TW201828689A - 具有非對稱微透鏡相位檢測自動聚焦（ｐｄａｆ）檢測器的影像感測器、相關的ｐｄａｆ成像系統及相關的方法 - Google Patents

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Abstract

一PDAF成像系統包括一影像感測器和一影像資料處理單元。影像傳感器具有非對稱微透鏡PDAF檢測器，非對稱微透鏡PDAF檢測器，包括：(a)複數個像素和(b)微透鏡，複數個像素形成具有至少兩行和兩列的子陣列，微透鏡位於複數個像素中的每個像素上方並且關於垂直於子陣列的軸線旋轉非對稱。軸線與微透鏡的頂表面的局部極值相交。影像資料處理單元能夠接收來自複數個像素中的每個像素的電信號，並且根據接收的電信號生成PDAF信號。用於形成鷗翼微透鏡的方法包括在基板上形成在板中具有孔的板。該方法還包括對板進行回流。

Description

具有非對稱微透鏡相位檢測自動聚焦(PDAF)檢測器的影像感測 器、相關的PDAF成像系統及相關的方法
本發明涉及影像感測器，具體地，係涉及具有非對稱微透鏡相位檢測自動聚焦(PDAF)檢測器的影像感測器、相關的PDAF成像系統和相關的方法。
許多數位相機具有自動聚焦性能。自動聚焦可為全自動的，使得相機識別場景中的物體並且聚焦在物體上。在一些情況下，相機甚至可以決定哪個物體比其他物體更重要並且隨後聚焦在更重要的物體上。此外，自動聚焦可以利用用戶輸入來指定對場景的哪個部分或哪些部分感興趣。因此，自動聚焦功能識別由用戶指定的場景的一個或複數個部分內的物體，並且將相機聚焦在識別的物體上。
為達到市場採納的目的，自動聚焦功能必須是可靠和快速的，使得每當使用者捕獲影像時，相機迅速地將場景的一個或複數個期望部分聚焦。更優地，自動聚焦功能足夠快，使得使用者不會注意到按下觸發按鈕和影像捕獲之間的任何延遲。自動聚焦對於不具有手動聚焦方式的相機尤其重要，諸如小型數位相機和相機電話。
許多數位相機使用對比度自動聚焦，其中自動聚焦功能調整成像物鏡以使在場景的至少一部分中對比度最大化，從而將場景的那個部分聚焦。最近以來，相位檢測自動聚焦已經受到大眾的歡迎，因為它比對 比度自動聚焦更快。相位檢測自動聚焦通過將穿過成像物鏡的一個部分(例如，左邊部分)的光與穿過成像物鏡的另一部分(例如，右邊部分)的光進行比較來直接測量離焦度。一些數位單鏡頭反光式相機除了捕獲影像的影像感測器之外還包括專用的相位檢測感測器。
然而，此解決方案對於更小型和/或更便宜的相機是不可行的。因此，相機製造商正在研發帶有片上相位檢測的影像感測器，亦即，透過在影像感測器的像素陣列中包含相位檢測自動聚焦(PDAF)像素而帶有集成相位檢測能力的影像感測器。
圖1顯示了在示例性使用場景190中的帶有PDAF像素的一個示例性影像感測器101。影像感測器101在數位相機180中實施，用於對場景150成像。例如，數位相機180為相機電話或小型數位相機。數位相機180利用影像感測器101的片上相位檢測能力對場景150聚焦。當聚焦時，數位相機180利用影像感測器101捕獲場景150的聚焦影像120，而不是散焦影像130。
影像感測器101具有包括至少一個PDAF像素檢測器200的像素陣列200A。圖2是像素陣列200A的PDAF像素檢測器200的剖視圖。PDAF像素檢測器200包括對稱微透鏡230和具有公共濾光器221的像素211和212。對稱微透鏡230具有在像素211和212之間的居中的光軸線231。像素211和212具有各自的頂表面211T和212T。PDAF像素檢測器200可被視為包括相位檢測像素200L和200R，相位檢測像素200L和200R分別包括像素211和像素212。
圖3A-3C是PDAF成像系統300的剖視圖，在PDAF成像系統300中，透鏡310在像素陣列200A附近的像平面312處形成軸外物體350的影像352。透鏡310具有光軸線310A，光軸線310A與像素陣列200A在像素陣列中心200AC處相交。影像352在距光軸線310A和像素陣列中心200AC的徑向距離352R處。像平面312和透鏡310間隔像距312Z。
圖3A-3C顯示了主光線351(0)、上邊緣光線351(1)和下邊緣光線351(-1)的傳播。在圖3A至圖3C的剖視圖中，像素陣列200A包括一列圖2的PDAF像素檢測器200。在圖3A中，像素陣列200A在像平面312後面。在圖3B中，像素陣列200A與像平面312共平面。在圖3C中，像素陣列200A在像平面312前面。
圖3A-3C還包括了示意性像素列響應303和304，其分別表示一列PDAF像素檢測器200內的(a)左像素211和(b)右像素212的響應。
在圖3A中，像素陣列200A在像平面312後面，使得影像352在像素陣列200A處離焦。像素陣列200A在距透鏡310的距離311A處，相當於距像平面312的離焦距離△z=△zA>0。像素列響應303A顯示了左相位檢測像素的列檢測的對應於上邊緣光線351(1)的一個強度峰值303A’。像素列響應304A顯示了右相位檢測像素的列檢測的對應於下邊緣光線351(-1)的一個強度峰值304A’。強度峰值304A’比強度峰值303A’更靠近光軸線310A。在像素陣列200A上，強度峰值303A’和304A’間隔距離△χ=△χA>0。
在圖3B中，像素陣列200A位於像平面312處，使得影像352被聚焦。像素陣列200A在距透鏡310的距離311B處，相當於距像平面312的離焦距離△z=△zB=0。像素列響應303B顯示左相位檢測像素的列檢測的與入射在該列中的相同的左相位檢測像素上的光線351(-1，0，1)對應的一個強度峰值303B’。像素列響應304B顯示了右相位檢測像素的列檢測的與入射在該列中的相同的右相位檢測像素上的光線351(-1，0，1)對應的一個強度峰值304B’。在像素陣列200A上，強度峰值303B’和304B’間隔距離△χ=△χB，在圖3B中顯示了△χB等於零。
在圖3C中，像素陣列200A在像平面312前面，使得影像352在像素陣列200A處離焦。像素陣列200A在距透鏡310的距離311C 處，相當於距像平面312的離焦距離△z=△zC<0。像素列響應303C顯示了左相位檢測像素的列檢測的對應於上邊緣光線351(1)的一個強度峰值303C'。像素列響應304C顯示右相位檢測像素的列檢測的對應於下邊緣光線351(-1)的一個強度峰值304C’。強度峰值304C’比強度峰值303C’距光軸線310A更遠。在像素陣列200A上，強度峰值303C’和304C’間隔距離△χ=△χC<0。
影像感測器101的相位檢測自動聚焦的精度(在下文中稱為「PDAF精度」)的一個指標是△χ的大小能多好地表明離焦量△z的大小。具體地，參考圖3B，零離焦量(△z=0)應對應於△χ=0。因此，當△z=0時，△χ的大小越小，PDAF精度越高。
在第一實施例中，公開了帶有非對稱微透鏡PDAF檢測器的影像感測器。非對稱微透鏡PDAF檢測器包括微透鏡和複數個像素。複數個像素形成具有至少兩行和兩列的子陣列。微透鏡位於像素中的每個像素上方，並且關於垂直於子陣列的軸線旋轉非對稱。軸線與微透鏡的頂表面的局部極值相交。
在第二實施例中，公開了PDAF成像系統。PDAF成像系統包括影像感測器和影像資料處理單元。影像傳感器具有非對稱微透鏡PDAF檢測器，非對稱微透鏡PDAF檢測器包括：(a)子陣列和(b)微透鏡，子陣列具有至少兩行和兩列並由複數個像素形成，微透鏡位於複數個像素的每個像素上方並且關於垂直於子陣列的軸線旋轉非對稱。該軸線與微透鏡的頂表面的局部極值相交。影像資料處理單元能夠接收來自複數個像素的每個像素的電信號並且根據接收的電信號生成PDAF信號。
在第三實施例中，公開了用於形成鷗翼微透鏡的方法。該方法包括在基板上形成在板中具有孔的板。該方法還包括對板進行回流。
101、701‧‧‧影像感測器
120‧‧‧聚焦影像
130‧‧‧散焦影像
150、190、1691‧‧‧場景
180‧‧‧數位相機
200、200(0)‧‧‧PDAF像素檢測器
200A、500A、700A‧‧‧像素陣列
200AC‧‧‧像素陣列中心
200L、200R‧‧‧相位檢測像素
211、212、711、712、713、714‧‧‧像素
211L‧‧‧左邊緣
212R‧‧‧右邊緣
211T、212T、720T‧‧‧頂表面
221、521、721、722‧‧‧濾光器
230、730、830‧‧‧微透鏡
231、310A‧‧‧光軸線
232‧‧‧主平面
232P、531P‧‧‧焦點
298‧‧‧坐標系
300‧‧‧PDAF成像系統
303、303A、303B、303C、304、304A、304B、304C‧‧‧像素列響應
303A’、303B’、303C’、304A’、304B’、304C’‧‧‧強度峰值
310‧‧‧透鏡、成像物鏡
311A、311B、311C、352R、510、532、700D、831、838、1131、1134‧‧‧距離
312‧‧‧像(距)平面、焦平面
312Z‧‧‧像距
350‧‧‧軸外物體
351(0)、551(0)‧‧‧主光線
351(1)‧‧‧上邊緣光線
351(-1)‧‧‧下邊緣光線
352‧‧‧影像
400‧‧‧軸上雙二極體PDAF像素
411、412、611、612、1011、1013‧‧‧像素響應
411P、412P、611P、612P、1011P、1013P‧‧‧峰值區域
500、700、800、800(i)、1100、1100(i)‧‧‧PDAF檢測器
525‧‧‧不透光結構
525A‧‧‧光圈
525A’‧‧‧中心軸線
531‧‧‧分界面
551‧‧‧光線
551(-1)、551(+1)‧‧‧邊緣光線
600、1000‧‧‧軸外多二極體PDAF像素
611PV、612PV、1011PV、1013PV‧‧‧峰谷值
611V、612V、1011V、1013V‧‧‧波谷區域
700C‧‧‧檢測器中心
701C‧‧‧像素陣列中心
701R‧‧‧行
702‧‧‧線
720‧‧‧濾光器陣列
731、732‧‧‧對稱平面
733A‧‧‧角度
802‧‧‧內側
804‧‧‧外側
830S、930S‧‧‧非平面表面
832‧‧‧內側高度
835‧‧‧最大高度
839‧‧‧頂點
839A、1133B‧‧‧軸線
840‧‧‧稜鏡
840h‧‧‧平坦傾斜面
1020‧‧‧角度範圍
1130‧‧‧歐翼透鏡
1130(1)、1130(2)‧‧‧微透鏡區域
1130B‧‧‧平坦底面
1130S‧‧‧非平坦頂表面
1130S(1)、1130S(2)‧‧‧表面區域
1133‧‧‧局部最小值
1135(0)、1135(15)、1521H‧‧‧高度
1139(0)、1139(15)‧‧‧局部最大值
1140‧‧‧三稜鏡
1140h‧‧‧平坦傾斜面
1233(0)、1233(5)、1233(10)、1233(15)、1233(30)‧‧‧徑向線
1234(0)、1234(15)‧‧‧虛線框
1400‧‧‧方法
1410、1420、1422‧‧‧步驟
1510‧‧‧基板
1510T、1520T‧‧‧頂表面
1520‧‧‧板
1521‧‧‧孔
1521D‧‧‧深度
1521P‧‧‧周界
1600‧‧‧成像系統
1620‧‧‧影像資料處理單元
1622‧‧‧PDAF信號
1640‧‧‧自動聚焦模組
1650‧‧‧致動器
h(θ)‧‧‧曲線
α‧‧‧傾斜角
θ‧‧‧入射光角度
θr、χp‧‧‧角度
△χA、△χB、△χC‧‧‧間隔距離
△zA、△zB、△zC‧‧‧離焦距離
圖1顯示了在使用場景中包括具有PDAF像素的現有像素陣列的現有影像感測器。
圖2是圖1的像素陣列的現有雙二極體PDAF像素的剖面圖。
圖3A-3C是PDAF成像系統中的像素陣列相對於焦平面在不同的位置處的PDAF成像系統的剖面圖。
圖4是圖2的軸上雙二極體PDAF像素的示意性角度選擇繪圖。
圖5是在實施方式中的PDAF像素陣列的軸外多二極體PDAF像素的剖面圖。
圖6是圖5的軸外多二極體PDAF像素的示意性角度選擇繪圖。
圖7是在實施方式中的帶有非對稱微透鏡PDAF檢測器的影像感測器的平面圖。
圖8是在實施方式中的圖7的帶有第一非對稱微透鏡PDAF檢測器的影像感測器的剖面圖。
圖9是圖8的示例性第一非對稱微透鏡PDAF檢測器的等高線繪圖。
圖10是圖8的軸外多二極體PDAF像素的示意性角度選擇繪圖。
圖11是在實施方式中的圖7的帶有第二非對稱微透鏡PDAF檢測器的影像感測器的剖面圖。
圖12是在實施方式中的圖11的第二非對稱微透鏡PDAF檢測器的微透鏡的立體圖。
圖13是表示圖12的微透鏡的透鏡高度的示例性數值的示意性內插曲線h(θ)。
圖14是顯示在實施方式中用於制作圖12的非對稱微透鏡的示例性方法的流程圖。
圖15是在實施方式中根據圖14的方法在基板上形成的板的立體圖。
圖16顯示在實施方式中的示意性成像系統的架構圖。
申請人已經確定PDAF精度取決於雙二極體PDAF像素200的角靈敏度。圖4是軸上PDAF像素檢測器200(0)的示意性角度選擇繪圖400，其中軸上指的是透鏡310的光軸線310A與像素陣列200A相交的位置。繪圖400包括作為入射光角度θ的函數的左像素211的像素響應411和作為入射光角度θ的函數的右像素212的像素響應412。由於PDAF像素檢測器200(0)與透鏡310的光軸線310A對準，所以入射在其上的主光線垂直於像素頂表面212T和211T。像素212對於正入射光角度θ>0具有峰值響應。像素211對於負入射光角度θ<0具有峰值響應。像素響應411和412在相對角度θr=θx=0°處相等並且具有圍繞θx對稱的各自的峰值區域411P和412P。在本文中，相對角度θx表示θr的最小絕對值，在θx處多二極體PDAF像素的像素響應相等。申請人已經確定PDAF精度取決於雙二 極體PDAF像素(諸如雙二極體PDAF像素200)的角靈敏度。
圖5是PDAF像素陣列500A的PDAF檢測器500的剖面圖。PDAF像素陣列500A為例如互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器的部分。除了對稱微透鏡230不與像素211和212對準外，PDAF檢測器500類似於PDAF像素檢測器200。光軸線231從像素211和212之間的分界面531以距離510偏移。對稱微透鏡230具有在焦點232P處與光軸線231相交的主平面232。濾光器521在微透鏡230和像素211、212之間。
PDAF檢測器500在距PDAF像素陣列500A的中心的距離rp處，其中從像素陣列中心到與PDAF檢測器500有關的位置(諸如光軸線231或分介面531)測量rp。距離rp類似於距離352R(圖3)。在示例性使用場景中，PDAF像素陣列500A在具有有效焦距f的透鏡310的像平面處。透鏡310相對於光軸線310A以複數個主光線角度(CRA)χ傳輸光，使得入射在PDAF檢測器500的主光線的「設計的」CRA χp取決於距離rp。設計的CRA χp可根據tan χ p =tan(r p /d pa )(在下文中被稱為等式(1))與距離rp相關。例如，等式(1)至少應用於單業透鏡(singlet lens)。
設計的CRA χp可以不參考成像透鏡而限定。例如，PDAF檢測器500可包括不透明結構525，不透明結構525具有穿過其中的光圈525A。光圈525A具有中心軸線525A’。設計的CRA χp可對應於由對稱微透鏡230傳輸的穿過光圈525A內的特定位置的主光線的傳播角度，例如穿過中心軸線525A’的主光線的傳播角度。此外，設計的CRA χp可為由光軸線231和連接焦點232P以及在中心軸線525A’上的點的線形成的角度。
此外，可以參考像素211和212的邊緣來限定設計的CRA χp。像素211具有左邊緣211L。像素212具有右邊緣212R。設計的CRA χp可為由對稱微透鏡230傳輸的穿過邊緣211L和212R之間的中點的主光線的傳播角度。此外，設計的CRA χp可為由光軸線231和連接焦點232P以及邊緣211L和212R之間的中點的線形成的角度。
在等式(1)中，距離dpa為沿著坐標系298的z軸的、像素陣列200A和透鏡310之間的特徵距離。在本文中，除非另有說明，距透鏡310的距離以透鏡310的主平面為參考。圖3的距離311A-311C為距離dpa的實例。例如，距離dpa在焦平面312和透鏡310之間的像平面距離312Z的範圍內，其中像平面距離從f到f的整數倍範圍內變化。作為另一種選擇，dpa=f。
在圖5中，像素陣列500A在成像系統的焦平面中(未顯示)，並成像系統將主光線551(0)和邊緣光線551(±1)傳輸到像素陣列500A。主光線551(0)傳播至焦點531P並且與光軸線231形成角度χp。焦點531P在距分介面531的距離532處。對稱微透鏡230使邊緣光線551(±1)(也以角度χp傳播)折射至焦點531P，在焦點531P處邊緣光線551(±1)與主光線551(0)相交。如圖6中所示，由於焦點531P在像素212的內部(距離532大於零)並且光線551在像素212中傳播的距離比在像素211中傳播的距離長，所以對於光線551，像素212具有比像素211更強的響應。
圖6是PDAF檢測器500的示意性角度選擇繪圖600，顯示了作為相對CRA θr的函數的像素響應，CRA θr為以設計的CRA χp偏移的入射光的主光線角度。繪圖600包括左像素211的像素響應611和右像素212的像素響應612。當角度θr等於「交叉角」θx時，像素響應611和612相等，在本實例中θx -9°。
像素響應611和612具有關於交叉角θx對稱的各自的峰值區域611P和612P。像素響應611和612還具有各自的「波谷」區域611V和612V。在峰值區域和波谷區域的像素響應的差表示像素的角靈敏度。在PDAF檢測器500中，像素211-212具有各自的峰谷值611PV和612PV。
申請人已經確定，當交叉角θx從零度偏移時，PDAF精度減小。對於PDAF檢測器500，交叉角θx隨著PDAF像素距成像透鏡光軸線(例 如，光軸線310A)的徑向距離rp(例如，圖3中的距離352R)的增加而增加。交叉角θx偏離零度的一個原因是在焦點531P和分介面531之間的非零距離532。
減小交叉角θx可通過修改對稱微透鏡230以最小化距離532來實現，使得像素響應611和612在繪圖600中向右移動(例如，以交叉角θx向右移動)，同時保持它們各自的形狀。像素響應611和612的形狀部分地由對稱微透鏡230導致，由於對稱微透鏡230為聚焦透鏡，因此對稱微透鏡230在通過其傳輸的光上施加二次相移(作為坐標系298中x和/或y的函數)。像素響應611和612的位置(例如，對於θr=0的情況)至少部分地通過由對稱微透鏡230施加在入射光上的任一線性相移(作為坐標系298中x和/或y的函數)決定。作為對稱透鏡，對稱微透鏡230不施加任一這樣的線性相移。施加線性相位的最簡單光學元件為棱鏡，其為非對稱的並且在通過其傳輸的光上僅施加線性相移。圖7-圖13顯示了帶有對線性元件施加相移的微透鏡的示例性PDAF檢測器。
圖7是能夠在數位相機180中取代影像感測器101的影像感測器701的非對稱微透鏡PDAF檢測器700的平面圖。PDAF檢測器700在影像感測器701的像素陣列700A內部。PDAF檢測器700包括在相位檢測像素711-714上方的非對稱微透鏡730，像素711-714上分別具有濾光器721或722。為了清楚顯示，表示像素711-714的虛線框小於表示各自濾光器721和722的框。
影像感測器701具有複數個行701R。檢測器中心700C和像素陣列中心701C之間的線702相對於平行於行701R並且包括像素陣列中心701C的線形成角度733A。檢測器中心700C位於距像素陣列中心701C的距離700D處。
濾光器721和722分別將可見電磁輻射的一個或複數個特定範圍傳輸到其相關的底層像素。例如，基於原色的可見濾光器具有對應於 電磁波譜的紅色、綠色或藍色(RGB)區域的通帶，並且被分別稱為紅色濾光器、綠色濾光器和藍色濾光器。基於合成色的可見濾光器具有對應於原色的組合的通帶，由此濾光器傳輸青色、洋紅或黃色(CMY)光中的一種，並且被分別稱為青色濾光器、洋紅濾光器和黃色濾光器。全色濾光器(Cl)均勻地傳輸可見光的全部顏色。由於像素的濾光器的傳輸頻譜將像素與該像素的相鄰像素區分，所以像素通過其濾光器類型引用，例如，「紅色像素」包括紅色濾光器。在本文中，像素的傳輸指的是它的濾光器的傳輸頻譜。
對稱平面731和732可彼此垂直並且彼此在檢測器中心700C處相交。濾光器721和722具有關於對稱平面731和732兩者的反射對稱性。對稱多像素相位差分檢波器700還具有雙重旋轉對稱性。表1顯示了對稱多像素相位差分檢波器700的十四個示例性濾光器配置，其中R、G、B、C、M、Y和Cl分別表示紅色濾光器、綠色濾光器、藍色濾光器、青色濾光器、洋紅濾光器、黃色濾光器和全色濾光器。在十四個配置的任何一個中，兩個濾光器可彼此交換，而不偏離本申請的範圍。例如，在配置(c)中，濾光器721為綠色濾光器並且濾光器722為紅色濾光器。
雖然在圖7的平面圖中非對稱微透鏡730被顯示為不完全地覆蓋像素711-714，但是，非對稱微透鏡730可以具有不同形狀的截面，而不偏離本申請的範圍。例如，在平行於坐標系298的x-y平面的平面中，非對稱微透鏡730可能具有矩形周界，使得它完全地覆蓋像素711-714。非對稱微透鏡730可包括球形面、橢圓形面和非球形面中的至少一種的部分。非對稱微透鏡730可由正性光阻劑形成。
圖8是在圖7的截面7A-7A'中的影像感測器701的非對稱微透鏡PDAF檢測器800的剖面圖。非對稱微透鏡PDAF檢測器800為非對稱微透鏡PDAF檢測器700的實例並且包括非對稱微透鏡830，非對稱微透鏡830為非對稱微透鏡730的實例。微透鏡830具有非平面表面830S並且在位於像素712上方的頂點839處具有在濾光器721和722上方的最大高度835。濾光器721和722是濾光器陣列720的一部分。非對稱微透鏡PDAF檢測器800可包括在微透鏡830和濾光器陣列720之間的層。頂點839為非平面表面830S的局部極值。圖9是顯示在濾光器721和722上方的相等高度z的輪廓的、非平面表面930S的等高線繪圖平面圖。非平面表面930S為非平面表面830S的實例。在下述描述中，最好一起查閱圖8和圖9。
與坐標系298的x-y平面正交的截面7A-7A’包括檢測器中心700C，並且與像素陣列中心701C形成角度733A。非對稱微透鏡830越過像素712朝向像素陣列中心701C延伸距離838。距離838可等於零，而不偏離本申請的範圍。
圖8包括疊加在微透鏡830上的假想棱鏡840的截面。三棱鏡840具有平坦傾斜面840h。微透鏡830可被視為包括棱鏡840，並且在平坦傾斜面840h上具有假想平凸透鏡。假想平凸透鏡相當於由表面840h和表面830S限定的微透鏡830的區域。由假想棱鏡840限定的微透鏡830的區域施加上面提到的線性相移來減小交叉角θx。
頂點839位於距檢測器中心700C的距離831處。微透鏡830關於與頂點839相交並且垂直於濾光器陣列720的頂表面720T的軸線839A旋轉非對稱。
距離831(i)是微透鏡830的非對稱性的一個指標。在實施方式中，影像感測器701具有複數個非對稱微透鏡PDAF檢測器800(i)，其 中i=1、2、...，並且各自的檢測器中心700C(i)位於距像素陣列中心701C的各自的距離700D(i)處。每個PDAF檢測器800(i)具有各自的微透鏡830(i)和表面830S(i)，其中，表面830S(i)具有位於距像素陣列中心701C的各自的距離831(i)處的頂點839(i)。例如，距離831(i)為距離700D(i)的單調遞增函數。例如，每個表面830S(i)的形狀被設計為使得每個微透鏡830(i)將入射到其上的主光線聚焦在檢測器中心700C(i)上。
微透鏡830的非對稱性的第二指標為在截面7A-7A’中微透鏡830的傾斜度，該傾斜度通過在PDAF檢測器800的相對側的微透鏡830的高度差說明。PDAF檢測器800包括內側802和外側804。微透鏡830具有在內側邊緣802處的內側高度832和在外側邊緣804處等於零的外側高度。在截面7A-7A中，微透鏡830具有截面寬度800W。內側高度832、外側高度以及寬度800W決定微透鏡傾斜角α。在實施方式中，影像感測器701具有複數個非對稱微透鏡PDAF檢測器800(i)，其中i=1、2、...，並且各自的檢測中心700C(i)位於距像素陣列中心701C的各自距離700D(i)處。每個PDAF檢測器800(i)還具有各自的微透鏡傾斜角α(i)，該傾斜角是距離700D(i)的單調遞增函數。
圖10是PDAF檢測器800的示意性角度選擇繪圖1000，顯示了作為相對CRA θr的函數的像素響應，繪圖1000包括像素711的像素響應1011和像素713的像素響應1013。像素響應1011和1013在包括θr=0的角度範圍1020內的值θr處相等。由於像素響應1011和1013分別為PDAF檢測器800的像素711和713的屬性，所以交叉角θx為PDAF檢測器800的屬性。例如，角度範圍1020在θr=0附近的±4°內。角度範圍1020可更大，例如，在θr=0附近的±8°內或±18°內。
像素響應1011和1013具有各自的峰值區域1011P和1013P以及各自的「波谷」區域1011V和1013V。在峰值區域和波谷區域的像素響應的差表示像素的角靈敏度。在PDAF檢測器800中，像素711和713具有各自的峰谷值1011PV和1013PV。峰谷值1011PV和1013PV分別小 於峰谷值611PV和612PV，這表明減小交叉角θx雖然有益，但是將導致PDAF檢測器中像素的角靈敏度的降低。
可通過對非對稱微透鏡PDAF檢測器的微透鏡增加自由度來克服此降低的角靈敏度。例如，圖11是沿著圖7的截面7A-7A’的影像感測器701的非對稱微透鏡PDAF檢測器1100的剖視圖。非對稱微透鏡PDAF檢測器1100為非對稱微透鏡PDAF檢測器700的實例並且包括非對稱鷗翼微透鏡1130，非對稱鷗翼微透鏡1130為非對稱微透鏡730的實例。非對稱鷗翼微透鏡1130由具有在Tmin=140℃和Tmax=180℃之間的玻璃轉換溫度Tg的正性光阻劑形成，該正性光阻劑使得回流行為足夠地穩定來形成非對稱鷗翼微透鏡1130。
非對稱鷗翼微透鏡1130關於在像素711和713之間的檢測器中心700C非對稱。非對稱鷗翼微透鏡1130越過像素711朝向像素陣列中心701C延伸距離838。圖12是非對稱鷗翼微透鏡1130的立體圖。在下述描述中，最好一起查閱圖11和圖12。
非對稱鷗翼微透鏡1130具有平坦底面1130B和非平坦頂表面1130S。非平坦頂表面1130S包括與軸線1133B相交的局部最小值1133，非對稱鷗翼微透鏡1130關於軸線1133B旋轉非對稱。非對稱鷗翼微透鏡1130還關於垂直於頂表面720T並且經過非平坦頂表面1130S的局部最大值1139(0)和1139(15)之一的軸線旋轉非對稱。
軸線1133B表示在非對稱鷗翼微透鏡1130的凹面區域處的、非對稱鷗翼微透鏡1130的兩個凸形區域(微透鏡區域1130(1)和1130(2))之間的邊界。微透鏡區域1130(1)和1130(2)分別具有頂表面1130S的表面區域1130S(1)和表面區域1130S(2)。軸線1133B可位於使得微透鏡區域1130(1)和1130(2)在截面7A-7A’中具有相等的寬度處。如在圖11和圖12兩者中表示的，表面區域1130S(1)和1130S(2)具有分別位於相位檢測像素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)的高度差為△h區分，該高度差可以為零，而不偏離本申請的範圍。局部最大值1139(0)和1139(15)可在相同的相位檢測像素上方，而不偏離本申請的範圍。局部最大值1139(0)和1139(15)以及局部最小值1133為頂表面1130S的局部極值。
非對稱鷗翼微透鏡1130可以關於截面7A-7A’對稱，截面7A-7A’與如圖11中所示的局部最大值1139(15)和1139(0)相交。圖12顯示了此對稱性，其中截面7A-7A’與軸線1133B以及虛線框1234(15)和1234(0)內的頂表面1130S的部分相交。如圖12中所示，非對稱鷗翼微透鏡1130可具有對應於杜潘四次圓紋曲面(Dupin cyclide)(特別是環形圓紋曲面)的部分的表面。
局部最大值1139(15)和局部最小值1133分別位於距檢測器中心700C的距離1131和1134處。在實施方式中，影像感測器701具有複數個非對稱微透鏡PDAF檢測器1100(i)，其中i=1、2、...，並且各自的檢測器中心700C(i)分別位於距像素陣列中心701C的距離700D(i)處。每個PDAF檢測器1100(i)具有非對稱鷗翼微透鏡1130(i)，非對稱鷗翼微透鏡1130(i)的局部最小值1139(i)位於距像素陣列中心701C的各自距離1131(i)處。每個非對稱鷗翼微透鏡1130(i)還具有分別位於距像素陣列中心701C的距離1134(i)處的各自的局部最小值1133(i)。距離1131(i)和1134(i)例如為距離700D(i)的單調遞增函數。
距離1134(i)可以等於零，例如，在PDAF檢測器1100上的接近於像素陣列中心701C的非對稱鷗翼微透鏡1130中可以等於零，使得非對稱鷗翼微透鏡1130具有以下至少之一：(a)△h=0，和(b)與環形環、喇叭環或主軸環的頂表面類似的表面。當(a)和(b)兩者均採用時，此非對稱鷗翼微透鏡1130關於它的軸線1133B旋轉對稱，並且因此僅僅為名義上地「非對稱」。接近於像素陣列中心701C的PDAF檢測器1100例如為那些僅包括比像素陣列700A的全部像素的百分之九十更接近於像素陣列中心701C 的像素陣列700A的像素的檢測器。
圖12包括源自軸線1133B的在頂表面1130S上的徑向線1233。例如，虛線框1234(0)包括徑向線1233(0)並且虛線框1234(15)包括徑向線1233(15)。每條徑向線相對於徑向線1233(0)以關於軸線1133B的某一角度定向。例如，從徑向線1233(0)到徑向線1233(15)的角度為180°。為了清楚的說明，圖12中未顯示所有的徑向線1233。在頂表面1130S上的每條徑向線1233(0-30)在平坦底面1130B上方的各自的透鏡高度1135(0-30)處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)在它們的各自的徑向線1233(0)和1233(15)上的、在平坦底面1130B上方的最大高度處。在局部最大值1139(0-30)中，局部最大值1139(15)是最大的並且局部最大值1139(0)是最小的。
圖13是表示局部最大值1139的透鏡高度1135的示例性數值的示意性內插曲線h(θ)，該曲線是它們的各自徑233的角θ的函數。由於θ=0°和θ=360°在頂表面1130S上對應於相同的位置，所以h(0)=h(360°)並且h'(0)=h'(360°)，其中h'(θ)=dh/dθ。儘管曲線h(θ)關於θ=360°是對稱的，但是，曲線h(θ)關於θ=360°可為非對稱的，而不偏離本申請的範圍。
儘管微透鏡830在截面中可視為在棱鏡的頂部上的單個假想平凸透鏡，微透鏡1130在截面中也可視為在棱鏡的頂部上的兩個平凸透鏡。圖11包括疊加在非對稱鷗翼微透鏡1130上的三棱鏡1140的截面。三棱鏡1140具有平坦傾斜面1140h。第一假想透鏡包括微透鏡區域1130(1)在表面1140h和表面區域1130S(1)之間的部分。第二假想透鏡包括微透鏡區域1130(2)在表面1140h和表面區域1130S(2)之間的部分。
表面區域1130S(1,2)具有各自的最佳擬合曲率半徑R1和R2，使得微透鏡區域1130(1,2)可具有分別由R1和R2以及非對稱鷗翼微透鏡1130的折射率決定的不同的各自焦距f1和f2。與微透鏡830相比，局部最小值1133和鄰接面區域1130S(1，2)提供給非對稱鷗翼微透鏡1130 額外的自由度用於優化作為角度θr的函數的、像素711和712的像素響應。例如，可將非對稱鷗翼微透鏡1130優化為在通過其的傳輸光上施加合適的線性相移以將交叉角θx減小到零，同時將角靈敏度的損失最小化，例如，使得峰谷值1011PV和1013PV分別更接近於611PV和612PV。
圖14是顯示用於製作非對稱鷗翼微透鏡的示例性方法1400的流程圖。圖14顯示了方法1400的步驟。最好與下述描述一起查閱圖14和圖15。
在步驟1410中，方法1400在基板上形成在板中具有孔的板。板可以通過光刻法形成。如圖15中所示，在步驟1410的實例中，板1520在基板1510的頂表面1510T上形成。
板1520具有頂表面1520T和在板中的孔1521。孔1521具有周界1521P，其平均高度位於在基板頂表面1510T上方的高度1521H處。孔1521朝向基板1510延伸至深度1521D處。深度1521D可延伸至頂表面1510T。孔1521為暴露頂表面1510T的部分的貫通孔。板頂表面1520T可為平坦的並且平行於基板頂表面1510T以形成例如△h=0的非對稱鷗翼微透鏡1130。作為另一種選擇，頂板表面1520T的至少部分可不平行於基板頂表面1510T以形成例如△h≠0的如圖11-圖13中顯示的非對稱鷗翼微透鏡1130。此非平行和/或非平坦頂板表面1520T例如通過利用板頂表面1520T下方的具有空間變化透射率的光罩的光刻法形成。
基板1510可在影像感測器像素陣列上方。例如，基板1510為濾光器陣列720或濾光器陣列720上的層，板1520覆蓋圖7的像素711-714，並且孔1521被定位為使得截面7A-7A'與孔1521相交。在這種情況下，像素陣列中心701C、檢測器中心700C和孔1521在同一直線上。當與陣列中心701C和檢測器中心700C相交的線與孔1521的中心軸線而不是孔1521的任一部分相交時，像素陣列中心701C、檢測器中心700C和孔1521可「完美地」在同一直線上。
在步驟1420中，方法1400對板進行回流。在步驟1420的實例中，將板1520回流以產生非對稱鷗翼微透鏡1130。步驟1420可包括在板頂表面1520T之下以空間變化的回流溫度對板進行回流，並且由此得到具有空間變化的高度1135(i)的非對稱微透鏡1130。板1520例如由具有在上文提到的Tmin和Tmax之間的玻璃轉換溫度Tg的正性光阻劑形成，該正性光阻劑使得回流行為足夠地穩定以形成非對稱鷗翼微透鏡1130。因此，步驟1420的回流可包括步驟1422，在步驟1422中板被加熱到在Tmin和Tmax之間的溫度。
圖16顯示了一個示例性成像系統1600，示例性成像系統1600帶有影像感測器701(具有複數個非對稱微透鏡PDAF檢測器700)、影像資料處理單元1620、以及可選地具有自動聚焦模組1640和致動器1650。成像系統1600還可包括圖3的成像物鏡310。
在示例性操作模式中，成像物鏡310在圖像影像感測器701上形成場景1691的影像。圖3中顯示了像素陣列700A和成像物鏡間隔距離312Z。場景1691包括圖3的軸外物體350。PDAF檢測器700產生由影像資料處理單元1620接收的電信號，影像資料處理單元1620根據該電信號生成PDAF信號1622。PDAF信號1622例如包括圖3的距離Aχ{A,B,C}中的一個。自動聚焦模組1640接收PDAF信號1622並且生成離焦信號1642，離焦信號1642例如包括圖3的離焦距離△z{A,B,C}中的一個。影像資料處理單元1620可以例如通過執行自動聚焦模組的功能而包括自動聚焦模組1640。成像系統1600還可包括通信地連接到自動聚焦模組1640的致動器1650。響應於接收到離焦信號1642，致動器1650能夠通過改變距離312Z使離焦量△z的大小最小化。
特徵組合
以上描述的特徵以及申請專利範圍可以以多種形式組合，而 不偏離本申請的範圍。下述實例例舉了一些可能的、非限制性組合：
(A1)影像感測器包括非對稱微透鏡PDAF檢測器。非對稱微透鏡PDAF檢測器包括微透鏡和複數個像素。複數個像素形成具有至少兩行和兩列的子陣列。微透鏡位於複數個像素中的每個像素上方，並且關於垂直於子陣列的軸線旋轉非對稱。軸線與微透鏡的頂表面的局部極值相交。
(A2)由(A1)表示的影像感測器能夠捕獲在其上形成的影像，並且還可包括影像資料處理單元，影像資料處理單元能夠(i)接收來自複數個像素的每個像素的電信號，並(ii)輸出與影像的離焦量有關的資料。
(A3)在由(A1)和(A2)中的一個表示的影像感測器中，在與第一微透鏡相交並且垂直於第一子陣列的頂表面的截面中，第一微透鏡的高度分佈可具有多於一個局部最大值。
(A4)在由(A3)表示的影像感測器中，第一子陣列可為二乘二的平面陣列，高度分佈具有兩個局部最大值。
(A5)由(A1)至(A4)中的一個表示的影像感測器還可包括第二非對稱微透鏡PDAF檢測器，第二非對稱微透鏡PDAF檢測器具有第二複數個像素和第二微透鏡。第二複數個像素形成具有至少兩行和兩列的第二子陣列。第二微透鏡位於第二複數個像素中的每個像素上方並且關於垂直於第二子陣列並與第二微透鏡的頂表面的第二局部極值相交的第二軸線旋轉非對稱。第一和第二複數個像素為具有像素陣列頂表面和像素陣列中心的像素陣列的部分。第二非對稱微透鏡PDAF檢測器比第一非對稱微透鏡PDAF檢測器距像素陣列中心更遠。在第一局部極值正下方的、像素陣列頂表面上的位置與第一子陣列的中心相距第一距離。在第二局部極值正下方的、像素陣列頂表面上的位置與第二子陣列的中心相距第二距離，第二距離超過第一距離。
(A6)在由(A1)至(A5)中的一個表示的影像感測器中，其中第一複數個像素分別具有位於其上的濾光器，每個濾光器具有傳輸頻譜，憑藉每個濾光器的傳輸頻譜，子陣列可具有相對於像素子陣列的中心的反射對稱性。
(B1)PDAF成像系統包括影像感測器和影像資料處理單元。影像傳感器具有非對稱微透鏡PDAF檢測器，非對稱微透鏡PDAF檢測器包括：(a)子陣列和(b)微透鏡，子陣列具有至少兩行和兩列並且由複數個像素形成，微透鏡位於複數個像素中的每個像素上方，並且關於垂直於子陣列的軸線旋轉非對稱。軸線與微透鏡的頂表面的局部極值相交。影像資料處理單元能夠接收來自複數個像素中的每個像素的電信號並且根據接收的電信號生成PDAF信號。
(B2)由(B1)表示的PDAF成像系統還可包括能夠接收PDAF信號並生成表示在影像感測器和具有與影像感測器相交的光軸線的成像透鏡之間的離焦度的離焦信號的自動聚焦模組。
(B3)在由(B1)和(B2)中的一個表示的PDAF成像系統中，在與第一微透鏡相交並且垂直於第一子陣列的頂表面的截面中，第一微透鏡的高度分佈具有多於一個局部最大值。
(B4)在由(B3)表示的PDAF成像系統中，第一子陣列可為二乘二的平面陣列，並且高度分佈可具有兩個局部最大值。
(B5)由(B1)至(B4)中的一個表示的微透鏡PDAF成像系統還可包括由(A5)表示的影像感測器的第二非對稱微透鏡PDAF檢測器。
(B6)在由(B1)至(B5)中的一個表示的影像感測器中，其中第一複數個像素分別具有位於其上的濾光器，每個濾光器具有傳輸頻譜，子陣列憑藉每個濾光器的傳輸頻譜可而具有相對於像素子陣列的中心的反射 對稱性。
(C1)用於形成鷗翼微透鏡的方法包括在基板上形成在板中具有孔的板。方法還包括對板進行回流。
(C2)在由(C1)表示的方法中，回流的步驟可包括將板加熱至在140℃和180℃之間的溫度。
(C3)在由(C1)和(C2)中的一個表示的方法中，孔可為貫通孔。
(C4)在由(C1)至(C3)中的一個表示的方法中，(a)基板可在影像感測器的像素陣列上方，(b)板可覆蓋像素陣列中的像素的二乘二陣列，並且(c)像素陣列的中心、孔和像素的二乘二陣列的中心可在同一直線上。
(C5)在由(C1)至(C4)中的一個表示的方法中，其中板在基板的表面上形成，該板可具有不平行於基板的表面的頂表面。
可以在以上方法和系統中做出改變，而不偏離本申請的範圍。因此，應當注意，以上描述中所包含或附圖中所示的內容應被解釋為說明性的並且不具有限制意義。申請專利範圍旨在涵蓋本文中描述的所有通用和特定特徵，以及本方法和系統的範圍的所有陳述，這些特徵和陳述在語言上均被視為落入請求項的範圍中。

Claims (17)

  1. 一種影像感測器，具有一第一非對稱微透鏡相位檢測自動聚焦(PDAF)檢測器，該第一非對稱微透鏡PDAF檢測器包括：一第一複數個像素，形成具有至少兩行和兩列的一第一子陣列；以及一第一微透鏡，位於該第一複數個像素中的每個像素上方，並且關於垂直於該第一子陣列的一軸線旋轉非對稱，該軸線與該第一微透鏡的一頂表面的一第一局部極值相交。
  2. 根據請求項第1項所述的影像感測器，能夠捕獲在其上形成的影像，並且還包括一影像資料處理單元，該影像資料處理單元能夠(i)接收來自該複數個像素中的每個像素的電信號，並(ii)輸出與該影像的離焦量有關的資料。
  3. 根據請求項第1項所述的影像感測器，在與該第一微透鏡相交並垂直於該第一子陣列的一頂表面的一截面中，該第一微透鏡的一高度分佈具有多於一個局部最大值。
  4. 根據請求項第3項所述的影像感測器，該第一子陣列為二乘二的平面陣列，該高度分佈具有兩個局部最大值。
  5. 根據請求項第1項所述的影像感測器，更包含：一第二非對稱微透鏡PDAF檢測器，包括：一第二複數個像素，形成具有至少兩行和兩列的一第二子陣列，以及一第二微透鏡，位於該第二複數個像素中的每個像素上方，並且與關於垂直於該第二子陣列並與該第二微透鏡的一頂表面的一第二局部極值相交的一第二軸線係旋轉非對稱； 該第一和該第二複數個像素為具有一像素陣列頂表面和一像素陣列中心的像素陣列的部分；該第二非對稱微透鏡PDAF檢測器比該第一非對稱微透鏡PDAF檢測器距像素陣列中心更遠；在該第一局部極值正下方的、該像素陣列頂表面上的位置與該第一子陣列的中心相距一第一距離；以及在該第二局部極值正下方的、該像素陣列頂表面上的位置與該第二子陣列的中心相距一第二距離，該第二距離超過該第一距離。
  6. 根據請求項第1項所述的影像感測器，其中該第一複數個像素分別具有位於其上的一濾光器，各該濾光器具有傳輸頻譜，該子陣列憑藉各該濾光器的該傳輸頻譜而具有相對於該像素子陣列的一中心的反射對稱性。
  7. 一種相位檢測自動聚焦(PDAF)成像系統，包括：一影像感測器，具有一第一非對稱微透鏡PDAF檢測器，該第一非對稱微透鏡PDAF檢測器包括：(a)一第一複數個像素，形成具有至少兩行和兩列的一第一子陣列，以及(b)一第一微透鏡，位於該複數個像素中的每個像素上方並且關於垂直於該第一子陣列的一軸線旋轉非對稱，該軸線與該第一微透鏡的頂表面的一第一局部極值相交；以及一影像資料處理單元，能夠接收來自該複數個像素中的每個像素的電信號並且根據接收的該等電信號生成一PDAF信號。
  8. 根據請求項第7項所述的PDAF成像系統，更包含一自動聚焦模組，該 自動聚焦模組能夠接收該PDAF信號並且生成表示在該影像感測器和具有與該影像感測器相交的一光軸線的一成像透鏡之間的一離焦度的一離焦信號。
  9. 根據請求項第7項所述的PDAF成像系統，在與該第一微透鏡相交並垂直於該第一子陣列的一頂表面的截面中，該第一微透鏡的一高度分佈具有多於一個局部最大值。
  10. 根據請求項第9項所述的PDAF成像系統，該第一子陣列為一二乘二的平面陣列，該高度分佈具有兩個局部最大值。
  11. 根據請求項第7項所述的PDAF成像系統，更包括：一第二非對稱微透鏡PDAF檢測器，包括：一第二複數個像素，形成具有至少兩行和兩列的一第二子陣列，以及一第二微透鏡，位於該第二複數個像素中的每個像素上方並且關於垂直於該第二子陣列並與該第二微透鏡的一頂表面的一第二局部極值相交的一第二軸線旋轉非對稱；該第一和該第二複數個像素為具有一像素陣列頂表面和一像素陣列中心的一像素陣列的部分；該第二非對稱微透鏡PDAF檢測器比該第一非對稱微透鏡PDAF檢測器距該像素陣列中心更遠；在該第一局部極值正下方的、該像素陣列頂表面上的位置與該第一子陣列的一中心相距一第一距離；在該第二局部極值正下方的、該像素陣列頂表面上的位置與該第二子陣列的一中心相距一第二距離，該第二距離超過該第一距離。
  12. 根據請求項第7項所述的PDAF成像系統， 該複數個像素分別具有位於其上的一濾光器，各該濾光器具有一傳輸頻譜，該子陣列憑藉各自的傳輸頻譜而具有相對於該像素子陣列的中心的反射對稱性。
  13. 一種用於形成鷗翼微透鏡的方法，包括：在一基板上形成一板，在該板中具有一孔；以及對該板進行回流。
  14. 根據請求項第13項所述的方法，該回流的步驟包括將該板加熱至在140℃和180℃之間的溫度。
  15. 根據請求項第13項所述的方法，該孔為一貫通孔。
  16. 根據請求項第13項所述的方法，其中(a)該基板在一影像感測器的一像素陣列上方，(b)該板覆蓋該像素陣列中的像素的二乘二陣列，並且(c)該像素陣列的中心、該孔和像素的該二乘二陣列的中心在同一直線上。
  17. 根據請求項第13項所述的方法，該板在該基板的一頂表面上形成並且具有不平行於該基板頂表面的一頂表面。
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