CN117857935A - 图像传感器 - Google Patents

Abstract

用于电子相机的图像传感器，特别是CMOS图像传感器，具有以行和列排列的多个像素，每个像素分配给至少三个色彩通道中的一个。每个像素包括：至少一个光敏的检测器元件和滤色器。分配给三个色彩通道中的第一色彩通道的每个像素包括至少两个光敏的检测器元件，检测器元件设计为根据照射的光线彼此独立地产生电信号，由此像素的检测器元件产生的电信号之间的相位差可用于相机的自动对焦。未分配给第一色彩通道的像素的至少一些，尤其是所有像素，仅包括一个光敏的检测器元件，该检测器元件根据照射的光线产生电信号。

Description

图像传感器

技术领域

本发明涉及用于电子相机的图像传感器，特别是CMOS图像传感器，该图像传感器具有以行和列布置的多个像素，每个像素分配给至少三个色彩通道中的一个，每个像素包括：至少一个光敏的检测器元件，该检测器元件设计为根据照射的光线产生电信号；和滤色器，该滤色器在光线照射到至少一个检测器元件之前根据像素分配的色彩通道对光线进行滤光。

背景技术

电子相机通常既可用作静态图像相机，也可用作动态图像相机。作为动态图像相机，电子相机尤其可用于拍摄图像序列。如果所拍摄的这种类型的图像序列要以高分辨率在大表面上(例如在电影院的银幕上)再现，那么各个相机具有高图像质量是重要的。因为尤其是在电影制作中要求通常是很高的，在投影到大屏幕上时，图像缺陷是很容易识别的。

电子相机包含图像传感器，图像传感器将通过相机的镜头进入相机并最终照射到图像传感器上的光线转换成电信号。图像传感器包括多个像素，每个像素包括光敏的检测器元件，该检测器元件可根据照射到各像素上的光线的强度产生电荷。由于每个像素都包括滤色器，因此只有相应的滤色器允许其通过并因此具有与滤色器相对应的颜色的那部分光线照射在相应的像素的至少一个检测器元件上。因此每个像素都分配有与其各自的滤色器的颜色(光谱范围)相对应的色彩通道。为了读取图像(即图像序列的单个图像)，通过读取电子装置对像素依次寻址，与像素的相应电荷成比例的电压被输送至图像传感器的信号输出端。

对于图像拍摄的质量来说重要的是，所拍摄的拍摄对象被清晰地成像。为此，相机的焦距必须被正确地设置，即相机的镜头的焦平面必须被设置为使得拍摄对象位于焦平面内。例如，在拍摄肖像图像的情况下，焦平面通常应设置在面向相机的眼睛上。

如果相机的镜头是可电动调节的，则存在自动对焦的可能性(即所谓的自动对焦(Autofokus))。为此，相机必须产生用于镜头驱动的控制信号，以将焦平面移动至正确的位置。用于确定控制信号的各种自动对焦方法是已知的。

其中一些方法使用外部传感器，例如，可以基于超声波测量或立体观测，来确定最佳的对焦设置。由于在这些方法中，各个拍摄对象是从各个外部传感器的视角捕获的，并且由此是从与相机的视角不同的视角捕获的，因此总是存在视差，视差可能会导致对焦错误。因此限制了此类方法在具有高质量要求的拍摄中的应用。

这种视差错误可以通过以下方法避免，即在该方法中通过相机的镜头捕捉相应的拍摄对象以确定对焦设置。因此，与使用外部传感器的方法相比，这种“内部”自动对焦方法原则上限制更少并且精度更高。

通过相机的镜头确定对焦设置的方法可分为两类：一类方法是使用独立于实际拍摄所用相机的图像传感器的附加传感器，另一类方法是使用图像传感器本身来确定正确的对焦设置。

在具有附加传感器的方法中，需要将通过镜头进入相机的光线的一部分反射至朝向附加传感器的方向上。为此所需的反射镜需要额外的安装空间，该安装空间会增大相机的尺寸，而且在现代镜头中无法提供该安装空间。此外，部分用于图像捕捉的光线会由于反射而损失。

因此，使用用于拍摄的图像传感器来确定正确的对焦设置的方法是非常有利的。这种方法有两种基本原理：一种是对比度自动对焦(Kontrast-Autofokus)，另一种是通过PDAF像素自动对焦，其中PDAF是“相位检测自动对焦(PhaseDetectionAutoFocus)”的缩写。

使用对比度自动对焦时，首先穿过焦平面并且确定具有最大清晰度的位置，其中，清晰度是根据在相应位置处拍摄的图像的对比度确定的。在这个位置，焦平面以较低的幅度振荡，以找到并跟踪最佳位置，即不断地重新调整。虽然这种方法在静态图像拍摄中效果很好，但是，在动态图像拍摄中，动态图像中的可感知的振荡的焦平面会造成干扰。产生振荡的原因是，在这种方法中，无法获得关于散焦程度的直接信息，也不知道需要在哪个方向上调整焦平面才能正确对焦。该信息仅通过焦平面的横移来获得。由于干扰性的振荡，对于高质量的动态图像拍摄，对比度自动对焦通常不在考虑之列。

使用PDAF像素的自动对焦则不存在这些缺点，因为从拍摄图像的图像传感器的数据中直接可以确定镜头的相对于当前焦平面的相对位置。然而，该图像传感器必须具有特殊的像素，即所谓的PDAF像素。例如，这种PDAF像素可以通过在公共的微透镜下布置多个(例如两个)普通像素或者通过使用遮罩对一个像素进行半覆盖来形成。这两种方法都可以确定在PDAF像素的不同区域(一半)之间产生的信号是否存在相位差，相位差表明相应的拍摄对象没有对焦。同时，根据相位差的大小和符号可以确定需要在多大程度上和哪个方向上调整焦距，以使得拍摄对象被清晰地成像。

对于在图像传感器上布置PDAF像素，存在多种策略。例如，图像传感器的多条单独的行可以全部或至少大部分被PDAF像素占据。或者，PDAF像素可以分散地布置，即单个PDAF像素或PDAF像素彼此间隔地分布在图像传感器上。或者，还已知的是，图像传感器的所有像素都设计为PDAF像素，即要么设计为像素对，像素对的两个像素布置在公共的微透镜下，要么设计为四个像素的组，四个像素以2x2的方式布置在公共的微透镜下。

由于PDAF像素的构造与图像传感器的其他像素不同，因此，如果如上所述，PDAF像素逐行布置或分散布置，它们对通过其他像素获取的用于待拍摄的图像的图像信息的贡献非常有限(如果有的话)。因此，通常地，图像信息必须在与PDAF像素相对应的图像点进行内插，就好像PDAF像素是有缺陷的像素一样。在对于图像质量要求非常高的情况下，连PDAF像素的直接相邻的像素的图像信息也经常不能用于进行内插，因为这些像素在它们的特性上也与正常像素不同。因此，在高质量需求的应用中，逐行布置或分散布置的PDAF像素是无法使用的。

在全面布置的情况下，即如果图像传感器的所有像素都设计为PDAF像素，就可以避免这些缺点。然而，数据传输率，即在特定的帧频下为达到特定的分辨率每单位时间必须处理的图像信息量，至少会增加一倍(甚至可能增加两倍)。数据传输率增加一倍的同时，功率损耗也会增加一倍。这是因为不仅两倍的数据量从传感器输出到下游处理电子设备，而且这两倍的数据量还必须在那里进行处理。由此所需的功率还会导致产生的热量增加，这对相机来说是一个根本性的问题。如今，相机的尺寸在很大程度上也由相机的冷却系统的大小来决定。因此，目标是尽可能降低数据传输率。

发明内容

本发明的目的是提供一种图像传感器，该图像传感器能够实现特别可靠的自动对焦设置，只需较低的数据传输率，并尽可能避免上述的那些缺点，因此该图像传感器也适于拍摄质量要求特别高的制作中的动态图像数据。

该目的由具有权利要求1的特征的图像传感器来实现。有利的实施方式从从属权利要求、说明书和附图得出。

根据本发明的图像传感器，尤其是CMOS图像传感器，被设计为用于电子相机，尤其是动态图像相机的图像传感器，并且具有多个像素，以行和列布置的多个像素，每个像素被分配给至少三个色彩通道中的一个。

优选地，像素的行和列的布置是刚性的二维布置，其中，像素规则地彼此间隔地布置。在这方面，这种布置可以被视为像素矩阵。行的走向和列的走向优选为直线的。优选地，列与行正交地排列。但是原则上，列也可以相对于行斜向地排列。像素的布置尤其可以具有至少基本矩形的形状。至少在用于拍摄相应图像的图像传感器的图像区域内，该图像区域最初也可以具有基本上矩形的形状，并且原则上可以对应于像素的整个布置，优选地，每个矩阵点，即布置中的行和列的每个交叉点，形成一个像素。此外，优选地，最好没有像素延伸超过一行，也没有像素延伸超过一列。(这同样适用于各像素的组件，例如各像素的一个或多个检测器元件、滤色器或微透镜，下文将对此进行讨论)。

优选地，提供三个色彩通道。这三个色彩通道尤其是绿色通道、红色通道和蓝色通道。但是，原则上也可以提供更多的，尤其是四个，色彩通道。例如，除了绿色、红色和蓝色通道外，还可以提供白色通道。当提到特定色彩通道的像素时，指的是分配给该色彩通道的像素。

每个像素包括至少一个光敏的检测器元件，该检测器元件设计为根据照射的光线产生电信号。电信号可以尤其以电荷的形式存在，电荷是由检测器元件根据照射在检测器元件上，尤其是照射在检测器元件的检测面上，的光线产生的。产生的电荷尤其取决于特定曝光时间内照射的光线的强度或光量。在曝光时间结束时，可以从检测器元件中读取电信号或电荷，尤其是通过为此目的提供的图像传感器的读取电子装置。检测器元件尤其可以设计为所谓的钉扎二极管(Pinned-Diode)。

此外，每个像素都包括滤色器，滤色器在光线照射在至少一个检测器元件上之前会根据相应像素所分配的色彩通道对光线进行滤光。这意味着滤色器仅允许部分光线穿过，以到达检测器元件上，即基本上仅允许位于(可见)光线的特定光谱范围内的那部分光线穿过，以到达检测器元件上，该光谱范围与相应的色彩通道的颜色相对应。如果相应的像素包括多个检测器元件，像素的滤色器在这几个检测器元件上方延伸，因此只有与相应像素所分配的色彩通道相对应的颜色的光线照射在相应像素的所有检测器元件上。

每个像素还可以包括微透镜，微透镜可以沿着光路设置在滤色器的前面或后面，用于收集照射在相应的像素上的光线。如果相应的像素包括多个检测器元件，则像素的微透镜会在多个检测器元件的上方延伸。

根据本发明，分配给三个色彩通道中的第一色彩通道的每个像素都包括至少两个光敏的检测器元件，这些检测器元件设置为根据照射(在相应的检测器元件上)的光线彼此独立地产生电信号，使得各像素的检测器元件产生的电信号之间的相位差可用于相机的自动对焦功能，而未分配给第一色彩通道的像素中的至少一些，优选地，这些像素中的大部分，尤其地，全部这些像素，仅包括单个光敏的检测器元件，该检测器元件设计为根据照射(在检测器元件上)的光线产生电信号。

如果提供四个色彩通道，分配给第四色彩通道的像素也可以各包括两个检测器元件。如果第四色彩通道是白色通道，这会尤其有用。不过，如果仅分配给第一色彩通道的像素包含两个检测器元件，那么对于多于三个色彩通道的情况也是有利的。

将各色彩通道标记为“第一”、“第二”、“第三”或“第四”色彩通道，只是用于在语言上区分色彩通道。尤其地，该标记并不旨在暗示色彩通道之间的任何层次结构或顺序。原则上，任何颜色都可以被认为是第一色彩通道的颜色。如果提供了三个色彩通道，如果第一色彩通道是绿色通道，那么如果分配给第一色彩通道的每个像素包括只允许绿色光谱范围光线的穿过的滤色器，则会特别有用。

原则上，如果一个色彩通道被称为特定颜色的色彩通道(例如“绿色色彩通道”)时，这意味着分配给该色彩通道每个像素包括相应颜色的滤色器，该滤色器只允许与该颜色对应的光谱范围的光线穿过，由此相关像素的一个或多个检测器元件根据照射的该颜色的光线产生电信号或电荷。

优选地，分配给第一色彩通道的每个像素包括刚好两个检测器元件。但是，原则上也可以有更多检测器元件，例如每个像素包括四个检测器元件。优选地，各个像素的检测器元件彼此分开地布置，即彼此不重叠。各个像素的多个检测器元件尤其可以在图像传感器的平面上彼此相邻排地布置，并且优选地，沿着笔直的分界线彼此相邻，优选地，彼此间隔恒定的距离。

由于分配给第一色彩通道的像素包括至少两个检测器元件，因此它们可以用作PDAF像素，即用于确定相机对焦距离的像素。为此，例如通过相应地的评估电路来确定由相关的像素的两个或多个检测器元件产生的电信号或电荷之间的相位差。然后，基于所确定的相位差，可以确定用于自动对焦的镜头驱动的控制信号。

与分配给第一色彩通道的像素不同，未分配给第一色彩通道的像素的至少(主要)部分仅包括一个检测器元件。因此，这些像素不适合用作PDAF像素，也就不能用于自动对焦，而是优选地仅用于图像生成。未分配给第一色彩通道的像素会被分配给其余色彩通道中的一个，即在总共有三个色彩通道的情况下，被分配给第二色彩通道或第三色彩通道。如果提供了多于三个的色彩通道，则分配给第四色彩通道的像素可以如分配给第一色彩通道的像素一样设计，即包括至少两个检测器元件，或者如分配给第二色彩通道或第三色彩通道的像素一样设计，即尤其仅包括一个检测器元件。

在根据本发明的图像传感器中，图像传感器的相应的像素是否具有至少两个检测器元件并因此可以用作PDAF像素，并不主要取决于图像传感器上相应像素的位置，而是取决于相应的像素被分配给哪个色彩通道。由于图像传感器的所有像素的不少于25％和不多于50％通常被分配给相应的色彩通道，因此，与已知的具有PDAF像素的图像传感器不同，根据本发明的图像传感器并不是仅具有少量的PDAF像素，例如逐行布置或分散布置，也不是全面地配备PDAF像素。根据本发明的图像传感器的PDAF像素不需要进行内插，这类似于PDAF像素的全面布置，但由于具有至少两个检测器元件的设计，因此确实可以为图像信息做出贡献。但是，与全面布置相比，数据传输率没有增加一倍或两倍，而是相对略有增加。

例如，在像素的滤色器是根据拜耳掩模(Bayer-Maske)布置的图像传感器中，如果第一色彩通道是绿色通道，则数据传输率只增加到150％，在拜耳掩模的情况下，50％的像素被分配给绿色通道。通过这种适度的增加避免了图像传感器在运行中的重大缺陷。此外，因为与其他两个色彩通道(红色和蓝色)相比，绿色通道通常具有明显更高的光敏感度，绿色通道的光敏感度例如可以达到红色通道的光敏感度的180％，所以不同色彩通道在相互适配上甚至比具有拜耳掩模的传统图像传感器更好，因为分配给绿色通道的像素包括两个检测器元件，照射到每个检测器元件上的光量仅大约为照射到整个像素上的光量的一半。

在一些实施例中，图像传感器的像素布置在形成行和列的规则网格的位置上，其中第一色彩通道的像素的至少两个光敏的检测器元件一起布置在网格的单个位置处。相应地，图像传感器的每个微透镜也可恰好布置在网格的一个相应位置处。

根据一个有利的实施例，图像传感器的的至少一半像素被分配给第一色彩通道。通过这样大量的、可以用作用于自动对焦的PDAF像素，使自动对焦尤其可靠。

尤其地，图像传感器的恰好一半像素可以分配给第一色彩通道。例如，根据另一个有利的实施例，在图像传感器的每一行和每一列中(沿着各行或各列的走向)，分配给第一色彩通道的像素和未分配给第一色彩通道的像素交替出现。因此，分配给第一色彩通道的像素根据与国际象棋的棋盘上的黑色方格的排列相对应的排列来布置。因此，用于自动对焦的第一色彩通道的像素和优选地仅用于图像拍摄的其余像素均匀地分布在图像传感器上。通过这样的方式，避免了在一种像素和另一种像素之间的过渡处的伪影，尤其是与方向有关的伪影。

根据上述实施例的有利发展，未分配给第一色彩通道的像素被逐行交替地分配给第二色彩通道或第三色彩通道。(未分配给第一色彩通道的像素不可避免地逐列交替地分配给第二色彩通道或第三色彩通道。)换句话说：在图像传感器的每个第二行(或第二列)中，未分配给第一色彩通道的像素被分配给第二色彩通道，而在图像传感器的其余行(或列)中，未分配给第一色彩通道的像素被分配给第三色彩通道。

优选地，第一色彩通道是绿色通道，优选地，第二色彩通道是红色通道，并且优选地，第三色彩通道是蓝色通道。如果图像传感器的像素根据上述方案被分配给这三个色彩通道，这种布置相当于所谓的拜耳掩模。通过图像传感器拍摄的RAW格式图像的图像点像素也根据拜耳掩模分配给三个色彩通道。这有利的允许使用已经建立的插值算法对RAW图像数据进行所谓的去马赛克处理。

根据一个实施例，每个检测器元件都具有检测面，光线照射到该检测面上。根据照射在检测面上的光线，相应的检测器元件产生所述电荷或所述电信号。检测面可以尤其地定义为，只有照射到检测器元件的表面的光线才会产生信号或电荷。

在某些实施例中，对于分配给第一色彩通道的每个像素，各像素的至少两个检测器元件的检测面之和大于未分配给第一色彩通道且仅包括单个检测器元件的像素的检测器元件的检测面。因此，相比于仅包括单个检测器元件的像素，对于分配给第一色彩通道的像素，有效检测面更大。如果第一色彩通道为绿色通道，而第二色彩通道和第三色彩通道分别为红色通道和蓝色通道时，这可能特别有用。这是因为绿色通道的像素通常比蓝色或红色通道的像素具有更高的光敏感度。由于第一(绿色)色彩通道的像素的总检测面较大，第一(绿色)色彩通道各像素的检测器元件的所谓全阱容量增加，从而更好地适应第二(红色)色彩通道或第三(蓝色)色彩通道的各像素的检测器元件的全阱容量。

在一些实施例中，对于分配给第一色彩通道的每个像素，各像素的至少两个检测器元件的各检测面小于与未分配给第一色彩通道且仅包括单个检测器元件的像素的检测器元件的检测面。

在一些实施例中，分配给第一色彩通道的每个像素包括恰好两个检测器元件，其中分配给第一色彩通道的每个像素具有总表面，该总表面沿着各自的分割方向被分割成两半，其中一半布置有各像素的其中一个检测器元件，另一半布置有各像素的另一个检测器元件。换句话说：对于分配给第一色彩通道的像素，像素的两个检测器元件分布在各像素的总表面的两半上，总表面的两半是通过沿着各自的分割方向分割总表面而得到的。

像素的所述总表面可以例如至少大致定义为像素所在的图像传感器的各行和各列的交集。但是，总表面不必一定是矩形的，也可以被圆形化为圆形的，或者具有平坦的角而例如是八边形。

对于分配给第一色彩通道的所有像素，各分割方向(沿着该分割方向像素的总表面被分割成两半)不是必须相同的。但是，优选地，分配给第一色彩通道的所有像素沿着恰好两个限定的分割方向之一进行分割，优选地，这两个方向正交地排列。分配给第一色彩通道的像素的至少大致一半的总表面可沿着两个分割方向中的第一分割方向分割成两半，而分配给第一色彩通道的其余像素的总表面可沿这两个分割方向中的第二分割方向分割成两半。

优选地，对于分配给第一色彩通道的所有像素，各分割方向排列为斜穿图像传感器的行的走向和列的走向。各分割方向排列为斜穿图像传感器的行的走向和列的走向尤其意味着各分割方向既不与行的走向平行，也不与列的走向平行。例如，各分割方向可以与行的走向和/或列的走向成45°角，尤其地，对应于这两条走向的角平分线。

但是，各分割方向不一定排列为斜穿的。例如，对于至少部分(尤其是大致一半)分配给第一色彩通道的像素，各分割方向排列为与行的走向平行，和/或对于至少部分(尤其是大致一半)分配给第一色彩通道的像素，各分割方向排列为与列的走向平行。

各像素的其中一个检测器元件布置在各像素总表面的一半内尤其意味着该检测器元件仅布置在这一半内。例如，各检测器元件的所述检测面至少可以很大程度上填满相应的一半。此外，分配给第一色彩通道的各像素的两个检测器元件(检测面)可以沿着各自的分割方向至少大致地相邻，例如仅通过宽度恒定的间隙相互隔开。

根据前述实施例的一个有利的发展，分配给第一色彩通道的每个像素具有总表面，该总表面交替地沿着第一分割方向或者横向于(尤其是正交于)第一分割方向排列的第二分割方向逐行地(或逐列地)分割成两半，其中各像素的其中一个检测器元件布置在其中一半，各像素的另一个检测器元件布置在另一半。换句话说：对于分配给第一色彩通道的像素，在每个第二行中，各像素的两个检测器元件布置在各像素的总表面的两半上，总表面的两半是通过沿着第一分割方向分割总表面得到的，而在剩下的每一行中，各像素的两个检测器元件分布在各像素总表面的两半上，总表面的两半是通过沿与横向于(尤其是正交于)第一分割方向排列的第二分割方向分割总表面得到的。优选地，第一分割方向排列为斜穿行的走向和列的走向和/或第二分割方向排列为斜穿行的走向和列的走向。

如果通过图像传感器拍摄的拍摄对象具有平行于分割方向延伸的线或边缘，分配给第一色彩通道的各个像素(因此作为PDAF像素)沿着该分割方向进行分割，则可能无法从该像素的两个检测器元件的电信号或电荷之间的相位差中得出对焦信息。但是，如果分配给第一色彩通道的各像素的两个检测器元件之间的分割线交替地排列在第一分割方向上或横向于(尤其是正交于)第一分割方向的第二分割方向上，则可以规避这个问题，因为如果不是根据沿着第一分割方向分割的像素，而是根据沿第二分割方向分割的像素，就可以确定对焦信息。便利地，沿着第一分割方向分割的像素和沿着第二分割方向分割的像素如所解释的那样逐行地且逐行交替地布置，由此均匀地分布在图像传感器上。由于这种布置，沿着第一分割方向分割的像素的紧邻的像素沿着第二分割方向分割，反之，沿着第二分割方向分割的像素的紧邻的像素沿着第一分割方向分割，由此在图像传感器的每个区域，根据分配给第一色彩通道的像素可以可靠地确定自动对焦所需的信息。

根据另一个有利的实施例，在像素之间设置有中间空间，每个中间空间由四个像素相邻，其中图像传感器包括读取电子元件，读取电子元件延伸到这些中间空间。因此，所述中间空间被与该中间空间相邻的四个像素包围。优选地，对于每个中间空间，存在：分配给第一色彩通道的两个像素，分配给第二色彩通道的一个像素，以及分配给第三色彩通道一个像素。四个像素布置为四边形，尤其是正方形，使得四个像素中的两个存在于同一行，另外两个存在于与该行相邻的同一行(或者，四个像素中的两个存在于同一列，另外两个存在于与该列相邻的同一列)。

此外，在本实施例中，每个检测器元件具有转移栅(Transfergate)，在该转移栅处，检测器元件产生的电荷可以被输出到读取电子装置，其中与中间空间相邻的像素的检测器元件的至少一个转移栅和与中间空间相邻的其他像素的检测器元件的至多一个其他转移栅与每个中间空间相邻。也就是说，没有其他的转移栅与相应的中间空间相邻。换句话说：要么正好一个转移栅，要么正好两个转移栅与每个中间空间相邻，其中这两个转移栅是与中间空间相邻的不同像素的转移栅。每个转移栅可以尤其布置在相应像素(即包围具有转移栅的检测器元件的像素)的四个角区域中的一个中，这四个角区域排列为斜穿行的走向和列的走向。转移栅的常见替代名称为传输栅(Transmission-Gate)或传递栅

尤其优选地，与恰好一个转移栅邻接的中间空间和与两个转移栅邻接的中间空间既沿着图像传感器的行的走向和又沿着图像传感器的列的走向交替。

根据上述实施例的进一步发展，对于分配给第一色彩通道且它的总表面沿着第一分割方向分割的每个像素，它的两个检测器元件的转移栅相对于第二分割方向彼此相对地布置；而恰恰相反，对于分配给第一色彩通道且它的总表面沿着第二分割方向分割的每个像素，它的两个检测器元件的转移栅相对于第一分割方向彼此相对地布置。尤其地，转移栅可以布置在各像素四个角区域中相对于各自分割方向的两个角区域内。此外，优选地，对于未分配给第一色彩通道的每个像素，它的检测器元件的转移栅布置为指向第一分割方向。尤其地，转移栅可以布置在各像素的四个角区域中指向第一分割方向的那个角区域。通过这样的方式，实现了转移栅的平衡布置，读取电子元件只需读取像素之间的中间空间中的一个或两个转移栅。

根据上述实施例的进一步发展，读取电子装置包括多个源极跟随器晶体管，每个转移栅与其中一个源极跟随器晶体管电连接，由此通过源极跟随器晶体管各检测器元件(即具有转移栅的检测器元件)产生的电荷可以被读取。其中，对于相邻于相同的中间空间的两个转移栅，两个转移栅与同一个源极跟随器晶体管电连接，由此，各检测器元件(即具有两个转移栅中的一个的检测器元件)产生的电荷通过公共的源极跟随器晶体管(即两个源极跟随器晶体管都与之电连接的源极跟随器晶体管)可以被读取。在两个转移栅都与之相邻的中间空间中，提供了所谓的2x共享像素结构，其中两个像素的电荷通过公共的源极跟随器晶体管读取。这种结构在空间方面特别有利。

源极跟随器晶体管被描述为连接在源极跟随器电路(也称共漏极电路)中的场效应晶体管。源极跟随器晶体管也可以指整个源极跟随电路(共漏极电路)。转移栅与各源极跟随器电路(共漏极电路)的输入端电连接。

附图说明

下面仅以举例的方式，参照图示进一步解释本发明。

图1以示意图的形式展示了根据本发明的可能的实施例设计的图像传感器的一部分。

附图标记列表

11 图像传感器

13 像素

15 行

17 列

19 检测器元件

21 检测面

23 中间空间

25 转移栅

具体实施方式

图1所示的图像传感器11设计为CMOS图像传感器，尤其可用作用于电子相机(未图示)的图像传感器。图像传感器11包括多个像素13，多个像素13以行15和列17布置为像素矩阵。在图1中水平走向的行15和竖直走向的列17各具有笔直的走向，并且相对于它们各自的走向彼此正交地排列。

例如，图像传感器11可以具有4K的分辨率或更高的分辨率。因此，图像传感器11可以有例如4096个列17和视格式而定的相应数量的行15，例如3072或2304个行15。优选地，行15的高度和列17的宽度相同。在图1中，只示出了图像传感器11的一部分，其中包括五个行15和六个列17。根据该部分，可以了解像素13在整个图像传感器11上的排列的样本。

图像传感器11具有三个色彩通道，即第一色彩通道G，其为绿色通道；第二色彩通道R，其为红色通道；和第三色彩通道B，其为蓝色通道。图像传感器11的每个像素13都被分配给这三个色彩通道G、R、B中的一个。分配给第一色彩通道G的像素13在图1中以“G”标识，分配给第二色彩通道R的像素13在图1中以“R”标识，分配给第三色彩通道B的像素13在图1中以“B”标识。

如图1所示，在图像传感器11的每一行15和每一列17中，分配给第一色彩通道G的像素13与分配给第二色彩通道R或第三色彩通道B的像素13交替出现。因此，分配给第一色彩通道G的像素13以国际象棋棋盘的方式布置。因此，图像传感器11的每个第二像素13都分配给第一色彩通道G。

未分配给第一色彩通道G的像素13被逐行交替地分配给第二色彩通道R或第三色彩通道B。由于分配给第一色彩通道G的像素13以国际象棋棋盘的方式布置，这也适用于逐列方式。因此，在图1所示的部分中，分配给第二色彩通道R的像素13位于第一、第三和第五行15以及第二、第四和第六列17中；分配给第三色彩通道B的像素13位于第二和第四行15以及第一、第三和第五列17中。

所描述的分配给第一色彩通道G、第二色彩通道R和第三色彩通道B的像素13的空间布置对应于通常用于图像传感器11的所谓的拜耳掩模。这使得图像传感器11与常见的RAW工作流程兼容。

每个像素13包括至少一个光敏的检测器元件19，该检测器元件19设计为根据照射到各检测器元件19的检测面21的光线产生电荷形式的电信号。像素13的所有检测器元件19布置为使得它们的检测面21都位于图像传感器11的公共平面内。

如果像素13包括单个检测器元件19，则它的检测面21至少是近似圆形的，即，在所示的实施例中为八边形。在像素13包括两个检测器元件19的情况下，则这些检测器元件19的两个检测面21至少都是近似圆形的，即在所示的实施例中为八边形，其中在两个检测面21之间延伸有恒定宽度的窄的直线间隙。尤其地，由于像素13的近似圆形的形式，图像传感器11在像素13之间具有中间空间23。每个中间空间23由四个像素13包围，因此这四个像素13(具有各自的角区域)与各自的中间空间23相邻。

此外，每个检测器元件19具有转移栅25，该转移栅25布置为相对于行15的走向和列17的走向(即像素13的四个角区域之一)指向斜穿方向，检测器元件19产生的电荷可以在转移栅25处输出到图像传感器11的读取电子装置。为此，读取电子元件(未图示)延伸到所述中间空间23中。

图1中仅示出了每个像素13的一个或两个检测器元件19。每个检测器元件19的检测面21被镶边并且以浅灰色示出，而转移栅25示出为深灰色条带。

此外，每个像素13都包括滤色器，该滤色器仅允许与各像素13所分配的色彩通道G、R或B相对应的颜色的光线穿过，以到达各像素13的一个检测器元件19或两个检测器元件19。通过这样的方式，仅与色彩通道G、R或B相对应的那部分光线到达一个检测器元件19或多个检测器元件19，因此一个检测器元件19或多个检测器元件19产生的信号仅与这部分光线的强度相关。此外，每个像素13还包括微透镜，该微透镜在像素13的检测器元件19或两个检测器元件19的上方延伸，并收集进入的光线。图1中未显示像素13的滤色器和微透镜。

根据本发明，分配给第一色彩通道G的图像传感器11的所有像素13都包括两个检测器元件19。相反地，分配给第二色彩通道R或第三色彩通道B的图像传感器11的像素13仅包括单个检测器元件19。因此，通过各像素13的两个检测器元件19产生的电信号之间形成相位差，分配给第一色彩通道G的像素13可以用作PDAF像素，该相位差可用于确定对焦设置，根据该对焦设置控制相机的镜头驱动，以用于镜头的自动对焦。为此，可以为图像传感器11分配评估电路(未图示)，该评估电路设计为根据像素13的两个检测器元件19的信号来确定相位差。该评估电路还设计为根据相位差确定关于图像传感器11或相机的焦距的信息。该评估电路可以集成在图像传感器11中，也可以设计为分开的，尤其是作为模拟或数字电路。该评估电路可以与所述读取电子装置连接。

对于分配给第一色彩通道G的每个像素13，各像素13的两个检测器元件19分开地布置在各像素13总表面的两半上，总表面的两半是通过沿着相对于行15的走向和列17的走向斜穿地排列的第一分割方向T.1(参见箭头)或沿着相对于行15的走向和列17的走向斜穿地排列的第二分割方向T.2(参见箭头)进行分割而得到的。两个分割方向T.1和T.2都相对于图像传感器11的行15和列17的走向成45°角，因此第一分割方向T.1与第二分割方向T.2正交地排列。

分配给第一色彩通道G的像素13以两个分割方向T.1和T.2中的哪一个分割取决于该像素13所在的行15或列17。在每个第二行15(图1中为第一、第三和第五行15)或每个第二列17(图1中为第一、第三和第五列17)，分配给第一色彩通道G的像素13沿着第一分割方向T.1被分割，而在其他行15(图1中为第二和第四行15)或其他列17(图1中为第二、第四和第六列17)，分配给第一色彩通道G的像素13则沿着第二分割方向T.2被分割。可用作PDAF像素的第一色彩通道G的像素13的沿着两个相互正交的分割方向T.1和T.2逐行地和逐列地交替分割可以防止基于像素13的两个检测器元件19的信号之间的相位差的自动对焦在拍摄对象的具有线条图案或边缘的区域可能会不起作用。

而对于分配给第二色彩通道R或第三色彩通道B的每个像素13，检测器元件19的转移栅25布置为指向第一分割方向T.1，而对于分配到第一色彩通道G的像素13，它的两个检测器元件19的转移栅25的布置取决于像素13沿着两个分割方向T.1和T.2中的哪一个分割。如果像素13沿着第一分割方向T.1分割，则它的两个检测器元件19的转移栅25相对于第二分割方向T.2彼此相对地(即，指向第二分割方向T.2或者第二分割方向T.2相反)布置。另一方面，如果像素13沿着第二分割方向T.2分割，则它的两个检测器元件19的转移栅25相对于第一分割方向T.1彼此相对地(即指向第一分割方向T.1或者与第一分割方向T.1相反)布置。

从图1中可以看出，转移栅25的这种布置导致两个转移栅25逐行地且逐列地与每个第二中间空间23相邻，而其他的中间空间23则只有一个转移栅25与之相邻。图1中用数字“1”标示了与一个转移栅25相邻的中间空间23，而用数字“2”标示了与两个转移栅25相邻的中间空间23。

每个转移栅25都与读取电子装置的源极跟随器晶体管(未图示)电连接，由此各检测器元件19可以被读取。为每个与相应中间空间23相邻的唯一转移栅25提供单独的源极跟随器晶体管。相反地，与相同中间空间23相邻的两个传输栅极25与单个(即两个传输栅极25与同一个)源极跟随器晶体管电连接，由此两个相应的检测器元件19的电荷根据2x共享像素结构通过公共源极跟随器晶体管被读取。由此能够以特别节省空间的方式设计读取电子元件。

因为在图像传感器11中，第一色彩通道G的所有像素13由于它们的具有两个检测器元件19的设计都可以用作PDAF像素，所以像素矩阵中的所有2x2单元(每个单元由两个对角排列的绿色像素以及一个红色像素和一个蓝色像素组成)彼此完全相同。因此，与只有单个的、分散布置的PDAF像素的图像传感器不同，无需进行内插。此外，分配给第一色彩通道G的像素13的两个检测器元件19所产生的两个电信号可以相加，以获得用于像素13的位置的“标准”图像信息(该位置处的光线的绿色部分的强度)。因此，用作PDAF像素的第一色彩通道G的像素13无需进行内插。

由于仅分配给第一色彩通道G的像素13包含两个检测器元件19，因此适于用作PDAF像素，而分配给第二色彩通道R和第三色彩通道B的像素13不包含两个检测器元件19，因此图像传感器11的数据传输率(像素13产生的信号的带宽)仅增加50％，而通过包含至少两个检测器元件19将所有像素设计为PDAF像素的图像传感器的数据传输率至少增加100％。因此，在根据本发明的图像传感器11中，功耗也可以保持在较低水平。

重要的是，与全面配备PDAF像素的图像传感器相比，包括两个检测器元件19的像素13的数量更少，而且像素13包括两个检测器元件19还是一个检测器元件19取决于相应的色彩通道G、R或B。尤其有利的是，包括两个检测器元件19的像素13是分配给绿色通道G的像素13，因为绿色通道G与亮度相对应，因此承载了图像信息的主要部分。此外，在具有拜耳掩模的图像传感器11的情况下，分配给绿色通道G的像素13的密度高于分配给红色通道R或蓝色通道B的像素13的密度。因此，与全面配备PDAF像素的图像传感器相比，根据本发明的图像传感器11在提供了相同的自动对焦上的良好效果，并且数据传输率明显更低。

Claims (17)

1.一种图像传感器(11)，用于电子相机，所述图像传感器(11)包括以行(15)和列(17)布置的多个像素(13)，每个所述像素(13)分配给至少三个色彩通道(G、R、B)中的一个，

其中，每个所述像素(13)包括：至少一个光敏的检测器元件(19)，所述检测器元件(19)设计为根据照射的光线产生电信号；和滤色器，所述滤色器在所述光线照射到至少一个所述检测器元件(19)之前根据所述像素(13)分配的所述色彩通道(G、R、B)对光线进行滤光，

其中，分配给三个所述色彩通道(G、R、B)中的第一色彩通道(G)的每个所述像素(13)包括至少两个光敏的检测器元件(19)，所述检测器元件(19)设计为根据照射的光线独立地产生电信号，由此所述像素(13)的所述检测器元件(19)产生的电信号之间的相位差能够用于所述相机的自动对焦，而未分配给所述第一色彩通道(G)的像素(13)中的至少一些仅包括单个光敏的检测器元件(19)，所述检测器元件(19)根据照射的光线产生电信号。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，

其中，未分配给所述第一色彩通道(G)所述像素(13)的大部分仅包括单个所述光敏的检测器元件(19)，所述检测器元件(19)根据照射的光线产生电信号。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，

其中，未分配给所述第一色彩通道(G)的所有所述像素(13)仅包括单个所述光敏的检测器元件(19)，所述检测器元件(19)根据照射的光线产生电信号。

4.根据权利要求1所述的图像传感器，

其中，所述图像传感器(11)的所述像素(13)的至少一半分配给所述第一色彩通道(G)。

5.根据权利要求1所述的图像传感器，

其中，在所述图像传感器(11)的每一行(15)和每一列(17)中，分配给所述第一色彩通道(G)的所述像素(13)与未分配给所述第一色彩通道(G)的所述像素(13)交替出现。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，

其中，所述第一色彩通道(G)是绿色通道。

7.根据权利要求5所述的图像传感器，

其中，未分配给所述第一色彩通道(G)的所述像素(13)逐行交替地分配给所述第二色彩通道(R)或所述第三色彩通道(B)。

8.根据权利要求7的所述图像传感器，

其中，所述第二色彩通道(R)是红色通道。

9.根据权利要求7所述的图像传感器，

其中，所述第三色彩通道(B)是蓝色通道。

10.根据权利要求1所述的图像传感器，

其中，每个所述检测器元件(19)都具有检测面(21)，光线照射至所述检测面(21)上，以及

其中，对于分配给所述第一色彩通道(G)的每个所述像素(13)，所述像素(13)的至少两个所述检测器元件(19)的所述检测面(21)的和大于未分配给所述第一色彩通道(G)仅包括单个所述检测器元件(19)所述像素(13)的所述检测器元件(19)的所述检测面(21)。

11.根据权利要求10所述的图像传感器，

其中，所述图像传感器(11)的所述像素(13)布置在形成所述行(15)和所述列(17)的规则网格的位置上，其中，所述第一色彩通道(G)的所述像素(13)的至少两个光敏的检测器元件(19)一起布置在所述网格的单个位置处。

12.根据权利要求1所述的图像传感器，

其中，分配给所述第一色彩通道(G)的每个所述像素(13)包括恰好两个检测器元件(19)，并且

其中，分配给所述第一色彩通道(G)的每个所述像素(13)具有总表面，所述总表面沿着分割方向(T.1或T.2)分割成两半，所述分割方向(T.1或T.2)相对于所述行(15)的走向和所述列(17)的走向斜穿地排列，其中，所述像素(13)的其中一个所述检测器元件(19)布置在其中的一半，所述像素(13)的另一个所述检测器元件(19)布置在其中的另一半。

13.根据权利要求12所述的图像传感器，

其中分配给所述第一色彩通道(G)的每个所述像素(13)具有总表面，所述总表面逐行交替地沿着第一分割方向(T.1)或第二分割方向(T.2)分割成两半，所述第一分割方向(T.1)相对于所述行(15)的走向和所述列(17)的走向斜穿地排列，所述第二分割方向(T.1)相对于所述行(15)的走向和所述列(17)的走向斜穿地排列，并且横向于所述第一分割方向(T.1)，其中，所述像素(13)的其中一个所述检测器元件(19)布置在其中的一半，所述像素(13)的另一个所述检测器元件(19)布置在其中的另一半。

14.根据权利要求13所述的图像传感器，

其中，所述第二分割方向(T.2)与所述第一分割方向(T.1)正交地排列。

15.根据权利要求1所述的图像传感器，

其中，所述像素(13)之间设置有中间空间(23)，每个所述中间空间(23)由四个像素(13)相邻，

其中，所述图像传感器(11)包括延伸到所述中间空间(23)的读取电子装置，

其中，每个所述检测器元件(19)具有转移栅(25)，所述检测器元件(19)产生的电荷能够在所述转移栅(25)处输出至所述读取电子装置，以及

其中，与所述中间空间(23)相邻的所述像素(13)的所述检测器元件(19)的至少一个所述转移栅(25)和与中间空间(23)相邻的其他所述像素(13)的所述检测器元件(19)的至多一个其他所述转移栅(25)与每个所述中间空间(23)相邻。

16.根据权利要求13所述的图像传感器，

其中，所述像素(13)之间设置有中间空间(23)，每个所述中间空间(23)由四个像素(13)相邻，

其中，所述图像传感器(11)包括延伸到所述中间空间(23)的读取电子装置，

其中，每个所述检测器元件(19)具有转移栅(25)，所述检测器元件(19)产生的电荷能够在所述转移栅(25)处输出至所述读取电子装置，

其中，与所述中间空间(23)相邻的所述像素(13)的所述检测器元件(19)的至少一个所述转移栅(25)和与中间空间(23)相邻的其他所述像素(13)的所述检测器元件(19)的至多一个其他所述转移栅(25)与每个所述中间空间(23)相邻，

其中，对于分配给所述第一色彩通道(G)且它的总表面沿着所述第一分割方向(T.1)分割的每个所述像素(13)，它的两个所述检测器元件(19)的所述转移栅(25)相对于所述第二分割方向(T.2)彼此相对地布置，

其中，对于分配给所述第一色彩通道(G)且它的总表面沿着所述第二分割方向(T.2)分割的每个所述像素(13)，它的两个所述检测器元件(19)的所述转移栅(25)相对于所述第一分割方向(T.1)彼此相对地布置，以及

其中，对于未分配给所述第一色彩通道(G)的每个所述像素(13)，它的所述检测器元件(19)的所述转移栅(25)布置为指向所述第一分割方向(T.1)。

17.根据权利要求15所述的图像传感器，

其中，所述读取电子装置包括多个源极跟随器晶体管，每个所述转移栅(25)与其中一个所述源极跟随器晶体管电连接，由此通过所述源极跟随器晶体管能够读取所述检测器元件(19)产生的电荷，以及

其中，对于与相同所述中间空间(23)相邻的两个所述转移栅(25)，两个所述转移栅(25)与相同的所述源极跟随器晶体管电连接，由此通过单个公共的所述源极跟随器晶体管能够读取所述检测器元件(19)产生的电荷。