CN107205114B - 相位检测自动聚焦像素阵列和相关的成像系统 - Google Patents

相位检测自动聚焦像素阵列和相关的成像系统 Download PDF

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Abstract

相位检测自动聚焦(PDAF)像素阵列包括第一像素和第二像素。位于距PDAF像素阵列的中心的第一距离处的第一像素包括相对于中心的第一内光电二极管和第一外光电二极管。第一内光电二极管和第一外光电二极管分别占据第一内面积和第一外面积。第一内面积除以第一外面积等于第一比率。位于距中心的超过第一距离的第二距离处的第二像素包括相对于中心的第二内光电二极管和第二外光电二极管。第二内光电二极管和第二外光电二极管分别占据第二内面积和第二外面积。第二内面积除以第二外面具等于超过第一比率的第二比率。

Description

相位检测自动聚焦像素阵列和相关的成像系统
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及相位检测自动聚焦像素阵列和相关的成像系统。
背景技术
许多数字照相机具有自动聚焦功能。自动聚焦可以是全自动的使得照相机识别场景中的物体并对物体聚焦。在一些情况下，照相机甚至可以决定哪些物体比其他物体更重要，并随后对更重要的物体聚焦。可选地，自动聚焦可以利用指定对场景的哪个部分或哪些部分感兴趣的用户输入。基于此，自动聚焦功能识别用户指定的场景的部分内的物体并使照相机对这些物体聚焦。
为实现市场适应，自动聚焦功能必须可靠且快速使得每次用户捕获图像时照相机快速地对场景的期望的一个部分或一些部分聚焦。优选地，自动聚焦功能足够快速使得用户注意不到按下触发按钮和图像捕获之间的任何延时。对于无法手动调焦的照相机(例如紧凑的数字照相机或照相机手机)，自动聚焦特别地重要。
许多数字照相机使用对比自动聚焦，其中自动聚焦功能调整成像物镜以最大化场景的至少部分中的对比度，从而对场景的那个部分聚焦。最近，相位检测自动聚焦大受欢迎，原因是其比对比自动聚焦更快。相位检测自动聚焦通过比较穿过成像物镜的一个部分(例如左侧部分)的光和穿过成像物镜的另一部分(例如右侧部分)的光，直接测量离焦的程度。一些数字单反照相机除了包括捕获图像的图像传感器还包括专门的相位检测传感器。
然而，对于更加紧凑和/或造价更低的照相机，此方案不可行。因此，照相机制造商正在研发具有片上相位检测的图像传感器，即通过在图像传感器的像素阵列中包括相位检测自动聚焦(PDAF)像素的具有集成相位检测功能的图像传感器。
图1示出在示例性使用情景190中具有PDAF像素的一个示例性图像传感器101。图像传感器101在数字照相机180中被实施用于成像场景150。例如，数字照相机180是照相机手机或紧凑的数字照相机。数字照相机180利用图像传感器101的片上相位检测功能对场景150聚焦。当聚焦时，数字照相机180利用图像传感器101捕获场景150的聚焦图像120而不是散焦图像130。
图像传感器101具有包括至少一个双二极管PDAF像素200的像素阵列200A。图2是像素阵列200A的双二极管PDAF像素200的剖视图。双二极管PDAF像素200包括具有共用滤色镜221和显微透镜230的光电二极管211和212。显微透镜230具有在光电二极管211和212之间居中的光轴231。光电二极管221和212具有各自的上表面211T和212T。双二极管PDAF像素200可以被视为包括分别包括光电二极管211和光电二极管212的相位检测像素200L和200R。
图3A-3C是其中透镜310在接近像素阵列200A的像平面312处形成轴外物体350的像352的PDAF成像系统300的剖视图。透镜310具有与像素阵列200A相交于像素阵列中心200AC的光轴310A。像352在距光轴310A和像素阵列中心200AC的径向距离352R处。像平面312和透镜310被分隔开像距312Z。
图3A-3C示出主光线351(0)、上边缘光线351(1)和下边缘光线351(-1)的传播。在图3A-3C的剖视图中，像素阵列200A包括图2的双二极管PDAF像素200的列。在图3A中，像素阵列200A在像平面312的后方。在图3B中，像素阵列200A与像平面312共平面。在图3C中，像素阵列200A在像平面312的前方。
图3A-3C还包括分别表示相位检测像素PDAF像素200的列中(a)左光电二极管211和(b)右光电二极管212的响应的示意性像素列响应303和304。
在图3A中，像素阵列200A在像平面312的后方使得像352在像素阵列200A处是焦点未对准的。像素阵列200A在距透镜310的距离311A处，其对应距像平面312的离焦距离Δz＝ΔzA＞0。像素列响应303A示出左相位检测像素的列检测一个对应上边缘光线351(1)的强度峰303A'。像素列响应304A示出右相位检测像素的列检测一个对应下边缘光线351(-1)的强度峰304A'。强度峰304A'比强度峰303A'更接近光轴310A。在像素阵列200A上，强度峰303A'和304A'被分隔开距离Δx＝ΔxA＞0。
在图3B中，像素阵列200A位于像平面312处使得像352是焦点对准的。像素阵列200A在距透镜310的距离311B处，其对应距像平面312的离焦距离Δz＝ΔzB＝0。像素列响应303B示出左相位检测像素的列检测一个对应入射到列中相同的左相位检测像素上的光线351(-1,0,1)的强度峰303B'。像素列响应304B示出右相位检测像素的列检测一个对应入射到列中相同的右相位检测像素的光线351(-1,0,1)的强度峰。在像素阵列200A上，强度峰303B'和304B'被分隔开距离Δx＝ΔxB，其在图3B中被示出为等于0。
在图3C中，像素阵列200A在像平面312的前方使得像352在像素阵列200A处是焦点未对准的。像素阵列200A在距透镜310的距离311C处，其对应距像平面312的离焦距离Δz＝ΔzC＜0。像素列响应303C示出左相位检测像素的列检测一个对应上边缘光线351(1)的强度峰。像素列响应304C示出右相位检测像素的列检测一个对应下边缘光线351(-1)的强度峰。强度峰304C'比强度峰303C'更远离光轴310A。在像素阵列200A上，强度峰303C'与304C'被分隔开距离Δx＝ΔxC＜0。
图像传感器101的相位检测自动聚焦的精度(以下为“PDAF精度”)的一个指标是Δx的大小指示离焦Δz的大小的程度如何。具体地，参考图3B，零离焦(Δz＝0)应该对应Δx＝0。因此，当Δz＝0时，Δx的大小越小，PDAF精度越高。
发明内容
在第一实施例中，公开PDAF像素阵列。PDAF像素阵列包括第一像素和第二像素。第一像素位于距PDAF像素阵列的中心的第一距离处，并包括相对于中心的第一内光电二极管和第一外光电二极管。第一内光电二极管和第一外光电二极管分别占据第一内面积和第一外面积。第一内面积除以第一外面积等于第一比率。第二像素位于距中心的第二距离处，并包括相对于中心的第二内光电二极管和第二外光电二极管。第二内光电二极管和第二外光电二极管分别占据第二内面积和第二外面积。第二内面积除以第二外面积等于第二比率。第二距离超过第一距离，且第二比率超过第一比率。
在第二实施例中，公开PDAF成像系统。PDAF成像系统包括成像透镜和与成像透镜对齐并具有PDAF像素阵列的图像传感器。
附图说明
图1示出使用情景中的包括具有PDAF像素的现有技术的像素阵列的现有技术的图像传感器。
图2是图1的像素阵列的现有技术的双二极管PDAF像素的剖视图。
图3A-图3C是其中像素阵列在相对于焦平面的不同位置处的PDAF成像系统的剖视图。
图4是图2的轴上双二极管PDAF像素的示意性角度选择图。
图5是实施例中PDAF像素阵列的轴外多二极管PDAF像素的剖视图。
图6是图5的轴外多二极管PDAF像素的示意性角度选择图。
图7是实施例中PDAF像素阵列的轴外多二极管PDAF像素的剖视图。
图8是图7的轴外多二极管PDAF像素的示意性角度选择图。
图9是实施例中包括多个图7的轴外多二极管PDAF像素的第一PDAF像素阵列的平面图。
图10是实施例中包括多个图7的轴外多二极管PDAF像素的第二PDAF像素阵列的平面图。
图11是实施例中包括多个图7的轴外多二极管PDAF像素的第三PDAF像素阵列的平面图。
图12是实施例中在成像系统的像平面处的图10的PDAF像素阵列的剖视图。
图13是作为图12的像平面上的归一化位置的函数的示例性主光线角的图。
图14示出实施例中图7的PDAF像素阵列的PDAF像素的内和外光电二极管宽度的最优差对主光线角的示例性图。
图15示出实施例中图7的PDAF像素阵列的PDAF像素的内和外光电二极管宽度的最优比率对主光线角的示例图。
图16示出实施例中作为距图7的PDAF像素阵列的中心的归一化距离的函数的示例性光电二极管宽度比率的图。
具体实施方式
申请人已经确定PDAF精度取决于双二极管PDAF像素200的角度选择。图4是轴上双二极管PDAF像素200(0)的示意性角度选择图400，其中“轴上”指的是透镜310的光轴310A与像素阵列200A相交的位置。图400包括作为入射光角θ的函数的左光电二极管211的光电二极管响应411和右光电二极管212的光电二极管响应412。由于双二极管PDAF像素200(0)与透镜310的光轴310A对齐，入射其上的主光线沿光电二极管上表面212T和211T的法线。光电二极管212具有对正入射光角θ＞0的峰响应。光电二极管211具有对负入射光角θ＜0的峰响应。光电二极管响应411和412在相对角θr＝θ×＝0°处相等，并具有关于θ×对称的各自的峰区域411P和412P。在此，相对角θ×表示θr的最小绝对值，在相对角处多二极管PDAF像素的光电二极管响应相等。申请人已经确定PDAF精度取决于双二极管PDAF像素(例如，双二极管PDAF像素200)的角度选择。
图5是PDAF像素阵列500A的轴外多二极管PDAF像素500的剖视图。例如，PDAF像素阵列500A是CMOS图像传感器的部分。PDAF像素500与双二极管PDAF像素200相似，除了显微透镜230不与光电二极管211和212对齐。光轴231与光电二极管211和212之间的界面531偏移距离510。显微透镜230具有与光轴231相交于焦点232P的主平面232。滤色镜521在显微透镜230和光电二极管211、212之间。
PDAF像素500在距PDAF像素阵列500A的中心的距离rp处，其中从像素阵列中心至与PDAF像素500相关的位置(例如，光轴231或界面531)测量rp。距离rp与距离352R(图3)相似。在示例性的使用情景中，PDAF像素阵列500A在具有有效焦距f的透镜310的像平面处。透镜310以相对于光轴310A的多个主光线角(CRA)χ透射光，使得入射到PDAF像素500上的主光线的“设计”CRAχp取决于距离rp。根据(以后称为等式(1))，设计CRAχp可以与距离rp相关。例如，等式(1)至少适用于单透镜。
可以在不参照成像透镜的情况下定义设计CRAχp。例如，像素500A可以包括具有穿过其中的孔525A的不透明结构525。孔525A具有中心轴525A'。设计CRAχp可以对应穿过孔525A内的特定位置(例如，穿过中心轴525A')的显微透镜230透射的主光线的传播角。可选地，设计CRAχp可以是由光轴231与连接点232P和中心轴525A'上的点的线形成的角。
可选地，可以参照光电二极管211和212的边缘定义设计CRAχp。光电二极管211具有左边缘211L。光电二极管212具有右边缘212R。设计CRAχp可以是穿过边缘211L和212R之间的中点的显微透镜230透射的主光线的传播角。可选地，设计CRAχp可以是由光轴231与连接点232P和边缘211L、212R之间的中点的线形成的角。
在等式(1)中，距离dpa是像素阵列200A和透镜310沿坐标系298的z轴的特征距离。在此，除非另有说明，距透镜310的距离参照透镜310的主平面。图3的距离311A-C是距离dpa的示例。例如，距离dpa在焦平面312和透镜310之间的像平面距离312Z的范围内，其中像平面距离的范围为从f至f的整数倍。可选地，dpa＝f。
在图5中，像素阵列500A在成像系统(未示出)透射主光线551(0)和边缘光线551(±1)至其的、成像系统的焦平面处。主光线551(0)传播至焦点531P并与光轴231形成角χp。透镜230将同样以角χp传播的边缘光线551(±1)折射至其与主光线551(0)相交的焦点531P。由于焦点531P在光电二极管212内且光线551在光电二极管212中比其在光电二极管211中传播更长的距离，光电二极管212比光电二极管211具有更强的对光线551的响应，如图6中所示。
图6是示出作为被设计CRAχp偏移的入射光的主光线角的相对CRAθr的函数的光电二极管响应的轴外多二极管PDAF像素500的示意性角度选择图600。图600包括左光电二极管211的光电二极管响应611和右光电二极管212的光电二极管响应612。当角θr等于“交叉角”θ×时，光电二极管响应611和612相等，在此示例中θ×≈-9°。光电二极管响应611和622具有关于交叉角θ×对称的各自的峰区域611P和612P。
申请人已经确定PDAF精度随着交叉角θ×偏离0度而降低。对于具有相等宽度的光电二极管211和212的多二极管PDAF像素，交叉角θ×随PDAF像素距成像透镜光轴(例如，光轴310A)的径向距离rp(例如，图3距离352R)的增加而增加。
图7是包括在PDAF像素阵列700A中的轴外多二极管PDAF像素700的剖视图。例如，PDAF像素阵列700A是CMOS图像传感器的部分，并可兼容用于图像传感器101中替代像素阵列200A。在图7中，像素阵列700A被示出在成像系统(未示出)透射主光线551(0)和边缘光线551(±1)至其的、成像系统的焦平面处。
像素700具有分别远离和更靠近PDAF像素阵列700A的几何中心的光电二极管711和712。光电二极管711和712具有各自的宽度711W和712W，其中宽度711W超过712W。光电二极管711和712之间的界面731在距光轴231的距离710处。距离710超过图5的PDAF像素500的距离510。光电二极管711和712被示出具有其上的共用滤色镜521。在不脱离其范围的情况下，光电二极管711和712其上可以具有不同的、各自的滤色镜。
像素700A可以包括不透明结构525和对应的孔525A。光电二极管711具有下边缘711B。光电二极管712具有上边缘712T。可以以与相对于像素500A讨论的类似的方法，相对于孔525A或边缘711B、712T定义设计CRAχp。
图8是示出作为相对CRA θr的函数的光电二极管响应的轴外多二极管PDAF像素700的示意性角度选择图800。图800包括右光电二极管712的光电二极管响应812和左光电二极管711的光电二极管响应811。光电二极管响应811和812在包括θr＝0的角度范围820内θr的值处相等。由于光电二极管响应811和812是PDAF像素700的光电二极管711和712的各自的属性，交叉角θ×是PDAF像素700的属性。例如，角度范围820是关于θr＝0的±4°。角度范围820可以更大，例如，关于θr＝0的±8°或±18°。
在实施例中，宽度711W比宽度712W的比率随光轴231至PDAF像素阵列700A的几何中心的距离rp变化，如图9所示。图9是具有多个像素900(m,n)的PDAF像素阵列900A的平面图，其中1<m<M、1<n<N、且m、n、M和N都是正整数。每个像素900和像素阵列900A分别是像素700和PDAF像素阵列700A的示例，且可兼容用于图像传感器101中。
像素阵列中心900AC与像素阵列中心200AC类似，使得当像素阵列900A是包括透镜的成像系统的部分时，透镜光轴与像素阵列中心900AC对齐在本领域中可达到的公差内。
在图9的实施例中，像素阵列900A包括在像素阵列中心900AC处的中心像素(之后为“900(C)”)。例如，当像素阵列900A的像素行的总数和像素列的总数都是奇数时，像素阵列900A包括中心像素900(C)。在不同的实施例中，例如，当像素阵列900A的像素行的总数和像素列的总数都是偶数时，像素阵列900A不包括中心像素使得像素阵列中心900AC在相邻的像素900之间。
如图9所示，M和N都是奇数，但是在不脱离其范围的情况下，M和N的至少一个可以是偶数。图9示出三个区域901、905和909中的选择的像素900。每个像素900具有各自的光电二极管对：内光电二极管911和外光电二极管912，其中对于给定的像素900，内光电二极管911的至少部分在外光电二极管912和像素阵列中心900AC之间。例如，像素900(1，1)包括光电二极管911(1，1)和912(1，1)。在图9中，内光电二极管是白色的且外光电二极管是阴影线的。
像素900(C)居中于坐标系298的原点(x，y)＝(0，0)。对于居中于坐标(xm，yn)的任一个像素900(m，n)，其内光电二极管911(m，n)与其外光电二极管912(m，n)的面积比率R是(xm，yn)的函数，使得比率R(xm，yn)根据像素900(m，n)和像素阵列中心900AC之间的距离增加。例如，在图9中，区域909中的比率R超过区域905中的比率R，区域905中的比率R超过区域901中的比率R。例如，比率R(xm，yn)是xm和yn的至少一个的多项式：R(xm,yn)＝∑kak|xm|k+bk|yn|k+c0，以后称为等式(2)。在等式(2)中，k是非负整数且R(0,0)＝c0(其中，例如c0＝1)，且(xm，yn)与rp的关系为可选地，R(xm，yn)可以被表示为设计CRAχp(m,n)的函数。例如，R(xm，yn)随设计CRAχp(m,n)的函数线性增加。
沿图像传感器对角线的像素(例如像素900(1，1))被示出为具有三角形的光电二极管901。这样的对角线像素可以具有矩形的光电二极管901，例如与像素900或像素900的光电二极管相似。
对于给定的像素900，其内和外光电二极管之间的界面可以相对于像素的中心和像素阵列中心900AC之间的线成角。例如，像素900(m1，n1)具有在像素阵列中心900AC的方向上与线922N正交的界面922，使得其光电二极管是梯形的。
图9示出具有其每个像素是PDAF像素700(在此情况下，是PDAF像素900)的像素阵列900A。在实施例中，像素阵列900A包括与PDAF像素700不同的像素，例如，具有单个光电二极管的像素或具有相等尺寸的光电二极管的双光电二极管像素。图9包括与中心像素900(C)占据的区域相交(例如，相交于像素阵列中心900AC)的叠加在像素阵列900A上的线950。线950(1-3)被示出为示例且不意味着限制穿过中心像素900(C)占据的区域的线950的方位。在实施例中，像素阵列900A包括(a)位于线950(1)下面的多个PDAF像素700，(b)位于线950(2)下面的多个PDAF像素700和(c)位于线950(3)下面的多个PDAF像素700的至少一个。
在实施例中，区域909中的像素900、区域905中的像素900和区域901中的像素共线。区域901中的像素比组成像素阵列900A的总数的百分比的像素更接近像素阵列中心900AC。例如，此百分比超过95％，或可选地在90％和95％之间。
图10是具有多个PDAF像素1000(m，n)的PDAF像素阵列1000A的平面图，其中，和图9一样，1<m<M、1<n<N、且m、n、M和N都是正整数。PDAF像素1000和PDAF像素阵列1000A分别是PDAF像素700和PDAF像素阵列700A的示例。PDAF像素阵列1000A与PDAF像素阵列900A相似，除了对于每个像素1000，光电二极管之间的分隔沿坐标系298表示的x方向或y方向。
图11是具有多个PDAF像素1100(m，n)的PDAF像素阵列1100A的平面图，其中，如图10一样，1<m<M、1<n<N、且m、n、M和N都是正整数。PDAF像素1100和PDAF像素阵列1100A分别是PDAF像素700和PDAF像素阵列700A的示例。PDAF像素阵列1100A与PDAF像素阵列1000A相似，除了对于每个像素1100，光电二极管之间的分隔沿坐标系298表示的x方向。
每个PDAF像素700、900、1000和1100被示出为具有两个光电二极管。在不脱离其范围的情况下，PDAF像素(例如PDAF像素700、900、1000和1100)可以具有多于两个光电二极管。
当像素阵列在成像系统的焦平面处时，入射到像素阵列上在距像素阵列中心的距离rp处的主光线的入射角(即CRAχp)取决于距离rp。图10示出归一化的距离1060，即在坐标系298的x方向中归一化至像素阵列1000A的半宽的rp。
图12是包括与透镜1210的光轴1200A对齐的PDAF像素阵列1000A的成像系统1200的剖视图。像素阵列1000A在成像系统1200的像平面1212平面处。仅是为了说明的目的，包括PDAF像素阵列1000A而不是PDAF像素阵列700A的其他示例。PDFA像素阵列700A的其他示例可以替换图12中的PDAF像素阵列1000A。例如，透镜1210是包括厚透镜和被设计以减少像素阵列边缘附近的主光线角的表面的复合透镜。
图12示出被透镜1210成像到PDAF像素阵列1000A上的多个主光线1250(x)。每个主光线1250(x)以相对于光轴1210A的各自的角1251(x)入射到像素阵列1000A上并在由归一化的距离1060指示的距光轴1210A的各自的距离x处。例如，主光线1250(0.0)平行于光轴1210A传播，使得角1251(0.0)为0度，且主光线1250(1.0)以角1250(1.0)传播。
图13是作为像平面1212上归一化的距离1060的函数的主光线角1351的图1300。主光线角1351是主光线1250的主光线角1251的示例。特别地，主光线角1351(0.2，0.4，0.6，08，1.0)分别表示主光线1250(0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)的主光线角。图1300可以由本领用中使用的光学设计软件产生，并提供图像传感器位置和入射其上的主光线角之间的映射。
图14示出作为对于PDAF像素阵列700A的实施例的主光线角的函数的最优光电二极管宽度差1402(1-4)的示例性图1400。图15示出与图14相同的数据的图1500，然而最优光电二极管尺寸被表示为光电二极管宽度比率1502(1-4)。光电二极管宽度差1402和光电二极管宽度比率1502由像素光学响应的有限差分时域仿真产生。
例如，“光电二极管宽度”指的是内光电二极管711的光电二极管宽度711W和外光电二极管712的光电二极管宽度712W。当内光电二极管711和外光电二极管712具有沿坐标系298的y轴的相等的高度时，每个光电二极管宽度比率1502还表示相同的PDAF像素700中的内光电二极管711与外光电二极管712的面积比率。如图8所示，当光电二极管响应811和812在角度范围820内θr的值处相等时对应最优宽度差和最优宽度比率。
例如，宽度差1402(1)和宽度比率1502(1)对应具有内光电二极管1011(m1，n1)和外光电二极管1012(m1，n1)的像素1000(m1，n1)(图10)。例如，宽度差1402(4)和宽度比率1502(4)对应具有内光电二极管1011(m4，n4)和外光电二极管1012(m4，n4)的像素1000(m4，n4)。像素1000的每个具有总光电二极管高度1023，如对于像素1000(m4，n4)所示。在产生宽度差1402和宽度比率1502的仿真中，高度1023等于1.3μm。
宽度差1402由具有斜率m12＝0.0111μm/度和确定系数R2＝0.9991的线1404拟合。宽度比率1502由具有斜率m13＝0.0228/度和确定系数R2＝0.9908的线1504拟合。线1404和1504分别与图1400和1500的原点相交，原点对应等于0的主光线角，且在PDAF像素700中光电二极管宽度711W等于光电二极管宽度712W。
图16示出作为距PDAF像素阵列700A的中心的归一化的距离1060(xn)的函数的示例性光电二极管宽度比率1610(实曲线，r(xn))的图1600。对归一化的距离1060而不是主光线角画出的比率1610对应图1500的线1504的比率。从图13的图1300得到的图1500的主光线角得到归一化的距离1060。
图1600还包括对光电二极管宽度比率1610的抛物线拟合1610F。抛物线拟合1610F满足其中a和b的拟合值为a＝-1.16，b＝1.91。宽度比率1610和抛物线拟合1610F之间的均方根误差为ΔRMS＝1.011×10-2。
特征组合
在不脱离其范围的情况下，上述的和下面所请求的特征可以以各种方式进行组合。以下示例示出一些可能的、非限制性的组合：
(A1)一种PDAF像素阵列，包括第一像素和第二像素。第一像素位于距PDAF像素阵列的中心的第一距离处，并包括相对于中心的第一内光电二极管和第一外光电二极管。第一内光电二极管和第一外光电二极管分别占据第一内面积和第一外面积。第一内面积除以第一外面积等于第一比率。第二像素位于距中心的第二距离处，并包括相对于中心的第二内光电二极管和第二外光电二极管。第二内光电二极管和第二外光电二极管分别占据第二内面积和第二外面积。第二内面积除以第二外面积等于第二比率。第二距离超过第一距离，且第二比率超过第一比率。
(A2)在如(A1)表示的PDAF像素阵列中，响应于与第一像素相关的设计主光线角的5度内入射的光，第一内光电二极管和第一外光电二极管的响应可以相等。
(A3)如(A1)和(A2)的一个表示的PDAF像素阵列还可以包括位于距中心的第三距离并包括相对于中心的第三内光电二极管和第三外光电二极管的第三像素。第三内光电二极管和第三外光电二极管分别占据第三内面积和第三外面积。第三内面积除以第三外面积等于第三比率。第三距离超过第二距离，且第三比率超过第二比率。
(A4)在如(A3)表示的PDAF像素阵列中，第一像素可以满足(1)与像素阵列中心重叠，(2)比PDAF像素阵列的所有其他像素更接近像素阵列中心，和(3)比PDAF像素阵列中所有其他像素的90％更接近像素阵列中心的至少一个。
(A5)如(A3)和(A4)的一个表示的PDAF像素阵列还可以包括位于距中心的第四距离处的第四像素。第四像素包括相对于中心的第四内光电二极管和第四外光电二极管。第四内光电二极管和第四外光电二极管分别占据第四内面积和第四外面积。第四内面积除以第四外面积等于第四比率。第四距离超过第三距离，且第四比率超过第三比率。第一、第二、第三和第四比率可表示为各自的第一、第二、第三和第四距离的抛物线函数。
(A6)在如(A5)表示的PDAF像素阵列中，抛物线函数可以是拟合至少四个坐标{(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)}的抛物线曲线并关于至少四个坐标可以具有小于0.02的均方根误差，其中{x1,x2,x3,x4}分别对应第一、第二、第三和第四距离且{y1,y2,y3,y4}分别对应第一、第二、第三和第四比率。
(A7)如(A1)至(A6)的一个表示的PDAF像素阵列还可以包括位于距中心的第三距离处的第三像素。第三像素包括相对于中心的第三内光电二极管和第三外光电二极管。第三内光电二极管和第三外光电二极管分别占据第三内面积和第三外面积。第三内面积除以第三外面积等于第三比率。第三距离可以小于第二距离，且第三比率等于第一比率。可选地，第三距离超过第二距离，且第三比率等于第二比率。
(B1)一种PDAF成像系统包括成像透镜和与成像透镜对齐的图像传感器。图像传感器具有如(A1)表示的PDAF像素阵列。
(B2)在如(B1)表示的PDAF成像系统中，第一像素(a)可以位于与对齐于PDAF像素阵列的成像透镜透射的第一主光线角相关的PDAF像素阵列上。响应于第一主光线角的5度内入射的光，第一内光电二极管和第一外光电二极管的响应可以相等。
(B3)在如(B1)和(B2)的一个表示的PDAF成像系统中，PDAF像素阵列还可以包括位于距中心的第三距离处的第三像素。第三像素包括第三内光电二极管和第三外光电二极管。第三内光电二极管和第三外光电二极管分别占据第三内面积和第三外面积。第三内面积除以第三外面积等于第三比率。第三距离超过第二距离，且第三比率超过第二比率。
(B4)在如(B3)表示的PDAF成像系统中，第一像素可以满足(1)与像素阵列中心重叠，(2)比PDAF像素阵列的所有其他像素更接近像素阵列中心，和(3)比PDAF像素阵列中所有其他像素的90％更接近像素阵列中心的至少一个。
(B5)在如(B3)和(B4)的一个表示的PDAF成像系统中，第一、第二和第三比率可以被表示为各自的第一、第二和第三距离的线性函数。
(B6)在如(B5)表示的PDAF成像系统中，线性函数可以是最佳拟合三个坐标{(x1,y1),(x2,y2)(x3,y3)}的最小二乘线，并可以具有超过0.98的决定系数，其中{x1,x2,x3}分别对应第一、第二和第三距离且{y1,y2,y3}分别对应第一、第二和第三比率。
(B7)如(B1)至(B6)的一个表示的PDAF像素阵列还可以包括位于距中心的第三距离处的第三像素。第三像素包括相对于中心的第三内光电二极管和第三外光电二极管。第三内光电二极管和第三外光电二极管分别占据第三内面积和第三外面积。第三内面积除以第三外面积等于第三比率。第三距离可以小于第二距离，且第三比率等于第一比率。可选地，第三距离超过第二距离，且第三比率等于第二比率。
在不脱离其范围的情况下，可以对上述方法和系统做出改变。因此，应该注意的是，在上述描述中包含的或在附图中示出的方式，应该被理解为说明性的且不具有限制意义。所附权利要求旨在覆盖在此描述的所有通用和特定特征，以及本方法和本系统的范围的在语言上的所有声明应被认为落入其间。

Claims (16)

1.一种相位检测自动聚焦PDAF像素阵列，包括：
第一像素，位于距所述PDAF像素阵列的中心的第一距离处，并且包括相对于所述中心的第一内光电二极管和第一外光电二极管，所述第一内光电二极管和所述第一外光电二极管分别占据第一内面积和第一外面积，所述第一内面积除以所述第一外面积等于第一比率；以及
第二像素，位于距所述中心的第二距离处，并且包括相对于所述中心的第二内光电二极管和第二外光电二极管，所述第二内光电二极管和所述第二外光电二极管分别占据第二内面积和第二外面积，所述第二内面积除以所述第二外面积等于第二比率；
所述第二距离超过所述第一距离；且
所述第二比率超过所述第一比率。
2.根据权利要求1所述的PDAF像素阵列，其中，响应于与所述第一像素相关的设计主光线角的5度内入射的光，所述第一内光电二极管和所述第一外光电二极管的响应相等。
3.根据权利要求1所述的PDAF像素阵列，还包括：
第三像素，位于距所述中心的第三距离处，并且包括相对于所述中心的第三内光电二极管和第三外光电二极管，所述第三内光电二极管和所述第三外光电二极管分别占据第三内面积和第三外面积，所述第三内面积除以所述第三外面积等于第三比率，
所述第三距离超过所述第二距离，且所述第三比率超过所述第二比率。
4.根据权利要求3所述的PDAF像素阵列，其中，所述第一像素满足下述至少一个：(1)与像素阵列中心重叠，(2)比所述PDAF像素阵列的所有其他像素更接近所述像素阵列中心，和(3)比所述PDAF像素阵列中的所有其他像素的90％更接近所述像素阵列中心。
5.根据权利要求3所述的PDAF像素阵列，还包括：
第四像素，位于距所述中心的第四距离处，并且包括相对于所述中心的第四内光电二极管和第四外光电二极管，所述第四内光电二极管和所述第四外光电二极管分别占据第四内面积和第四外面积，所述第四内面积除以所述第四外面积等于第四比率，
所述第四距离超过所述第三距离，且所述第四比率超过所述第三比率，
所述第一比率、所述第二比率、所述第三比率和所述第四比率可表示为各自的所述第一距离、所述第二距离、所述第三距离和所述第四距离的抛物线函数。
6.根据权利要求5所述的PDAF像素阵列，其中，所述抛物线函数是拟合至少四个坐标{(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)}的抛物线曲线并且关于所述至少四个坐标具有小于0.02的均方根误差，其中{x1,x2,x3,x4}分别对应所述第一距离、所述第二距离、所述第三距离和所述第四距离，且{y1,y2,y3,y4}分别对应所述第一比率、所述第二比率、所述第三比率和所述第四比率。
7.根据权利要求1所述的PDAF像素阵列，还包括：
第三像素，位于距所述中心的第三距离处，并且包括相对于所述中心的第三内光电二极管和第三外光电二极管，所述第三内光电二极管和所述第三外光电二极管分别占据第三内面积和第三外面积，所述第三内面积除以所述第三外面积等于第三比率，所述第三距离小于所述第二距离，且所述第三比率等于所述第一比率。
8.根据权利要求1所述的PDAF像素阵列，还包括：
第三像素，位于距所述中心的第三距离处，并且包括相对于所述中心的第三内光电二极管和第三外光电二极管，所述第三内光电二极管和所述第三外光电二极管分别占据第三内面积和第三外面积，所述第三内面积除以所述第三外面积等于第三比率，所述第三距离超过所述第二距离，且所述第三比率等于所述第二比率。
9.一种相位检测自动聚焦PDAF成像系统，包括：
成像透镜；以及
图像传感器，与所述成像透镜对齐并且具有PDAF像素阵列，所述PDAF像素阵列包括：
(a)第一像素，位于距所述PDAF像素阵列的中心的第一距离处，并且包括相对于所述中心的第一内光电二极管和第一外光电二极管，所述第一内光电二极管和所述第一外光电二极管分别占据第一内面积和第一外面积，所述第一内面积除以所述第一外面积等于第一比率，以及
(b)第二像素，位于距所述中心的第二距离处，并包括相对于所述中心的第二内光电二极管和第二外光电二极管，所述第二内光电二极管和所述第二外光电二极管分别占据第二内面积和第二外面积，所述第二内面积除以所述第二外面积等于第二比率；
所述第二距离超过所述第一距离，以及
所述第二比率超过所述第一比率。
10.根据权利要求9所述的PDAF成像系统，其中，所述第一像素满足：(a)位于与对齐于所述PDAF像素阵列的所述成像透镜透射的第一主光线角相关的所述PDAF像素阵列上，且(b)响应于所述第一主光线角的5度内入射的光，所述第一内光电二极管和所述第一外光电二极管的响应相等。
11.根据权利要求9所述的PDAF成像系统，其中，所述PDAF像素阵列还包括：
第三像素，位于距所述中心的第三距离处，并且包括第三内光电二极管和第三外光电二极管，所述第三内光电二极管和所述第三外光电二极管分别占据第三内面积和第三外面积，所述第三内面积除以所述第三外面积等于第三比率，
所述第三距离超过所述第二距离，且所述第三比率超过所述第二比率。
12.根据权利要求11所述的PDAF成像系统，其中，所述第一像素满足下述至少一个：(1)与像素阵列中心重叠，(2)比所述PDAF像素阵列的所有其他像素更接近所述像素阵列中心，和(3)比所述PDAF像素阵列中所有其他像素的90％更接近所述像素阵列中心。
13.根据权利要求11所述的PDAF成像系统，其中，所述第一比率、所述第二比率和所述第三比率可表示成各自的所述第一距离、所述第二距离和所述第三距离的线性函数。
14.根据权利要求13所述的PDAF成像系统，其中，所述线性函数是最佳拟合三个坐标{(x1,y1),(x2,y2)(x3,y3)}的最小二乘线，并具有超过0.98的决定系数，其中{x1,x2,x3}分别对应所述第一距离、所述第二距离和所述第三距离，且{y1,y2,y3}分别对应所述第一比率、所述第二比率和所述第三比率。
15.根据权利要求9所述的PDAF成像系统，其中，所述PDAF像素阵列还包括：
第三像素，位于距所述中心的第三距离处，并且包括相对于所述中心的第三内光电二极管和第三外光电二极管，所述第三内光电二极管和所述第三外光电二极管分别占据第三内面积和第三外面积，所述第三内面积除以所述第三外面积等于第三比率，所述第三距离小于所述第二距离，且所述第三比率等于所述第一比率。
16.根据权利要求9所述的PDAF成像系统，其中，所述PDAF像素阵列还包括：
第三像素，位于距所述中心的第三距离处，并且包括相对于所述中心的第三内光电二极管和第三外光电二极管，所述第三内光电二极管和所述第三外光电二极管分别占据第三内面积和第三外面积，所述第三内面积除以所述第三外面积等于第三比率，所述第三距离超过所述第二距离，且所述第三比率等于所述第二比率。
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