CN1245828C - 固态摄像元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种受发暗问题影响很少的固态摄像元件。在固态摄像元件(10)的每一个像素上，设置有由灵敏度高的主感光部(22)及灵敏度低的副感光部(24)所形成的受光部(12)，在受光部(12)上，配置有分别把入射光集光的微型透镜(52)。此微型透镜(52)的光学中心被设置在靠近副感光部(24)一侧。由此，微型透镜(52)，不论入射光的入射角度如何，都能恰到好处地进行集光。被集光的光束，不仅能高效地入射到主感光部(22)，也能高效地入射到副感光部(24)，各感光部(22)及(24)可充分获得受光光量。其结果是改善了各感光部(22)及(24)灵敏度低及色散的问题，克服了摄影图像特别是其周边部分的亮度发暗问题。

Description

固态摄像元件
技术领域
本发明涉及一种固态摄像元件，在该元件上备有接收被摄物体入射光的摄像面，在摄像面的各像素上，安装有灵敏度不同的多个感光部的受光部及把这些入射光集中到受光部的微型透镜。
背景技术
目前，固态摄像元件在与各像素对应的受光部上，因主感光部和副感光部形成的开口大小不同，而使其带有灵敏度差，从而实现了宽的动态范围。这时，主感光部开口大，是高灵敏度的感光部，不要求一定数量的入射光量，但副感光部开口小，是低灵敏度的感光部，同主感光部相比难以达到饱合，因此要求一定数量的入射光量。所以，这些感光部的信号输出混合在每一个像素上，使图像信号获得了宽的动态范围。
因此，固态摄像元件输出的图像信号，由于种种原因会产生在受光部的受光光量不平均的发暗现象。在使用带有微型透镜的固态摄像元件的数字相机时，由于入射光被微型透镜集中到受光部中，实际上等于提高了开口率，但由于入射角度的原因，在各受光部的受光光量是不同的。一般来说，在固态摄像元件的边缘部分，倾斜入射的入射光多，由于其倾斜的方向偏，在受光部的受光光量比中心部低。由于这个原因，在摄影图像的边缘部分就会产生亮度低的发暗现象。以往，通常对这种现象产生的图像信号都是采用数字信号处理及存储等方式进行修补，其修补电路的简化是可能的。
然而，固态摄像元件试图扩大在对应像素的受光部上形成的灵敏度不同的多个感光部的动态范围，因其每个感光部的光电转换特性不同，不可能恰当地修补发暗部分。因此，为了恰当地修补这种发暗现象，在日本专利特愿2002-228562号文件中，公布了一种固态摄像装置。这种固态摄像装置把灵敏度低的受光元件(即上述的感光部)配置在远离各像素中的摄像画面中心的一侧，例如，在各像素的受光部，在高灵敏度受光元件的上下左右位置上，作为整体配备有沿画面中心对称配置的固态摄像元件，以此防止发暗的趋向。这些不同灵敏度的受光元件也共同进行发暗现象的修补。
当上述固态摄像元件应用于数字静物照相机等固态摄像装置时，固态摄像元件的摄像面18如图3所示那样设置，当放置在摄像面18的被摄物体一侧的光圈机构(无图示)的光圈值小的时候，或者光学透镜34的进光瞳孔位置和摄像面18的距离短的时候，对于摄像面18，倾斜入射的入射光相对增加。特别是在摄像面18的周边部分，有很多向周边方向倾斜入射的入射光，也有以更小锐角的方向入射的光。
如图5所示，在摄像面18上，有多个对应于各像素的受光部12，各受光部12包含主感光部22及副感光部24，在每一个受光部上备有把光束集中到这些感光部的微型透镜52。这时，射向摄像面18的入射光，由于入射角的原因，通过微型透镜52产生大幅度折射，这些折射的光束很难入射到各感光部22及24上。
例如，垂直射向摄像面18的入射光602，如图8所示，通过微型透镜52的光正好被集中成很多光束，入射到主感光部的开口部62及副感光部的开口部64中；倾斜着入射到摄像面18的入射光604，如图9和图10所示，通过微型透镜52的光被大幅度折射，射入到各感光部的开口部62及64的光束减少，集光率降低。特别是副感光部24，因其开口部64较小集光率更易低，其灵敏度也就更加低了。
象这样，在固态摄像元件10的摄像面18上，倾斜入射的入射光在很多像素位置上，容易引起灵敏度下降。因此，在摄影所得的图像上会产生发暗现象。另外，由于光束的入射角不同，使各感光部22及24的集光率发生很大的变化。发暗的形状(轮廓)也会发生很大的变化。
当入射光在摄像面18上成像时，因其光学透镜34的集光，会产生弥散圆(图像圈)44，当上述光束是倾斜入射时，会移动到摄像面18的周边方向集光，如图4所示那样，弥散圆44会离开受光部的开口部42，出现在向摄像面18的周边方向错开的位置。弥散圆44距摄像面18的周边部位越近，离开受光部42的距离越大。在摄像面18的各受光部12上，如图5所示，当副感光部24在主感光部22的上部时，如图4那样弥散圆44一旦出现，特别是在摄像面18的下侧像素位置上，在副感光部24上的集光率降低。
如图9所示，位于摄像面18平面上侧像素位置上的受光部12，当斜射光604比较多时，射入到各感光部的开口部62及64的光束减少，由于主感光部的开口部62可接受入射光的范围大，副感光部的开口部64，接近摄像面18的周边部位并位于被集光的方向上，因此集中光束比较容易。另一方面，如图10所示，在摄像面18下侧的像素位置上时，由微型透镜52集光的光束，容易射入主感光部的开口部62而很难射入副感光部的开口部64，此入射角又不能射入，集光率容易变得较低。这样，在摄像面18的上侧和下侧，副感光部24的受光光量产生很大的差别，在摄影图像的上侧和下侧容易产生非对称的亮度发暗变化。
发明内容
本发明的目的是解决以往技术上的缺点，特别是提供一种固态摄像元件。这种固态摄像元件能提高低灵敏度感光部的灵敏度，进而，防止在摄像面特别是其周边部分，产生质量低下的发暗图像的问题。
为实现上述目的，本发明所述的固态摄像元件具有如下特征：该固态摄像元件包含有使被摄物体的入射光成像的摄像面；在此摄像面上有按行和列排列的，对应于形成该摄像面各像素的多个受光部，以及分别为该多个受光部配备的集中入射光的微型透镜；所述受光部分别含有具有第1灵敏度的、把所述入射光进行光电转换的第1感光部和具有比第1灵敏度低的第2灵敏度的、把所述入射光进行光电转换的第2感光部；在所述固态摄像元件中，把所述微型透镜的光学中心设置在靠近第2感光部的一侧，偏离所述受光部的中心并接近所述摄像面的中心的位置上。
本固态摄像元件在其摄像面上，由灵敏度不同的多个感光部形成的受光部作为像素排列，进行动态范围扩大时，利用把微型透镜的光学中心错开受光部的中心设置，可在各受光部上提高微型透镜的集光率。优点在于，把微型透镜的中心设置在靠近副感光部一侧，或把微型透镜设置在离开摄像面的中心方向上。这样，不只是主感光部，副感光部也由于微型透镜的恰到好处地集光，都获得了充分的受光光量。由此改善了特别是副感光部的灵敏度低下及色散的问题，进而也改善了在摄影图像上，特别是在其周边部位上产生的发暗问题。
另外，本发明所述的固态摄像元件由于是利用微型透镜的设置修补出现的发暗问题，所以，在应用于固态摄像装置等的装置时，省略了修补电路等的处理部分，能使结构更加简单。
附图说明
图1为本发明所述的固态摄像元件上摄像面的概略结构平面示意图。
图2为在图1所示的固态摄像元件的摄像面上，从入射光一侧视其一部的平面图。
图3为在图1所示的固态摄像元件的摄像面上，显示备有光学透镜结构
图4为在以往的固态摄像元件的摄像面上，表示在受光部的开口部附近出现的弥散圆的平面图。
图5为在以往的备有微型透镜的固态摄像元件上，从入射光一侧视其摄像面一部分的平面图。
图6为在备有微型透镜的本实施例所述的固态摄像元件上，从入射光一侧视其摄像面一部分的平面图。
图7为在固态摄像元件的摄像面上，表示把各受光部的微型透镜错开的方向及错开量的平面图。
图8为在以往的固态摄像元件的摄像面上，当入射光作垂直入射时，备有微型透镜的受光部的断面说明图。
图9为在以往的固态摄像元件摄像面的上侧，备有微型透镜的受光部的断面说明图。
图10为在以往的固态摄像元件摄像面的下侧，备有微型透镜的受光部的断面说明图。
图11为在图1所示的固态摄像元件摄像面的下侧，把微型透镜的中心配置在靠近副感光部一侧的受光部的断面说明图。
图12为在固态摄像元件的摄像面上侧，把微型透镜错开摄像面的中心方向配置的受光部的断面说明图。
图13为在固态摄像元件的摄像面下侧，把微型透镜错开摄像面的中心方向配置的受光部的断面说明图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的固态摄像元件的具体实施例。
在本实施例所述的固态摄像元件上，对应于像素的受光部，利用在多个感光部上，具有各感光部开口部的大小存在的差别，试图改变灵敏度，即光电转换效率以扩大动态范围。利用把向这些感光部的开口部集光的微型透镜的中心从受光部的中心移开，进行恰到好处的配置，特别是在摄像面的周边部分，提高向感光部尤其是向低灵敏度的感光部集光的集光率，改善亮度降低的问题及提高受光部的灵敏度，防止了图像质量的下降。
如图1所示，本发明所述的固态摄像元件10，包含有形成摄影图像1画面的摄像面18及水平传输线路16，在摄像面18上备有多个与各像素对应的受光部12及垂直传输线路14。固态摄像元件10使其被摄物体的入射光通过外部的光学透镜进行集光，在摄像面18上成像。固态摄像元件10也可以是，如电荷耦合器件(Charge Coupled Device：CCD)及金属氧化物半导体器件(Metal Oxide Semiconductor：MOS)等所有图像传感器件。
受光部12接收入射光，输出对应于各像素的图像信号。如图2所示，受光部12由主感光部22、副感光部24及遮光材料26组成。受光部12的形状不限于四边型，也可以是多边型或圆型。各受光部在摄像面18上按行及列排列。如图1所示，受光部12设有三原色滤色器R、G、或B的任意一个，以此有选择地透过红、绿、或蓝色的入射光。
在本实施例中，如图1所示，受光部12在摄像面18上，是按行方向及列方向错开一个位置排列的，即按蜂窝状排列的，但也可以在行及列方向上各自按一定的间距排列成正方形行列。另外使用蜂窝状排列时，滤色器的配置类型可采用G色为方格状配置，在夹着G色的对角线位置上，配置同色R或同色B的两种不同颜色完全相间的方格状配置，即，蜂窝状G、方格R、B两种颜色完全相间的方格状类型。在摄像面18上，实际排列着很多像素，但在图1及图2中，为避免复杂化只标示了少数像素的排列。
在摄像面18的入射光入射一侧覆盖着遮光材料26。其中受光部12为了得到透射光的照射，在遮光材料26上形成一贯通口，即通过开口部接收入射光。在本实施例中，如图2所示，在各受光部12上，都有照射主感光部22及副感光部24的开口部。开口部把整个开口作为光感应范围。但是，因其开口面积不同，光感应范围也不同，所以当同等的光量照射到不同面积的开口部时，就会产生光电转换效率的二不同。
主感光部22在一个像素上的开口部大，即开口率大，是高灵敏度的感光部，另一方面，副感光部24的开口部小，即开口率小，是低灵敏度的感光部。这些感光部在接收入射光时，把光进行光电转换，转变成对应受光光量的电信号的光传感器，例如，使用光电二极管。在各受光部12中，副感光部24设置在主感光部22的对面一侧。
垂直传输线路(VCCD)14设置成，在受光部的垂直方向上作Z字形穿行。垂直传输线路14为电荷耦合器件，在遮光材料26覆盖的范围内，对应主感光部22及副感光部24的形状邻接形成。在垂直传输线路14中，各感光部产生的信号电荷依据外部控制信号，如垂直驱动脉冲的控制下，依次按垂直方向传送，即传输给水平传输线路(HCCD)16。垂直传输线路14，如图2所示，是由第1层的多晶硅层(1Poly)28及第2层的多晶硅层(2Poly)302层多晶硅电极构成。还可以利用第1层的多晶硅层，传输从主感光部22获得的信号电荷，利用第2层的多晶硅层，传输从副感光部24获得的信号电荷。在水平传输线路16上，信号电荷在外部控制信号，如水平驱动脉冲的驱动下，按水平方向传送，即传输给输出一侧。
另外，在摄像面18中，在每一个受光部12上，都备有构成光学系统一部分的微型透镜52。此微型透镜52把射向摄像面18的入射光高效地集中在各个像素上，入射到受光部12的开口部。这样的集光实际上提高了受光部12的开口率。微型透镜52覆盖着受光部12，在一般情况下，都把光学中心对准受光部12的开口部中心，但在本实施例，在位于摄像面18周边的受光部12中，如图6所示，是把其光学中心设置在靠近副感光部24的一侧。
固态摄像元件10应用于如数字静物照相机等的固态摄像装置时，被摄物体的图像通过入射光在摄像面18上成像。这种摄像装置如图3所示，最好用光学透镜34集光，把入射光照射到摄像面18上。
这时在摄像面18上，入射光通过微型透镜52进一步集光，使每个像素都获得图像信号，射入对应各像素的受光部12中。入射光在受光部12中，透过滤色器R、G或B射入主感光部22及副感光部24，在这些感光部中进行光电转换产生各色的信号电荷。
在本实施例中，如图6所示，把微型透镜52的光学中心设置在靠近副感光部24的一侧。由此，当副感光部24设置在和主感光部22所在该图的上方时，特别是在摄像面18的下侧，如图11所示，斜射光604通过微型透镜52高效集光，不只是主感光部的开口部62，副感光部的开口部64也增加了集光的入射光束。这时，在摄像面18的中心部附近及上侧，即使微型透镜52的光学中心几乎同受光部12的开口部中心重合，各感光部22及24的集光率仍很高，因此，最好把微型透镜52靠近的量减少一些。
这样，本发明所述的固态摄像元件10，在摄像面18的各个受光部12上，把副感光部24设置在主感光部22相对的一侧时，由于把微型透镜52的光学中心设置在靠近副感光部24的一侧，提高了各感光部22及24的集光率。这时，受光部12的像素位置也可以设置成从摄像面18的中心部，越接近周边部距微型透镜52越远的位置上。另外，受光部12位于摄像面18的中心部附近时，或在受光部12上，副感光部24和主感光部22相对，设置在摄像面18的周边部一侧时，最好把微型透镜52靠近的量减少一些。这样，特别是处在集光率容易低的位置的受光部12，把微型透镜52错开靠近摄像面18的中心设置，能提高集光率。
进而，在靠近微型透镜52时，也可以把微型透镜52的光学中心设置在副感光部24的中心位置上。另外在受光部12上，也可以把主感光部22设置在接近摄像面18中心部一侧，再把副感光部24设置在距摄像面18中心稍远一侧，如把副感光部24设置在相对主感光部22的上下左右任意一个位置。
例如，在摄像面18平面的上侧，把副感光部24设置在主感光部22的下方，另外在摄像面18的下侧，把副感光部24设置在主感光部22的上方时，以摄像面18的中心，上下均等地设置微型透镜52及副感光部24，可防止在摄像面18的上侧和下侧产生集光率差。另一方面，在各受光部12，相对主感光部22，把副感光部24，设置在摄像面18的周边一侧时，把微型透镜52及副感光部24设置在以摄像面18的中心为圆心的同心圆位置上，可提高整个摄像面18的集光率。
另外，在其它的实施例中，固态摄像元件10在位于摄像面18周边部位的受光部12上，把微型透镜52设置在偏向摄像面18的中心方向，由此，在摄像面18周边部产生的灵敏度低及图片发暗的问题得以减轻。
例如，如图7所示，在摄像面18中心附近的受光部12把微型透镜52设置在几乎没有离开它的位置，而在摄像面18周边部的受光部12把微型透镜52错开设置在沿箭头702的方向，即把微型透镜52的中心，从受光部12的开口部中心移到摄像面18的中心方向上。由此，例如在摄像面18平面的上侧及下侧的受光部12上，分别如图12及图13所示那样，通过微型透镜52把斜射光604恰当地集光，可使入射光高效地入射到主感光部的开口部62及副感光部的开口部64，从而提高了集光率。
这时，在各受光部12上，当把副感光部24设置在主感光部22的上方时，对应位于摄像面18下侧的受光部12的微型透镜52比对应位于上侧的受光部12时要移开更太的位置。在图7中，箭头的长短抽象地表示移开量。这样就可防止在摄像面18的上侧和下侧产生集光差。
另外，受光部12离开摄像面18的中心，距其周边部越近，也可以把微型透镜52设置在错开位置越大的位置上。由此，可根据斜射光604给予各受光部12的影响程度来提高集光率，在整个摄像面18上，使各受光部12的受光光量得以均衡。
如上所述，由于把各受光部12的微型透镜52错开设置，有利之处在于，把微型透镜52的中心设置在靠近副感光部24一侧，或把微型透镜52设置在偏向摄像面18的中心方向上。这样，特别是在摄像面18的周边部位，不只是主感光部22，副感光部24也由于微型透镜52恰到好处地集光而获得了充分的受光光量。由此也提高了各感光部22及24的灵敏度，克服了在摄影图像上产生的发暗问题。

Claims (5)

1.一种固态摄像元件，其特征在于：
该固态摄像元件包含有使被摄物体的入射光成像的摄像面；
在此摄像面上有按行和列排列的、对应于形成该摄像面各像素的多个受光部，以及分别为该多个受光部配备的集中入射光的微型透镜；
所述受光部分别含有具有第1灵敏度的、把所述入射光进行光电转换的第1感光部和具有比第1灵敏度低的第2灵敏度的、把所述入射光进行光电转换的第2感光部；
在所述固态摄像元件中，把所述微型透镜的光学中心设置在靠近第2感光部的一侧，偏离所述受光部的中心并接近所述摄像面的中心的位置上。
2.如权利要求1所述的固态摄像元件，其特征在于：
所述多个受光部在所述摄像面上按行方向及列方向以一定的间距排列成方格状。
3.如权利要求1所述的固态摄像元件，其特征在于：
所述多个受光部在所述摄像面上按行方向及列方向错开一个位置排列。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的固态摄像元件，其特征在于：
所述微型透镜偏离所述受光部的中心的距离，从所述摄像面的中心向外，越靠近摄像面的周边部越长。
5.如权利要求4所述的固态摄像元件，其特征在于：
在每一个所述受光部中，第1感光部配置在接近所述摄像面的中心一侧，第2感光部配置在接近所述摄像面的周边部一侧。
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