CN107872618B - 带有非对称微透镜pdaf检测器的图像传感器、相关pdaf成像系统和方法 - Google Patents

带有非对称微透镜pdaf检测器的图像传感器、相关pdaf成像系统和方法 Download PDF

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Abstract

PDAF成像系统包括图像传感器和图像数据处理单元。图像传感器具有非对称微透镜PDAF检测器，非对称微透镜PDAF检测器包括∶(a)多个像素和(b)微透镜，多个像素形成具有至少两行和两列的子阵列，微透镜位于多个像素中的每个像素上方并且关于垂直于子阵列的轴线旋转非对称。该轴线与微透镜的顶面的局部极值相交。图像数据处理单元能够接收来自多个像素中的每个像素的电信号并且根据接收的电信号生成PDAF信号。用于形成鸥翼微透镜的方法包括在基板上形成在板中具有孔的板。该方法还包括对板进行回流。

Description

带有非对称微透镜PDAF检测器的图像传感器、相关PDAF成像 系统和方法
技术领域
本申请涉及图像传感器，具体地，涉及带有非对称微透镜相位检测自动聚焦(PDAF)检测器的图像传感器，相关的PDAF成像系统和相关的方法。
背景技术
许多数码相机具有自动聚焦性能。自动聚焦可为全自动的，使得相机识别场景中的物体并且聚焦在物体上。在一些情况下，相机甚至可以决定哪个物体比其他物体更重要并且随后聚焦在更重要的物体上。此外，自动聚焦可以利用用户输入来指定对场景的哪个部分或哪些部分感兴趣。因此，自动聚焦功能识别由用户指定的场景的一个或多个部分内的物体，并且将相机聚焦在识别的物体上。
为达到市场采纳的目的，自动聚焦功能必须是可靠和快速的，使得每当用户捕获图像时，相机迅速地将场景的一个或多个期望部分聚焦。更优地，自动聚焦功能足够快，使得用户不会注意到按下触发按钮和图像捕获之间的任何延迟。自动聚焦对于不具有手动聚焦方式的相机尤其重要，诸如小型数码相机和相机电话。
许多数码相机使用对比度自动聚焦，其中自动聚焦功能调整成像物镜以使在场景的至少一部分中对比度最大化，从而将场景的那个部分聚焦。最近以来，相位检测自动聚焦已经受到大众的欢迎，因为它比对比度自动聚焦更快。相位检测自动聚焦通过将穿过成像物镜的一个部分(例如，左边部分)的光与穿过成像物镜的另一部分(例如，右边部分)的光进行比较来直接测量离焦度。一些数字单镜头反光式相机除了捕获图像的图像传感器之外还包括专用的相位检测传感器。
然而，此解决方案对于更小型和/或更便宜的相机是不可行的。因此，相机制造商正在研发带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含相位检测自动聚焦(PDAF)像素而带有集成相位检测能力的图像传感器。
图1示出了在示例性使用场景190中的带有PDAF像素的一个示例性图像传感器101。图像传感器101在数码相机180中实施，用于对场景150成像。例如，数码相机180为相机电话或小型数码相机。数码相机180利用图像传感器101的片上相位检测能力对场景150聚焦。当聚焦时，数码相机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PDAF像素检测器200的像素阵列200A。图2是像素阵列200A的PDAF像素检测器200的剖视图。PDAF像素检测器200包括对称微透镜230和具有公共滤色器221的像素211和212。对称微透镜230具有在像素211和212之间的居中的光轴线231。像素211和212具有各自的顶面211T和212T。PDAF像素检测器200可被视为包括相位检测像素200L和200R，相位检测像素200L和200R分别包括像素211和像素212。
图3A至图3C是PDAF成像系统300的剖视图，在PDAF成像系统300中，透镜310在像素阵列200A附近的像平面312处形成轴外物体350的图像352。透镜310具有光轴线310A，光轴线310A与像素阵列200A在像素阵列中心200AC处相交。图像352在距光轴线310A和像素阵列中心200AC的径向距离352R处。像平面312和透镜310间隔像距312Z。
图3A至图3C示出了主光线351(0)、上边缘光线351(1)和下边缘光线351(-1)的传播。在图3A至图3C的剖视图中，像素阵列200A包括一列图2的PDAF像素检测器200。在图3A中，像素阵列200A在像平面312后面。在图3B中，像素阵列200A与像平面312共面。在图3C中，像素阵列200A在像平面312前面。
图3A至图3C还包括了示意性像素列响应303和304，其分别表示一列PDAF像素检测器200内的(a)左像素211和(b)右像素212的响应。
在图3A中，像素阵列200A在像平面312后面，使得图像352在像素阵列200A处离焦。像素阵列200A在距透镜310的距离311A处，相当于距像平面312的离焦距离Δz＝ΔzA＞0。像素列响应303A示出了左相位检测像素的列检测的对应于上边缘光线351(1)的一个强度峰值303A'。像素列响应304A示出了右相位检测像素的列检测的对应于下边缘光线351(-1)的一个强度峰值304A'。强度峰值304A'比强度峰值303A'更靠近光轴线310A。在像素阵列200A上，强度峰值303A'和304A'间隔距离Δχ＝ΔχA＞0。
在图3B中，像素阵列200A位于像平面312处，使得图像352被聚焦。像素阵列200A在距透镜310的距离311B处，相当于距像平面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的与入射在该列中的相同的左相位检测像素上的光线351(-1，0，1)对应的一个强度峰值303B'。像素列响应304B示出了右相位检测像素的列检测的与入射在该列中的相同的右相位检测像素上的光线351(-1，0，1)对应的一个强度峰值304B'。在像素阵列200A上，强度峰值303B'和304B'间隔距离Δχ＝ΔχB，在图3B中示出了ΔχB等于零。
在图3C中，像素阵列200A在像平面312前面，使得图像352在像素阵列200A处离焦。像素阵列200A在距透镜310的距离311C处，相当于距像平面312的离焦距离Δz＝ΔzC＜0。像素列响应303C示出了左相位检测像素的列检测的对应于上边缘光线351(1)的一个强度峰值303C'。像素列响应304C示出右相位检测像素的列检测的对应于下边缘光线351(-1)的一个强度峰值304C'。强度峰值304C'比强度峰值303C'距光轴线310A更远。在像素阵列200A上，强度峰值303C'和304C'间隔距离Δχ＝ΔχC＜0。
图像传感器101的相位检测自动聚焦的精度(在下文中称为"PDAF精度")的一个指标是Δχ的大小能多好地表明离焦量Δz的大小。具体地，参考图3B，零离焦量(Δz＝0)应对应于Δχ＝0。因此，当Δz＝0时，Δχ的大小越小，PDAF精度越高。
发明内容
在第一实施方式中，公开了带有非对称微透镜PDAF检测器的图像传感器。非对称微透镜PDAF检测器包括微透镜和多个像素。多个像素形成具有至少两行和两列的子阵列。微透镜位于多个像素中的每个像素上方，并且关于垂直于子阵列的轴线旋转非对称。轴线与微透镜的顶面的局部极值相交。
在第二实施方式中，公开了PDAF成像系统。PDAF成像系统包括图像传感器和图像数据处理单元。图像传感器具有非对称微透镜PDAF检测器，非对称微透镜PDAF检测器包括∶(a)子阵列和(b)微透镜，子阵列具有至少两行和两列并由多个像素形成，微透镜位于多个像素的每个像素上方并且关于垂直于子阵列的轴线旋转非对称。该轴线与微透镜的顶面的局部极值相交。图像数据处理单元能够接收来自多个像素的每个像素的电信号并且根据接收的电信号生成PDAF信号。
在第三实施方式中，公开了用于形成鸥翼微透镜的方法。该方法包括在基板上形成在板中具有孔的板。该方法还包括对板进行回流。
附图说明
图1示出了在使用场景中包括具有PDAF像素的现有像素阵列的现有图像传感器。
图2是图1的像素阵列的现有双二极管PDAF像素的剖视图。
图3A-图3C是PDAF成像系统中的像素阵列相对于焦平面在不同的位置处的PDAF成像系统的剖面图。
图4是图2的轴上双二极管PDAF像素的示意性角度选择绘图。
图5是在实施方式中的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绘图。
图7是在实施方式中的带有非对称微透镜PDAF检测器的图像传感器的平面图。
图8是在实施方式中的图7的带有第一非对称微透镜PDAF检测器的图像传感器的剖视图。
图9是图8的示例性第一非对称微透镜PDAF检测器的等高线绘图。
图10是图8的轴外多二极管PDAF像素的示意性角度选择绘图。
图11是在实施方式中的图7的带有第二非对称微透镜PDAF检测器的图像传感器的剖视图。
图12是在实施方式中的图11的第二非对称微透镜PDAF检测器的微透镜的立体图。
图13是表示图12的微透镜的透镜高度的示例性数值的示意性内插曲线h(θ)。
图14是示出在实施方式中用于制作图12的非对称微透镜的示例性方法的流程图。
图15是在实施方式中根据图14的方法在基板上形成的板的立体图。
图16示出了在实施方式中的示例性成像系统的架构图。
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的角灵敏度。图4是轴上PDAF像素检测器200(0)的示意性角度选择绘图400，其中轴上指的是透镜310的光轴线310A与像素阵列200A相交的位置。绘图400包括作为入射光角度θ的函数的左像素211的像素响应411和作为入射光角度θ的函数的右像素212的像素响应412。由于PDAF像素检测器200(0)与透镜310的光轴线310A对准，所以入射在其上的主光线垂直于像素顶面212T和211T。像素212对于正入射光角度θ＞0具有峰值响应。像素211对于负入射光角度θ＜0具有峰值响应。像素响应411和412在相对角度θr＝θx＝0°处相等并且具有围绕θx对称的各自的峰值区域411P和412P。在本文中，相对角度θx表示θr的最小绝对值，在θx处多二极管PDAF像素的像素响应相等。申请人已经确定PDAF精度取决于双二极管PDAF像素(诸如双二极管PDAF像素200)的角灵敏度。
图5是PDAF像素阵列500A的PDAF检测器500的剖视图。PDAF像素阵列500A为例如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的部分。除了对称微透镜230不与像素211和212对准外，PDAF检测器500类似于PDAF像素检测器200。光轴线231从像素211和212之间的分界面531以距离510偏移。对称微透镜230具有在焦点232P处与光轴线231相交的主平面232。滤色器521在微透镜230和像素211、212之间。
PDAF检测器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到与PDAF检测器500有关的位置(诸如光轴线231或分界面531)测量rp。距离rp类似于距离352R(图3)。在示例性使用场景中，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相对于光轴线310A以多个主光线角度(CRA)χ传输光，使得入射在PDAF检测器500的主光线的“设计的”CRAχp取决于距离rp。设计的CRAχp可根据(在下文中被称为等式(1))与距离rp相关。例如，等式(1)至少应用于单业透镜。
设计的CRAχp可以不参考成像透镜而限定。例如，PDAF检测器500可包括不透明结构525，不透明结构525具有穿过其中的光圈525A。光圈525A具有中心轴线525A'。设计的CRAχp可对应于由对称微透镜230传输的穿过光圈525A内的特定位置的主光线的传播角度，例如穿过中心轴线525A'的主光线的传播角度。此外，设计的CRAχp可为由光轴线231和连接焦点232P以及在中心轴线525A'上的点的线形成的角度。
此外，可以参考像素211和212的边缘来限定设计的CRAχp。像素211具有左边缘211L。像素212具有右边缘212R。设计的CRA χp可为由对称微透镜230传输的穿过边缘211L和212R之间的中点的主光线的传播角度。此外，设计的CRAχp可为由光轴线231和连接焦点232P以及边缘211L和212R之间的中点的线形成的角度。
在等式(1)中，距离dpa为沿着坐标系298的z轴的、像素阵列200A和透镜310之间的特征距离。在本文中，除非另有说明，距透镜310的距离以透镜310的主平面为参考。图3的距离311A-311C为距离dpa的实例。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，其中像平面距离从f到f的整数倍范围内变化。作为另一种选择，dpa＝f。
在图5中，像素阵列500A在成像系统的焦平面中(未示出)，并成像系统将主光线551(0)和边缘光线551(±1)传输到像素阵列500A。主光线551(0)传播至焦点531P并且与光轴线231形成角度χp。焦点531P在距分界面531的距离532处。对称微透镜230使边缘光线551(±1)(也以角度χp传播)折射至焦点531P，在焦点531P处边缘光线551(±1)与主光线551(0)相交。如图6中所示，由于焦点531P在像素212的内部(距离532大于零)并且光线551在像素212中传播的距离比在像素211中传播的距离长，所以对于光线551，像素212具有比像素211更强的响应。
图6是PDAF检测器500的示意性角度选择绘图600，示出了作为相对CRAθr的函数的像素响应，CRAθr为以设计的CRAχp偏移的入射光的主光线角度。绘图600包括左像素211的像素响应611和右像素212的像素响应612。当角度θr等于“交叉角”θx时，像素响应611和612相等，在本实例中θx≈-9°。
像素响应611和612具有关于交叉角θx对称的各自的峰值区域611P和612P。像素响应611和612还具有各自的“波谷”区域611V和612V。在峰值区域和波谷区域的像素响应的差表示像素的角灵敏度。在PDAF检测器500中，像素211-212具有各自的峰谷值611PV和612PV。
申请人已经确定，当交叉角θx从零度偏移时，PDAF精度减小。对于PDAF检测器500，交叉角θx随着PDAF像素距成像透镜光轴线(例如，光轴线310A)的径向距离rp(例如，图3中的距离352R)的增加而增加。交叉角θx偏离零度的一个原因是在焦点531P和分界面531之间的非零距离532。
减小交叉角θx可通过修改对称微透镜230以最小化距离532来实现，使得像素响应611和612在绘图600中向右移动(例如，以交叉角θx向右移动)，同时保持它们各自的形状。像素响应611和612的形状部分地由对称微透镜230导致，由于对称微透镜230为聚焦透镜，因此对称微透镜230在通过其传输的光上施加二次相移(作为坐标系298中x和/或y的函数)。像素响应611和612的位置(例如，对于θr＝0的情况)至少部分地通过由对称微透镜230施加在入射光上的任一线性相移(作为坐标系298中x和/或y的函数)决定。作为对称透镜，对称微透镜230不施加任一这样的线性相移。施加线性相位的最简单光学元件为棱镜，其为非对称的并且在通过其传输的光上仅施加线性相移。图7-图13示出了带有对线性组件施加相移的微透镜的示例性PDAF检测器。
图7是能够在数码相机180中取代图像传感器101的图像传感器701的非对称微透镜PDAF检测器700的平面图。PDAF检测器700在图像传感器701的像素阵列700A内部。PDAF检测器700包括在相位检测像素711-714上方的非对称微透镜730，像素711-714上分别具有滤色器721或722。为了清楚示出，表示像素711-714的虚线框小于表示各自滤色器721和722的框。
图像传感器701具有多个行701R。检测器中心700C和像素阵列中心701C之间的线702相对于平行于行701R并且包括像素阵列中心701C的线形成角度733A。检测器中心700C位于距像素阵列中心701C的距离700D处。
滤色器721和722分别将可见电磁辐射的一个或多个特定范围传输到其相关的底层像素。例如，基于原色的可见滤色器具有对应于电磁波谱的红色、绿色或蓝色(RGB)区域的通带，并且被分别称为红色滤色器、绿色滤色器和蓝色滤色器。基于合成色的可见滤色器具有对应于原色的组合的通带，由此滤色器传输青色、品红或黄色(CMY)光中的一种，并且被分别称为青色滤色器、品红滤色器和黄色滤色器。全色滤色器(Cl)均匀地传输可见光的全部颜色。由于像素的滤色器的传输频谱将像素与该像素的相邻像素区分，所以像素通过其滤色器类型引用，例如，“红色像素”包括红色滤色器。在本文中，像素的传输指的是它的滤色器的传输频谱。
对称平面731和732可彼此垂直并且彼此在检测器中心700C处相交。滤色器721和722具有关于对称平面731和732两者的反射对称性。对称多像素相位差分检波器700还具有双重旋转对称性。表1示出了对称多像素相位差分检波器700的十四个示例性滤色器配置，其中R、G、B、C、M、Y和Cl分别表示红色滤色器、绿色滤色器、蓝色滤色器、青色滤色器、品红滤色器、黄色滤色器和全色滤色器。在十四个配置的任何一个中，两个滤色器可彼此交换，而不偏离本申请的范围。例如，在配置(c)中，滤色器721为绿色滤色器并且滤色器722为红色滤色器。
表1：非对称微透镜PDAF检测器700的示例性滤色器配置
虽然在图7的平面图中非对称微透镜730被示出为不完全地覆盖像素711-714，但是，非对称微透镜730可以具有不同形状的截面，而不偏离本申请的范围。例如，在平行于坐标系298的x-y平面的平面中，非对称微透镜730可能具有矩形周界，使得它完全地覆盖像素711-714。非对称微透镜730可包括球形面、椭圆形面和非球形面中的至少一种的部分。非对称微透镜730可由正性光致抗蚀剂形成。
图8是在图7的截面7A-7A'中的图像传感器701的非对称微透镜PDAF检测器800的剖视图。非对称微透镜PDAF检测器800为非对称微透镜PDAF检测器700的实例并且包括非对称微透镜830，非对称微透镜830为非对称微透镜730的实例。微透镜830具有非平面表面830S并且在位于像素712上方的顶点839处具有在滤色器721和722上方的最大高度835。滤色器721和722是滤色器阵列720的一部分。非对称微透镜PDAF检测器800可包括在微透镜830和滤色器阵列720之间的层。顶点839为非平面表面830S的局部极值。图9是示出在滤色器721和722上方的相等高度z的轮廓的、非平面表面930S的等高线绘图平面图。非平面表面930S为非平面表面830S的实例。在下述描述中，最好一起查阅图8和图9。
与坐标系298的x-y平面正交的截面7A-7A'包括检测器中心700C，并且与像素阵列中心701C形成角度733A。非对称微透镜830越过像素712朝向像素阵列中心701C延伸距离838。距离838可等于零，而不偏离本申请的范围。
图8包括叠加在微透镜830上的假想棱镜840的截面。三棱镜840具有平坦倾斜面840h。微透镜830可被视为包括棱镜840，并且在平坦倾斜面840h上具有假想平凸透镜。假想平凸透镜相当于由表面840h和表面830S限定的微透镜830的区域。由假想棱镜840限定的微透镜830的区域施加上面提到的线性相移来减小交叉角θx。
顶点839位于距检测器中心700C的距离831处。微透镜830关于与顶点839相交并且垂直于滤色器阵列720的顶面720T的轴线839A旋转非对称。
距离831(i)是微透镜830的非对称性的一个指标。在实施方式中，图像传感器701具有多个非对称微透镜PDAF检测器800(i)，其中i＝1，2，...，并且各自的检测器中心700C(i)位于距像素阵列中心701C的各自的距离700D(i)处。每个PDAF检测器800(i)具有各自的微透镜830(i)和表面830S(i)，其中，表面830S(i)具有位于距像素阵列中心701C的各自的距离831(i)处的顶点839(i)。例如，距离831(i)为距离700D(i)的单调递增函数。例如，每个表面830S(i)的形状被设计为使得每个微透镜830(i)将入射到其上的主光线聚焦在检测器中心700C(i)上。
微透镜830的非对称性的第二指标为在截面7A-7A'中微透镜830的倾斜度，该倾斜度通过在PDAF检测器800的相对侧的微透镜830的高度差说明。PDAF检测器800包括内侧802和外侧804。微透镜830具有在内侧边缘802处的内侧高度832和在外侧边缘804处等于零的外侧高度。在截面7A-7A中，微透镜830具有截面宽度800W。内侧高度832、外侧高度以及宽度800W决定微透镜倾斜角α。在实施方式中，图像传感器701具有多个非对称微透镜PDAF检测器800(i)，其中i＝1，2，...，并且各自的检测中心700C(i)位于距像素阵列中心701C的各自距离700D(i)处。每个PDAF检测器800(i)还具有各自的微透镜倾斜角α(i)，该倾斜角是距离700D(i)的单调递增函数。
图10是PDAF检测器800的示意性角度选择绘图1000，示出了作为相对CRAθr的函数的像素响应，绘图1000包括像素711的像素响应1011和像素713的像素响应1013。像素响应1011和1013在包括θr＝0的角度范围1020内的值θr处相等。由于像素响应1011和1013分别为PDAF检测器800的像素711和713的属性，所以交叉角θx为PDAF检测器800的属性。例如，角度范围1020在θr＝0附近的±4°内。角度范围1020可更大，例如，在θr＝0附近的±8°内或±18°内。
像素响应1011和1013具有各自的峰值区域1011P和1013P以及各自的“波谷”区域1011V和1013V。在峰值区域和波谷区域的像素响应的差表示像素的角灵敏度。在PDAF检测器800中，像素711和713具有各自的峰谷值1011PV和1013PV。峰谷值1011PV和1013PV分别小于峰谷值611PV和612PV，这表明减小交叉角θx虽然有益，但是将导致PDAF检测器中像素的角灵敏度的降低。
可通过对非对称微透镜PDAF检测器的微透镜增加自由度来克服此降低的角灵敏度。例如，图11是沿着图7的截面7A-7A'的图像传感器701的非对称微透镜PDAF检测器1100的剖视图。非对称微透镜PDAF检测器1100为非对称微透镜PDAF检测器700的实例并且包括非对称鸥翼微透镜1130，非对称鸥翼微透镜1130为非对称微透镜730的实例。非对称鸥翼微透镜1130由具有在Tmin＝140℃和Tmax＝180℃之间的玻璃转换温度Tg的正性光致抗蚀剂形成，该正性光致抗蚀剂使得回流行为足够地稳定来形成非对称鸥翼微透镜1130。
非对称鸥翼微透镜1130关于在像素711和713之间的检测器中心700C非对称。非对称鸥翼微透镜1130越过像素711朝向像素阵列中心701C延伸距离838。图12是非对称鸥翼微透镜1130的立体图。在下述描述中，最好一起查阅图11和图12。
非对称鸥翼微透镜1130具有平坦底面1130B和非平坦顶面1130S。非平坦顶面1130S包括与轴线1133B相交的局部最小值1133，非对称鸥翼微透镜1130关于轴线1133B旋转非对称。非对称鸥翼微透镜1130还关于垂直于顶面720T并且经过非平坦顶面1130S的局部最大值1139(0)和1139(15)之一的轴线旋转非对称。
轴线1133B表示在非对称鸥翼微透镜1130的凹面区域处的、非对称鸥翼微透镜1130的两个凸形区域(微透镜区域1130(1)和1130(2))之间的边界。微透镜区域1130(1)和1130(2)分别具有顶面1130S的表面区域1130S(1)和表面区域1130S(2)。轴线1133B可位于使得微透镜区域1130(1)和1130(2)在截面7A-7A'中具有相等的宽度处。如在图11和图12两者中表示的，表面区域1130S(1)和1130S(2)具有分别位于相位检测像素712和713上方的各自的局部最大值1139(15)和1139(0)。局部最大值1139(0)和1139(15)在底面1130B上方具有各自的高度1135(0)和1135(15)，高度1135(0)和1135(15)的高度差为Δh区分，该高度差可以为零，而不偏离本申请的范围。局部最大值1139(0)和1139(15)可在相同的相位检测像素上方，而不偏离本申请的范围。局部最大值1139(0)和1139(15)以及局部最小值1133为顶面1130S的局部极值。
非对称鸥翼微透镜1130可以关于截面7A-7A'对称，截面7A-7A'与如图11中所示的局部最大值1139(15)和1139(0)相交。图12示出了此对称性，其中截面7A-7A'与轴线1133B以及虚线框1234(15)和1234(0)内的顶面1130S的部分相交。如图12中所示，非对称鸥翼微透镜1130可具有对应于杜潘四次圆纹曲面(Dupin cyclide)(特别是环形圆纹曲面)的部分的表面。
局部最大值1139(15)和局部最小值1133分别位于距检测器中心700C的距离1131和1134处。在实施方式中，图像传感器701具有多个非对称微透镜PDAF检测器1100(i)，其中i＝1，2，...，并且各自的检测器中心700C(i)分别位于距像素阵列中心701C的距离700D(i)处。每个PDAF检测器1100(i)具有非对称鸥翼微透镜1130(i)，非对称鸥翼微透镜1130(i)的局部最小值1139(i)位于距像素阵列中心701C的各自距离1131(i)处。每个非对称鸥翼微透镜1130(i)还具有分别位于距像素阵列中心701C的距离1134(i)处的各自的局部最小值1133(i)。距离1131(i)和1134(i)例如为距离700D(i)的单调递增函数。
距离1134(i)可以等于零，例如，在PDAF检测器1100上的接近于像素阵列中心701C的非对称鸥翼微透镜1130中可以等于零，使得非对称鸥翼微透镜1130具有以下至少之一：(a)Δh＝0，和(b)与环形环、喇叭环或主轴环的顶面类似的表面。当(a)和(b)两者均采用时，此非对称鸥翼微透镜1130关于它的轴线1133B旋转对称，并且因此仅仅为名义上地“非对称”。接近于像素阵列中心701C的PDAF检测器1100例如为那些仅包括比像素阵列700A的全部像素的百分之九十更接近于像素阵列中心701C的像素阵列700A的像素的检测器。
图12包括源自轴线1133B的在顶面1130S上的径向线1233。例如，虚线框1234(0)包括径向线1233(0)并且虚线框1234(15)包括径向线1233(15)。每条径向线相对于径向线1233(0)以关于轴线1133B的某一角度定向。例如，从径向线1233(0)到径向线1233(15)的角度为180°。为了清楚的说明，图12中未示出所有的径向线1233。在顶面1130S上的每条径向线1233(0-30)在平坦底面1130B上方的各自的透镜高度1135(0-30)处包括各自的局部最大值1139(0-30)。例如，局部最大值1139(15)和1139(0)在它们的各自的径向线1233(0)和1233(15)上的、在平坦底面1130B上方的最大高度处。在局部最大值1139(0-30)中，局部最大值1139(15)是最大的并且局部最大值1139(0)是最小的。
图13是表示局部最大值1139的透镜高度1135的示例性数值的示意性内插曲线h(θ)，该曲线是它们的各自径向线1233的角θ的函数。由于θ＝0°和θ＝360°在顶面1130S上对应于相同的位置，所以h(0)＝h(360°)并且h'(0)＝h'(360°)，其中尽管曲线h(θ)关于θ＝360°是对称的，但是，曲线h(θ)关于θ＝360°可为非对称的，而不偏离本申请的范围。
尽管微透镜830在截面中可视为在棱镜的顶部上的单个假想平凸透镜，微透镜1130在截面中也可视为在棱镜的顶部上的两个平凸透镜。图11包括叠加在非对称鸥翼微透镜1130上的三棱镜1140的截面。三棱镜1140具有平坦倾斜面1140h。第一假想透镜包括微透镜区域1130(1)在表面1140h和表面区域1130S(1)之间的部分。第二假想透镜包括微透镜区域1130(2)在表面1140h和表面区域1130S(2)之间的部分。
表面区域1130S(1,2)具有各自的最佳拟合曲率半径R1和R2，使得微透镜区域1130(1,2)可具有分别由R1和R2以及非对称鸥翼微透镜1130的折射率决定的不同的各自焦距f1和f2。与微透镜830相比，局部最小值1133和邻接面区域1130S(1，2)提供给非对称鸥翼微透镜1130额外的自由度用于优化作为角度θr的函数的、像素711和712的像素响应。例如，可将非对称鸥翼微透镜1130优化为在通过其的传输光上施加合适的线性相移以将交叉角θx减小到零，同时将角灵敏度的损失最小化，例如，使得峰谷值1011PV和1013PV分别更接近于611PV和612PV。
图14是示出用于制作非对称鸥翼微透镜的示例性方法1400的流程图。图14示出了方法1400的步骤。最好与下述描述一起查阅图14和图15。
在步骤1410中，方法1400在基板上形成在板中具有孔的板。板可以通过光刻法形成。如图15中所示，在步骤1410的实例中，板1520在基板1510的顶面1510T上形成。
板1520具有顶面1520T和在板中的孔1521。孔1521具有周界1521P，其平均高度位于在基板顶面1510T上方的高度1521H处。孔1521朝向基板1510延伸至深度1521D处。深度1521D可延伸至顶面1510T。孔1521为暴露顶面1510T的部分的贯通孔。板顶面1520T可为平坦的并且平行于基板顶面1510T以形成例如Δh＝0的非对称鸥翼微透镜1130。作为另一种选择，顶板表面1520T的至少部分可不平行于基板顶面1510T以形成例如Δh≠0的如图11-图13中示出的非对称鸥翼微透镜1130。此非平行和/或非平坦顶板表面1520T例如通过利用板顶面1520T下方的具有空间变化透射率的掩膜的光刻法形成。
基板1510可在图像传感器像素阵列上方。例如，基板1510为滤色器阵列720或滤色器阵列720上的层，板1520覆盖图7的像素711-714，并且孔1521被定位为使得截面7A-7A'与孔1521相交。在这种情况下，像素阵列中心701C、检测器中心700C和孔1521在同一直线上。当与阵列中心701C和检测器中心700C相交的线与孔1521的中心轴线而不是孔1521的任一部分相交时，像素阵列中心701C、检测器中心700C和孔1521可“完美地”在同一直线上。
在步骤1420中，方法1400对板进行回流。在步骤1420的实例中，将板1520回流以产生非对称鸥翼微透镜1130。步骤1420可包括在板顶面1520T之下以空间变化的回流温度对板进行回流，并且由此得到具有空间变化的高度1135(i)的非对称微透镜1130。板1520例如由具有在上文提到的Tmin和Tmax之间的玻璃转换温度Tg的正性光致抗蚀剂形成，该正性光致抗蚀剂使得回流行为足够地稳定以形成非对称鸥翼微透镜1130。因此，步骤1420的回流可包括步骤1422，在步骤1422中板被加热到在Tmin和Tmax之间的温度。
图16示出了一个示例性成像系统1600，示例性成像系统1600带有图像传感器701(具有多个非对称微透镜PDAF检测器700)、图像数据处理单元1620、以及可选地具有自动聚焦模块1640和致动器1650。成像系统1600还可包括图3的成像物镜310。
在示例性操作模式中，成像物镜310在图像传感器701上形成场景1691的图像。图3中示出了像素阵列700A和成像物镜间隔距离312Z。场景1691包括图3的轴外物体350。PDAF检测器700产生由图像数据处理单元1620接收的电信号，图像数据处理单元1620根据该电信号生成PDAF信号1622。PDAF信号1622例如包括图3的距离Δχ{A，B，C}中的一个。自动聚焦模块1640接收PDAF信号1622并且生成离焦信号1642，离焦信号1642例如包括图3的离焦距离Δz{A,B,C}中的一个。图像数据处理单元1620可以例如通过执行自动聚焦模块的功能而包括自动聚焦模块1640。成像系统1600还可包括通信地连接到自动聚焦模块1640的致动器1650。响应于接收到离焦信号1642，致动器1650能够通过改变距离312Z使离焦量Δz的大小最小化。
特征组合
以上描述的特征以及权利要求可以以多种形式组合，而不偏离本申请的范围。下述实例例举了一些可能的、非限制性组合:
(A1)图像传感器包括非对称微透镜PDAF检测器。非对称微透镜PDAF检测器包括微透镜和多个像素。多个像素形成具有至少两行和两列的子阵列。微透镜位于多个像素中的每个像素上方，并且关于垂直于子阵列的轴线旋转非对称。轴线与微透镜的顶面的局部极值相交。
(A2)由(A1)表示的图像传感器能够捕获在其上形成的图像，并且还可包括图像数据处理单元，图像数据处理单元能够(i)接收来自多个像素的每个像素的电信号，并(ii)输出与图像的离焦量有关的数据。
(A3)在由(A1)和(A2)中的一个表示的图像传感器中，在与第一微透镜相交并且垂直于第一子阵列的顶面的截面中，第一微透镜的高度分布可具有多于一个局部最大值。
(A4)在由(A3)表示的图像传感器中，第一子阵列可为二乘二的平面阵列，高度分布具有两个局部最大值。
(A5)由(A1)至(A4)中的一个表示的图像传感器还可包括第二非对称微透镜PDAF检测器，第二非对称微透镜PDAF检测器具有第二多个像素和第二微透镜。第二多个像素形成具有至少两行和两列的第二子阵列。第二微透镜位于第二多个像素中的每个像素上方并且关于垂直于第二子阵列并与第二微透镜的顶面的第二局部极值相交的第二轴线旋转非对称。第一和第二多个像素为具有像素阵列顶面和像素阵列中心的像素阵列的部分。第二非对称微透镜PDAF检测器比第一非对称微透镜PDAF检测器距像素阵列中心更远。在第一局部极值正下方的、像素阵列顶面上的位置与第一子阵列的中心相距第一距离。在第二局部极值正下方的、像素阵列顶面上的位置与第二子阵列的中心相距第二距离，第二距离超过第一距离。
(A6)在由(A1)至(A5)中的一个表示的图像传感器中，其中第一多个像素分别具有位于其上的滤色器，每个滤色器具有传输频谱，凭借每个滤色器的传输频谱，子阵列可具有相对于像素子阵列的中心的反射对称性。
(B1)PDAF成像系统包括图像传感器和图像数据处理单元。图像传感器具有非对称微透镜PDAF检测器，非对称微透镜PDAF检测器包括：(a)子阵列和(b)微透镜，子阵列具有至少两行和两列并且由多个像素形成，微透镜位于多个像素中的每个像素上方，并且关于垂直于子阵列的轴线旋转非对称。轴线与微透镜的顶面的局部极值相交。图像数据处理单元能够接收来自多个像素中的每个像素的电信号并且根据接收的电信号生成PDAF信号。
(B2)由(B1)表示的PDAF成像系统还可包括能够接收PDAF信号并生成表示在图像传感器和具有与图像传感器相交的光轴线的成像透镜之间的离焦度的离焦信号的自动聚焦模块。
(B3)在由(B1)和(B2)中的一个表示的PDAF成像系统中，在与第一微透镜相交并且垂直于第一子阵列的顶面的截面中，第一微透镜的高度分布具有多于一个局部最大值。
(B4)在由(B3)表示的PDAF成像系统中，第一子阵列可为二乘二的平面阵列，并且高度分布可具有两个局部最大值。
(B5)由(B1)至(B4)中的一个表示的微透镜PDAF成像系统还可包括由(A5)表示的图像传感器的第二非对称微透镜PDAF检测器。
(B6)在由(B1)至(B5)中的一个表示的图像传感器中，其中第一多个像素分别具有位于其上的滤色器，每个滤色器具有传输频谱，子阵列凭借每个滤色器的传输频谱可而具有相对于像素子阵列的中心的反射对称性。
(C1)用于形成鸥翼微透镜的方法包括在基板上形成在板中具有孔的板。方法还包括对板进行回流。
(C2)在由(C1)表示的方法中，回流的步骤可包括将板加热至在140℃和180℃之间的温度。
(C3)在由(C1)和(C2)中的一个表示的方法中，孔可为贯通孔。
(C4)在由(C1)至(C3)中的一个表示的方法中，(a)基板可在图像传感器的像素阵列上方，(b)板可覆盖像素阵列中的像素的二乘二阵列，并且(c)像素阵列的中心、孔和像素的二乘二阵列的中心可在同一直线上。
(C5)在由(C1)至(C4)中的一个表示的方法中，其中板在基板的表面上形成，该板可具有不平行于基板的表面的顶面。
可以在以上方法和系统中做出改变，而不偏离本申请的范围。因此，应当注意，以上描述中所包含或附图中所示的内容应被解释为说明性的并且不具有限制意义。权利要求旨在涵盖本文中描述的所有通用和特定特征，以及本方法和系统的范围的所有陈述，这些特征和陈述在语言上均被视为落入权利要求的范围中。

Claims (10)

1.图像传感器，具有第一非对称微透镜相位检测自动聚焦(PDAF)检测器，所述第一非对称微透镜PDAF检测器包括：
第一多个像素，形成具有至少两行和两列的第一子阵列；以及
第一微透镜，位于所述第一多个像素中的每个像素上方，并且关于垂直于所述第一子阵列的轴线旋转非对称，所述轴线与所述第一微透镜的顶面的第一局部极值相交，所述第一微透镜至少部分地覆盖所述第一多个像素中的每个像素，并且在与所述第一微透镜相交并垂直于所述第一子阵列的顶面的截面中，所述第一微透镜的高度分布具有多于一个局部最大值。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，能够捕获在其上形成的图像，并且还包括图像数据处理单元，所述图像数据处理单元能够(i)接收来自所述多个像素中的每个像素的电信号，并(ii)输出与所述图像的离焦量有关的数据。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，所述第一子阵列为二乘二的平面阵列，所述高度分布具有两个局部最大值。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
第二非对称微透镜PDAF检测器，包括：
第二多个像素，形成具有至少两行和两列的第二子阵列，以及
第二微透镜，位于所述第二多个像素中的每个像素上方并且关于垂直于所述第二子阵列并与所述第二微透镜的顶面的第二局部极值相交的第二轴线旋转非对称，所述第二微透镜至少部分地覆盖所述第二多个像素中的每个像素；
所述第一和所述第二多个像素为具有像素阵列顶面和像素阵列中心的像素阵列的部分；
所述第二非对称微透镜PDAF检测器比所述第一非对称微透镜PDAF检测器距像素阵列中心更远；
在所述第一局部极值正下方的、所述像素阵列顶面上的位置与所述第一子阵列的中心相距第一距离；以及
在所述第二局部极值正下方的、所述像素阵列顶面上的位置与所述第二子阵列的中心相距第二距离，所述第二距离超过所述第一距离。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，
所述第一多个像素分别具有位于其上的滤色器，每个滤色器具有传输频谱，
所述子阵列凭借每个滤色器的所述传输频谱而具有相对于所述像素子阵列的中心的反射对称性。
6.相位检测自动聚焦(PDAF)成像系统，包括：
图像传感器，具有第一非对称微透镜PDAF检测器，所述第一非对称微透镜PDAF检测器包括：
(a)第一多个像素，形成具有至少两行和两列的第一子阵列，以及
(b)第一微透镜，位于所述多个像素中的每个像素上方并且关于垂直于所述第一子阵列的轴线旋转非对称，所述轴线与所述第一微透镜的顶面的第一局部极值相交，所述第一微透镜至少部分地覆盖所述第一多个像素中的每个像素，并且在与所述第一微透镜相交并垂直于所述第一子阵列的顶面的截面中，所述第一微透镜的高度分布具有多于一个局部最大值；以及
图像数据处理单元，能够接收来自所述多个像素中的每个像素的电信号并且根据所述接收的电信号生成PDAF信号。
7.根据权利要求6所述的PDAF成像系统，还包括自动聚焦模块，所述自动聚焦模块能够接收所述PDAF信号并且生成表示在所述图像传感器和具有与所述图像传感器相交的光轴线的成像透镜之间的离焦度的离焦信号。
8.根据权利要求6所述的PDAF成像系统，所述第一子阵列为二乘二的平面阵列，所述高度分布具有两个局部最大值。
9.根据权利要求6所述的PDAF成像系统，还包括：
第二非对称微透镜PDAF检测器，包括：
第二多个像素，形成具有至少两行和两列的第二子阵列，以及
第二微透镜，位于所述第二多个像素中的每个像素上方并且关于垂直于所述第二子阵列并与所述第二微透镜的顶面的第二局部极值相交的第二轴线旋转非对称，所述第二微透镜至少部分地覆盖所述第二多个像素中的每个像素；
所述第一和所述第二多个像素为具有像素阵列顶面和像素阵列中心的像素阵列的部分；
所述第二非对称微透镜PDAF检测器比所述第一非对称微透镜PDAF检测器距所述像素阵列中心更远；
在所述第一局部极值正下方的、所述像素阵列顶面上的位置与所述第一子阵列的中心相距第一距离；
在所述第二局部极值正下方的、所述像素阵列顶面上的位置与所述第二子阵列的中心相距第二距离，所述第二距离超过所述第一距离。
10.根据权利要求6所述的PDAF成像系统，
所述多个像素分别具有位于其上的滤色器，每个滤色器具有传输频谱，
所述子阵列凭借各自的传输频谱而具有相对于所述像素子阵列的中心的反射对称性。
CN201710778716.8A 2016-09-22 2017-09-01 带有非对称微透镜pdaf检测器的图像传感器、相关pdaf成像系统和方法 Active CN107872618B (zh)

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