CN105872322A - 固态图像传感器和包含固态图像传感器的图像拾取装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态图像传感器和包含固态图像传感器的图像拾取装置。固态图像传感器包括像素，每个像素包括：设在衬底中的第一和第二光电转换部，第二光电转换部具有低于第一光电转换部的灵敏度；设在第一和第二光电转换部之间的势垒区；设在衬底的光入射侧并且包含芯体和包层的波导；以及，设在波导与衬底之间的保护层。当在垂直于衬底的方向上看时，在像素区域的中心部分中的每个像素中，芯体的出射面的中心相对于势垒区的中心位于第一光电转换部侧。在芯体的出射面正下方的区域中的保护层的折射率分布的标准差在衬底的面内方向上为0.1或更小。

Description

固态图像传感器和包含固态图像传感器的图像拾取装置
技术领域
本发明涉及固态图像传感器，并且特别地涉及在诸如数字照相机之类的图像拾取装置中包括的固态图像传感器。
背景技术
近年来，对于由诸如数字照相机之类的装置拍摄的具有更宽动态范围的图像存在日益增长的需求。响应于这种需求，日本专利公开No.2004-363193提出了一种固态图像传感器，在该固态图像传感器中，在每个像素中设有具有不同面积的多个光电转换部，使得获取作为高灵敏度信号和低灵敏度光信号的两种像素信号。利用这两种信号的组合，动态范围被加宽。
对于能够同时拍摄运动图像和静止图像的照相机也存在日益增长的需求。通常，为了获取平滑的运动图像，可以用基本上与固态图像传感器的读取帧率对应的曝光时间段来拍摄运动图像。相比之下，为了拍摄静止图像，可以根据对象移动的速度来设定曝光时间段。因此，为了同时拍摄静止图像和运动图像，需要获取基于不同曝光时间段的两种像素信号。
在日本专利公开No.2004-120391中公开了一种固态图像传感器，该固态图像传感器包括设在每个像素中并且基于不同的曝光时间段使得可以同时获取运动图像信号和静止图像信号的多个光电转换元件(相当于根据日本专利公开No.2004-363193的光电转换部)。用于相对较短的曝光时间段的光电转换元件各自具有相对较大的面积，而用于相对较长的曝光时间段的光电转换元件各自具有相对较小的面积。另外，用于运动图像的光电转换元件的灵敏度与用于静止图像的光电转换元件的灵敏度不同。
注意，“光电转换部的灵敏度”由累积在光电转换部中的电荷量与每单位时间入射在像素上的光量的比值来定义。
在日本专利公开No.2004-363193和日本专利公开No.2004-120391所公开的固态图像传感器的每一个中，利用设在每个像素中的并且具有不同灵敏度水平的多个光电转换部来拍摄期望的图像。在每个设备中，通过设在像素表面上的微透镜来会聚光，由此将光引导到每个光电转换部。因此，入射在每个光电转换部上的光量随着光在像素上的入射角而变化。因此，每个光电转换部均仅接收从所使用的图像拾取透镜的出射光瞳的特定部分射出的一部分光。所以，焦点未对准的对象的模糊图像可能变形，从而导致图像质量劣化。
本发明是通过降低设在每个像素中并且具有不同灵敏度水平的多个光电转换部中的每一个光电转换部的灵敏度的角度相关性来抑制图像质量的劣化。
发明内容
根据本发明的第一个方面的固态图像传感器包括设在像素区域中的像素。每个像素均包括：设在衬底中的第一光电转换部和第二光电转换部，第二光电转换部具有低于第一光电转换部的灵敏度；设在第一光电转换部与第二光电转换部之间的势垒区；设在衬底的光入射侧并且包含芯体和包层的波导；以及，设在波导与衬底之间的保护层。当在垂直于衬底的方向上看衬底的表面时，在设在像素区域的中心部分的每个像素中，所述芯体的出射面的中心相对于在衬底的表面处的势垒区的中心位于第一光电转换部侧。在芯体的出射面正下方的区域中的保护层的折射率分布的标准差在衬底的面内方向上为0.1或更小。
根据本发明的第二个方面的图像拾取装置包括设在壳体内的根据第一个方面的固态图像传感器。
参考附图阅读对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是例示了根据本发明的实施例的示例性固态图像传感器的示意图；
图2A至2C是例示了固态图像传感器中所包括的像素的示例性配置的图；
图3是例示了第一和第二光电转换部中的每一个的灵敏度的角度相关性的曲线图；
图4A是像素的从光入射侧看的示例性平面图(XY平面图)；
图4B是像素的沿图4A中所示的IVB-IVB线截取的示例性截面图；
图5是例示了光电转换部间的灵敏度比值与波导的偏移量之间的关系的曲线图；
图6A是另一个像素的从光入射侧看的示例性平面图(XY平面图)；
图6B是像素的沿图6A中所示的VIB-VIB线截取的示例性截面图；
图7A至7D是例示了在波导具有不同偏移量的情况下第一和第二光电转换部中的每一个的灵敏度的角度相关性的曲线图；
图8A是示意性地例示了在芯体的出射面的第二光电转换部侧端部相对于势垒区与第二光电转换部之间的边界位于第二光电转换部侧的情况下入射角为+θ的光线如何传播的图；
图8B是示意性地例示了在芯体的出射面的第二光电转换部侧端部相对于势垒区与第二光电转换部之间的边界位于第一光电转换部侧的情况下入射角为+θ的光线如何传播的图；
图9A至9D是例示了在芯体的出射面与衬底的表面之间的光程具有不同值的情况下第一和第二光电转换部中的每一个的灵敏度的角度相关性的曲线图；
图10A是例示了在与衬底的表面垂直的方向上看时芯体的入射面的中心与芯体的出射面的中心重合的示例性情况的图；
图10B是例示了芯体的入射面的中心在衬底的面内方向上相对于芯体的出射面的中心朝第二光电转换部侧偏移的示例性情况的图；
图10C是例示了波导的芯体的一部分在相邻的像素上延伸的示例性情况的图；
图11A是例示了在像素的光入射侧的最末端设有微透镜的示例性情况的图；
图11B是例示了在像素的波导与最上表面之间设有微透镜的示例性情况的视图；
图11C是例示了分别在像素的光入射侧的最末端以及在像素的波导与最上表面之间设有微透镜的示例性情况的图；
图12A至12D是例示了可用于本发明的不同形状的微透镜的图；
图13A和13B是各自例示了多个像素中所包括的第一光电转换部和第二光电转换部的布置的图；
图14A至14C是例示了由第一光电转换部获取的高灵敏度信号和由第二光电转换部获取的低灵敏度信号中的每一个的强度与每单位时间入射在像素上的光量的相关性的曲线图；
图15A是例示了第一光电转换部和第二光电转换部具有相同的容量但是具有不同的Z方向上的深度的示例性情况的图；
图15B是例示了第一光电转换部和第二光电转换部具有相同的容量和相同的Z方向上的深度的示例性情况的图；
图16是例示了包括根据本发明实施例的固态图像传感器的图像拾取装置的示意图；
图17A是现有技术的固态图像传感器中所包括的像素的从光入射侧看的平面图；
图17B是像素的沿图17A中所示的XVIIB-XVIIB线截取的截面配置的图；
图17C是例示了根据现有技术的像素中所包括的第一和第二光电转换部中的每一个的灵敏度与入射角的相关性的示例性曲线图；
图18A是例示了以入射角+θ入射在现有技术的像素上的光线如何传播的图；以及
图18B是例示了以入射角-θ入射在现有技术的像素上的光线如何传播的图。
具体实施方式
现在将参考附图来描述根据本发明的固态图像传感器的实施例，其中相同的元件或具有相同功能的元件由相同的附图标记表示，并且省略对其的冗余描述。
图1是例示了根据本发明的一般实施例的示例性固态图像传感器100的示意图。固态图像传感器100包括其中设有多个像素的像素区域103、以及其中设有周边电路104的区域。
像素
像素101是指设在像素区域103的中心部分102中的像素。这里，设在中心部分102中的像素101是指质心位于中心部分102中的像素。
中心部分102是指在与像素区域103的中心相距预定距离内的区域。该预定距离优选地是像素区域103的对角线长度的1/4或更短，或者更优选地是像素区域103的对角线长度的1/20或更短。
在图1中所示的固态图像传感器100中，例如，设在中心部分102中的像素101是3×3的布置。像素101的布置不限于这种图案。仅需要在中心部分102中设有至少一个像素101。另外，具有与像素101相同配置的像素可以设在中心部分102外部。
图2A至2C是例示了固态图像传感器100中所包括的像素101的示例性配置的图。图2A例示了在与衬底120垂直的方向(Z方向)上看到的衬底120的表面处的像素101的布局。图2B是像素101的沿图2A中所示的IIB-IIB线截取的XZ截面图。
像素101从其光入射侧依次包括：包含芯体111和包层112的波导110、保护层116、以及衬底120。衬底120包括：第一光电转换部121、第二光电转换部122、以及设在光电转换部121和122之间的势垒区123。
光电转换部和势垒区
通过离子注入等在衬底120中产生电位变化来形成光电转换部121和122。衬底120由吸收具有要检测的波长带的光的硅等制成。势垒区123具有抑制第一光电转换部121与第二光电转换部122之间的电荷串扰(charge crosstalk)的出现的势垒。如图2C中所示，势垒区123对应于第一光电转换部121与第二光电转换部122之间的如下区域：在该区域中，势垒的电位为最大值的90％或以上(包括最大值)。
可以通过考虑第一光电转换部121与第二光电转换部122之间的电荷串扰的容许量来确定势垒区123中的势垒的大小。为了相互独立地获取各个光电转换部121和122的像素信号，可以使势垒为高，使得电荷串扰量减少。更具体地说，势垒区123中的势垒可具有大于或等于设在除势垒区123之外且围绕第一光电转换部121和第二光电转换部122的其它区域中的势垒的高度(在图2C中由附图标记128和129表示)的高度。在这种配置中，可以使第一光电转换部121与第二光电转换部122之间的串扰减少到与像素之间的串扰近似相同的水平。然而，如果电荷串扰的容许量大，则势垒区123中的势垒可以低于设在除势垒区123之外且围绕第一光电转换部121和第二光电转换部122的其它区域中的势垒。
为了产生如图2C中所示的像素101中的电位变化，可以通过向与势垒区123对应的区域中而不是在与第一光电转换部121和第二光电转换部122对应的区域中注入离子，来形成势垒。可替代地，可以向光电转换部121和122以及势垒区123这两者中注入离子。在该情况下，向与光电转换部121和122对应的区域中注入的离子与向势垒区123中注入的离子可以具有相反的导电特性。
第一光电转换部121和第二光电转换部122不一定需要如图2A和2B中所示的那样在X方向上并排布置，而可以在相对于X轴成大于0°的角度的方向上并排布置。另外，在第一光电转换部121和第二光电转换部122中的每一个处的衬底120的表面中的开口的形状不限于图2A中所示的矩形，而可以是圆形、椭圆形、多边形等。多边形的每个棱角可以在制造过程中变圆。
保护层
设置保护层116来减少在制造过程中对光电转换部121和122的损坏，以及防止杂质从诸如布线125之类的其它部件进入光电转换部121和122。另外，保护层116可以具有其它的功能，诸如抑制入射在光电转换部121和122上的光从芯体111反射的抗反射功能。另外，保护层116可以包括在与衬底120的表面垂直的方向上层叠的多个层。
波导
波导110由被组合为使得芯体111具有高于包层112的折射率的不同材料形成。用于芯体111和包层112的材料可以选自于诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅和硼磷硅玻璃(BPSG)之类的无机材料、以及诸如聚合物和树脂之类的有机材料。
图2A中所示的点划线111E限定了芯体111的在衬底120侧的端面，即出射面。在图2A中，波导110被设置为使得芯体111的出射面111E的中心113相对于势垒区123的中心124位于第一光电转换部侧(-X侧)。这里，在衬底120的表面处的势垒区123的中心124是指在衬底120的表面处的势垒区123的在Z方向上看的平面图形状的质心。同样，芯体111的出射面111E的中心113是指芯体111的出射面111E的在Z方向上看的平面图形状的质心。在下文中，为了简便，芯体111的出射面111E的中心113相对于在衬底120的表面处的势垒区123的中心124的在-X方向上的偏移量偶尔被称为波导110的偏移量。
在波导110中传播的光会聚在芯体111上。因此，入射在被设置为相对靠近芯体111的出射面111E的中心113的第一光电转换部121上的光量大于入射在被设置为相对远离芯体111的出射面111E的中心113的第二光电转换部122上的光量。即，将芯体111的出射面111E的中心113相对于在衬底120的表面处的势垒区123的中心124朝第一光电转换部侧偏移使得第一光电转换部121的灵敏度高于第二光电转换部122的灵敏度。
包层112设有布线125，该布线125传输用于设置各个光电转换部121和122的曝光时间段的驱动信号并且读取由光电转换部121和122获取的信号。通过布线125从周边电路104传输到像素101的驱动信号基于各个期望的曝光时间段来激活第一光电转换部121和第二光电转换部122。
概述
综上，在根据本发明的一般实施例的固态图像传感器100中所包括的像素101中，通过以相对于在衬底120的表面处的势垒区123的中心124偏移的方式设置的波导110，将入射在像素101上的光引导至光电转换部121和122中的每一个。利用这种配置使得具有不同灵敏度水平的多个光电转换部121和122中的每一个的灵敏度的角度相关性低于在现有技术的固态图像传感器中观测到的灵敏度的角度相关性，其中在所述现有技术的固态图像传感器中是通过使用微透镜将入射在像素上的光引导至每个光电转换部中。下面将给出与现有技术的固态图像传感器的情况的比较。
现有技术的固态图像传感器的角度相关性
图17A是例示了作为比较的现有技术的固态图像传感器中所包括的像素1001的在从光入射侧看到的(在与衬底垂直的方向上看到的)衬底的表面(XY平面)处的布局的图。图17B是例示了像素1001的沿图17A中所示的XVIIB-XVIIB线截取的截面(XZ平面)的配置的图。图17B中所示的像素1001不包括含有芯体和包层的波导。像素1001与在图2A至2C中所示的根据本发明的一般实施例的固态图像传感器100的像素101不同之处在于：通过微透镜1010将入射在像素1001上的光引导至第一和第二光电转换部中的每一个。
图18A和18B例示了入射在现有技术的固态图像传感器的像素1001上的光线如何传播。图18A例示了在-Z方向上并朝+X侧(以入射角+θ)行进的光线如何传播。图18B例示了在-Z方向上并朝-X侧(以入射角-θ)行进的光线如何传播。如图18A和18B中所示，根据微透镜1010的聚焦特性，在-Z方向上并朝+X侧行进的光线被选择性地引导至第二光电转换部1022，而在-Z方向上并朝-X侧行进的光线被选择性地引导至第一光电转换部1021。结果，第二光电转换部1022对于在-Z方向上并朝+X侧行进的光线更灵敏，而第一光电转换部1021对于在-Z方向上并朝-X侧行进的光线更灵敏。即，光电转换部1021和1022的灵敏度取决于角度。
图17C是例示了设有微透镜1010的像素1001中所包括的光电转换部1021和1022中的每一个的灵敏度与入射角的相关性的示例性曲线图。横轴表示入射在像素1001上的光线的入射角θ。θ＝0的情况意味着与微透镜1010的光轴平行的光线入射在像素1001上。
从图17C中可见，对于第一光电转换部1021和第二光电转换部1022这两者，灵敏度的角度相关性在角度范围1040内尤其高。如果光电转换部的灵敏度的角度相关性高，则光电转换部仅接收从所使用的图像拾取透镜的出射光瞳的特定部分射出的光线。结果，焦点未对准的对象的模糊图像可能变形，从而导致图像质量劣化。
波导的位置和角度相关性
现在，将讨论其中省略了导致像素的角度相关性的微透镜的情况。设在像素的光射入侧的微透镜会聚从外部入射在像素上的光，并将光引导至设在像素中的第一光电转换部和第二光电转换部。因此，如果简单地省略微透镜，则特别地，斜入射在像素上的光线在不被会聚的情况下直线行进，并且该光线的一部分进入相邻像素。这种情况增加了所谓的像素之间的串扰。结果，图像质量可能劣化。
相比之下，根据本发明的一般实施例的固态图像传感器100的像素101包括波导110，波导110的芯体111的出射面111E的中心113相对于在衬底120的表面处的势垒区123的中心124朝第一光电转换部侧偏移，由此将光引导至光电转换部121和122，而非通过使用微透镜来会聚光。进入波导110的光在与多个波导模式耦合之后射出。因此，在波导110的出射面111E处的光的强度分布比通过微透镜会聚的光的强度分布更均匀。结果，降低了光电转换部121和122中的每一个的灵敏度的角度相关性。另外，斜入射在像素101上的光线由波导110有效地引导至光电转换部121和122。因此，也减少了像素101之间的串扰。
图3是例示了在图2A至2C所示的像素101中所包括的光电转换部121和122中的每一个的灵敏度的角度相关性的曲线图。横轴表示入射在像素101上的光线在XZ平面中的入射角(θ)。这适用于例示每个光电转换部的灵敏度的角度相关性的所有曲线图。
从图3与图17C之间的比较明显看出，光电转换部121和122中的每一个的灵敏度与入射角的相关性远低于光电转换部1021和1022中的每一个的灵敏度与入射角的相关性。不管入射角如何，光电转换部121和122各自表现出基本上均匀的灵敏度特性。即，光电转换部121和122可以基本上均匀地接收从所使用的图像拾取透镜的整个出射光瞳射出的光线。结果，减少了焦点未对准的对象的模糊图像的变形，并且提高了图像质量。
从灵敏度比值来看波导的偏移量
可以根据所要求的光电转换部121和122之间的灵敏度比值来改变芯体111的出射面111E的中心113相对于势垒区123的中心124的偏移量。为了使第一光电转换部121的灵敏度令人满意地高于第二光电转换部122的灵敏度，如图4A和4B中所示，芯体111的出射面111E的第二光电转换部侧端部114可以相对于第二光电转换部122的中心126位于第一光电转换部侧。图4A是像素101的从光入射侧看(在与衬底120垂直的方向上看像素101)的平面图(XY平面图)。图4B是像素101的沿图4A中所示的IVB-IVB线截取的截面图。芯体111的出射面111E的第二光电转换部侧端部114是指芯体111的出射面111E的在Z方向上看的平面图形状的在第二光电转换部侧的最末端处的点(在图4A中X坐标最大的点)。第二光电转换部122的中心126是指在衬底120的表面处的第二光电转换部122的在Z方向上看的平面图形状的质心。
图5例示了波导110的偏移量(由曲线图的横轴表示)与灵敏度比值(由曲线图的纵轴表示)之间的关系，其中灵敏度比值＝(第二光电转换部122的灵敏度)/(第一光电转换部121的灵敏度)。图5中所绘的点划线表示芯体111的出射面111E的第二光电转换部侧端部114与第二光电转换部122的中心126重合的情况。因此，在点划线右侧的区域对应于其中端部114相对于中心126在-X侧(第一光电转换部侧)的情况，其对应于图4A和4B中所示的位置关系。在点划线左侧的区域对应于其中端部114相对于中心126在+X侧的情况。从图5中可见，如果端部114相对于中心126在+X侧，则灵敏度比值高于50％，这意味着在第一光电转换部121和第二光电转换部122之间基本上不存在灵敏度差异。因此，芯体111的出射面111E的第二光电转换部侧端部114可以相对于第二光电转换部122的中心126位于第一光电转换部侧。
从灵敏度的角度相关性来看波导的偏移量
如图6A和6B中所示，芯体111的出射面111E的第二光电转换部侧端部114可以相对于势垒区123与第二光电转换部122之间的边界127位于第一光电转换部侧。这种配置可以进一步减少第一光电转换部121和第二光电转换部122中的每一个的灵敏度的角度相关性。
另外，芯体111的出射面111E的第二光电转换部侧端部114可以相对于势垒区123与第一光电转换部121之间的边界位于第二光电转换部侧(+X侧)。如果芯体111的出射面111E的第二光电转换部侧端部114相对于势垒区123与第一光电转换部121之间的边界位于-X侧，则从波导110射出的基本上所有光线都进入第一光电转换部121。因此，第二光电转换部122的灵敏度变得过低。结果，由第二光电转换部122获取的图像的质量可能劣化。
即，芯体111的出射面111E的第二光电转换部侧端部114的最佳位置是相对于势垒区123与第一光电转换部121之间的边界在第二光电转换部侧并且相对于势垒区123与第二光电转换部122之间的边界127在第一光电转换部侧的位置。
图6A是像素101的从光入射侧看到(在与衬底120垂直的方向上看像素101)的平面图(XY平面图)。图6B是像素101的沿图6A中所示的VIB-VIB线截取的截面图。势垒区123与第二光电转换部122之间的边界127是指第二光电转换部122的在Z方向上看的平面图形状的在衬底120的表面并且在第一光电转换部侧的最末端的点(在图6A和6B中X坐标最小的点)。
图7A至7D是例示了在波导110具有不同偏移量的情况下第一光电转换部121和第二光电转换部122中的每一个的灵敏度的角度相关性的曲线图。偏移量按图7A至7D的次序减小。图7A和7B各自对应于图6A和6B中所示的布置，其中端部114相对于边界127位于-X侧，即，第一光电转换部侧。图7C和7D各自对应于图4A和4B中所示的布置，其中端部114相对于边界127位于+X侧，即，第二光电转换部侧。
从图7A至7D中可见，光电转换部121和122中的每一个的角度相关性在对应于图7A和图7B的布置中比在对应于图7C和7D的布置中低。即，如果如图6A和6B中所示，端部114相对于边界127位于第一光电转换部侧(-X侧)，则可以进一步降低第一光电转换部121和第二光电转换部122中的每一个的灵敏度的角度相关性。
在图6A和6B所示的配置中第一光电转换部121和第二光电转换部122中的每一个的灵敏度的更低角度相关性的原因如下。
图8A是示意地例示了在端部114相对于边界127位于第二光电转换部侧(+X侧)的情况下光线如何传播的图。如图8A中所示，在角度范围140内在-Z方向上并朝+X侧行进(即，以角度+θ入射在像素101上)的光线141选择性地与多个特定波导模式142耦合，并从波导110出射到第二光电转换部122中。进入第二光电转换部122的光线被转换为电子。通过第二光电转换部122的强漂移场的效应，大部分电子累积在第二光电转换部122中。因此，第二光电转换部122对于以特定角度(在图7A至7D中的角度范围140内)入射在像素101上的光线141的灵敏度增大，从而导致角度相关性。
图8B例示了在端部114相对于边界127位于第一光电转换部侧(-X侧)的情况下以角度+θ入射在像素101上的光线141如何传播。在该情况下，与图8A中所示的情况相同，以角度+θ入射在像素101上的光线141选择性地与多个特定波导模式142耦合，并且这样与波导模式142耦合的光线从波导110出射。然而，在该情况下，从波导110出射的光线不进入第二光电转换部122，而是进入势垒区123。进入势垒区123的光线在势垒区123中被转换为光电子。光电子在衬底120中扩散，并累积在光电转换部121和122的任一个中。因此，光电转换部121和122中的每一个的灵敏度的角度相关性低于图8A中所示的情况。
即，可以进一步使得第一光电转换部121和第二光电转换部122中的每一个的灵敏度的角度相关性在端部114相对于边界127位于-X侧的情况下比在端部114相对于边界127位于+X侧的情况下低。
从图7C和7D中所示的情况与图17C中所示的情况之间的比较可见，即使端部114相对于边界127位于第二光电转换部侧，第一光电转换部121和第二光电转换部122中的每一个的灵敏度的角度相关性仍低于在现有技术的固态图像传感器中观测到的灵敏度的角度相关性。这是因为，相比于通过微透镜会聚光的情况，已经与多个特定波导模式142耦合的光线在波导110的出射面111E仍表现出更均匀的光强度分布。
补充说明
第一光电转换部121和第二光电转换部122的面积可以不同(如图2A至2C中所示)，或者可以相同。即使光电转换部121和122具有相同的开口面积，第一光电转换部121和第二光电转换部122仍可具有不同的灵敏度水平，只要芯体111的出射面111E的中心113相对于势垒区123的中心124偏移。
如果第一光电转换部121和第二光电转换部122在XY平面中在相对于X轴成角度β(β>0°)的方向上并排布置，则芯体111的出射面111E的中心113相对于势垒区123的中心124沿着衬底120的表面在相对于X轴成角度β的方向上偏移。
保护层和角度相关性
现在将描述保护层116的厚度。
图9A至9D是例示了在芯体111的出射面111E与衬底120的表面之间的光程L具有不同值，即保护层116具有不同的厚度t的情况下，第一光电转换部121和第二光电转换部122中的每一个的灵敏度的角度相关性的曲线图。光程L是指保护层116的折射率n乘以实际距离t，其表示为L＝n*t。如果保护层116包括多个不同的层，则光程L是各个层的实际距离乘以该层的折射率的值的总和。
光程L按图9A至9D的次序增大。
图9A和9B例示了L/λ分别为0.5和1.5的情况。值L/λ是通过将光程L除以第一光电转换部121和第二光电转换部122能感测的光的中心波长λ而获得的。图9C和9D例示了L/λ分别为2.6和3.8的情况。从图9A至9D可见，第一光电转换部121和第二光电转换部122中的每一个的灵敏度的角度相关性在图9A和9B中所示的情况下比在图9C和9D中的情况下低，尤其是在角度范围140内。
即，芯体111的出射面111E与衬底120的光入射侧表面之间的距离可以是短的。具体地，可以将芯体111的出射面111E与衬底120的表面之间的光程L设置为光电转换部121和122能感测的光的波长的两倍或更短。这里，光能被光电转换部121和122感测的情况是指入射在像素101上的光的5％或更多被光电转换部121和122的组合吸收的情况。
上述的原因如下。如上所述，以角度范围140内的角度入射在像素101上的光线选择性地与多个特定波导模式142耦合。然后，光线从芯体111的出射面111E出射并在保护层116中与特定传播模式耦合。因此，如果芯体111的出射面111E与衬底120的表面之间的距离长，则从芯体111的出射面111E出射的光线在到达衬底120的表面之前在保护层116内传播。以这种方式传播的光线的一部分进入第二光电转换部122并被转换为电荷。这种电荷中的大部分累积在第二光电转换部122中。因此，第二光电转换部122对于以特定角度入射在像素101上的光线的灵敏度增大，从而导致灵敏度的角度相关性。
比较图9C、9D与图17C，即使波导110的出射面111E与衬底120之间的光程L长于光电转换部121和122能感测的光的波长的两倍，灵敏度的角度相关性仍低于现有技术的固态图像传感器中观测到的灵敏度的角度相关性。这是因为，如上所述，与多个特定波导模式142耦合的光在波导110的出射面111E处的强度分布也比通过微透镜会聚的光的强度分布更均匀。
在芯体111的出射面111E正下方的区域中的保护层116的折射率分布在衬底120的面内方向上(在XY平面内)可以是均匀的。如果保护层116的折射率在面内方向上变化，则从波导110出射的具有基本上均匀的分布的光线的传播模式在该光线到达衬底120的表面之前因XY方向上的折射率变化而改变。结果，第一光电转换部121和第二光电转换部122中的每一个的灵敏度的角度相关性增大。折射率分布均匀的状态是指折射率分布的标准差为0.1或更小的状态。
保护层116的折射率分布是通过在连接第一光电转换部121和第二光电转换部122各自的质心的线上的5个或更多个点(包括势垒区123上的点和第一光电转换部121上的点)处测量在芯体111的出射面111E正下方的区域中的保护层116的折射率而获得的。测量点在厚度方向上都与衬底120的表面相距相同的距离。具体地，如果保护层116包括多个层，则在一个层内测量折射率。
可以用干涉仪、椭率仪(ellipsometer)等来测量折射率。可替代地，可以首先通过傅里叶变换红外光谱法(FTIR)、x射线衍射法、质量分析等来分析保护层116的材料组成，然后可以将结果转换为折射率。
波导的形状和位置
根据本发明的一般实施例的波导110的形状不限于图2A和2B中所示的形状，只要芯体111的出射面111E的中心113相对于在衬底120的表面处的势垒区123的中心124朝第一光电转换部侧(-X侧)偏移即可。例如，如图10A中所示，在与衬底120的表面垂直的方向(Z方向)看时，芯体111的入射面的中心115可以与芯体111的出射面111E的中心113重合。可替代地，如图10B中所示，在衬底120的面内方向(XY方向)上，芯体111的入射面的中心115可以相对于芯体111的出射面111E的中心113位于第二光电转换部侧(+X方向)。另外，如图10C中所示，波导110的芯体111的一部分可以在相邻的像素101上延伸。注意，为避免相邻的像素101之间的串扰的出现，可以防止芯体111的出射面111E的第一光电转换部侧端部位于相邻的像素101上。芯体111的出射面111E的第一光电转换部侧端部是指芯体111的出射面111E的在Z方向上看的平面图形状的在第一光电转换部侧的最末端处的点(在图10A至10C中X坐标最小的点)。
另外，与“芯体111的出射面111E的中心113”相同，“芯体111的入射面的中心115”是指芯体111的入射面的在Z方向上看的平面图形状的质心。
图10A中所示的结构可以相对容易地制造。在如图10B或10C中所示的结构中，更容易使芯体111的出射面111E的第二光电转换部侧端部114相对于势垒区123与第二光电转换部122之间的边界位于第一光电转换部侧(-X侧)。通过在设置具有不同厚度的牺牲层之后执行蚀刻或者通过在设置不同尺寸的开口的同时执行多级蚀刻，可以形成图10B中所示的波导110.
芯体111的平面图形状不限于图2A中所示的圆形，并且可以是椭圆形或多边形。多边形的棱角可以在制造过程中变圆。
微透镜
微透镜可以设在相对于波导110的光入射侧。如果设置了微透镜，则入射在像素101上的光可以被有效地引导至波导110。注意，如果设置了微透镜，则光电转换部121和122之间的区域的灵敏度的角度相关性增大。因此，从减小角度相关性的角度，微透镜不是必要的。然而，即使设置了微透镜，因为以下原因，光电转换部121和122中的每一个的角度相关性仍低于现有技术的固态图像传感器中观测到的角度相关性。
如果如在现有技术的固态图像传感器中那样在微透镜与光电转换部之间不设置波导，则微透镜的聚集效应直接影响光电转换部的灵敏度的角度相关性。相比之下，如果在微透镜与光电转换部之间设置波导，则通过微透镜传输的光入射在波导的入射面上。这样入射在波导的入射面上的光在与多个波导模式耦合的同时在波导中传播，并且朝光电转换部射出。因此，光强度分布在波导的出射面比在波导的入射面更均匀。即，相比于其中入射在像素上的光在仅通过微透镜传输的同时会聚在光电转换部上的现有技术的固态图像传感器的情况，可以使光强度分布更加均匀。因此，根据本发明的一般实施例，即使在相对于波导110的光入射侧设置微透镜，仍可以使光电转换部121和122的角度相关性比在现有技术的固态图像传感器中观测到的角度相关性低。
图11A例示了在像素101的最上表面上设有微透镜117的示例性情况。图11B例示了在波导110与在像素101的最上表面之间设有微透镜117的示例性情况。在该情况下，微透镜117由与芯体111相同的材料制成。图11C例示了分别在像素101的最上表面上以及在像素101的最上表面与波导110之间设有微透镜117-1和117-2的示例性情况。每个微透镜117可以由诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或BPSG之类的无机材料、或者诸如聚合物或树脂之类的有机材料制成。
在不同方向上具有不同折光力水平的微透镜
如图12A至12D中所示，如果使用在X和Y方向上具有不同的折光力水平的微透镜117，则在减小灵敏度比值的角度相关性的同时，可以增大光电转换部121和122的灵敏度。图12A例示了像素101在XY平面的概略布局(在与衬底120垂直的方向上看到的像素101的布局)。图12B至12D各自在左侧包括沿图12A中所示的A-A线截取的X-Z截面图，在右侧包括沿图12A中所示的B-B线截取的Y-Z截面图。
如果在使第一光电转换部121的中心与第二光电转换部122的中心相互连接的线延伸的第一方向上(沿线A-A)，微透镜117的折光力高，则在波导110的入射面处的第一方向上的光强度分布极大地取决于像素101上的光在第一方向上的入射角。随着在波导110的入射面处的第一方向上的光强度分布变得更加不均匀，从波导110出射的光的第一方向上的强度分布也变得更加不均匀。因此，进入各光电转换部121和122的光量之间的比值改变。因此，如果微透镜在第一方向上的折光力高，则光电转换部121和122中的每一个在第一方向上的角度相关性高。
相比之下，在衬底120的表面(XY平面)处微透镜117在与第一方向垂直的第二方向(沿线B-B)上的折光力仅影响从波导110出射的光的第二方向上的强度分布。第一光电转换部121和第二光电转换部122并排设置在第一方向上。因此，即使第二方向上的强度分布不均匀，进入各光电转换部121和122的光量之间的比值的变化仍小。
鉴于上述，考虑到光电转换部121和122的灵敏度，微透镜117的对灵敏度的角度相关性影响大的X方向上的折光力可以减小，而微透镜117的对灵敏度的角度相关性影响小的Y方向上的折光力可以增大。即，在XY平面内，微透镜117在使第一光电转换部121的中心和第二光电转换部122的中心相互连接的线的第一方向上比在与第一方向垂直的第二方向上可以具有更低的折光力。特别地，如果微透镜117的第二方向上的焦点被限定在芯体111的入射面附近，则光电转换部121和122的灵敏度最大。
在图12A至12D所示的每种情况下，微透镜117的第一方向对应于X方向，而微透镜117的第二方向对应于Y方向。图12B例示了微透镜117的光入射面在XZ截面的曲率半径大于在YZ截面的曲率半径的情况。图12C例示了X方向上的折光力为零的情况，即，轴在X方向上延伸的柱形透镜的情况。图12D例示了具有多个微观结构的数字透镜118的情况，所述微观结构各自具有约为波长的1/10或更小的尺寸并被布置为使得X方向上的折光力低于Y方向上的折光力，由此X方向和Y方向上的折射率分布被相互独立地控制。
以上描述都涉及前侧照射的固态图像传感器，其中布线125设在衬底120的与波导110相同的一侧。可替代地，固态图像传感器可以是背侧照射类型，其中布线125设在衬底120的与波导110对面的另一侧。如果本发明应用于背侧照射的固态图像传感器，则可以相互独立地确定波导110的布局和布线125的布局。因此，简化了制造过程。特别地，如果如图10C中所示，波导110的一部分在相邻的像素101上延伸，则固态图像传感器可以是背侧照射型，因为前侧照射类型中的布线125的布局的灵活性受波导110的存在的限制。
像素区域中的像素的布置
在固态图像传感器100的像素区域103中设有多个像素101的情况下，单个像素101中的第一光电转换部121和第二光电转换部122的布置可以对于所述多个像素101都相同，或者在不同像素101之间有所不同。
注意，如果如图10C中所示，波导110的一部分在相邻的像素101上延伸，则可以采用图13A或13B中所示的布置，因为相邻的像素101的波导110的芯体111被防止相互干涉。
图13A例示了对于所有像素101，单个像素101中的从第一光电转换部121的中心朝第二光电转换部122的中心的方向均为+X方向的情况。图13B例示了在与连接第一光电转换部121的中心和第二光电转换部122的中心的线正交的方向上彼此相邻的像素101之间，单个像素101中的从第一光电转换部121的中心朝第二光电转换部122的中心的方向相反的情况。在图13A和13B中，每个像素101的第一方向对于所有像素101都相同，因此第二方向对于两个相邻的像素101也相同。
单个像素101中的从第一光电转换部121的中心朝第二光电转换部122的中心的方向在不同的像素101之间可以不同。即，该方向在一些像素101中可以是X方向，在一些像素101中可以是Y方向，而在另一些像素101中可以是相对于X方向倾斜的方向。
第一实施例
现在将参考图1和图2A至2C描述本发明的第一实施例。在第一实施例中，根据本发明的固态图像传感器被用于通过获取高灵敏度信号和低灵敏度信号并将这两种信号组合在一起来形成具有宽动态范围的图像。
在第一实施例中，由接收光的较大部分的第一光电转换部121获取高灵敏度信号，并由接收光的较小部分的第二光电转换部122获取低灵敏度信号。通过接收通过布线125从周边电路104传输的各个信号并以暴露于光中达相同时间段的方式来驱动光电转换部121和122。
由各个光电转换部121和122获取的信号通过布线125被传送到周边电路104并从周边电路104输出到外部设备。由光电转换部121和122获取的信号可以按原样从周边电路104输出。可替代地，如果入射在像素101上的光量小于阈值，则可以输出高灵敏度信号，而如果入射在像素101上的光量大于或等于阈值，则可以输出低灵敏度信号。阈值被设为这样的值：该值小于与高灵敏度信号饱和时的信号强度对应的值，并大于与低灵敏度信号表现出期望的信噪(SN)比时的信号强度对应的值。
现在将描述通过使用高灵敏度信号和低灵敏度信号来加宽动态范围的方法。图14A至14C是例示了高灵敏度信号1031和低灵敏度信号1032中的每一个的强度对于每单位时间入射在像素101上的光量的相关性的曲线图。如图14A中所示，如果高灵敏度信号1031的强度低于或等于第一阈值1051，则使用高灵敏度信号1031。如果低灵敏度信号1032的强度高于或等于第二阈值1052，则使用低灵敏度信号1032。通过两个信号1031和1032的组合，获得具有宽动态范围的图像。
第一阈值1051被设为比高灵敏度信号1031饱和时的信号强度低的信号强度。第二阈值1052被设为低灵敏度信号1032的信噪比超过期望值时的信号强度。因此，当低灵敏度信号1032的强度等于第二阈值1052时入射在像素101上的光量1062需要小于当高灵敏度信号1031的强度等于第一阈值1051时入射在像素101上的光量1061。
这里，让我们考虑图17A至17C中所示的现有技术的固态图像传感器的情况。从图17C中可见，光电转换部1021和1022之间的灵敏度比值的角度相关性在角度范围1040中尤其高。因此，光电转换部1021和1022之间的灵敏度比值随着所使用的图像拾取透镜和光圈的状态而变化。结果，图像质量可能劣化，或者动态范围可能变窄。这种状况的机制如下。
图14B例示了因为所使用的图像拾取透镜具有大f数或者光圈的尺寸减小，所以第一光电转换部1021与第二光电转换部1022之间的灵敏度比值高的情况。该情况对应于例如在图17C中所指示的角度范围1041内的角度的光入射在像素101上的情况。
在这种情况下，当低灵敏度信号1032的强度等于第二阈值1052时入射在像素101上的光量1062大于当高灵敏度信号1031的强度等于第一阈值1051时入射在像素101上的光量1061。因此，如果入射在像素101上的光量在范围1063内，则在低灵敏度信号1032具有不足的信噪比时，高灵敏度信号1031是饱和的。因此，在与高灵敏度信号1031和低灵敏度信号1032之间的切换点对应的范围1063内，所合成的图像的质量可能劣化。当入射在光电转换部上的光量超过如下水平时，信号饱和：在该水平，累积在光电转换部中的电荷量达到最大值。
现在，让我们考虑第一光电转换部1021和第二光电转换部1022之间的灵敏度比值低的情况。图14C例示了因为所使用的透镜具有小f数或者光圈完全打开，所以第一光电转换部1021与第二光电转换部1022之间的灵敏度比值低的情况。该情况对应于例如在图17C中所指示的角度范围1042内的光入射在像素101上的情况。在这种情况下，用于在第一光电转换部1021中获取期望的信噪比所需的光量大于在图14A中所示的情况。另外，第二光电转换部1022以比图14A中所示的情况小的光量达到饱和。结果，所合成的图像的动态范围窄了其中高灵敏度信号1031的强度低于第二阈值1052的范围1064和其中低灵敏度信号1032饱和的另一个范围1064。
如上所述，如果光电转换部1021和1022之间的灵敏度比值的角度相关性高，则取决于被用于对固态图像传感器施加光的透镜和光圈的状态，所得到的图像的质量在两个信号之间的切换点处可能劣化或者动态范围可能变窄。相比之下，在根据本发明的第一实施例的固态图像传感器100中，具有不同灵敏度水平的光电转换部121和122中的每一个的灵敏度的角度相关性低，典型地如图3中所示。因此，除了上面提到的离焦图像(defocusedimage)的变形减少，还获取了具有高于或等于期望水平的信噪比以及宽动态范围的图像。
基于要合成的图像所需要的动态范围或信噪比，确定光电转换部121和122之间的需要的灵敏度比值。在第一实施例中，可以基于要合成的图像所需的动态范围或信噪比来确定芯体111的出射面111E的中心113相对于势垒区123的中心124的偏移量。
为了通过组合两个信号来加宽动态范围，需要满足下面的关系：
C1/S1>C2/S2 (表达式1)
其中S1和C1分别表示获取高灵敏度信号的第一光电转换部121的灵敏度和容量，S2和C2分别表示获取低灵敏度信号的第二光电转换部122的灵敏度和容量。
其原因如下。如果C1/S1≤C2/S2，则通过小于或等于使获取低灵敏度信号的第二光电转换部122饱和的光量的光量，获取高灵敏度信号的第一光电转换部121饱和。另外，C1/S1可以是C2/S2的两倍或更大。注意，C1/S1和C2/S2分别是在光电转换部121和122的对应的一个中可以累积为电荷的最大光量。
如上所述，第一光电转换部121的灵敏度S1与第二光电转换部122的灵敏度S2之间的比值能够随着芯体111的出射面111E的中心113相对于势垒区123的中心124的偏移量而改变。
为了增大光电转换部121或122的容量C1或C2，可以增大光电转换部121或122的体积或者用于形成光电转换部121或122的掺杂物的浓度。为了增大光电转换部121或122的体积，可以通过增大离子注入的面积来加宽光电转换部121或122的开口，或者可以通过将离子注入到衬底120深处来增大光电转换部121或122的深度。注意，如果光电转换部121和122具有相同的深度和相同的掺杂物浓度，则可以在相同的离子注入条件下形成光电转换部121和122，由此简化制造过程。
即使第一光电转换部121的曝光时间与第二光电转换部122的曝光时间不相同，仍可以获得宽动态范围的图像，只要可以累积在各个光电转换部121和122中的电荷量不同即可。然而，如果第一光电转换部121的曝光时间与第二光电转换部122的曝光时间不同，则光电转换部121和122特别地造成对象的不同水平的运动模糊。以这种方式合成的图像可能显得不自然。因此，期望的是第一光电转换部121的曝光时间与第二光电转换部122的曝光时间相同。
像素101可以包括具有不同灵敏度水平的三个或更多个光电转换部。如果对由具有不同灵敏度水平的三个或更多个光电转换部获取的像素信号进行组合，则可以进一步加宽要合成的图像的动态范围。
第二实施例
现在将描述本发明的第二实施例。在第二实施例中，使用根据本发明的固态图像传感器，使得对具有不同灵敏度水平的多个光电转换部驱动不同的曝光时间段，由此同时获取以低灵敏度和长曝光时间拍摄的图像和以高灵敏度和短曝光时间拍摄的图像。
通常，拍摄平滑的运动图像所需的曝光时间经常变得长于拍摄静止图像所需的曝光时间。下文中，以低灵敏度和长曝光时间拍摄的图像被认为是运动图像，以高灵敏度和短曝光时间拍摄的图像被认为是静止图像。如果用于静止图像的曝光时间长于用于运动图像的曝光时间，则分别用于获取运动图像和静止图像的光电转换部仅需要相互交换。
第二实施例与第一实施例的不同之处在于：第一光电转换部121的曝光时间短于第二光电转换部122的曝光时间。第一光电转换部121获取静止图像信号，而第二光电转换部122获取运动图像信号。这样获取的信号被从周边电路104输出并且分别被用于形成静止图像和运动图像。
让我们考虑图17A至17C中所示的现有技术的固态图像传感器的情况。从图17C中可见，光电转换部1021和1022之间的灵敏度比值的角度相关性在角度范围1040中尤其高。因此，光电转换部1021和1022中的每一个的灵敏度因所使用的透镜和光圈的状态而改变。因此，所得到的静止图像和所得到的运动图像的质量可能劣化。
例如，如果所使用的透镜具有大f数或者光圈的尺寸减小，则进入像素1001的光的入射角在图17C中所示的角度范围1041内。在角度范围1041中，第一光电转换部1021的灵敏度高，而第二光电转换部1022的灵敏度低。结果，第一光电转换部1021容易饱和，并且在所得到的静止图像中容易出现曝光过度。另外，第二光电转换部1022的灵敏度的不足容易导致所得到的运动图像中的曝光不足。
例如，如果所使用的透镜具有小f数或者光圈完全打开，则进入像素1001的光的入射角在图17C中所示的角度范围1040内。在角度范围1040中，第一光电转换部1021的灵敏度低，而第二光电转换部1022的灵敏度高。结果，第一光电转换部1021的灵敏度变得不足，并且在所得到的静止图像中容易出曝光不足。另外，第二光电转换部1022容易饱和，并且在所得到的运动图像中容易出现曝光过度。
如上所述，如果每个光电转换部的灵敏度的角度相关性高，则取决于所使用的透镜和光圈的状态，所得到的静止图像和所得到的运动图像的质量可能劣化。
相比之下，在根据本发明的第二实施例的固态图像传感器100中，具有不同灵敏度水平的光电转换部121和122中的每一个的灵敏度的角度相关性低，典型地如图3中所示。因此，除了上面提到的离焦图像的变形减少，还可以同时获取高质量的运动图像和静止图像，而不管所使用的透镜和光圈的状态如何。
利用根据第二实施例的固态图像传感器100，可以分别根据由第一光电转换部121获取的静止图像信号和由第二光电转换部122获取的运动图像信号形成不同的图像，即静止图像和运动图像。因此，可以以尽可能相互接近的各个强度水平和尽可能相互接近的各个动态范围来生成静止图像信号和运动图像信号。
因此，还可以满足下面的关系式：
S1×T1＝S2×T2 (表达式2)
C1/(S1×T1)＝C2/(S2×T2) (表达式3)
其中S1、C1和T1分别表示获取静止图像信号的第一光电转换部121的灵敏度、容量和曝光时间，S2、C2和T2分别表示获取运动图像信号的第二光电转换部122的灵敏度、容量和曝光时间。
表达式2限定了关于信号强度的条件。表达式3限定了关于动态范围的条件。
如上所述，通过改变波导110的偏移量能够控制S1和S2之间的比值。从表达式2可见，在第二实施例中，可以通过估计要使用的用于静止图像和运动图像中的每一个的曝光时间来确定S1和S2之间的比值。例如，如果用于运动图像的曝光时间是1/60秒并且用于静止图像的曝光时间是1/600秒，则像素101被配置为使得S1是S2的10倍。
为了同时满足表达式2和3，第一光电转换部121的容量C1和第二光电转换部122的容量C2可以相同。这里，“相同”意味着在制造过程中由于容差的误差是准许的。具体地，如果第一光电转换部121的容量C1与第二光电转换部122的容量C2之差小于第一光电转换部121的容量C1的10％，则容量C1与C2被认为是相同的。
如上所述，通过光电转换部的体积和用于形成光电转换部的掺杂物的浓度来确定光电转换部的容量。图15A和15B例示了如下不同情况：在每种情况中，第一光电转换部121的容量与第二光电转换部122的容量相同。图15A和15B各自在左侧包括像素101的XY平面图(在与衬底120垂直的方向上看的像素101的平面图)，其中该XY平面图例示了在Z方向上看的衬底120的表面处的布局，以及在右侧包括像素101的沿XY平面图中所示的A-A线截取的XZ截面图。在任何一种情况中，芯体111的出射面111E的中心113相对于势垒区123的中心124朝第一光电转换部侧(-X侧)偏移。
在图15A所示的情况中，第一光电转换部121的X方向上的长度长于第二光电转换部122的X方向上的长度，并且第一光电转换部121的Z方向上的深度大于第二光电转换部122的Z方向上的深度。在图15B所示的情况中，第一光电转换部121和第二光电转换部122具有相同的X方向上的长度、相同的Z方向上的深度和相同的掺杂物浓度。如果光电转换部121和122具有相同的深度和相同的掺杂物浓度，则可以在相同的离子注入条件下形成光电转换部121和122，由此简化制造过程。这里，就制造过程而言，图15B中所示的配置是更优的。
像素101可以包括三个或更多光电转换部。如果曝光时间在三个或更多光电转换部间变化，并且同时获取基于分别不同的曝光时间段的三个或更多图像，则可以获取具有不同模糊水平的多个图像。另外，可以根据所设置的快门速度来选择要使用的光电转换部。根据表达式2和3，光电转换部的合适的特性随着所设置的快门速度而变化。因此，如果所述三个或更多光电转换部中的两个被选择，则可以同时获取强度水平相近且动态范围相近的静止图像信号和运动图像信号。
由暴露于光中达相同时间段的多个光电转换部获取的信号可被用于获取具有宽动态范围的图像，而由暴露于光中达不同时间段的多个光电转换部获取的信号可被用于同时获取静止图像和运动图像。
第三实施例
图16是例示了包含根据本发明的任一实施例的固态图像传感器100的图像拾取装置190的示意图。图像拾取装置190包括：壳体197，其具有与图像拾取透镜191附接的透镜附接部196；固态图像传感器100；控制部198，其控制图像拾取装置190的操作；以及图像拾取透镜191，其把光从外部带入壳体197中。图像拾取透镜191与壳体197的透镜附接部196附接。图像拾取装置190的图像拾取透镜191是能够从壳体197拆卸的，即，是能够交换的，或者可以是不能交换的。控制部198包括中央处理单元(CPU)192、传送电路193、信号处理单元194和设备驱动电路195。
CPU 192是控制传送电路193、信号处理单元194和设备驱动电路195的电路。设备驱动电路195是这样的电路：该电路根据来自CPU 192的信号来驱动固态图像传感器100，并且例如控制设在每个像素101中的各个光电转换部121和122的曝光时间段以及对由光电转换部121和122获取的信号进行读取的时序。传送电路193存储从固态图像传感器100读取的信号并将信号传送到信号处理单元194。信号处理单元194把通过传送电路193获取的信号处理为图像。
图像拾取装置190可以选择性地以动态范围加宽模式或以运动图像及静止图像同时获取模式进行操作，在动态范围加宽模式中，根据第一实施例来驱动固态图像传感器100，而在运动图像及静止图像同时获取模式中，根据第二实施例来驱动固态图像传感器100。模式是能够由用户通过操作单元(未示出)选择的。CPU 192根据所选择的模式来控制相关联的电路。
如果选择了动态范围加宽模式，则激活固态图像传感器100，使得第一光电转换部121和第二光电转换部122暴露于光中达相同的时间段，并且使得具有更高灵敏度的第一光电转换部121获取高灵敏度信号，而具有更低灵敏度的第二光电转换部122获取低灵敏度信号。如果入射在像素101上的光量低于阈值，则使用高灵敏度信号。如果入射在像素101上的光量高于或等于阈值，则使用低灵敏度信号。通过这两个信号的组合，形成具有宽动态范围的图像。
如果选择了运动图像及静止图像同时获取模式，则激活固态图像传感器100，使得第一光电转换部121的曝光时间短于第二光电转换部122的曝光时间。如果出于例如对快速运动的对象进行拍摄的目的，相比于用于运动图像，用于静止图像的曝光时间被设置为更短的值，则由具有较高灵敏度的第一光电转换部121获取静止图像信号，由具有较低灵敏度的第二光电转换部122获取运动图像信号。如果出于例如有意增加运动模糊的目的，相比于用于运动图像，用于静止图像的曝光时间被设置为更短的值，则由具有较高灵敏度的第一光电转换部121获取运动图像信号，由具有较低灵敏度的第二光电转换部122获取静止图像信号。用于静止图像的曝光时间由用户确定。用于运动图像的曝光时间被设置为大约与固态图像传感器100的帧率对应的值。因此，根据以上述方式获取的静止图像信号和运动图像信号可以同时形成静止图像和运动图像。
图像拾取装置190的固态图像传感器100不限于仅基于第一实施例和第二实施例中的一个进行操作。例如，固态图像传感器100可以同时具有用于获取具有宽动态范围的图像的模式和用于同时获取运动图像和静止图像的模式，使得根据要获取的图像来在两个模式之间切换模式。在这种情况中，第一光电转换部121和第二光电转换部122的灵敏度水平和容量需要至少满足表达式1。另外，还可以满足表达式2和3。
如果满足表达式2和3这两者，则第一光电转换部121的容量和第二光电转换部122的容量相同。因此，自然满足表达式1。因此，在具有用于获取具有宽动态范围的模式和用于同时获取运动图像和静止图像的模式这两者的固态图像传感器100中，第一光电转换部121的容量和第二光电转换部122的容量可以相同。
综上，根据第三实施例的图像拾取装置能够获取具有宽动态范围的优秀图像，并且还能够同时获取运动图像和静止图像。
根据本发明的任一实施例，提供了固态图像传感器，在该固态图像传感器中，设在每个像素中且具有不同灵敏度水平的多个光电转换部的每一个的灵敏度的角度相关性降低，并且取决于所使用的照相机透镜和光圈的状态而可能出现的图像质量劣化得到抑制。
虽然已经参考示例实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这种修改和等同的结构及功能。

Claims (15)

1.一种固态图像传感器，其特征在于，包括：
设在像素区域中的像素，
所述像素中的每一个包括：
设在衬底中的第一光电转换部和第二光电转换部，第二光电转换部具有比第一光电转换部低的灵敏度；
势垒区，设在第一光电转换部与第二光电转换部之间；
波导，设在衬底的光入射侧并且包含芯体和包层；以及
保护层，设在波导与衬底之间，
其中，当在与衬底垂直的方向上看衬底的表面时，在设在像素区域的中心部分的每个像素中，芯体的出射面的中心相对于在衬底的表面处的势垒区的中心位于第一光电转换部侧，并且
其中，在芯体的出射面正下方的区域中的保护层的折射率分布的标准差在衬底的面内方向上为0.1或更小。
2.根据权利要求1所述的固态图像传感器，其中，当在与衬底垂直的方向上看衬底的表面时，芯体的出射面的第二光电转换部侧端部相对于第二光电转换部的中心位于第一光电转换部侧。
3.根据权利要求1或2所述的固态图像传感器，其中，芯体的出射面与衬底的表面之间的光程最大为第一光电转换部和第二光电转换部能感测的光的中心波长的两倍。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的固态图像传感器，其中，当在与衬底垂直的方向上看衬底的表面时，芯体的入射面的中心与芯体的出射面的中心重合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的固态图像传感器，还包括设在相对于波导的入射面的光入射侧的微透镜。
6.根据权利要求5所述的固态图像传感器，其中，微透镜的在第一光电转换部的中心与第二光电转换部的中心相互连接的线延伸的第一方向上的折光力低于微透镜的在与衬底的表面平行的平面中垂直于第一方向的第二方向上的折光力。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的固态图像传感器，还包括传输由第一光电转换部和第二光电转换部获取的信号的布线，所述布线被设在衬底的与设有波导的侧相对的侧。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的固态图像传感器，其中，势垒区具有势垒，所述势垒的高度大于或等于除势垒区以外的并且包围第一光电转换部和第二光电转换部的区域的势垒的高度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的固态图像传感器，其中，所述中心部分是与像素区域的中心相距像素区域的对角线长度的1/4的距离内的区域。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的固态图像传感器，其中，在与在衬底的表面处第一光电转换部的中心与第二光电转换部的中心相互连接的线正交的方向上彼此相邻的像素之间，单个像素中的从第一光电转换部的中心朝第二光电转换部的中心的方向相反。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的固态图像传感器，其中，如果入射在像素上的光量小于预定阈值，则输出由第一光电转换部获取的信号，而如果入射在像素上的光量大于预定阈值，则输出由第二光电转换部获取的信号。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的固态图像传感器，其中，第一光电转换部的曝光时间短于第二光电转换部的曝光时间。
13.根据权利要求12所述的固态图像传感器，其中，满足以下关系：
S1×T1＝S2×T2，以及
C1/(S1×T1)＝C2/(S2×T2)，
其中，S1、C1和T1分别表示第一光电转换部的灵敏度、容量和曝光时间，S2、C2和T2分别表示第二光电转换部的灵敏度、容量和曝光时间。
14.一种图像拾取装置，其特征在于，包括：
设在壳体中的根据权利要求1所述的固态图像传感器。
15.根据权利要求14所述的图像拾取装置，其中，如果入射在像素上的光量小于预定的阈值，则通过使用由第一光电转换部获取的信号来形成图像，而如果入射在像素上的光量大于所述阈值，则通过使用由第二光电转换部获取的信号来形成图像。
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