瞳子区域605a
公式(1-6)
受光光瞳子区域606b＝摄像光瞳区域600－非受光光瞳子区域606a
公式(1-7)
受光光瞳子区域607b＝摄像光瞳区域600－非受光光瞳子区域607a
公式(1-8)
受光光瞳子区域608b＝摄像光瞳区域600－非受光光瞳子区域608a
公式(1-9)
受光光瞳子区域609b＝摄像光瞳区域600－非受光光瞳子区域609a
根据公式(1-1)～(1-9)的关系、以及对所有非受光光瞳子区域601a～609a进行相加以形成摄像光瞳区域600这一事实，对所有受光光瞳子区域601b～609b进行相加以建立以下公式(2)的关系。
公式(2)
受光光瞳子区域601b～609b的和＝(N1×N2-1)×摄像光瞳区域600
因此，对于各单位像素可以相加所有子像素201～209的信号，以生成具有有效像素的数量的分辨率的图像的像素信号。可以根据需要，通过(N1×N2-1)对所生成的像素信号进行标准化。
此外，如图8所示，可以从受光光瞳子区域601b～609b的和减去(N1×N2-1)倍的受光光瞳子区域605b，以获得(N1×N2-1)倍的非受光光瞳子区域605a(605c)。也可以根据需要，通过(N1×N2-1)进行标准化。通过以上说明，根据本实施例，可以从摄像元件的输出，获得与分割光瞳区域中的一个相对应的视差图像的像素信号。
接着与光瞳强度分布有关地，说明上述视差图像的像素信号的获得。在实际摄像元件中，眼距离是数十mm，而微透镜的直径为数μm。因此，微透镜的开口值变成数万，并且产生数十mm等级的衍射模糊。因此，摄像光瞳区域600、非受光光瞳子区域601a～609a和受光光瞳子区域601b～609b不会变成清楚区域，而是形成光瞳强度分布(受光效率分布)。
图9示出与用于获得图8所示的视差图像信号的概念相对应的光瞳强度分布的例子。图9中的水平轴表示子像素上的入射角，并且对应于根据眼距离而转换和反转后的图8中的光瞳坐标的X轴。可以从与摄像光瞳区域600相对应的光瞳强度分布(图9中的实线)减去与受光光瞳子区域605b相对应的光瞳强度分布(图9中的点划线)，以获得与非受光光瞳子区域605a相对应的光瞳强度分布(图9中的点线)。
类似地，可以从受光光瞳子区域601b～609b的和减去(N1×N2-1)倍的任一受光光瞳子区域601b～609b，以获得图10所示的(N1×N2-1)倍的各非受光光瞳子区域601c～609c。
接着说明下面的情况：通过根据本实施例的摄像设备的处理操作，实现上述视差图像的像素信号的获得。注意，本实施例采用将视差图像信号的获得处理功能分配给摄像设备的图像处理单元125或者CPU 121这样的结构，但是可以采用下面的结构：在诸如能够获得该摄像设备的输出的个人计算机(PC)等的另一信息处理设备中执行该功能。在这种情况下，作为图像处理方法、用于执行该图像处理方法的计算机程序、或者存储有该程序的计算机可读存储介质，来实现本发明。
参考图11说明从根据本实施例的摄像元件的像素输出而获得视差图像的像素信号的处理操作。图11是该处理操作的流程图。
首先，在步骤S111，对于各单位像素，获得子像素(光电转换部)201～209中的一个的信号。这样，获得与成像光学系统的光瞳子区域601b～609b中的任一个相对应的原始视差图像的像素信号。例如，对于各单位像素，可以选择子像素203的信号，以获得具有与成像光学系统的光瞳子区域603b相对应的有效像素的数量的分辨率的原始视差图像的像素信号。这同样适用于其它子像素。
接着在步骤S112，对于各单位像素，相加所有子像素201～209的信号，以生成具有有效像素的数量的分辨率的、被摄体的拍摄图像的像素信号。
最后，在步骤S113，对于各单位像素，从在步骤S112所生成的拍摄图像的像素信号，减去通过将在步骤S111所生成的各原始视差图像的像素信号乘以标准化系数(N1×N2-1)而获得的信号。这样，生成与成像光学系统的非受光光瞳子区域601a～609a中的一个相对应的视差图像的像素信号。
可以对各单位像素中的每一子像素执行步骤S111～S113(步骤S114)，以获得与成像光学系统的非受光光瞳子区域601a～609a相对应的多个(N1×N2个)视差图像的像素信号。
利用根据上述本实施例的摄像元件和应用该摄像元件的摄像设备，可以抑制摄像元件的受光感光度的降低，并且可以使用摄像元件的输出获得多个视差图像。
第一实施例的变形例
接着参考图12说明第一实施例的变形例。该变形例是在第一实施例中存在下面的摄像元件的结构，其中，在该摄像元件中，改变用于形成单位像素的子像素的数量。图12是根据该变形例的摄像元件的单位像素和子像素的矩阵的示意性平面图。除遮光层的结构以外的子像素的结构和摄像设备的结构，与第一实施例的相同，因此这里省略对其的说明。
图12是示出当由4×4子像素的矩阵构成单位像素时，2行×2列范围(对于子像素，8行×8列范围)中的摄像元件的单位像素的图。在根据该变形例的实际摄像元件中，将大量的如图12所示的2×2单位像素(8×8子像素)的矩阵配置在摄像平面上，以允许拍摄(光电转换)被摄体图像。在该变形例中，说明像素周期ΔX为12μm、并且有效像素的数量为宽度方向上3000列×高度方向上2000行、总计6000000个像素(子像素周期Δx为3μm，并且有效子像素的数量为宽度方向上12000列×高度方向上8000行、总计96000000个子像素)的摄像元件。然而，与第一实施例一样，摄像元件的具体结构规模不局限于此。
在该变形例中，在图12所示的2×2单位像素组1200中，具有红色(R)光谱感光度的像素1200R被配置在该附图的左上位置，并且具有绿色(G)光谱感光度的像素1200G配置在右上和左下位置。此外，具有蓝色(B)光谱感光度的像素1200B被配置在右下位置。此外，各单位像素由N1×N2(4×4)个子像素1201～1216构成。
该变形例是获得4×4＝16个视差图像的摄像元件的例子，因此存在16个如图12所示的遮光层的遮光部的配置图案。除此以外的结构，与第一实施例的相同，因此这里省略对其的说明。
根据该变形例的结构，在抑制摄像元件的受光感光度的降低的同时，可以获得与通过更大数量的光瞳分割所获得的分割光瞳区域相对应的视差图像。
第二实施例
参考图13、14A和14B，说明根据本发明第二实施例的摄像元件的结构。图13是示出4行×4列范围内的根据本实施例的摄像元件(二维CMOS传感器)的单位像素的矩阵的图。
在本实施例中，单位像素由2×2子像素的矩阵构成。因此，出射光瞳的分割数量是2×2＝4，并且还存在四个遮光部的配置图案。此外，如下所述，除根据本发明的遮光层以外，子像素还包括用于会聚入射光、并且将光引导至光电转换元件的内层透镜和光波导，以提高光电转换效率。
在根据本实施例的实际摄像元件中，大量的如图13所示的4×4单位像素的矩阵(8×8子像素的矩阵)被配置在摄像平面上，以允许拍摄(光电转换)被摄体图像。在本实施例中，说明像素周期ΔX为5μm、并且有效像素的数量为宽度方向上4500列×高度方向上3000行、总计13500000个像素(子像素周期Δx为2.5μm，并且有效子像素的数量为宽度方向上9000列×高度方向上6000行、总计54000000个子像素)的摄像元件。然而，如第一实施例一样，摄像元件的具体结构规模不局限于此。
此外，在本实施例中，如图13所示，在4×4单位像素组1300中，具有红色(R)光谱感光度的像素1300R被配置在该附图的左上位置，并且具有绿色(G)光谱感光度的像素1300G被配置在右上和左下位置。此外，具有蓝色(B)光谱感光度的像素1300B被配置在右下位置。此外，各单位像素由N1×N2(2×2)子像素1301～1304的二维矩阵构成。
以图13所示的摄像元件的单位像素1300G的一个子像素1304作为例子，参考图14A和14B说明根据本实施例的摄像元件的子像素的结构。图14A是当从摄像元件的受光面侧(+Z侧)观看时的平面图，并且图14B是当从－y侧观看时，沿图14A中的线14B-14B所截取的横断面图。在图14A和14B中，以相同附图标记表示与第一实施例中相同的部分。
在图14A和14B中，子像素1304包括微透镜311、以及微透镜311和光电转换部310之间的颜色滤波器312，其中，微透镜311被配置在光电转换部的受光面侧以会聚入射光。注意，对于各子像素可以改变颜色滤波器的光谱透过率，或者可以根据需要，省略颜色滤波器。
如图14B所示，根据本实施例的摄像元件的子像素在微透镜311和光电转换部310之间，包括由具有高折射率的材料所形成的内层透镜1413和光波导1414。希望将光波导1414的受光面配置在作为微透镜311和内层透镜1413的组合系统的微透镜的焦深中。
此外，子像素1304包括在内层透镜1413和光波导1414之间由开口部1404b和遮光部1404a所构成的遮光层1404，并且遮光层1404遮挡光波导1414的受光面的一部分。为了遮光层1404更有效地遮挡光，希望在作为微透镜311和内层透镜1413的组合系统的微透镜的焦深中形成遮光层1404。
如图14A所示，在本实施例中，遮光层1404同样配置成开口部1404b的面积大于遮光部1404a的面积。根据用于形成单位像素的子像素的数量，如第一实施例及其变形例一样，设置用于形成遮光层1404的遮光部1404a的布局。除遮光部1404a的配置位置根据子像素的矩阵中的位置而不同以外，图13中的子像素1301～1304的结构，与图14A中的子像素1304的相同。
如上所述，在本实施例的摄像元件中，子像素是具有光波导结构、并且获得2×2＝4个视差图像的摄像元件。除此之外的结构与第一实施例的相同，因此这里省略对其的说明。
另外，利用根据上述第二实施例的摄像元件，在抑制摄像元件的受光感光度的降低的同时，可以获得分别与更多个分割光瞳区域相对应的视差图像。特别地，各子像素都包括内层透镜和光波导，因而可以进一步抑制受光感光度的降低。
根据本发明，提供一种摄像元件和摄像设备，其中，在该摄像元件中，在各像素的光电转换部的受光面中形成遮光层以分割光瞳，并且该摄像元件允许在抑制受光感光度的降低的同时，获得多个视差图像。
其它实施例
还可以通过向系统或者设备提供记录了实现上述实施例的功能的软件的程序代码的存储介质，来实现本发明的目的。更具体地，显而易见，还尅通过系统或者设备的计算机(或者中央处理单元(CPU)或者微处理单元(MPU))读出、并执行存储在存储介质中的程序代码，来实现该专利申请的本发明的目的。
在这种情况下，从存储介质读出的程序代码本身实现上述实施例的功能，并且程序代码本身和存储该程序代码的存储介质构成本发明。
作为用于提供程序代码的存储介质，可以使用例如软盘、硬盘、光盘、磁光盘、紧凑型光盘只读存储器(CD-ROM)、可擦写紧凑型光盘(CD-R)、磁带、非易失性存储卡或者只读存储器(ROM)等。
此外，还通过运行在计算机上的基本系统或者操作系统(OS)等基于通过计算机所读出的程序代码的指示来进行部分或者全部实际处理，从而实现上述实施例的功能。显而易见，本申请的发明还包含这一情况。
此外，本申请的发明还包含在将程序代码写入被插入计算机中的功能扩展板或者与计算机连接的功能扩展单元中所包括的存储器中之后基于从存储介质所读出的程序代码的指示的处理。更具体地，显而易见，本申请的发明还包含下面的情况：功能扩展板或者功能控制单元中所包括的CPU等基于程序代码的指示而进行部分或者全部实际处理以实现上述实施例的功能。
本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。
尽管参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不局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)

1.一种摄像元件，包括：
像素矩阵，其中在所述像素矩阵中，以预定数量的像素的矩阵为单位配置多个像素，其中各个像素包括用于对成像光学系统所形成的被摄体的光学图像进行光电转换的光电转换部；
光瞳分割部，其被配置在各个像素的所述光电转换部的受光面侧，以分割所述成像光学系统的光瞳区域；以及
遮光部，其被配置在各个像素的所述光瞳分割部和所述光电转换部之间，以遮挡所述光电转换部的受光面的预定区域，
其特征在于，所述预定数量的像素的矩阵中所包括的各个像素的所述预定区域，对应于在所述光瞳分割部分割所述光瞳区域时所获得的所述预定数量的分割光瞳区域中的任一个，并且所述预定区域在所述受光面中的比例小于所述遮光部未遮挡的区域在所述受光面中的比例。
2.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，各个像素还包括所述光瞳分割部和所述遮光部之间的透镜部、以及所述遮光部和所述受光面之间的光波导部，并且所述透镜部和所述光波导部由具有高折射率的材料形成。
3.根据权利要求1或2所述的摄像元件，其中，所述光瞳分割部包括微透镜。
4.根据权利要求1或2所述的摄像元件，其中，各个像素还包括所述光瞳分割部和所述遮光部之间的颜色滤波器，并且所述预定数量的像素的矩阵中所包括的像素中所包括的所述颜色滤波器具有相同的光谱感光度。
5.根据权利要求1或2所述的摄像元件，其中，以所述预定数量的像素的矩阵为单位，重复所述预定数量的像素的所述预定区域和所述分割光瞳区域之间的对应关系。
6.一种摄像设备，其特征在于，包括：
根据权利要求1或2所述的摄像元件；
图像处理单元，用于对从所述摄像元件的各个像素所输出的像素信号进行处理；以及
控制单元，用于控制所述图像处理单元，以生成与对应于所述预定区域的分割光瞳区域相对应的视差图像的像素信号，
其中，用于生成所述视差图像的像素信号的控制包括如下控制：
针对各个所述预定数量的像素的矩阵，对从所述多个像素所输出的像素信号进行相加，以生成所述被摄体的拍摄图像的像素信号；
针对各个所述预定数量的像素的矩阵，获得从预定像素所输出的像素信号，以生成原始视差图像的像素信号；以及
从所述拍摄图像的像素信号减去乘以预定系数后的原始视差图像的像素信号，以生成所述视差图像的像素信号。
7.一种图像处理方法，用于处理从摄像元件的各个像素所输出的像素信号，
其中，所述摄像元件包括：
像素矩阵，其中在所述像素矩阵中，以预定数量的像素的矩阵为单位配置多个像素，其中各个像素包括用于对成像光学系统所形成的被摄体的光学图像进行光电转换的光电转换部；
光瞳分割部，其被配置在各个像素的所述光电转换部的受光面侧，以分割所述成像光学系统的光瞳区域；以及
遮光部，其被配置在各个像素的所述光瞳分割部和所述光电转换部之间，以遮挡所述光电转换部的受光面的预定区域，
所述预定数量的像素的矩阵中所包括的各个像素的所述预定区域，对应于在所述光瞳分割部分割所述光瞳区域时所获得的所述预定数量的分割光瞳区域中的任一个，
其特征在于，所述图像处理方法包括以下步骤：
针对各个所述预定数量的像素的矩阵，对从所述多个像素所输出的像素信号进行相加，以生成所述被摄体的拍摄图像的像素信号；
针对各个所述预定数量的像素的矩阵，获得从预定像素所输出的像素信号，以生成原始视差图像的像素信号；以及
从所述拍摄图像的像素信号减去乘以预定系数后的原始视差图像的像素信号，以生成所述视差图像的像素信号。
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