CN105979172A - 像素、固态成像设备和成像装置 - Google Patents

像素、固态成像设备和成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及像素、固态成像设备和成像装置。提供了一种固态成像设备，在获取具有彼此不同灵敏度的成像信号的同时可以获取测距信号，并且还防止测距精度下降。像素包括具有相互不同的灵敏度并且在第一方向上平行地排列的第一光电转换区域和第二光电转换区域、以及夹在第一光电转换区域与第二光电转换区域之间的第一势垒区。第一光电转换区域包括在与第一方向相交的第二方向上平行地排列的第一光电转换部和第二光电转换部、以及夹在第一光电转换部与第二光电转换部之间的第二势垒区。第一势垒区的电气分隔的量值大于第二势垒区的电气分隔的量值。

Description

像素、固态成像设备和成像装置
技术领域
本发明涉及固态成像设备，并且更特别地涉及适于诸如数码相机之类的成像装置的固态成像设备。
背景技术
对于由诸如数码相机之类的成像装置获取的图像的更宽动态范围存在增长的需求。日本专利特许公开No.2004-363193提出了一种技术来解决这个问题：通过使像素内的多个光电转换部的孔径面积相互区分、改变进入光电转换部的光量之比、并由此获取两种类型的像素信号，即高灵敏度信号和低灵敏度信号。然后，这两种类型的像素信号被合成，从而使动态范围变宽。
对于能够在获取运动图像信号的同时获取静止图像信号的成像装置的实现也存在增长的需求。一般而言，为了获得平滑的运动图像，优选地以大约与固态成像设备的读出帧速率相同的曝光时间(电荷累积时段)执行拍摄。另一方面，优选地根据被摄体的运动速度来设置在静止图像的情况下的曝光时间。因此，在获取运动图像信号的同时获取静止图像信号必需获取各自具有不同的曝光时间的两个图像信号。
日本专利特许公开No.2004-120391公开了一种固态成像设备以在获取运动图像信号的同时获取静止图像信号，该固态成像设备在单个像素中具有多个光电转换元件(相当于日本专利特许公开No.2004-363193中的光电转换部)，所述多个光电转换元件具有不同的曝光时间。具有相对较短的曝光时间的光电转换元件的面积相对较宽，而具有相对较长的曝光时间的光电转换元件的面积相对较小，并且灵敏度在用于运动图像的光电转换元件与用于静止图像的光电转换元件之间有所不同。注意，“光电转换元件(光电转换部)的灵敏度”被定义为在光电转换部中累积的电荷量与每单位时间进入像素的光量之比。
日本专利特许公开No.2002-314062公开了作为常规技术的具有距离测量像素(以下简称为“测距像素”)的固态成像设备，其中测距像素具有测距功能以通过相位差测量来检测至被摄体的距离。测距像素设有多个光电转换部，并且被配置为使得已穿过拍摄透镜的光瞳的不同区域的光束分别被引导至不同的光电转换部。根据向每个测距像素提供的多个光电转换部中的每一个光电转换部所获取的信号，来生成已各自穿过从拍摄透镜的光轴移到彼此相对的侧的光瞳区域的光束的图像(以下简称为“测距图像”)。然后，基于根据已穿过拍摄透镜的不同光瞳区域的每个光束生成的测距图像之间的未对准量(amount of misalignment)，可以使用三角测量的原理来检测至被摄体的距离。在成像时，在像素内的多个光电转换部获取的信号的输出被相加并被获取，由此产生成像信号。
现在，当在获取不同灵敏度的图像的同时获取测距图像时，出现以下问题。为了在获取具有不同灵敏度的多个成像信号中的一个的同时获取另一个，通过使用日本专利特许公开No.2004-363193和2004-120391中所公开的技术，进入设在像素内的多个光电转换部中的每一个光电转换部的光量需要改变。具体而言，采用如下配置：在该配置中，在像素中设有两个光电转换部，并且微透镜的光轴从用于隔开两个光电转换部的势垒区的中心移开。但是，这种布局导致由光电转换部接收的光束所穿过的拍摄透镜的光瞳区域之间的距离(基线长度)更短，并且测距的精度下降。
另一方面，在微透镜的光轴穿过用于隔开两个光电转换部的势垒区的中心的情况下，如在日本专利特许公开No.2002-314062的情况下，由光电转换部接收的光束所穿过的拍摄透镜的光瞳区域之间的距离(基线长度)更长，所以测距的精度提高。但是，通过微透镜进入两个光电转换部的光量大致相同，因此难以在获取具有不同灵敏度的多个成像信号中的一个的同时获取另一个。
已经发现，期望的是使得能够在获取具有相互不同的灵敏度的成像信号(用于获取图像的信号)的同时获取测距信号(用于获取测距图像的信号)，并且还防止测距精度下降。
发明内容
像素包括具有相互不同的灵敏度并且在第一方向上平行地排列的第一光电转换区域和第二光电转换区域、以及夹在第一光电转换区域与第二光电转换区域之间的第一势垒区。第一光电转换区域包括在与第一方向相交的第二方向上平行地排列的第一光电转换部和第二光电转换部、以及夹在第一光电转换部与第二光电转换部之间的第二势垒区。第一势垒区的电气分隔的量值大于第二势垒区的电气分隔的量值。根据本发明的成像装置包括拍摄透镜和固态成像设备。
参照附图阅读对示例性实施例的以下描述，本发明的更多特征将变得清楚。
附图说明
图1是例示了根据第一实施例的固态成像设备的示例的图。
图2A至2E是例示了根据第一实施例的像素的配置示例以及根据第一实施例的在像素中提供的电势分布的示例的图。
图3A至3C是例示了根据第一实施例的向像素提供的光电转换部的灵敏度的角度依赖性的图。
图4A至4C是例示了根据第一实施例的布置在像素上的微透镜的修改的图。
图5A至5C是例示了根据第一实施例的按照方向来布置具有不同折光力的微透镜的示例的图、以及例示了这种情况下的在第二光电转换区域处的灵敏度的角度依赖性的图。
图6A至6D是例示了根据第一实施例的在像素上按照方向来定位具有不同折光力的微透镜的具体示例的图。
图7A至7D是例示了根据第一实施例的在向像素提供光波导的情况下的配置示例的图、以及例示了这种情况下的在第二光电转换区域处的灵敏度的角度依赖性的图。
图8A至8D是例示了根据第一实施例的在设于像素中的第一和第二势垒区处的电势分布的示例的图。
图9A和9B是例示了根据第一实施例的固态成像设备中的像素的布局示例的图。
图10A至10C是例示了根据第二实施例的固态成像设备中的像素的布局示例的图。
图11是例示了根据第三实施例的固态成像设备中的像素的布局示例的图。
图12是例示了根据第六实施例的设有固态成像设备的成像装置的示例的示意图。
图13A至13C是例示了根据比较例的固态成像设备中的像素的配置示例、以及向像素提供的光电转换构件的灵敏度与微透镜的光轴的偏移量之间的关系的图。
图14A和14B是例示了关于其中微透镜的光轴的偏移量小的情况和其中所述偏移量大的情况中的每一种情况，入射到像素的光束传播的方式的图。
图15A和15B是例示了其中用于获取测距信号的多个光电转换部和用于获取具有相互不同的灵敏度的成像信号的多个光电转换区域在同一方向上排列的像素的图。
图16是适用于第一和第二实施例中的像素的电路图。
图17是例示了在第一光电转换区域的灵敏度比第二光电转换区域的灵敏度高的情况下，在同一列中排列的多个像素的曝光时间的图。
图18是例示了在第一光电转换区域的灵敏度比第二光电转换区域的灵敏度低的情况下，在同一列中排列的多个像素的曝光时间的图。
具体实施方式
将参照附图来描述根据本发明的固态成像设备的实施例。在所有附图中，具有相同或等同功能的部分由相同的附图标记表示，并且将省略冗余的描述。
第一实施例
将描述能够同时获取测距信号和具有不同灵敏度的多个图像的信号的固态成像设备的配置。图1是例示了根据本发明的固态成像设备100的示例的示意图。固态成像设备100具有在其中设有像素的成像区域103、以及其中布置有外围电路104的区域。
像素101是排列在成像区域103的中央区域102中的像素。术语“排列在中央区域102中的像素”用来意指当从与成像区域103垂直的方向(Z方向)上看时，像素101的重心被包括在中央区域102中的像素。中央区域102是与固态成像设备100的中心的距离为预定值或更小的区域。该预定值优选地是成像区域103的对角线长度的1/4或更小，并且更优选地是对角线长度的1/20或更小。
虽然图1例示了在中央区域102中排列有3×3个像素101的固态成像设备的示例，但是像素101的该阵列不是限制性的；多个像素101排列在中央区域102中就足够了。除像素101之外，中央区域102还可以包含与像素101不同配置的像素。
图2A是从光进入侧看时像素101的图(X-Y平面)。图2B是从Y方向上看时沿图2A中的IIB-IIB截取的截面图(X-Z截面)，而图2C是从X方向上看时沿图2A中的IIC-IIC截取的截面图(X-Z截面)。像素101从光进入侧依次具有微透镜110和衬底120。换句话说，像素101在衬底120的光进入侧具有微透镜110。衬底120上设有在第一方向上平行地排列的第一光电转换区域121和第二光电转换区域122、以及夹在第一光电转换区域121与第二光电转换区域122之间的第一势垒区125。在图2A至2C的情况下的第一方向与Y方向相一致，像素101按Y方向排列在固态成像设备100的横向方向上。
另外，在第一光电转换区域121中，衬底120上设有在与第一方向相交的第二方向上平行地排列的第一光电转换部123和第二光电转换部124、以及夹在第一光电转换部123与第二光电转换部124之间的第二势垒区127。在图2A至2C的情况下的第二方向与X方向相一致，像素101按X方向排列在固态成像设备100的纵向方向上。第二光电转换区域122被形成为单个光电转换部(也由附图标记“122”表示)。
线路112设在像素101内，用于设置每个光电转换部的曝光时间(电荷累积时间)，并用于获取在光电转换部生成的信号。
通过利用离子注入等在诸如硅之类的吸收要检测的波长带范围的材料的衬底120上形成电势分布，来形成光电转换部122、123和124。该电势分布形成势垒，由此势垒在第一光电转换区域121与第二光电转换区域122之间形成，并且变成第一势垒区域125。以相同的方式，势垒在第一光电转换部123与第二光电转换部124之间形成，并且变成第二势垒区域127。
图2D例示了在图2B中的截面处的电势分布，并且图2E例示了在图2C中的截面处的电势分布。包括在光电转换部之间形成的势垒的最高值并且具有势垒的最高值的90％或更大的量值的区域对应于势垒区，如图2D和2E中所示。
可以通过在与势垒区对应的区域中而非与光电转换部对应的区域中注入离子来形成电势分布。可替代地，光电转换部和势垒区都可以经受离子注入。在这种情况下，势垒区优选地用导电性与在对应于光电转换部的区域中注入的离子相反的离子来注入。
光电转换区域和光电转换部的平面形状不限于如图2A中所示的矩形，而可以是圆形、椭圆形、多边形等。多边形可以具有在制造过程中变圆的拐角。
设有微透镜110，以提高到像素101的入射光的光收集效率，并将入射光分布到光电转换部。微透镜110的材料的示例包括：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、硼磷硅玻璃(BPSG)和类似的无机材料，聚合物、树脂和类似的有机材料，以及它们的混合物。
微透镜110的光轴111从第一势垒区125的中心126朝第一光电转换区域121侧(-Y方向)偏移。当从第二势垒区127的中心128看时，朝第一势垒区125的中心126偏移的方向是在Y方向上。也就是说，相对于第一势垒区125的中心126或第二势垒区127的中心128，微透镜110的光轴111在第二方向(X方向)上不偏移。术语“不偏移”在这里容忍大约为制造误差裕量的偏移。具体而言，在第二方向上像素101的宽度的5％左右的偏移量是可以容忍的。而且，“第一势垒区的中心”用来意指与“夹在第一光电转换区域与第二光电转换区域之间的区域的重心”相同，并且意指在从Z方向的平面图中第一势垒区125在衬底120的表面上的形状的重心。这对于“第二势垒区的中心”也成立。
如上所述，在图2A至2C中所示的固态成像设备100中，微透镜110的光轴111相对于第二势垒区127的中心128在X方向不偏移。因此，光通过相对于拍摄透镜的光轴在相反方向(+X方向和-X方向)上偏移的光瞳区域在第一光电转换部123和第二光电转换部124被接收，并且电信号被获取。计算根据在第一光电转换部123获取的电信号生成的测距图像与根据在第二光电转换部124获取的电信号生成的测距图像之间的偏移量，使得能够检测到被摄体的距离。即，在第一光电转换部123和第二光电转换部124中的每一个获取的信号可被用作测距信号。
由于微透镜110的光轴111从第一势垒区125的中心126朝第一光电转换区域121偏移，所以进入第一光电转换区域121的光量大于进入第二光电转换区域122的光量。也就是说，第一光电转换区域121的灵敏度高于第二光电转换区域122的灵敏度。因此，在第一光电转换区域121生成的电信号，即，在第一光电转换部123和第二光电转换部124生成的电信号之和，可被用作高灵敏度信号，而在第二光电转换区域122生成的电信号可被用作低灵敏度信号。
因此，其中布置用于获取测距信号的光电转换部的第二方向(X方向)和其中布置用于获取具有不同灵敏度的信号的光电转换区域的第一方向(Y方向)相交。这使得能够实现可以同时获取测距所必需的信号和成像所必需的具有不同灵敏度的多个信号的固态成像设备。
接下来，在与常规的固态成像设备进行比的同时，将详细地描述本实施例。图13A是为了比较而例示的固态成像设备的像素1001的配置示例。图13A是从光进入侧看时像素1001的布局，而图13B是从Y侧看时沿线XIIIB-XIIIB截取的截面图(X-Z截面)。像素1001具有第一光电转换部1021、第二光电转换部1022、势垒区1025和微透镜1010。
图13C例示了由双点划线表示的、微透镜110的光轴1011相对于势垒区1025的中心1026在X方向上的偏移量和第一光电转换部1021与第二光电转换部1022的灵敏度比之间的关系。在微透镜110的光轴1011穿过势垒区1025的中心1026处，偏移量为零。光轴1011相对于势垒区1025的中心1026在X方向上的偏移量可以容易地通过在维持微透镜1010的放置的同时改变第一光电转换区域1021和第二光电转换部1022的光圈在X方向上的宽度来调节。
灵敏度比被定义为(第一光电转换部1021的灵敏度)/(第二光电转换部1022的灵敏度)。灵敏度比越大，第一光电转换部1021的灵敏度与第二光电转换部1022的灵敏度之间的差异越大。
图13C还例示了根据在第一光电转换部1021获取的信号生成的测距图像与根据在第二光电转换部1022获取的信号生成的测距图像之间的基线长度和光轴1011的偏移量之间的关系，但是由点线表示。基线长度对应于关于第一光电转换部1021和第二光电转换部1022中的每一个所接收的光束到像素的入射角的差异。基线长度越长，测距可以越精确。
从图13C中可以看到，当光轴1011穿过势垒区1025的中心1026时(偏移＝0)，基线长度长，但是灵敏度比小。另一方面，增大偏移量使其在第一光电转换部1021侧(-X方向)比势垒区1025的中心1026大将产生更大的灵敏度比，但是基线长度短。如这里所论证的，在常规配置中，灵敏度比和基线长度处于折衷关系。
现在将检查这种折衷关系。图14A例示了在关于X-Z平面，微透镜1010的光轴1011相对于势垒区1025的中心1026的偏移量小的情况下，进入像素1001的光束传播的方式。由实线表示的以角度+θ(XZ)(在+X和-Z方向)进入光轴1011的光束被选择性地引导至光电转换部1022，如图14A中所示。以同样的方式，由点线表示的以角度-θ(XZ)(在-X和-Z方向)进入光轴1011的光束被选择性地引导至第一光电转换部1021。因此，由点线表示的已穿过相对于摄影透镜的光轴在+X方向上偏移的光瞳区域的光束在第一光电转换部1021被选择性地检测到，而由实线表示的已穿过在-X方向上偏移的光瞳区域的光束在第二光电转换部1022被选择性地检测到，所以基线长度更长。
但是，在图14A中所示的像素1001的情况下，由各光电转换部接收的光束的入射角的范围相等，并且进入两个光电转换部的光量也大致相同。因此，第一光电转换部1021与第二光电转换部1022之间的灵敏度差异小。第一光电转换部的灵敏度与第二光电转换部的灵敏度的灵敏度比优选地是两倍或更大，但是这取决于应用。
图14B例示了在关于X-Z平面，微透镜1010的光轴1011相对于势垒区1025的中心1026的偏移量大的情况下，进入像素1001的光束传播的方式。如图14B中所示，进入像素1001的光中的大部分被引导至第一光电转换部1021。因此，第一光电转换部1021的灵敏度大于第二光电转换部1022的灵敏度，并且两者之间的灵敏度差异大。但是，由实线表示的已穿过-X方向上的光瞳区域的光束中的大部分以及由点线表示的已穿过+X方向上的光瞳区域的光束被引导至第一光电转换部1021，所以基线长度相对短。
因此，在图2A至2C中所示的像素101，使布置用于获取测距信号的光电转换部的方向(X方向)与布置用于获取具有相互不同的灵敏度的信号的光电转换区域的方向不同并且相交。根据这种配置，可以实现如下固态成像设备：在该固态成像设备中，可以同时获取基线长度长的用于测距的信号和具有灵敏度差异足够的不同灵敏度的信号。
图3A例示了图2A至2C中的像素101中的第一和第二光电转换区域的角度依赖性。在图3A中例示的是第一光电转换区域121和第二光电转换区域122关于以一角度进入Y-Z平面的光束的各个灵敏度。“第一光电转换区域121的灵敏度”是第一光电转换部123和第二光电转换部124的灵敏度之和。从图3A可以看到，在几乎所有角度处，第一光电转换区域121的灵敏度大于第二光电转换区域122灵敏度。因此，在考虑进入像素的光束整体时，第一光电转换区域121的灵敏度大于第二光电转换区域122的灵敏度。
图3B例示了第一光电转换部份123和第二光电转换部124关于以一角度进入Y-Z平面的光束的灵敏度。图3B的水平轴将朝+X和-Z倾斜的角度显示为+θ(XZ)，而将朝-X和-Z倾斜的角度显示为-θ(XZ)，其中在-Z方向上进入的光束的入射角为零。从图3B可以看到，以角度+θ(XZ)进入的光束被选择性地引导至第二光电转换部124，并且以角度-θ(XZ)进入的光束被选择性地引导至第一光电转换部123。
图3C例示了根据本实施例的固态成像设备100的像素101的灵敏度比和基线长度，一起例示的还有常规固态成像设备1000的像素1001的代表性值。在这里，灵敏度比意指像素101中获取具有不同灵敏度的信号的第一光电转换区域121与第二光电转换区域122之间的灵敏度比。基线长度意指由第一光电转换部123接收的光束穿过的光瞳区域与由第一光电转换部123接收的光束穿过的光瞳区域之间的基线长度。作为常规固态成像设备1000的像素1001的代表性值被例示的是作为“常规，零偏移”的其中微透镜1010的光轴和势垒区的中心相一致的情况、以及作为“常规，大偏移”的其中微透镜1010的光轴显著从势垒区的中心偏移的情况(图13C中右侧的值)。注意，在图13C中，其中微透镜的光轴显著从势垒区的中心偏移的情况(图13C中右侧的值)是这样的情况：在该情况下，即使微透镜进一步偏移，第一光电转换部与第二光电转换部之间的灵敏度比也几乎不改变。
因此，从上述附图中可以看到，本发明可以实现以下两者：在偏心量小的情况下，实现相当于常规固态成像设备1000中的像素1001的基线长度的基线长度；以及在偏心量大的情况下，实现相当于常规固态成像设备1000中的像素1001的灵敏度的灵敏度。
迄今为止已经描述了其中微透镜110的光轴111相对于第一势垒区125的中心126在第一方向(Y方向)上偏移但是相对于第二势垒区127的中心128在第二方向(X方向)上不偏移的布置。但是，本发明并不限于这些条件。具体而言，光轴111相对于第一势垒区125的中心126在第一方向上的偏移量大于光轴111相对于第二势垒区127的中心128在第二方向上的偏移量就足够了。通过满足这些条件，可以同时获取具有不同灵敏度的用于成像的多个信号以及用于测距的信号。
但是，注意，其中微透镜110的光轴111相对于第一势垒区125的中心126在第一方向(Y方向)上偏移但是相对于第二势垒区127的中心128在第二方向(X方向)上不偏移的布置是更优选的，如图2A至2C中所示。原因是：根据在第一光电转换部123获取的电信号生成的测距图像和根据在第二光电转换部124获取的电信号生成的测距图像之间的基线长度可以被最大化。
图2A至2C例示了其中通过相对于穿过微透镜110的光轴111并且与第一方向(Y方向)垂直的平面(X-Z平面)，使对称的微透镜110的位置从第一势垒区125的中心126偏移来使微透镜110离心的情况。但是，本发明并不限于该示例。
图4A至4C是以对应于图2C的截面图的形式例示了各种修改的图。虽然第一光电转换区域121和第二光电转换区域122在图4A至4C中的每个附图中是相同的，但是可以做出它们不同的布置。
图4A例示了如下像素201：在像素201中，通过使用相对于与第一方向(Y方向)垂直并且包括微透镜的光轴的平面具有非对称的形状的微透镜，微透镜110的光轴111已经从第一势垒区125的中心126有效地偏移。图4B示出了如下像素202：在像素202中，通过使用相对于与第一方向(Y方向)垂直并且包括微透镜的光轴的平面具有非对称的折射率分布的微透镜，微透镜110的光轴111已经从第一势垒区125的中心126有效地偏移。可以通过形成组成微透镜的不同材料的层并且提供介质的填充比率的非对称分布，来提供非对称的折射率分布。另外，微透镜的一部分可以突出到相邻的像素中，正如图4C中所示的像素203的情况。
诸如图2A至2C和4C中所示的其中使用了对称的微透镜110的配置是优选的，因为微透镜的制造容易。另一方面，诸如图4A和4B中所示的其中使用了非对称的透镜形状或折射率分布的配置使得能够通过透镜形状和折射率来更精确地控制到像素的入射光的传播，并因此是优选的，因为第一光电转换区域121与第二光电转换区域122的灵敏度比可以增大，并且可以使得由信号生成的测距图像的基线长度更长。
图5A至5C例示了使用折光力取决于方向而不同的微透镜的像素301。具体而言，使用如下透镜：在该透镜中，在布置用于获取不同灵敏度的信号的光电转换区域的第一方向(Y方向)上的折光力小于在布置用于从不同光瞳区域接收光束的光电转换部的第二方向(X方向)上的折光力。图5A是对应于图2B的截面图，而图5B是对应于图2C的截面图。因为以下理由，图5A至5C中所示的配置是优选的。
微透镜的折光力越大，由微透镜导致的成像关系的影响越大，并且对灵敏度比的角度依赖性越大。因此，通过使用在布置用于获取测距信号的光电转换部的第二方向(X方向)上具有大折光力的微透镜使得在第一光电转换部123和第二光电转换部124获取的测距信号的基线长度能够被最大化，这是优选的。
另一方面，灵敏度的角度依赖性优选地在排列用于获取不同灵敏度的信号的第一光电转换区域121和第二光电转换区域122的第一方向(Y方向)上更小。其原因是，如果灵敏度的角度依赖性大，由于第一和第二光电转换区域121和122仅接收来自正被使用的拍摄透镜的出射光瞳区域的特定部分的光束，所以在远离对焦位置的被摄体的离焦图像(out-of-focus image)中出现失真。结果，通过合成高灵敏度信号和低灵敏度信号而生成的图像的图像质量将下降。因此，在获取不同灵敏度的信号的第一方向(Y方向)上的微透镜的折光力优选地减小，以降低灵敏度的角度依赖性。
图5C例示了第二光电转换区域122的灵敏度关于进入Y-Z平面的光束的入射角的依赖性、以及在图2A至2C中所示的像素101中的第二光电转换区域122的灵敏度的入射角依赖性。图5C中的实线表示在图5A和5B中所示的像素301(应用了在第一方向相比于第二方向具有更小折光力的微透镜)，并且点线表示在图2A至2C中所示的像素101(应用了在第一方向和第二方向具有相同折光力的微透镜)。可以看到，利用在第一方向相比于第二方向具有更小折光力的微透镜使得第二光电转换区域122的灵敏度的角度依赖性能够降低，尤其是对于角度范围140，即，对于以大角度+θ(XZ)进入像素的光束。
如果在X方向上的折光力小于在Y方向上的折光力，则如在图6A和6B中所示的像素302中，在Y方向上的折光力为零(即，轴在第二方向上)的圆柱形透镜可以被用作微透镜。在像素的Z方向上层叠有多个微透镜的情况下，折光力可以在一个微透镜的X方向和Y方向之间改变，或者折光力可以在两个微透镜的X方向和Y方向之间都改变。
可替代地，如在图6C和6D中所示的像素303中，通过根据方向改变折射率而改变折光力的数字透镜可以被用作微透镜。在X方向和Y方向上的折光力可以通过形成组成不同材料的数字透镜的层并且在X方向和Y方向之间提供介质的填充率的差异来独立地控制。
如在图7A和7B中所示的像素401中，光波导113可以设在微透镜110与第二光电转换区域122、光电转换部123和124之间。图7A是例示了像素101的光入射面(X-Y平面)的图，图7B是沿图7A中的线VIIB-VIIB截取的截面图(X-Z截面)，而图7C是沿图7A中的线VIIC-VIIC截取的截面图(Y-Z截面)。
提供光波导113是优选的，因为它降低了第二光电转换区域122关于以一角度进入Y-Z平面的光束的角度依赖性。图7D例示了在已提供光波导113的情况以及未提供光波导的情况下，第二光电转换区域122的角度依赖性。从图7D中可以看出，设置光波导113使得第二光电转换区域122的灵敏度的角度依赖性能够降低，尤其对于角度范围140，即，对于以大角度+θ(XZ)进入像素的光束。
光波导113由芯114和包层115组成。其材料的示例包括：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、BPSG和类似的无机材料，以及聚合物、树脂和类似的有机材料。但是，材料的组合被选择为使得芯114的折射率大于包层115的折射率。
注意，在光波导113的芯114的出射端处的中心116优选地相对于第一势垒区125的中心126在与微透镜110的光轴111相同的方向上偏移。这种配置使得第一光电转换区域121与第二光电转换区域122之间的灵敏度差异能够增大。另外，在芯114的出射端处的中心116优选地相对于第二势垒区127的中心128在第二方向(X方向)上不偏心。根据这种配置，来自光瞳区域的光可以被选择性地引导至第一光电转换部123和第二光电转换部124中的每一个，并且因此基线长度可以增加。
因此，在向像素提供光波导113的情况下，芯114的中心116相对于第一势垒区125的中心126在第一方向上的偏移量优选地大于中心116相对于第二势垒区127的中心128在第二方向上的偏移量。虽然光波导113的芯114的一部分可以以与微透镜110相同的方式突出到相邻的像素，但是要小心，芯114的出射端不突出到相邻的像素。在X方向和Y方向上具有不同折光力的微透镜也可以连同光波导113一起使用。
迄今为止已经描述了关于所谓的前侧照射固态成像设备，在前侧照射固态成像设备中，线路112与微透镜110被形成在衬底120的相同侧的。但是，本发明可以应用于所谓的背侧照射固态成像设备，在背侧照射固态成像设备中，线路112与微透镜110被形成在衬底120的相对侧。特别地，在向像素提供光波导113的情况下，诸如在图7A至7C所示的配置中，由于在前侧照射固态布置中布线布局受光波导113的限制，所以背侧照射布置是优选的。
第一光电转换区域121和第二光电转换区域122在像素中排列的第一方向不必与图2A至2C中的Y方向对准，而可以是X方向或对角方向。同理，第一光电转换部123和第二光电转换部124在像素中排列的第二方向不必与X方向对准，而可以是对角方向，只要第二方向与第一方向相交即可。但是，第一方向与第二方向之间的角度越接近90度，则越优选，因为获取来自光瞳区域的光束的方向与获取具有不同灵敏度的信号的方向可以分开。第一方向与第二方向之间的角度为90度(垂直)的情况是特别优选的，因为获取来自光瞳区域的光束的方向与获取具有不同灵敏度的信号的方向是独立的。注意，第一方向与第二方向之间的角度为90度(垂直)的情况容忍大约为制造误差的裕量的变化。具体而言，“第一方向与第二方向之间的角度为90度的情况”在这里包括90度±10度的范围。
第二方向与像素排列的方向一致。这是优选的，因为对根据信号生成的测距图像的采样更精细，并且图像偏移量的检测精度提高。因此，诸如图2A至2C中所示的布置是优选的，其中第一方向是Y方向并且第二方向是X方向，或者第一方向是X方向并且第二方向是Y方向。
可以分开形成第一势垒区125的电势分布和中心126的电势分布。在第一光电转换部123与第二光电转换部124之间存在电荷串扰(“电荷串扰”在下文中可以简称为“串扰”)的情况下，不能以分开的方式来获取在各光电转换部生成的信号。因此，在对于测距精度存在高优先级的情况下，第一势垒区125的电气分隔的量值优选地大于第二势垒区127的电气分隔的量值。
另一方面，在获取具有不同灵敏度的信号的情况下，在第一光电转换部123生成的信号和在第二光电转换部124生成的信号之和被用作高灵敏度信号，所以即使存在电荷串扰，高灵敏度信号的量值也不改变。另一方面，在第一光电转换区域121与第二光电转换区域122之间存在电荷串扰的情况下，来自高灵敏度的第一光电转换区域121的电荷扩展到低灵敏度的第二光电转换区域122。这特别地改变低灵敏度信号的量值。因此，在对于不同灵敏度的图像存在高优先级的情况下，第一势垒区125的电气分隔的量值优选地大于第二势垒区127的电气分隔的量值。
特别地，光电转换部之间的灵敏度差异越大，光电转换部之间的串扰的影响越大，所以第一势垒区125的电气分隔的量值优选地大于第二势垒区127的电气分隔的量值。可以通过升高势垒区中的势垒的高度来实现增大电气分隔的量值。具体而言，如图8A和8B中所示，这可以通过使第一势垒区125的势垒的高度高于第二势垒区127的势垒的高度来完成。在以第一光电转换区域121和第二光电转换区域122的电子能的基(base of electronic energy)作为原点的情况下，势垒的高度由φ表示。由于累积在光电转换部中的电子经典地遵循Boltzmann分布，因此跨势垒的电荷密度n满足下面的表达式(1)：
n ∝ exp [ - e φ k T ] - - - ( 1 )
其中e表示元电荷，k表示Boltzmann常数，T表示光电转换部的温度。
如果第一光电转换区域121与第二光电转换区域122之间的电荷串扰为第一光电转换部123与第二光电转换部124之间的电荷串扰的1/10或更小，则可以说第一势垒区125的电气分隔的量值充分大于第二势垒区127的电气分隔。因此，优选地满足下面的表达式(2)：
φ 1 - φ 2 ≥ l n [ 10 ] e k T - - - ( 2 )
其中φ1表示第一势垒区125的高度，φ2表示第二势垒区127的高度。
在光电转换部的温度为100℃左右的情况下，φ1与φ2之差为74mV就足够了。表达式是通过以下过程推导出的(表达式(3))
n 1 ∝ exp [ - eφ 1 k T ] n 2 ∝ exp [ - eφ 2 k T ] ⇒ n 1 n 1 = exp [ eφ 1 k T - eφ 2 k T ] ⇒ ln [ n 2 n 1 ] = [ eφ 1 k T - eφ 2 k T ] ⇒ ln [ 10 ] ≤ ln [ n 2 n 1 ] = [ eφ 1 k T - eφ 2 k T ] ⇒ ln [ 10 ] e k T ≤ φ 1 - φ 2 - - - ( 3 )
其中n1和n2分别表示跨第一势垒区125和第二势垒区127的势垒的电荷密度。
注意，从光电转换部当中的串扰的角度来看，使第一光电转换区域121和第二光电转换区域122排列的方向与第一光电转换部123和第二光电转换部124排列的方向相交是有利的。将通过与图15A和15B中所示的像素1101的情况的比较来进行描述，在像素1101中，第一光电转换区域1021、第二光电转换区域1022、第一光电转换部1023和第二光电转换部1024都排列在相同方向上。图15A是从光电转换部的光进入侧的视图(X-Y视图)，而图15B是当从Y侧看时沿图15A中的线XVB-XVB截取的截面图(X-Z截面图)。
在图15A和15B中所示的情况下，相邻的第二光电转换部1024与第二光电转换区域1022之间的串扰大于不相邻的第一光电转换部1023与第二光电转换区域1022之间的串扰。因此，在不受串扰影响的第一光电转换部1023与受串扰影响的第二光电转换部1024之间存在灵敏度差异，这导致较差的测距精度。
在本发明中，使第一光电转换区域121和第二光电转换区域122排列的方向与第一光电转换部123和第二光电转换部124排列的方向相交。因此，紧挨着第一光电转换部123的第二光电转换部124也与第二光电转换区域122相邻，并且与第二光电转换区域122一起受串扰影响。因此，可以降低第一光电转换部123与第二光电转换区域122之间的串扰的影响和第二光电转换部124与第二光电转换区域122之间串扰的影响。结果，第一光电转换部123与第二光电转换部124之间的灵敏度差异减小，并且测距精度提高。
另外，如本发明中那样，使排列用于获取不同灵敏度的信号的多个光电转换部的方向与排列用于获取测距信号的多个光电转换部的方向相交的布置也具有以下优点：从光电转换部的电荷转移更快。
将与诸如图15A和15B中所示的像素1101的情况进行比较，其中用于获取测距信号的第一光电转换部1023和第二光电转换部1024以及用于获取不同灵敏度的信号的第一光电转换区域1021和第二光电转换区域1022排列在相同的方向上。一般而言，用于将在光电转换部生成的电荷转移到外围电路104的转移电极在光电转换部的端部形成。为了从两个长边都与其它光电转换部相邻的第二光电转换部1024获取电荷，转移电极在短边形成。这意味着：转移电极的通道的横截面面积小，由此降低了电荷的转移速度。
相反，根据本发明的固态成像设备100的像素101被配置为使得第一光电转换区域121和第二光电转换区域122排列的方向与第一光电转换部123和第二光电转换部124排列的方向相交。因此，没有光电转换部夹在其它光电转换部之间，并且因此转移电极可以沿三条边中的任何一条形成。也就是说，转移电极可以沿三条边中的可最宽地形成转移通道的横截面的一边形成，由此提高电荷转移速度。
虽然已经关于一个像素的配置详细地进行了描述，但是光电转换部、势垒区和微透镜的布局可以在多个像素之间有所不同，或者可以相同。在如图4C中所示的其中微透镜110的一部分突出到相邻像素的情况下，诸如图9A或9B中所示的布局使得能够作出在相邻的像素间无微透镜110干扰的布局，这是优选的。注意，图9A和9B例示了在图1中所示的中央区域102中布局有多个像素的配置。
在图9A中，在所述多个像素的所有像素中，从第一光电转换区域121朝第二光电转换区域122的方向都是相同的+X方向。在图9B中，从第一光电转换区域121朝第二光电转换区域122的方向在X方向上在相邻的像素间反转。
此外，在X方向、Y方向和对角方向上，从第一光电转换区域121朝第二光电转换区域122的方向可以随像素不同而有所不同。注意，术语“从第一光电转换区域121朝第二光电转换区域122的方向”意指从第一光电转换区域的重心朝第二光电转换区域的重心的方向。
第二实施例
图10A至10C是例示了根据第二实施例的布置在固态成像设备的中央区域中的像素的其它配置示例的图。像素501与图2A至2C中的像素101的区别在于：微透镜110的光轴111偏移的方向是在相反的方向上。也就是说，如从图10A和10C可见，微透镜110的光轴111被布置为相对于第一势垒区125的中心126偏移，其中第一势垒区125在第二光电转换区域122的方向(+Y方向)上电气分隔第一光电转换区域121与第二光电转换区域122。
因此，在像素501中，第二光电转换区域122的灵敏度大于第一光电转换区域121的灵敏度。因此，在本实施例的情况下，在第一光电转换区域121获取的信号被用作低灵敏度信号，而在第二光电转换区域122获取的信号被用作高灵敏度信号。
如从第一实施例和本实施例可见，在本发明中高灵敏度信号由第一光电转换区域121和第二光电转换区域122中的一个获取并且低灵敏度信号由另一个获取就足够了。用哪个光电转换区域来获取高灵敏度信号或低灵敏度信号由微透镜110的光轴111偏移的方向来确定。
微透镜110的光轴111在第二势垒区127的中心128的X方向上不偏移，其中第二势垒区127电气分隔第一光电转换部123与第二光电转换部124(见图10B)。因此，第一光电转换部123和第二光电转换部124可以接收已穿过如下光瞳区域的光束：对于第一光电转换部123和第二光电转换部124，光瞳区域相对于拍摄透镜的光轴在相反的方向(-X方向和+X方向)上偏移。
如上所述，同样地在根据第二实施例的固态成像设备100中，已穿过相互不同的光瞳范围的测距信号由排列在第二方向(X方向)上的第一光电转换部123和第二光电转换部124获取。对于排列在与第二方向相交的第一方向(Y方向)上的第一光电转换区域121和第二光电转换区域122，低灵敏度信号从第一光电转换区域121获取，而高灵敏度信号从第二光电转换区域122获取。由第一光电转换部123和第二光电转换部124获取的信号之和相当于由第一光电转换区域121获取的低灵敏度信号。以与第一实施例相同的方式，各种修改可以应用于根据第二实施例的固态成像设备100。
第三实施例
图11是例示了根据本发明的第三实施例的设在固态成像设备的中央区域中的另一像素的配置示例的图。像素601与图2A至2C中所示的像素101的区别在于：第三光电转换部131和第四光电转换部132被布置在按第二方向(X方向)排列的第二光电转换区域122中。
该配置使得已穿过相对于拍摄透镜的光轴在相反的方向(-X方向和+X方向)上偏移的光瞳区域的光束在第三光电转换部131和第四光电转换部132被接收。因此，可以使用在第一光电转换部123和第二光电转换部124获取的信号来执行测距，或者可以使用在第三光电转换部131和第四光电转换部132获取的信号来执行测距。而且，可以对来自两者的结果进行比较，以确定测距结果的可靠性。
第四实施例
在第四实施例中将描述这样的布置：在该布置中，在固态成像设备获取的具有相互不同的灵敏度的多个信号被用来使动态范围变宽。在本实施例中，具有相互不同的灵敏度的多个光电转换部被驱动相同的曝光时间，高灵敏度信号和低灵敏度信号被从每个光电转换部获取，并且这些信号被合成，以生成具有宽动态范围的图像。
通过经由线路112从固态成像设备100的外围电路104传输的信号，第二光电转换区域122以及光电转换部123和124被驱动，使得每个的曝光时间相同。也就是说，第一光电转换部123的曝光时间与第二光电转换部124的曝光时间相同，并且第一光电转换区域121的曝光时间与第二光电变换区域122的曝光时间相同。
可以通过使用在进入像素的光量等于或低于某个阈值的情况下在第一光电转换区域121获取的高灵敏度信号、使用在进入像素的光量超过该阈值的情况下在第二光电转换区域122获取的高灵敏度信号、并且合成这两个信号，来生成具有宽动态范围的图像。所述阈值被设为小于在高灵敏度信号饱和时的信号强度的值，并且被设为大于在低灵敏度信号达到期望的信噪比时的信号强度的值。
需要满足下面的表达式(4)，以便通过合成高灵敏度信号和低灵敏度信号来使动态范围变宽。S1表示获取高灵敏度信号的第一光电转换区域121的灵敏度，并且C1表示其电容。S2表示获取低灵敏度信号的第二光电转换区域122的灵敏度，并且C2表示其电容。如之前所提到的，第一光电转换区域121的灵敏度是第一光电转换部123和第二光电转换部124的灵敏度之和。同理，第一光电转换区域121的电容是第一光电转换部123和第二光电转换部124的电容之和。
C1/S1>C2/S2 (4)
C1/S1和C2/S2分别是可进入每个光电转换区域的光的最大量，所以，在C1/S1≤C2/S2的情况下，获取低灵敏度信号的第二光电转换区域122将以等于或小于获取高灵敏度信号的第一光电转换区域121饱和的光量的光量饱和。因此，必须预先控制C1、C2、S1和S2的值，以满足表达式(4)。
可以通过改变微透镜110在第一方向上的偏移量以及改变光电转换区域和势垒区的尺寸来控制S1与S2之比(光电转换区域之间的灵敏度比)。
可以通过增大光电转换部的容积或提高光电转换部的掺杂浓度来提高光电转换区域的电容。可以通过使光电转换部具有更宽的孔径面积或者更深地注入离子使得光电转换部形成得更深，来增加光电转换部的容积。但是注意，如下的布置是优选的：在该布置中，第二光电转换区域122(第三光电转换部131和第四光电转换部132)、第一光电转换部123和第二光电转换部124的深度和掺杂浓度相同，因为光电转换部可以在相同的离子注入条件下形成，从而便于制造过程。
第五实施例
将在第五实施例中进行描述如下布置：在该布置中，已经由固态成像设备获取的具有相互不同的灵敏度的多个信号被用来获取运动图像和静止图像。在本实施例的情况下，具有相互不同的灵敏度的多个光电转换部在相互不同的曝光时间被驱动，由此同时获取灵敏度低且曝光时间长的图像以及灵敏度高且曝光时间短的图像。
一般而言，情况常常是获取平滑的运动图像所必需的曝光时间长于获取静止图像所必需的曝光时间。因此，下面将关于如下情况进行描述：使用在灵敏度低且曝光时间长的光电转换部获取的信号作为运动图像，并且使用在灵敏度高且曝光时间短的光电转换部获取的信号作为静止图像。在静止图像的曝光时间长于运动图像的曝光时间的情况下，在灵敏度低且曝光时间长的光电转换部获取的信号可以被用于静止图像，并且在灵敏度高且曝光时间短的光电转换部获取的信号可以被用于运动图像。
虽然在第一至第三实施例中描述的固态成像设备中任何一个都可以在本实施例中使用，但是将关于图2A至2C中所示的固态成像设备的情况来进行描述。在微透镜的光轴的偏移方向与图2A至2C中的偏移方向相反的情况下，诸如在第二实施例中描述的固态成像设备，在第一光电转换区域获取的信号可被用于运动图像，而在第二光电转换区域获取的信号可被用于静止图像。
本实施例中的第一光电转换部123和第二光电转换部124被驱动为使得每个的曝光时间相等，并且短于第二光电转换区域122的曝光时间。也就是说，第一光电转换区域121的曝光时间短于第二光电转换区域122的曝光时间。根据从第一光电转换部123获取的信号与从第二光电转换部124获取的信号之和来生成静止图像，即，从第一光电转换区域121获取的信号被用来生成静止图像，而从第二光电转换区域122获取的信号被用来生成运动图像。同时，由排列在第二方向(X方向)上的第一光电转换部123和第二光电转换部124获取测距信号，所述第一光电转换部123和第二光电转换部124接收已穿过相对于拍摄透镜的光轴在相反的方向(-X方向和+X方向)上偏移的光瞳区域的光束。
接下来，将描述根据本实施例的、固态成像设备100所独有的修改。具体而言，这涉及第一光电转换区域121和第二光电转换区域122的灵敏度和电容。
在第四实施例中，通过合成在第一光电转换区域121和第二光电转换区域122获取的信号来生成具有宽动态范围的一个图像。因此，存在使第一光电转换区域121和第二光电转换区域122满足表达式(4)的需要。但是，根据本实施例的固态成像设备100使用在第一光电转换区域121和第二光电转换区域122获取的信号来生成分开的图像。因此，用于静止图像的信号和用于运动图像的信号的信号强度和动态范围优选地尽可能接近。
具体而言，最优选的是满足下面的表达式(5)和(6)。在表达式(5)和(6)中，S1表示获取用于静止图像的信号的第一光电转换区域121的灵敏度，C1表示第一光电转换区域121的电容，T1表示第一光电转换区域121的曝光时间。S2表示获取用于运动图像的信号的第二光电转换区域122的灵敏度，C2表示第二光电转换区域122的电容，T2表示第二光电转换区域122的曝光时间。表达式(5)阐述关于信号强度的条件，而表达式(6)阐述关于动态范围的条件。
S1×T1＝S2×T2 (5)
C1/(S1×T1)＝C2/(S2×T2) (6)
可以通过改变光波导的偏心量或者改变光电转换部或势垒区的尺寸来控制S1与S2之比。从表达式(5)可见，在根据本实施例的固态成像设备中，假设要用于静止图像和运动图像的曝光时间，S1与S2之比可以被决定。例如，在假设运动图像的曝光时间为1/60秒并且假设静止图像的曝光时间为1/600秒的情况下，像素的配置被决定为使得S1是S2的10倍。
根据表达式(5)和(6)，第一光电转换区域121和第二光电转换区域122的电容优选地是相等的。如在第四实施例中所描述的，光电转换部的电容可以由光电转换部的容积和光电转换部的掺杂浓度来决定。
将关于图2A至2C中的配置来描述使第一光电转换区域121和第二光电转换区域122的电容相同的情况。例如，将考虑如下情况：在第一方向(Y方向)上，第一光电转换部和第二光电转换部的长度长于第二光电转换区域的长度，并且第一光电转换部和第二光电转换部在第二方向(X方向)上的长度相同。在这种情况下，可以通过使组成第一光电转换区域121的第一光电转换部123和第二光电转换部124的掺杂深度和掺杂浓度中的至少一个比第二光电转换区域122更深/更高来实现C1＝C2。
接下来，将考虑如下情况：组成第一光电转换区域121的第一光电转换部123和第二光电转换部124以及第二光电转换区域122的掺杂浓度和掺杂深度相同。
第一光电转换区域121设有第二势垒区127，以电气分隔第一光电转换部123与第二光电转换部124。另一方面，第二光电转换区域122被配置为单个光电转换部，并且在其中不设有势垒区。因此，当考虑第一光电转换区域121的电容时，需要考虑光电转换部在X方向上的长度短于第二光电转换区域122在X方向上的长度的事实。因此，可以通过以下来实现C1＝C2：在Y方向上，使第一和第二光电转换部的长度长于第二光电转换区域122的长度；或者在X方向上，使第一光电转换区域121的长度长于第二光电转换区域122的长度。但是，后一种情况是更优选的，因为其中多个光电转换部124的深度和掺杂浓度相同的布置使得光电转换部能够在相同的离子注入条件下形成，从而便于制造过程。
如上所述，在第一至第三实施例中描述的固态成像设备中的任何一个都可以在本实施例中使用。但是，在对于第一光电转换区域121和第二光电转换区域122，包括多个光电转换部(用于获取测距信号的第一光电转换部123和第二光电转换部124)的第一光电转换区域121具有比第二光电转换区域122更高灵敏度的情况下，图2A至2C中所示的布置是有利的，因为在获取具有相互不同的灵敏度的成像信号的同时，可以高速地获取测量信号。
图16是适用于根据本发明的固态成像设备中的像素101、201、202、203、301、302、303、401和501的电路图。图16中所示的电路图是所谓的“4-Tr像素配置”，基本操作流程与普通的4-Tr像素配置相同。但是，在单个像素中包括多个光电转换部的要点不同于普通的4-Tr像素配置。将参照图16来描述信号检测操作。
首先，从固态成像设备100的上排起，复位晶体管(RST)175、176和转移晶体管(TX)172、173、174通过水平驱动线被顺序地接通(例如，见图1)。因此，第二光电转换区域122、第一光电转换部123和第二光电转换部124连同与之连接的像素内存储器(FD)181和182一起被复位。FD 181在第一光电转换部123与第二光电转换部124之间共享，而FD 182与第二光电转换区域122连接。接下来，从固态成像设备100的上排起，TX 172、173和174被顺序地关断，并且到第二光电转换区域122、第一光电转换部123和第二光电转换部124的电荷累积开始。
在执行电荷累积的同时，用于执行相关双采样的暗电平信号被事先读出。具体而言，在RST 175和176关断之后，从固态成像设备100的上排起，选择晶体管(SEL)177和178被顺序地接通，并且FD 181和182的暗电平被转移到外围电路104。
在已执行电荷累积长达预定量的曝光时间之后，执行信号检测操作。首先，将描述用于获取根据累积在第二光电转换区域122中的电荷的信号(像素信号)的操作。从固态成像设备100的上排起，TX172被顺序地接通，并且累积在第二光电转换区域122中的电荷被转移到FD 182。在TX 172被关断之后，从固态成像设备100的上排起，SEL 178被顺序地接通，并且电压信号被转移到外围电路104。在这种情况下，被转移到外围电路104的电压信号是从第二光电转换区域122转移到FD 182的电荷与暗电平信号之和。计算被转移到外围电路104的电压信号(像素信号与暗电平信号之和)与被事先转移到外围电路104的暗电平信号之差，由此刚好可以获取根据累积在第二光电转换区域122中的电荷的像素信号。因此，可以获取具有低灵敏度和长曝光时间的像素信号。
接下来，将描述关于用于获取累积在第一光电转换部123和第二光电转换部124中的电荷的信号(像素信号)的操作的两种技术。可以使用这两种技术中的任意一种。可替代地，如后所述，这两种技术作为根据所要求的测距精度和图像质量的两种模式(第一模式和第二模式)，可以在合适的时候被选择性地使用。这两种模式可以由在后述(由中央处理单元(CPU)192实现的)成像装置190中所包括的模式选择单元自动选择，或者可以手动选择。
第一种技术(第一模式)是分开读出累积在第一光电转换部123与第二光电转换部124中的信号(像素信号)的技术。从固态成像设备100的上排起，TX 173被顺序地接通(例如，见图1)，并且累积在第一光电转换部123中的电荷被转移到FD 181。在TX 173被关断之后，从固态成像设备100的上排起，SEL 177被顺序地接通，并且电压信号被转移到外围电路104。之后，计算被转移到外围电路104的电压信号与暗电平信号之差，由此刚好可以获取根据累积在第一光电转换部123中的电荷的像素信号。
接下来，在通过接通RST 175来复位累积在FD 181中的电荷之后，获取累积在第二光电转换部124中的电荷的信号。具体而言，从固态成像设备100的上排起，TX 174被顺序地接通，并且累积在第二光电转换部124中的电荷被转移到FD 181。在TX 174被关断之后，从固态成像设备100的上排起，SEL 177被顺序地接通，并且电压信号被读出。之后，计算已读出的电压信号与暗电平信号之差，由此刚好可以获取根据累积在第二光电转换部124中的电荷的像素信号。通过在外围电路104对电压信号进行相加来计算累积在第一光电转换部123中的电荷的像素信号和累积在第二光电转换部124中的电荷的像素信号之和，可以获取具有高灵敏度和短曝光时间的像素信号。
第二种技术(第二模式)是直接读出作为累积在第一光电转换部123中的电荷与累积在第二光电转换部124中的电荷之和的信号。就获取累计在第一光电转换部123中的电荷而言，第二种技术与第一种技术相同。也就是说，从固态成像设备100的上排起，TX 173被顺序地接通(例如，见图1)，并且累积在第一光电转换部123中的电荷被转移到FD 181。在TX 173被关断之后，从固态成像设备100的上排起，SEL 177被顺序地接通，并且电压信号被读出。之后，计算已读出的电压信号与暗电平信号之差，由此可以获取根据累积在第一光电转换部123中的电荷的像素信号。
接下来，在RST 175保持关断的情况下，TX 174被接通并且累积在第二光电转换部124中的电荷被转移到FD 181。作为累积在第一光电转换部123中的电荷与累积在第二光电转换部124中的电荷之和的电荷被累积在FD 181中。因此，SEL 177从固态成像设备100的上排起被接通，并且电压信号被读出。之后，计算已读出的电压信号与暗电平信号之差，由此可以获取累积在第一光电转换部123中的电荷与累积在第二光电转换部124中的电荷之和的信号。但是，在第二种技术中，累积在第二光电转换部124中的电荷的信号不能被直接读出。因此，可以通过在外围电路104对这两个电压信号进行相减来计算累积在第一光电转换部123中的电荷的像素信号和累积在第二光电转换部124中的电荷的像素信号之和的电压信号与累积在第二光电转换部124中的电荷的电压信号之差。
第一种技术直接获取测距信号，而用于拍摄图像的信号是通过两个电压信号的相加来获得的。另一方面，第二种技术直接获取用于成像图像的信号，而测距信号中的一个是通过电压信号的相减来获得的。一般而言，通过执行两个电压信号的相加或相减，信号的声噪比劣化，所以第一种技术关于用于测距的信号具有高质量，而第二种技术关于用于拍摄图像的信号具有高质量。因此，如果需要高测距精度，则第一种技术更优选，而如果需要高图像质量，则第二种技术更优选。虽然已经例示了其中累积在第一光电转换部123中的电荷被首先转移到FD的情况，但是可以作出其中累积在第二光电转换部124中的电荷被首先转移到FD的布置。
第二光电转换区域122的曝光时间(电荷累积时间)是从TX172关断直到接通的时间。同理，第一光电转换部123和第二光电转换部124的曝光时间(电荷累积时间)分别是从TX 173关断直到接通的时间和从TX 174关断直到接通的时间。在第五实施例中，第一光电转换部123和第二光电转换部124的曝光时间相同。
图17和18是例示了在同一列中的多个像素的曝光时间的图。图17例示了设有第一光电转换部123和第二光电转换部124的第一光电转换区域121的灵敏度高于第二光电转换区域122(122a至122f)的灵敏度的情况，而图18例示了第一光电转换区域121的灵敏度低于第二光电转换区域122的灵敏度的情况(图10A至10C中所示的像素501布置在固态成像设备100的中央区域102中的情况)。第一光电转换区域121和第二光电转换区域122的灵敏度不同，所以曝光时间的长度不同。从图17中可见，图17中的布置允许测距和拍摄图像信号在比图18中的布置更短的时间内获取。其理由可以如下理解。
如上所述，由与FD 181连接的信号线读出的信号是累积在第一光电转换部123(123a至123f)中的电荷信号和累积在第二光电转换部124(124a至124f)中的电荷信号这两种类型。另一方面，由与FD 182连接的信号线读出的信号是累积在第二光电转换区域122中的电荷信号这一种类型。因此，与FD 181连接的信号线的读出时间长于与FD 182连接的信号线的读出时间，并且大约是与FD 182连接的信号线的时间的两倍。现在，由分开的信号线读出累积在第一光电转换部123中的电荷信号和累积在第二光电转换部124中的电荷信号将会减少读出时间，但是这将增加所必需的晶体管和信号线的数目。这将导致不利的结果，诸如孔径比更小，并且制造成本增加。
在第一光电转换区域121的曝光时间短于第二光电转换区域122的曝光时间的情况下，从第一光电转换部123和第二光电转换部124的耗时的信号读出操作可以在第二光电转换区域122的曝光完成之前执行，如图17中所示。因此，用于获取像素信号的时间量可以减少。在第一光电转换区域121的曝光时间长于第二光电转换区域122的曝光时间的情况下，第一光电转换部123和第二光电转换部124的耗时的信号读出操作必须在第二光电转换区域122的曝光完成之后执行。这使得用于获取像素信号的时间更长。
因此，在其中第一光电转换区域121的曝光时间短于第二光电转换区域122的曝光时间的情况下，用于获取信号的时间甚至可以进一步减少。也就是说，在包括多个光电转换部的第一光电转换区域121的灵敏度高于第二光电转换区域122的灵敏度的情况下，在获取具有不同灵敏度的成像信号的同时，可以高速获取测距信号。
当从第一光电转换区域121获取运动图像并且从第二光电转换区域122获取静止图像时，这是有利的，因为信号获取时间的减少使得能够提高静止图像的突发拍摄(burst shot)的速度。当从第一光电转换区域121获取静止图像并且从第二光电转换区域122获取运动图像时，这也是有利的，因为信号获取时间的减少使得能够增大运动图像的帧速率。
特别地，其中第一光电转换区域121的曝光时间等于或短于第二光电转换区域122的曝光时间的一半的情况甚至更优选，因为第一光电转换区域121的曝光和读出操作可以在第二光电转换区域122的曝光期间完成。
第六实施例
图12是根据本发明的具有固态成像设备100的成像装置190的示意图。成像装置190具有外壳197，外壳197具有用于附接拍摄透镜191的透镜附接部196，外壳197包括固态成像设备100和控制成像装置190的操作的控制单元198。拍摄透镜191由透镜附接部196附接到外壳197。成像装置190可以是能交换透镜的配置，使得拍摄透镜191可以从外壳197移除并交换，或者不是能交换透镜的配置。控制单元198包括CPU 192、转移电路193、信号处理单元194和像素驱动电路195。
CPU 192是控制转移电路193、信号处理单元194和像素驱动电路195的电路。例如，像素驱动电路195是根据来自CPU 192的信号来驱动固态成像设备100并控制光电转换部的曝光时间和在光电转换部获取的信号的读出定时的电路。转移电路193存储从固态成像设备100读出的信号，并将信号转移到信号处理单元194。信号处理单元194对经由转移电路193获取的信号执行图像处理。
固态成像设备100将在第一光电转换部123、第二光电转换部124和第二光电转换区域122中的每一个处获取的信号输出到转移电路193，并且输出到转移电路193的信号被传输到信号处理单元194。
在CPU 192的控制下，信号处理单元194检测到被摄体的距离，并且根据在光电转换部获取的信号来生成被摄体的图像。作为示例，将描述具有图2A到2C中所示的像素101的固态成像设备100的成像装置190的示例。
首先，将描述CPU 192输出用于生成具有宽动态范围的图像的信号的情况。在这种情况下，像素驱动电路195进行操作，使得第一光电转换部123、第二光电转换部124和第二光电转换区域122的曝光时间相等。
信号处理单元194对在第一光电转换部123获取的信号和在第二光电转换部124获取的信号进行相加，并且获取高灵敏度信号。在第二光电转换区域122获取的信号被获取作为低灵敏度信号。在进入像素的光量等于或低于事先确定的阈值的情况下，使用高灵敏度信号，并且如果高于该阈值，则使用低灵敏度信号，这两种信号被合成并形成具有宽动态范围的图像。另外，信号处理单元194对根据在第一光电转换部123获取的信号而生成的测距图像与根据在第二光电转换部124获取的信号而生成的测距图像进行比较，并且计算出到被摄体的距离。
接下来，将描述CPU 192输出用于同时生成运动图像和静止图像的信号的情况。在这种情况下，像素驱动电路195进行操作，使得第一光电转换部123和第二光电转换部124的曝光时间短于第二光电转换区域122的曝光时间。
信号处理单元194对在第一光电转换部123获取的信号与在第二光电转换部124获取的信号进行相加，并且获取高灵敏度信号。在第二光电转换区域122获取的信号被获取作为低灵敏度信号。根据高灵敏度信号来生成静止图像，并且根据低灵敏度信号来生成运动图像。另外，信号处理单元194对根据在第一光电转换部123获取的信号而生成的测距图像与根据从在第二光电转换部124获取的信号而生成的测距图像进行比较，并计算出到被摄体的距离。成像装置190可以使用计算出的距离来执行自动对焦。在这种情况下，通过在具有高灵敏度和短曝光时间的第二光电转换部连同静止图像一起获取测距图像，可以在不降低被获取的运动图像的帧速率的情况下计算到被摄体的距离。
成像装置190可以是具有用于形成具有宽动态范围的图像的宽动态范围模式和用于同时获取运动图像和静止图像的运动-静止图像同时获取模式的装置，其中用户可以选择任何一种模式。在选择宽动态范围模式的情况下，CPU 192输出用于生成具有宽动态范围的图像的信号，而在选择运动-静止图像同时获取模式的情况下，输出用于同时生成运动图像和静止图像的信号。这两种模式可以由在成像装置190中包括的(由CPU 192实现的)模式选择单元自动选择，或者可以手动选择。
在选择宽动态范围模式的情况下，在进入像素的光量等于或低于预定阈值的情况下，信号处理单元194使用具有相对较高灵敏度的信号来生成被摄体的图像，并且在进入像素的光量超过该阈值的情况下，使用具有相对较低灵敏度的信号来生成被摄体的图像。另一方面，在选择运动-静止图像同时获取模式的情况下，信号处理单元194使用在第一光电转换区域121获取的信号来生成静止图像和运动图像中的一个，并且使用在第二光电转换区域122获取的信号来生成另一个。
因此，在成像装置190具有宽动态范围模式和运动-静止图像同时获取模型的情况下，固态成像设备100需要具有适于这二者的配置。因此，第一光电转换区域121和第二光电转换区域122中的每一个的灵敏度和电容被设计为至少满足表达式(4)。进一步满足表达式(5)和(6)是更优选的。
根据本发明，可以在获取具有相互不同的灵敏度的成像信号的同时获取测距信号，并且还防止测距精度下降。
虽然已参照示例性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，从而涵盖所有这种修改以及等同的结构和功能。

Claims (16)

1.一种像素，其特征在于，包括：
第一光电转换区域和第二光电转换区域，具有相互不同的灵敏度并且在第一方向上平行地排列，和
第一势垒区，夹在第一光电转换区域与第二光电转换区域之间，
其中，第一光电转换区域包括：
第一光电转换部和第二光电转换部，在与第一方向相交的第二方向上平行地排列，和
第二势垒区，夹在第一光电转换部与第二光电转换部之间，
并且其中，第一势垒区的电气分隔的量值大于第二势垒区的电气分隔的量值。
2.如权利要求1所述的像素，其中，由于第一势垒区的势垒的高度高于第二势垒区的势垒的高度，第一势垒区的电气分隔的量值大于第二势垒区的电气分隔的量值。
3.如权利要求1所述的像素，还包括：
微透镜，在第一光电转换区域和第二光电转换区域的光进入侧，
其中，微透镜的光轴相对于第一势垒区的中心在第一方向上的偏移量大于微透镜的光轴相对于第二势垒区的中心在第二方向上的偏移量。
4.如权利要求1所述的像素，其中，第一光电转换区域具有第一灵敏度，并且第二光电转换区域具有低于第一灵敏度的第二灵敏度。
5.如权利要求1所述的像素，其中第一方向与第二方向之间的角度是垂直的角度。
6.如权利要求1所述的像素，还包括：
微透镜，在第一光电转换区域和第二光电转换区域的光进入侧，
其中，微透镜相对于与第一方向垂直并包括微透镜的光轴的平面具有非对称的形状。
7.如权利要求1所述的像素，还包括：
微透镜，在第一光电转换区域和第二光电转换区域的光进入侧，
其中，微透镜相对于与第一方向垂直并包括微透镜的光轴的平面具有非对称的折射率分布。
8.如权利要求1所述的像素，还包括：
微透镜，在第一光电转换区域和第二光电转换区域的光进入侧，
其中，微透镜在第一方向上的折光力小于在第二方向上的折光力。
9.如权利要求1所述的像素，还包括：
微透镜，在第一光电转换区域和第二光电转换区域的光进入侧，和
光波导，在微透镜的出射侧，
其中，光波导的芯的出射侧的中心相对于第一势垒区的中心在第一方向上的偏移量大于光波导的芯的出射侧的中心相对于第二势垒区的中心在第二方向上的偏移量。
10.如权利要求1所述的像素，其中，第二光电转换区域包括：
第三光电转换部和第四光电转换部，在第二方向上平行地排列。
11.如权利要求1所述的像素，其中，第一光电转换区域的电荷累积时间是第二光电转换区域的电荷累积时间的一半或更少。
12.一种固态成像设备，其特征在于，包括多个像素，其中每个像素是如权利要求1所述的像素。
13.一种成像装置，其特征在于，包括：
拍摄透镜；和
如权利要求12所述的固态成像设备。
14.如权利要求12所述的成像装置，
其中，通过以下来生成被摄体的图像：
在进入像素的光量等于或低于预定阈值的情况下，使用具有相对高灵敏度的信号，以及
在进入像素的光量超过所述预定阈值的情况下，使用具有相对低灵敏度的信号。
15.如权利要求13所述的成像装置，
其中，可以在以下两者之间进行选择：
形成具有宽动态范围的图像的宽动态范围模式，和
同时获取运动图像和静止图像的运动-静止图像同时获取模式，
其中，在选择宽动态范围模式的情况下，通过以下来生成被摄体的图像：
在进入像素的光量等于或低于预定阈值的情况下，使用具有相对高灵敏度的信号，以及
在进入像素的光量超过所述预定阈值的情况下，使用具有较相对灵敏度的信号，
并且其中，在选择运动-静止图像同时获取模式的情况下，
使用在第一光电转换区域获取的信号来生成的静止图像和运动图像中的一个，以及
使用在第二光电转换区域获取的信号来生成另一个图像。
16.如权利要求13所述的成像装置，还包括：
模式选择单元，能够在第一模式和第二模式之间进行选择，
其中，在由模式选择单元选择第一模式的情况下，获取当累积在第一光电转换部的电荷与累积在第二光电转换部的电荷相加时的信号，
并且其中，在由模式选择单元选择第二模式的情况下，分开地从累积在第一光电转换部的电荷与累积在第二光电转换部的电荷获取信号。
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PB01 Publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20160928

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