TWI437308B - 焦距偵測裝置、影像擷取器件及電子攝影機 - Google Patents

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Description

焦距偵測裝置、影像擷取器件及電子攝影機
本發明係關於一種焦距偵測裝置、一種影像擷取器件及一種電子攝影機，且更特定而言係關於一種用於一其中一使用一相差偵測方法之焦距偵測系統安裝於一影像擷取器件中之結構之焦距控制技術。
一反差偵測方法及一相差偵測方法已用作一用於一電子攝影機或諸如此類之焦距偵測技術。於該反差偵測方法中，使用一自一影像擷取器件輸出之影像信號來藉由使用一預定函數來評估並確定一由一影像擷取光學系統形成之物件影像之清晰度。調整該影像擷取光學系統於一光軸上之位置以使得該函數值接近一極值。於該相差偵測方法中，由通過該影像擷取光學系統之一出射光瞳之不同部分之各別光束形成兩個物件影像。偵測該兩個物件影像之間的一位置相差，並將其轉換成該影像擷取光學系統之一離焦量。根據該相差偵測方法，由於可確定離焦量，因此可以一與其中在沿光軸逐漸地移動該影像擷取光學系統之透鏡的同時確定評估函數值之反差偵測方法相比更短的時間建立一聚焦狀態。
根據相關技術之相差偵測方法，藉由一聚光透鏡將一通過該影像擷取光學系統之光束劃分成兩個光束，並致使如此獲得之兩個光束通過各別分光透鏡以致將該等光束聚焦在一偵測器件(除該影像擷取器件以外)上。此結構可藉由安裝一將該相差偵測方法用於該影像擷取器件本身之焦距偵測系統來加以省略(參見，例如，日本未經審查專利申請公開案第2001-83407號(圖18)及第2003-244712號(圖2))。
舉例而言，日本未經審查專利申請公開案第2001-83407號(圖18)推薦一種其中將每一像素之一光電轉換器(光電二極體)劃分成兩個光電轉換器部分以接收在一影像擷取光學系統之一出射光瞳之不同區處通過該出射光瞳之光束之技術。將由每一像素之該兩個光電轉換器部分所獲得之電荷信號與預先獲得之處於一聚焦狀態之電荷信號相比較。因此，執行使用該相差偵測方法之焦距偵測。
日本未經審查專利申請公開案第2003-244712號(圖2)推薦一種其中在提供有一濾色片且用於捕捉一影像之像素中不劃分一光電轉換器，但在不提供有濾色片且用於焦距偵測之像素中將該光電轉換器劃分成兩個光電轉換器部分之技術。在一影像捕捉操作中之讀取影像信號過程中，只使用來自提供有該濾色片之像素之電荷信號。在該焦距偵測過程中，只使用來自不提供有濾色片之像素之電荷信號。因此，執行使用該相差偵測方法之焦距偵測。
在根據相關技術之上述結構中，兩個光電轉換器部分安置於每一像素中以使得該等光電轉換器部分彼此分離。因此，在該兩個光電轉換器部分之間的區不用作一光接收部分，且此減小一單元像素之光接收區。因此，減小該等光電轉換器部分之最大可儲存電荷及動態範圍。儘管該等像素中之僅一些像素用於該焦距偵測，但圍繞用於該焦距偵測之像素中之光電轉換器部分之部分具有最複雜的結構。因此，在減小像素尺寸以增大像素數之情況下，該影像擷取器件中之最小像素尺寸受用於該焦距偵測之像素之尺寸限制。
鑒於上述情形，期望提供一種用於抑制其中一使用一相差偵測方法之焦距偵測系統安裝於一影像擷取器件中之結構中之一單元像素之光接收區之減小之技術。
根據本發明之一第一實施例，一種焦距偵測裝置包括：複數個第一類型像素，每一第一類型像素皆包括一光電轉換器、一第一光學構件及一第二光學構件，該光電轉換器經組態以接收來自一影像擷取光學系統之光並執行光電轉換，該第一及第二光學構件配置於一自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之光學路徑上且具有不同折射率，每一第一類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第一電荷信號；複數個第二類型像素，每一第二類型像素皆包括該光電轉換器、該第一光學構件及該第二光學構件，該第一及第二光學構件配置於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上以使得該第一與第二光學構件之間的位置關係不同於每一第一類型像素中之位置關係，每一第二類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第二電荷信號；及一成像狀態偵測器，其經組態以在該等第一電荷信號及該等第二電荷信號的基礎上偵測該影像擷取光學系統之一成像狀態。因此，在通過該影像擷取光學系統之光中，促成該等第一電荷信號之分量與促成該等第二電荷信號之分量彼此不同。
於第一實施例中，該等第一類型像素及該等第二類型像素中之每一者可進一步包括一位於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上之光收集單元，該光收集單元將來自該影像擷取光學系統之入射光收集於該光電轉換器上。該第一及第二光學構件安置於該光收集單元與該光電轉換器之間。因此，可高效地收集來自該影像擷取光學系統之光。另外，該第一及第二光學構件可經配置以使得一包括該第一及第二光學構件之單元與該光電轉換器之一整個本體相對，使得其中該第一及第二光學構件與該光電轉換器相對之區彼此不同，且使得該第一與第二光學構件不沿該影像擷取光學系統之一光軸方向彼此重疊，且該第一及第二光學構件可經配置以使得在每一第一類型像素中一介於該第一與第二光學構件之間的邊界之一位置及在每一第二類型像素中一介於該第一與第二光學構件之間的邊界之一位置位於一沿該光軸方向通過該光電轉換器之中心之軸之相對側處。因此，來自該影像擷取光學系統之不同區段之光分量可由該等第一類型像素及該等第二類型像素選擇性收集。
另外，於第一實施例中，該等第一類型像素及該等第二類型像素中之每一者可進一步包括一位於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上之光收集單元，該光收集單元將來自該影像擷取光學系統之入射光收集於該光電轉換器上，且該第一及第二光學構件可安置於該影像擷取光學系統與該光收集單元之間。因此，可將來自該影像擷取光學系統之光高效地收集於該光電轉換器上。
另外，於第一實施例中，該等第一類型像素及該等第二類型像素中之每一者可進一步包括一位於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上之光學濾光片，該光學濾光片選擇性透射具有一預定波長範圍之光。因此，可將入射於該等第一類型像素及該等第二類型像素上之光之波長限制在一預定波長範圍內。
另外，於第一實施例中，該等第一類型像素中之每一者可進一步包括位於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上之一第一光學濾光片或一第二光學濾光片，該第一光學濾光片選擇性透射具有一預定波長範圍之光，該第二光學濾光片選擇性透射具有另一預定波長範圍之光，且該等第二類型像素中之每一者可進一步包括位於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上之該第一光學濾光片或該第二光學濾光片。因此，可將入射於一些第一類型像素中上之光之波長及入射於其他第一類型像素上之光之波長限制在不同波長範圍內。另外，可將入射於一些第二類型像素上之光之波長及入射於其他第二類型像素上之光之波長限制在不同波長範圍內。
另外，於第一實施例中，該等第一類型像素及該等第二類型像素中之每一者可進一步包括一位於一介於一包括該第一光學構件及該第二光學構件之一單元與該光電轉換器之間的位置處之波導構件，該波導構件藉由反射將來自該影像擷取光學系統之入射光朝該光電轉換器方向導引。因此，可增大在通過該第一或第二光學構件之後入射於該光電轉換器上之光之光學路徑之長度。
另外，於第一實施例中，該第一及第二光學構件中之至少一者係由單晶矽、非晶矽、多晶矽、鍺、二氧化矽、氮化矽、矽氧烷、鎢、鋁或銅構成。因此，該第一光學構件或該第二光學構件可藉由執行一適當製造過程由單一材料形成。
另外，於第一實施例中，該第一及第二光學構件中之至少一者可在一面對該影像擷取光學系統之表面上提供有一由一光學材料製成之膜，該光學材料具有一低於該第一及第二光學構件中之至少一者之一內部區段之一反射比之反射比。因此，可將來自該影像擷取光學系統之光高效地收集於該光電轉換器上。
根據本發明之一第二實施例，一種焦距偵測裝置包括：複數個第一類型像素，每一第一類型像素皆包括：一光電轉換器，其經組態以接收來自一影像擷取光學系統之光並執行光電轉換；一光收集單元，其經組態以將來自該影像擷取光學系統之入射光收集於該光電轉換器上；及一光學層，其安置於一自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之光學路徑上，每一第一類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第一電荷信號；複數個第二類型像素，每一第二類型像素皆包括該光電轉換器、該光收集單元及安置於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上之該光學層，每一第二類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第二電荷信號；及一成像狀態偵測器，其經組態以在該等第一電荷信號及該等第二電荷信號的基礎上偵測該影像擷取光學系統之一成像狀態。該等第一類型像素及該等第二類型像素中之每一者皆進一步包括一具有一不同於該光學層之一折射率之折射率之光學構件。包括於該等第一類型像素及該等第二類型像素中之每一者中之該光學構件經安置以使得該光學構件之一周邊邊緣與一沿該影像擷取光學系統之該光軸方向通過該光電轉換器之中心之直線分離且使得該光學構件與該光電轉換器之僅一部分相對。該光學構件經安置以使得靠近該直線之該光學構件之一端於該等第一類型像素中之每一者中之一位置及靠近該直線之該光學構件之一端於該等第二類型像素中之每一者中之一位置位於該直線之相對側處。因此，來自該影像擷取光學系統之不同區段之光分量可由該等第一類型像素及該等第二類型像素選擇性收集。
於第二實施例中，該光學構件可在一面對該影像擷取光學系統之表面上提供有一由一光學材料製成之膜，該光學材料具有一低於該光學構件一內部區段之一反射比之反射比。因此，可將來自該影像擷取光學系統之光高效地收集於該光電轉換器上。
根據本發明之一第三實施例，一種焦距偵測裝置包括：複數個第一類型像素，每一第一類型像素皆包括：一光電轉換器，其經組態以接收來自一影像擷取光學系統之光並執行光電轉換、及一光學構件，其安置於一自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之光學路徑上以使得該光學構件與該光電轉換器之僅一部分相對，該光學構件具有一其中由具有不同折射率之光學材料製成之膜堆疊在一起之疊層結構，每一第一類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器接收之光量之第一電荷信號；複數個第二類型像素，每一第二類型像素皆包括該光電轉換器及該光學構件，該光學構件安置於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上以使得該光學構件與該光電轉換器之間的位置關係不同於每一第一類型像素中之位置關係，每一第二類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第二電荷信號；及一成像狀態偵測器，其經組態以在該等第一電荷信號及該等第二電荷信號的基礎上偵測該影像擷取光學系統之一成像狀態。因此，若該光學構件具有一適當形狀且經適當安置，則在通過該影像擷取光學系統之光中，促成該等第一電荷信號之分量與促成該等第二電荷信號之分量彼此不同。
於該第三實施例中，該光學構件可具有一其中由具有不同折射率之該等光學材料製成之該等膜交替堆疊以使得該等膜之疊層表面之一法線垂直於該影像擷取光學系統之該光軸方向之疊層結構。因此，傾斜地入射於該光學構件中之該等疊層表面上之光在通過該光學構件之後引起一相差。
根據本發明之一第四實施例，一種焦距偵測裝置包括：複數個第一類型像素，每一第一類型像素皆包括：一光電轉換器，其經組態以接收來自一影像擷取光學系統之光並執行光電轉換、一光學層，其安置於一自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之光學路徑上、一第一波導，其安置於該光學層中且具有一高於該光學層之一折射率之折射率、及一第二波導，其毗鄰該第一波導安置於該光學層中且具有一高於該第一波導之該折射率之折射率，每一第一類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第一電荷信號；複數個第二類型像素，每一第二類型像素皆包括：該光電轉換器、該光學層，其安置於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上、及該第一及第二波導，其彼此毗鄰安置於該光學層中以使得該第一及第二波導與該光電轉換器之間的位置關係不同於每一第一類型像素中之位置關係，每一第二類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第二電荷信號；及一成像狀態偵測器，其經組態以在該等第一電荷信號及該等第二電荷信號的基礎上偵測該影像擷取光學系統之一成像狀態。因此，在通過該影像擷取光學系統之光中，促成該等第一電荷信號之分量與促成該等第二電荷信號之分量彼此不同。
於第四實施例中，該等第一類型像素及該等第二類型像素中之每一者可進一步包括一位於該光學路徑上之光收集單元，該光收集單元將來自該影像擷取光學系統之入射光收集於該光電轉換器上，且該第一及第二波導可經配置以使得該第一類型像素中之該第一與第二波導之間的位置關係與該第二類型像素之該第一與第二波導之間的關係圍繞一沿該影像擷取光學系統之一光軸方向通過該光電轉換器之中心之軸彼此對稱。因此，來自該影像擷取光學系統之不同區段之光分量可由該等第一類型像素及該等第二類型像素選擇性收集。
根據本發明之一第五實施例，一種影像擷取器件包括：複數個第一類型像素，每一第一類型像素皆包括：一光電轉換器、一第一光學構件及一第二光學構件，該光電轉換器經組態以接收來自一影像擷取光學系統之光並執行光電轉換，該第一及第二光學構件配置於一自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之光學路徑上且具有不同折射率，每一第一類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第一電荷信號；複數個第二類型像素，每一第二類型像素皆包括：該光電轉換器、該第一光學構件及該第二光學構件，該第一及第二光學構件配置於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上以使得該第一及第二光學構件與該光電轉換器之間的位置關係不同於該第一類型像素中之位置關係，每一第二類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第二電荷信號；及複數個影像擷取像素，每一影像擷取像素皆包括該光電轉換器並輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第三電荷信號。因此，若該第一及第二光學構件經適當配置，則在通過該影像擷取光學系統之光中，促成該等第一電荷信號之分量與促成該等第二電荷信號之分量彼此不同。
根據本發明之一第六實施例，一種電子攝影機包括：複數個第一類型像素，每一第一類型像素皆包括：一光電轉換器、一第一光學構件及一第二光學構件，該光電轉換器經組態以接收來自一影像擷取光學系統之光並執行光電轉換，該第一及第二光學構件配置於一自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之光學路徑上且具有不同折射率，每一第一類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第一電荷信號；複數個第二類型像素，每一第二類型像素皆包括：該光電轉換器、該第一光學構件及該第二光學構件，該第一及第二光學構件配置於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上以使得該第一及第二光學構件與該光電轉換器之間的位置關係不同於每一第一類型像素中之位置關係，每一第二類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第二電荷信號；複數個影像擷取像素，每一影像擷取影像皆包括該光電轉換器並輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第三電荷信號；一信號處理器，其經組態以在該等第三電荷信號的基礎上產生影像資料；一成像狀態偵測器，其經組態以在該等第一電荷信號及該等第二電荷信號的基礎偵測該影像擷取光學系統之一成像狀態；及一焦距控制器，其經組態以在由該成像狀態偵測器所確定之成像狀態的基礎上調整該影像擷取光學系統之一透鏡位置以使得該透鏡位置接近一對焦位置。因此，在通過該影像擷取光學系統之光中，促成該等第一電荷信號之分量與促成該等第二電荷信號之分量彼此不同。
根據本發明之該等實施例，在其中一使用一相差偵測方法之焦距偵測系統安裝於一影像擷取器件中之結構中，沒有必要在用於該焦距偵測之像素中劃分該光電轉換器、因此，可防止一單元像素之光接收區之減小。
現將按以下次序來闡述本發明各實施例：
1.　第一實施例(一包括一提供有兩個具有不同折射率之濾光片之焦距偵測裝置之攝影機系統之實例)
2.　第二實施例(其中不提供濾色片之實例)
3.　第三實施例(其中不提供低折射率濾光片之實例)
4.　第四實施例(其中提供一疊層濾光片之實例)
5.　第五實施例(其中濾光片較一微透鏡更靠近一影像擷取光學系統安置之實例)
6.　第六實施例(其中額外提供一波導構件之實例)
7.　第七實施例(其中提供一中間折射率波導及一高折射率波導之實例)
8.　根據本發明各實施例之焦距偵測像素中之折射濾光片之配置之修改
9.　根據本發明各實施例之濾色片之配置之修改
10.根據本發明各實施例之一影像擷取器件中之焦距偵測像素之配置之修改
1.　第一實施例
攝影機系統之總結構
圖1係一根據本發明之一第一實施例之攝影機系統100之一方塊圖。攝影機系統100包括一可置換影像擷取透鏡單元200及一附裝至或插入於一電子攝影機400中之可置換記錄媒體300。
影像擷取透鏡單元200調整來自一物件之光量並在一包括於電子攝影機400中之影像擷取器件500中之一像素陣列平面上形成該物件之一光學影像。影像擷取透鏡單元200包括一影像擷取光學系統210、一光闌驅動機構220、一透鏡驅動機構230及一透鏡控制器240。
影像擷取光學系統210形成物件之光學影像。影像擷取光學系統210包括一收集來自物件之光之凸透鏡212、一調整通過其之光量之光闌214及一凹透鏡216。儘管為了簡明起見圖1中顯示僅兩個透鏡(212及216)，但實際上影像擷取光學系統210中通常包括更多透鏡。
透鏡控制器240具有以下兩個功能。第一個功能係藉由根據一來自一將在下文中闡述之影像擷取控制器422之命令控制光闌驅動機構220來調整光闌214從而滿足適當曝光條件。第二個功能係藉由根據一來自一將在下文中闡述之焦距控制器418之命令控制透鏡驅動機構230來調整凸透鏡212及凹透鏡216於影像擷取光學系統210上之位置從而建立一聚焦狀態。
於電子攝影機400中，影像擷取透鏡單元200在影像擷取器件500中之像素陣列平面上形成物件之光學影像。電子攝影機400產生物件影像之影像資料，並將所產生影像資料記錄於記錄媒體300上。電子攝影機400包括一快門406、影像擷取器件500、一A/D轉換器410、一類比信號處理器412、一時序產生器414、一快門驅動機構416、焦距控制器418、一成像位置偵測器420及影像擷取控制器422。電子攝影機400亦包括一液晶顯示器402、一液晶顯示器驅動電路404、一操作單元424、一系統匯流排426、一記錄單元428、一記憶體430及一影像處理器432。
影像擷取控制器422經由系統匯流排426來執行對電子攝影機400之系統控制。
快門406控制影像擷取器件500中之像素陣列平面之曝光時間，且包括一前簾及一後簾。
快門驅動機構416根據一來自影像擷取控制器422之命令控制快門406之前簾及後簾之移動。
時序產生器414根據一來自影像擷取控制器422之命令驅動影像擷取器件500。
影像擷取器件500接收來自影像擷取光學系統210之光並對所接收光執行光電轉換。影像擷取器件500包括複數個焦距偵測像素及許多影像擷取像素。焦距偵測像素輸出用於基於相差偵測方法之焦距偵測之電荷信號。在本說明書中所提及之「影像擷取像素」係不同於光學黑色像素且輸出在其基礎上產生影像資料之電荷信號之所謂有效像素。焦距偵測像素及影像擷取像素兩者根據由其所接收之光量來累積電荷，並輸出(類比)電荷信號。
類比信號處理器412使來自由影像擷取器件500所輸出之各別像素之電荷信號經歷一箝位過程、一靈敏度校正過程及類似過程。
在該等電荷信號經歷由類比信號處理器412所執行之過程之後，A/D轉換器410將來自該等像素之該等(類比)電荷信號轉換成數位信號。
影像處理器432自對應於自A/D轉換器410輸出之所有像素之數位信號提取對應於影像擷取像素之數位信號，並使所提取數位信號經歷一色彩內插過程及其他過程，由此產生影像資料。
記錄單元428將由影像處理器432所產生之影像資料記錄於記錄媒體300上。
液晶顯示器驅動電路404致使液晶顯示器402回應於一來自影像擷取控制器422之命令而顯示一對應於由影像處理器432所產生影像資料之影像。
液晶顯示器402在使用者等待合適瞬間來拍攝時顯示物件之一移動影像，且在捕獲物件之影像之後顯示一靜止影像。
系統匯流排426傳輸自A/D轉換器410輸出之數位信號、該影像資料、及由影像擷取控制器422所輸出之控制信號。
成像位置偵測器420在對應於來自焦距偵測像素之電荷信號之數位信號的基礎上偵測焦點平面於影像擷取光學系統210之光軸上之位置。
焦距控制器418藉由在由成像位置偵測器420偵測到之焦點平面之位置的基礎上經由透鏡控制器240控制透鏡驅動機構230來將該焦點平面移至影像擷取器件500之像素陣列平面。
記憶體430在使該影像資料經歷成為一預定格式之資料轉換或處理之前暫時儲存該影像資料。
操作單元424經提供以接收一來自使用者之操作輸入，且包括一曝光條件設定按鈕、一釋放按鈕等等(未顯示)。
根據本發明，一使用相差偵測方法之焦距偵測系統安裝於包括於影像擷取器件500中之焦距偵測像素中。本實施例之其他結構類似於一根據相關技術之攝影機系統之結構，且因此省略對其之說明。
成像位置偵測器420係技術方案中所述之一成像狀態偵測器之一實例。影像擷取器件500係技術方案中所示之一焦距偵測裝置之一實例。類比信號處理器412、A/D轉換器410及影像處理器432係技術方案中所述之一影像處理器之實例。
影像擷取器件中之像素配置
圖2係一圖解說明影像擷取器件500中之像素配置之示意平面圖。如由圖2之左上區段中之R、G及B所示，於影像擷取器件500中，除焦距偵測像素以外，對應於三原色(亦即，紅色(R)、綠色(G)及藍色(B))之像素配置呈一拜耳圖案。於圖2中，由陰影區段顯示之像素係選擇性接收藍色光之像素。另外，由以小圓點表示之灰色區段顯示之像素係選擇性接收紅色光之像素。另外，由空白區段顯示之像素係選擇性接收綠色光之像素。
於圖2中，中心像素行中標記為「UP」及「LW」之像素及中心像素列中標記為「RT」及「LT」之像素係焦距偵測像素。標記為「UP」之像素選擇性收集通過影像擷取光學系統210之一上部區段之光。類似地，標記為「LW」之像素選擇性收集通過影像擷取光學系統210之一下部區段之光，且標記為「LT」及「RT」之像素分別選擇性收集通過影像擷取光學系統210之一左側區段及一右側區段之光。儘管為了簡明起見圖2中顯示僅29列及45行像素，但實際上配置約一千萬個像素。
圖3係圖2之一局部放大圖，其圖解說明其中配置焦距偵測像素之中心像素行及位於中心像素行之左側上之兩個像素行。參照圖3，收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之五個焦距偵測像素將在下文給出之說明中稱作上部區段偵測像素501、502、503、504及505。類似地，收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光之五個焦距偵測像素將稱作下部區段偵測像素506、507、508、509及510。
影像擷取器件中之影像擷取像素之結構
圖4A係一對應於一綠色光分量之影像擷取像素之一示意剖面圖且圖4B係一顯示在光電二極體528之不同區處入射於影像擷取像素中之一光電二極體528上之光之強度之曲線圖。如圖4A中所示，該影像擷取像素經構造以使得一微透鏡522、一濾色片524、元素分離區526、光電二極體528及一氧化矽膜530形成於一矽基板(未顯示)上。
微透鏡522將來自影像擷取光學系統210之光收集於光電二極體528上。
濾色片524選擇性透射綠色光。
元素分離區526電分離光電二極體528與包圍區。
氧化矽膜530致使通過微透鏡522及濾色片524之光朝光電二極體528方向通過其。氧化矽膜530覆蓋光電二極體528與濾色片524之間的整個區並連續延伸於該等像素上。元素分離區526係藉由(例如)淺渠溝隔離(STI)或矽局部氧化(LOCOS)而形成。
圖4A中所示之光電二極體528沿圖2中所示像素陣列之行方向(垂直方向)均勻地劃分成三個區(其係一位於底部處之區A 528a、一位於中心處之區B 528b及一位於頂部處之區C 528c)。此等區界定用於說明入射光強度，且並非在實體上彼此劃分而是實際上彼此整體形成。此亦適用於將在下文中闡述之圖5A、7A、9及20。於圖4A中，帶圓圈的「-」符號顯示充當信號電荷之自由電子。然而，亦可藉由反轉光電二極體528及包圍區之導電率類型(N-型及P-型)提供電子電洞作為信號電荷。
於圖4A中，虛線顯示通過影像擷取光學系統210之一上部區段且入射於微透鏡522上之光Lα(此光在下文中有時簡稱為光Lα)之一光學路徑。另外，點劃線顯示通過影像擷取光學系統210之一下部區段且入射於微透鏡522上之光Lβ(此光在下文中有時簡稱為光Lβ)之一光學路徑。另外，帶有箭頭之實線顯示沿一平行於其光軸之方向入射於微透鏡522上之光之一光學路徑。該等線與該等光學路徑之間的上述關係亦適用於其他圖式。微透鏡522之光軸方向相同於影像擷取光學系統210之光軸方向。
通過影像擷取光學系統210之光由安置於每一像素中之微透鏡522折射且通過濾色片524。因此，將所透射光之波長限制在一介於綠色光之波長範圍內之波長範圍內。然後，通過濾色片524之光通過氧化矽膜530並入射於執行光電轉換之光電二極體528上。
此時，來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα由微透鏡522收集於光電二極體528之下部區段處之區A 528a中。類似地，來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ由微透鏡522收集於光電二極體528之上部區段處之區C 528c中。另外，沿一平行於其光軸之方向入射於微透鏡522上之光收集於區B 528b中。因此，如圖4B中所示，入射於光電二極體528上之光之強度在該影像擷取像素中之該三個區上係大致一致的。
光Lα、光Lβ及沿平行於其光軸之方向入射於微透鏡522上之光可彼此不同。然而，可假定在光沿某一方向發出，通過影像擷取光學系統210，且入射於一具有一(例如)幾千分尺之直徑(其對應於微透鏡522之直徑)之小區上之情況下該光之相位係大致一致的。因此，沿某一方向發出且通過微透鏡522之光之強度在通至光電二極體528之光學路徑中幾乎不因干涉而降低。
影像擷取器件中之焦距偵測像素之結構
圖5A係一收集通過影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之焦距偵測像素之一示意剖面圖。圖5B係一圖解說明在焦距偵測像素中之光電二極體528之不同區處入射於光電二極體528上之光之強度之曲線圖。
該影像擷取像素與該焦距偵測像素具有以下差別。亦即，該焦距偵測像素包括位於氧化矽膜530中之一低折射率濾光片550及一高折射率濾光片560。包括低折射率濾光片550及高折射率濾光片560之總單元經定位及成形從而與光電二極體528之整個本體相對。於本說明書中，措詞「相對」係指其中兩個元件彼此分離但當沿微透鏡522之光軸方向(與其上形成像素之矽基板(未顯示)之厚度方向及影像擷取光學系統210之光軸方向相同之方向)看去時彼此重疊之狀態。微透鏡522經安置以使得其光軸通過光電二極體528之中心(區B 528b之中心)。
光電二極體528係技術方案中所述之一光電轉換器之一實例。另外，低折射率濾光片550及高折射率濾光片560中之一者係技術方案中所述之一第一光學構件之一實例，且另一者係技術方案中所述一第二光學構件之一實例。微透鏡522係技術方案中所述一光收集單元之一實例。濾色片524係技術方案中所述之一光學濾光片之一實例。微透鏡522之光軸係「沿技術方案中所述之光軸方向通過光電轉換器之中心之軸」之一實例。
低折射率濾光片550及高折射率濾光片560具有相同之厚度，且經配置以使得其厚度方向相同於微透鏡522之光軸方向。於圖5A中所示之焦距偵測像素中，其中低折射率濾光片550與光電二極體528相對之區大於其中高折射率濾光片560與光電二極體528相對之區。
更特定而言，低折射率濾光片550與高折射率濾光片560之間的邊界安置於一滿足以下條件之位置處。亦即，光Lβ之全部通過低折射率濾光片550而不通過高折射率濾光片560且光Lα通過低折射率濾光片550及高折射率濾光片560兩者之條件。因此，低折射率濾光片550與高折射率濾光片560之間的邊界定位於微透鏡522之光軸下方(更靠近光電二極體528之區A 528a)。下文將闡述用於形成低折射率濾光片550及高折射率濾光片560之光學材料。
圖6係一圖解說明已通過低折射率濾光片550之光與已通過高折射率濾光片560之光之間的一相差之圖示。圖6之部分(a)、(b)及(c)中所示之該三個光波原先具有相同相位，如根據在圖6之左側上由點劃線包圍之區段很清楚。圖6之部分(b)顯示其中光不變地傳播通過單個媒體之情況以作比較之情況。
如圖6之部分(a)中所示，當光自某一媒體傳播至一具有一相對低的折射率之媒體(低折射率濾光片550)中時，光之波長在具有一相對低的折射率之媒體中相對增大。相反地，如圖6之部分(c)中所示，當光自該某一媒體傳播至一具有一相對高的折射率之媒體(高折射率濾光片560)中時，光之波長在具有一相對高的折射率之媒體中相對減小。
根據本實施例，當n1係低折射率濾光片550之一折射率，n2係高折射率濾光片560之一折射率，d係低折射率濾光片550及高折射率濾光片560之一厚度(nm)，且λ係光之一波長(nm)時，藉由使用上述特性來選擇折射率n1與n2及厚度d從而滿足以下方程式：
(n2-n1)×d=λ÷2　…(1)
因此，在其中通過微透鏡522之光以同一相位入射於低折射率濾光片550及高折射率濾光片560上之情況下，通過低折射率濾光片550之光之相位與通過高折射率濾光片560之光之相位彼此移位180°，如根據在圖6之右側上由虛線包圍之區段中之部分(a)及部分(c)中所示之透射波之間的比較很清楚。若具有相同波長、相同幅度及彼此移位180°之相位之光波彼此干涉，則光之強度降至零。
下面將在上述原理的基礎上進一步闡述圖5A及圖5B。儘管來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα在圖式中由兩條虛線顯示，但實際上收集該兩條虛線之間的區中之光。光Lα的約一半通過低折射率濾光片550，且剩下的一半通過高折射率濾光片560。因此，通過低折射率濾光片550之光Lα之部分之相位與通過高折射率濾光片560之光Lα之部分之相位彼此移位180°。因此，光之強度到光Lα入射於光電二極體528之區A 528a上時因干涉而降低。
若通過低折射率濾光片550之光Lα之部分之百分比等於通過高折射率濾光片560之光Lα之部分之百分比，則入射於光電二極體528之區A 528a上之光之強度理論上為零。然而，於圖5A中所示之焦距偵測像素中，低折射率濾光片550與高折射率濾光片560之間的邊界定經定位以使得光Lα的一半以上通過高折射率濾光片560。因此，入射於區A 528a上之光之強度不降至零。.
來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ由微透鏡522折射且通過僅低折射率濾光片550而不通過高折射率濾光片560。因此，不出現具有不同相位之光波之間的干涉，且不降低入射於光電二極體528之區C 528c上之光之強度。因此，於圖5A中所示之焦距偵測像素中，不收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα中之大部分，而選擇性收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ。圖5B顯示入射於光電二極體528之每一區上之光之強度。
不僅在氧化矽膜530中而且在光電二極體528中出現光Lα之干涉，此乃因矽(其係光電二極體528之材料)亦透射光。為吸收(例如)紅色光直至其強度降至一半為止，必須使紅色光抵達一距氧化矽膜530與光電二極體528之間的邊界3 μm之深度。因此，若光Lα為紅色光，則在光電二極體528中出現具有一180°之相差之光Lα之部分之間的干涉。在具有一短於紅色光之波長之波長之藍色光之情況下，吸收藍色光以使得其強度到藍色光抵達一距氧化矽膜530與光電二極體528之間的邊界0.3 μm之深度時降至一半。因此，光電二極體528中之藍色光之干涉度不如光電二極體528中之紅色光之干涉度大。
圖7係一收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα之焦距偵測像素之一示意剖面圖。圖7B係一圖解說明在焦距偵測像素中之光電二極體528之不同區處入射於光電二極體528上之光之強度之曲線圖。圖7A中所示之焦距偵測像素與收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之圖5A中所示之焦距偵測像素之間的差別僅在於尺寸及低折射率濾光片550及高折射率濾光片560之配置。類似於圖5A中所示之焦距偵測像素，包括低折射率濾光片550及高折射率濾光片560之總單元經定位從而與光電二極體528之整個本體相對，且低折射率濾光片550及高折射率濾光片560經配置以使得其厚度方向相同於微透鏡522之光軸方向。
於圖7A中所示之焦距偵測像素中，其中高折射率濾光片560與光電二極體528相對之區大於其中低折射率濾光片550與光電二極體528相對之區。更特定而言，低折射率濾光片550與高折射率濾光片560之間的邊界安置於滿足以下條件之位置處。
亦即，光Lα之全部通過高折射率濾光片560而不通過低折射率濾光片550且光Lβ通過低折射率濾光片550及高折射率濾光片560兩者之條件。因此，低折射率濾光片550與高折射率濾光片560之間的邊界在一與圖5A中所示之焦距偵測像素之位置對稱之位置處定位於圖7A中之微透鏡522之光軸上方。
來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα通過僅高折射率濾光片560。因此，不出現具有不同相位之光波之間的干涉，且不降低入射於光電二極體528之區A 528a上之光之強度。與此相反，來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ的約一半通過低折射率濾光片550，且剩下的一半通過高折射率濾光片560。因此，通過低折射率濾光片550之光Lβ之部分之相位與通過高折射率濾光片560之光Lβ之部分之相位彼此移位180°。因此，光之強度到光Lβ入射於光電二極體528之區C 528c上時因干涉而降低。因此，於圖7A中所示之焦距偵測像素中，選擇性收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα。圖7B顯示入射於光電二極體528之每一區上之光之強度。
收集圖7A中所示之光Lα之焦距偵測像素及收集圖7A中所示之光Lβ之焦距偵測像素中之一者係技術方案中所述之一第一類型像素之一實例，且另一者係技術方案中所述之一第二類型像素之一實例。
焦距偵測之原理
圖8A、圖8B及圖8C係圖解說明入射於焦距偵測像素上之光之強度之圖示。圖8A顯示其中焦點平面較影像擷取器件500之像素陣列平面更靠近影像擷取光學系統210定位之情況，亦即，在前焦點之情況下。圖8B顯示對焦狀態，且圖8C顯示其中焦點平面較像素陣列平面更靠近影像擷取器件500之內部定位之情況，亦即，在後焦點之情況下。為了簡明起見，影像擷取光學系統210在圖8A至8C中顯示為單個透鏡。
圖8A至8C中所示之上部區段偵測像素501至505(其亦由圖3中之各別參考編號表示)中之每一者皆具有收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα之圖7A中所示之焦距偵測像素之結構。類似地，圖8A至8C中所示之下部區段偵測像素506至510中之每一者皆具有收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之圖5A中所示之焦距偵測像素之結構。於圖8A、圖8B及圖8C中之每一者中，左側曲線圖顯示入射於下部區段偵測像素506至510上之光之強度且右側曲線圖顯示入射於上部區段偵測像素501至505上之光之強度。
於以下說明中，設定由影像擷取光學系統210之光軸上之一亮點(未顯示)發出之光入射於影像擷取光學系統210上。於圖8A至8C中，為了簡明起見，只顯示沿三個方向入射之光線，亦即來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα、來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ及沿影像擷取光學系統210之光軸方向傳播之光Lγ。沿各別方向傳播之光Lα、光Lβ及光Lγ由影像擷取光學系統210折射且入射於影像擷取器件500上。
若調整包括於影像擷取光學系統210中之凸透鏡212及凹透鏡216之位置以使得光聚焦於影像擷取器件500之像素陣列平面上，則如圖8B中所示獲得入射於上部區段偵測像素501至505及下部區段偵測像素506至510上之光之強度。
上部區段偵測像素503與下部區段偵測像素508之間的像素係定位於影像擷取器件500中之像素陣列之中心處之像素，亦即，位於影像擷取光學系統210之光軸上之像素。光Lα、光Lβ及光Lγ由影像擷取光學系統210折射且收集於光軸上之像素處。因此，入射光強度在上部區段偵測像素503及下部區段偵測像素508中為高，且隨著距光軸上之像素之距離增大而減小。此乃因儘管光Lα、光Lβ及光Lγ理想地收集於光軸處，但其實際上因影像擷取光學系統210之像差而稍微發散。
沿光軸方向傳播之光Lγ大體上收集於光軸上之像素處而不管系統是否處於前焦點狀態或後焦點狀態。
在前焦點之情況下，來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα大體上收集於定位於光軸上之像素下方之上部區段偵測像素504處。因此，入射光強度在上部區段偵測像素504處為高。另外，來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ大體上收集於定位於光軸上之像素上方之下部區段偵測像素507處。因此，入射光強度在下部區段偵測像素507處為高。因此，在前焦點之情況下，如圖8A中所示獲得入射於上部區段偵測像素501至505及下部區段偵測像素506至510上之光之強度。
在後焦點之情況下，來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα大體上收集於下部區段偵測像素507處。然而，下部區段偵測像素507不收集光Lα。因此，入射光強度在靠近下部區段偵測像素507之上部區段偵測像素502及503處增大。類似地，儘管來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ大體上收集於上部區段偵測像素504處，但上部區段偵測像素504不收集光Lβ。因此，入射光強度在靠近上部區段偵測像素504之下部區段偵測像素508及509處增大。因此，如圖8C中所示獲得入射於上部區段偵測像素501至505及下部區段偵測像素506至510上之光之強度。因此，可藉由偵測上部區段偵測像素501至505及下部區段偵測像素506至510之中對應於最大入射光強度之像素之位置來確定系統是否處於前焦點或後焦點中及離焦度。
焦距偵測操作之實例
現將參照根據圖1中所示之本實施例之攝影機系統100之方塊圖來闡述一焦距偵測操作。在影像擷取操作之前，影像擷取控制器422及焦距控制器418經由電接觸單元(未顯示)來與透鏡控制器240通信以獲得影像擷取透鏡單元200特有之資訊以及當前透鏡位置及光闌位置之資訊。
當一移動影像顯示於液晶顯示器402上時(例如，當使用者等待合適瞬間來拍攝時)，使影像擷取器件500曝露在光下並執行以下過程。
亦即，影像擷取控制器422控制時序產生器414並執行一其中以一預定時間間隔輸出累積於包括於影像擷取器件500中之像素(焦距偵測像素及影像擷取像素)中之每一者中之光電二極體528中之電荷作為電荷信號之電子快門操作。來自各別像素讀取之電荷信號經歷由類比信號處理器412執行之箝位過程、靈敏度校正過程等等，由A/D轉換器410會聚成數位信號，且輸出至系統匯流排426。
成像位置偵測器420自對應於該等像素之全部之數位信號提取對應於焦距偵測像素之數位信號。
接下來，成像位置偵測器420偵測收集光Lα之焦距偵測像素(圖2中標記為「UP」之像素)群組及收集光Lβ之焦距偵測像素(圖2中標記為「LW」之像素)群組中之每一者中一對應於最大信號值之像素之位置。成像位置偵測器420在各別群組中對應於最大信號值之像素之位置之間的差別的基礎上偵測焦點平面沿影像擷取光學系統210之光軸之位置。
亦可藉由偵測一收集來自影像擷取光學系統210之左側區段之光之焦距偵測像素群組及一收集來自影像擷取光學系統210之左側區段之光之焦距偵測像素群組中之每一者中一對應於最大信號值之像素之位置來偵測焦點平面之位置。收集來自影像擷取光學系統210之右側區段之光之焦距偵測像素係圖2中標記為「RT」之像素，且收集來自影像擷取光學系統210之左側區段之光之焦距偵測像素係圖2中標記為「LT」之像素。
焦距控制器418在由成像位置偵測器420所確定之焦點平面之位置的基礎上藉由使用透鏡控制器240來控制透鏡驅動機構230，且由此將凸透鏡212及凹透鏡216之位置調整至對焦位置。
影像處理器432自對應於該等像素之全部之數位信號提取對應於影像擷取像素之數位信號並使所提取數位信號經歷色彩內插過程及其他過程，由此產生影像資料。影像擷取控制器422控制液晶顯示器驅動電路404以致使液晶顯示器402顯示一對應於影像資料之影像。
自收集光Lα之焦距偵測像素輸出之電荷信號及自收集光Lβ之焦距偵測像素輸出之電荷信號分別係技術方案中所述之第一電荷信號及技術方案中所述之第二電荷信號之實例，反之亦然。自影像擷取器件500中之影像擷取像素輸出之信號電荷係技術方案中所述之第三電荷信號之一實例。
本實施例之優點
因此，根據本發明之第一實施例，低折射率濾光片550與高折射率濾光片560彼此緊鄰配置從而與每一焦距偵測像素中之光電二極體528之整個本體相對。因此，在通過影像擷取光學系統210之上部或下部區段之後通過低折射率濾光片550之光及通過高折射率濾光片560之光具有彼此移位180°之相位，且因此彼此干涉從而彼此抵消。
因此，可簡單地藉由改變低折射率濾光片550與高折射率濾光片560之間的邊界之位置選擇性形成用於偵測光Lα之焦距偵測像素及用於偵測光Lβ之焦距偵測像素。
因此，沒有必要在單個焦距偵測像素中提供兩個光電二極體。因此，沒有必要在該等光電二極體之間形成一分離區。由於可有效地使用像素區，因此焦距偵測像素中之光電二極體之開口區可與相關技術中之開口區相比增大。此增大每一焦距偵測像素中之光電二極體528中之最大累積電荷量及焦距偵測像素相對於光之靈敏度。因此，可增大焦距偵測之準確度。
致使每一焦距偵測像素偵測僅來自影像擷取光學系統210之上部、下部、左側及右側區段中之一者之光。單獨地提供對應於影像擷取光學系統210之該四個區段之四種類型之焦距偵測像素。因此，不同於相關技術之結構，沒有必要依次自每一焦距偵測像素中之兩個光電二極體讀取電荷信號。因此，可增大焦距偵測之速度。
另外，由於每一焦距偵測像素皆具有一其中簡單地配置具有不同折射率之低折射率濾光片550及高折射率濾光片560之簡單結構，因此像素尺寸之減小不受焦距偵測像素之結構嚴格限制。
低折射率濾光片及高折射率濾光片之光學材料
表1顯示可用於製造低折射率濾光片550及高折射率濾光片560之光學材料。該等光學材料係按相對於綠色光之折射率之降序列出。作為參考，形成氧化矽膜530之二氧化矽(SiO2 )之折射率顯示於底部一列處。
儘管未列出於表1中，但矽氧烷係可用於形成低折射率濾光片550或高折射率濾光片560之另一種光學材料、對於列出於表1中之矽，可使用單晶矽、非晶矽及多晶矽中之任何一者。可自表1選擇可用以將滿足方程式(1)之膜厚度d設定在一適當範圍內之具有不同折射率之兩種光學材料作為低折射率濾光片550及高折射率濾光片560之光學材料。
上文所提及之「適當範圍」係一使得可在影像擷取器件500之製造過程中可靠地製造低折射率濾光片550及高折射率濾光片560且使得低折射率濾光片550及高折射率濾光片560之光透射比高到足以保證焦距偵測像素之光靈敏度之厚度範圍。此乃因透射比視光學材料隨膜厚度增大而減小。可在表1中所示之消光係數k的基礎上確定該等光學材料相對於每一色彩之光之透射比。下文將在一第三實施例中對此進行更詳細闡述。
表1中所列出之電漿氮化矽(P-SiN)僅僅係氮化矽(Si3 N4 )之一實例。可用作低折射率濾光片550或高折射率濾光片560之一材料之氮化矽不侷限於電漿氮化矽。
對本實施例之補充說明
根據第一實施例，在影像擷取器件500中配置呈一拜耳圖案之三原色之像素中之一些像素用作焦距偵測像素。然而，本發明不侷限於此實施例。本發明亦可應用於其中像素配置呈一所謂蜂巢圖案之情況或其中配置互補色之像素之情況。
於該拜耳圖案中，對應於綠色光分量之兩個像素包括於一含有四個像素之單元中。因此，可藉由將一包括於該兩個像素中之一者中之濾色片改變至一選擇性透射紅色光或藍色光之濾光片來形成一焦距偵測像素。在此一情況下，即使沒有綠色光由物件發出，亦可準確地執行焦距偵測。
現將闡述低折射率濾光片550與高折射率濾光片560之間的面積比。收集來自圖5A中所示之影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα之焦距偵測像素將被視為一實例。在此種情況下，可將其中低折射率濾光片550與光電二極體528相對之區對其中高折射率濾光片560與光電二極體528相對之區之比設定至(例如)當沿微透鏡522之光軸方向看去時3:1。
在此種情況下，於光電二極體528之下半部中(亦即，於圖5A中之區B 528b之下半部及區A 528a之整個區段中)，其中低折射率濾光片550及高折射率濾光片560與光電二極體528相對之區之間的比為1:1。因此，通過影像擷取光學系統210之上部區段且入射於焦距偵測像素上之光的一半通過低折射率濾光片550，且剩下的一半通過高折射率濾光片560。因此，通過低折射率濾光片550之光及通過高折射率濾光片560之光彼此抵消，且可收集僅來自影像擷取光學系統210之下部區段之光。因此，可容易簡單地藉由改變低折射率濾光片550與高折射率濾光片560之間的邊界之位置或低折射率濾光片550與高折射率濾光片560之間的面積比來調整入射於焦距偵測像素上之光之強度。
2.　第二實施例
根據下文所述之第二至第七實施例之攝影機系統與根據第一實施例之攝影機系統的不同之處僅在於包括於影像擷取器件中之焦距偵測像素之結構。因此，將僅對與第一實施例之差別進行闡述。
圖9係一包括於根據第二實施例之攝影機系統中之影像擷取器件中之一焦距偵測像素之一示意剖面圖。該焦距偵測像素收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ。儘管未顯示於圖式中，但收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα之焦距偵測像素經構造以使得低折射率濾光片550及高折射率濾光片560相對於微透鏡522之光軸與圖9中所示之低折射率濾光片550及高折射率濾光片560對稱配置。
如根據圖9與圖5A之間的比較很清楚，第二實施例與第一實施例的不同之處在於移除濾色片524。在此種情況下，具有各種波長之光入射於焦距偵測像素上。形成低折射率濾光片550及高折射率濾光片560之兩種類型之光學材料之折射率根據波長而不同。換言之，當入射光之波長增大時，更難以準確地將通過低折射率濾光片550之光與通過高折射率濾光片560之光之間的相差設定至180°。因此，較佳地，如同在第一實施例中一樣提供濾色片。然而，亦可藉由本實施例之結構來獲得類似於第一實施例之效果。
3.　第三實施例
焦距偵測像素之結構
儘管在第一及第二實施例中使用低折射率濾光片550及高折射率濾光片560兩者，但此並非係必要的。若可在高折射率濾光片560與包圍高折射率濾光片560之氧化矽膜530之間的折射率差的基礎上將通過高折射率濾光片560之光與不通過高折射率濾光片560之光之間的相差設定至180°，則可省略低折射率濾光片550。基於類似原理，該結構亦可係如此以致省略高折射率濾光片560且藉由使用低折射率濾光片550將相差設定至180°。
然而，如根據表1很清楚，通常用於半導體中且具有一相對低的折射率之光學材料不具有一與形成層間絕緣膜之二氧化矽之大折射率差。另外，具有一與二氧化矽之大折射率差之諸多光學材料具有一高消光係數。因此，入射於一光學材料上之光無法可靠地抵達光電二極體528。為保證焦距偵測像素之光靈敏度，較佳選擇一具有一低消光係數之光學材料。
圖10A及圖10B係圖解說明收集來自包括於根據本發明之第三實施例之攝影機系統中之影像擷取器件中之影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα之焦距偵測像素之示意剖面圖。可應用圖10A及圖10B中所示結構中之任何一者。
圖10A顯示其中高折射率濾光片560與光電二極體528相對之區大於光電二極體528之開口區的一半以致來自影像擷取光學系統210之光Lα之全部通過高折射率濾光片560之結構。圖10B顯示其中高折射率濾光片560與光電二極體528相對之區小於光電二極體528之開口區的一半以致來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα概不通過高折射率濾光片560之結構。
於上述結構中之任何一者中，來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之僅一部分通過高折射率濾光片560。另外，於上述結構中之任何一者中，靠近光電二極體528之區B 528b之高折射率濾光片560之一端定位於微透鏡522之光軸上方。
根據本實施例之微透鏡522之光軸係技術方案中所述之「沿影像擷取光學系統之光軸方向通過光電轉換器之中心之軸」之一實例。
圖11A及圖11B係圖解說明收集來自包括於根據本發明之第三實施例之攝影機系統中之影像擷取器件中之影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之焦距偵測像素之示意剖面圖。可應用圖11A及圖11B中所示之結構中之任何一者。
圖11A顯示其中高折射率濾光片560與光電二極體528相對之區小於光電二極體528之開口區的一半以致來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ概不通過高折射率濾光片560之結構。圖11B顯示其中高折射率濾光片560與光電二極體528相對之區大於光電二極體528之開口區的一半以致來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之全部通過高折射率濾光片560之結構。
於上述結構中之任何一者中，來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα之僅一部分通過高折射率濾光片560。另外，於上述結構中之任何一者中，靠近光電二極體528之區B 528b之高折射率濾光片560之一端定位於微透鏡522之光軸下方。
高折射率濾光片之光學材料及透射比
在其中包括於圖10A、圖10B、圖11A及圖11B中所示之焦距偵測像素中之每一者中之高折射率濾光片560係由電漿氮化矽製成之情況下，可按下述方式來獲得可藉以將通過高折射率濾光片560之光與不通過高折射率濾光片560之光之間的相差設定至180°之膜厚度d。亦即，可按下述方式藉由將電漿氮化矽之折射率、形成包圍高折射率濾光片560之氧化矽膜530之二氧化矽之折射率及綠色光(550 nm)之波長代入方程式(1)來獲得膜厚度d：
d=λ/{(n2-n1)×2}=550/{(2.04-1.45)×2}=466 nm
如表1中所示，電漿氮化矽相對於綠色光之消光係數k大致為0。因此，入射於高折射率濾光片560上之光之大致全部通過其並抵達光電二極體528。因此，焦距偵測像素之光靈敏度不因高折射率濾光片560之存在而降低且沒有實際問題因高折射率濾光片560而引起。
作為另一實例，將闡述當高折射率濾光片560係由矽製成時所獲得之透射比。在此種情況下，按下述方式以一類似方法獲得可藉以針對綠色光將相差設定至180°之膜厚度d：
d=λ/{(n2-n1)×2}=550/{(4.08-1.45)×2}=104.5 nm
如表1中所示，矽相對於綠色光之消光係數k為0.03。因此，在其中如上文所述將高折射率濾光片560之膜厚度d設定至104.5 nm之情況下，可按下述方式來獲得針於綠色光之高折射率濾光片560之透射比(反射忽略不計)：
I/Io=指數{-4×π×k×(d/λ)}=指數{-4×π×0.03×(104.5/550)}=0.93
其中Io係入射光強度且I係透射光強度。
類似地，按下述方式來獲得可藉以針對藍色光(波長450 nm，其在下文中省略)將相差設定至180°之膜厚度d及對應於膜厚度d之藍色光透射比(反射忽略不計)：
d=450/{(4.69-1.45)×2}=69.4 nmI/Io=指數{-4×π×0.151×(69.4/450)}=0.746
類似地，按下述方式來獲得可藉以針對紅色光(波長650 nm，其在下文中省略)將相差設定至180°之膜厚度d及對應於膜厚度d之紅色光透射比(反射忽略不計)：
d=650/{(3.85-1.45)×2}=135.4 nmI/Io=指數{-4×π×0.017×(135.4/650)}=0.956
因此，若綠色光、藍色光或紅色光入射於具有上述對應厚度d之高折射率濾光片560上，則93%的綠色光、74.6%的藍色光或95.6%的紅色光分別通過高折射率濾光片560並抵達光電二極體528。若透射比介於上述值中之任何一者範圍內，則焦距偵測像素之光靈敏度不因高折射率濾光片560之存在而降低且沒有實際問題因高折射率濾光片560而引起。
第三實施例之修改
在其中矽用作高折射率濾光片560之情況下，存在反射比將在矽表面處增大且抵達光電二極體528之光量將相應減小之風險。在此一情況下，可藉由堆疊由光學材料製成之複數個膜(例如，藉由在矽表面上形成一抗反射膜563以減小反射比)來形成一高折射率濾光片561。將參照圖12A及12B來闡述第三實施例之此一修改。
圖12A係一包括具有一分層結構之高折射率濾光片561之焦距偵測像素之一示意剖面圖，該分層結構包括上述抗反射膜563。該焦距偵測像素收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα。該焦距偵測像素具有除抗反射膜563提供於高折射率濾光片561之表面上以外與圖10A中所示之結構相同之結構。
如圖12A中所示，高折射率濾光片561包括一高折射率濾光片層562及提供於高折射率濾光片層562面對微透鏡522之表面上之抗反射膜563。高折射率濾光片層562由朝右側向上傾斜之線顯示，且抗反射膜563由一以小圓點表示之灰色區顯示。
高折射率濾光片層562經提供以將通過其之光與不通過其但通過包圍高折射率濾光片層562之氧化矽膜530之光之間的相差設定至180°。換言之，形成高折射率濾光片層562之光學材料之折射率及高折射率濾光片層562之膜厚度d滿足方程式(1)。抗反射膜563可由(例如)氮化矽(Si3 N4 )製成。氮化矽(Si3 N4 )膜之反射比根據其厚度及入射光之波長變化。因此，膜厚度d較佳經設定以使得反射比可根據入射光之波長減小。抗反射膜563係技術方案中所述之一由一光學材料製成之膜之一實例。氧化矽膜530係技術方案中所述之一光學層之一實例。
圖12B係一收集來自包括抗反射膜563之上述結構中之影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之焦距偵測像素之一示意剖面圖。圖12B中所示之焦距偵測像素與圖12A中所示之焦距偵測像素之差別在於其中高折射率濾光561與光電二極體528相對之區小於光電二極體528之開口區的一半之區。更特定而言，於圖12B中所示之焦距偵測像素中，來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ概不通過高折射率濾光片561，且來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα之僅一部分通過高折射率濾光片561。
第三實施例亦提供類似於第一實施例之效果。儘管本實施例中不提供濾色片，但亦可提供一濾色片以限制入射光之波長範圍，如同在第一實施例中一樣。
抗反射膜563亦可應用於其中如同在第一實施例中一樣提供低折射率濾光片550及高折射率濾光片560兩者之情況，且圖13A及圖13B顯示此一結構之一實例。圖13A係一收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα之焦距偵測像素之一示意剖面圖。圖13B係一收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之焦距偵測像素之一示意剖面圖。圖13A及圖13B中所示之焦距偵測像素與圖5A及圖7A中所示之第一實施例焦距偵測像素的不同之處僅在於一低折射率濾光片551及一高折射率濾光片564之結構。
參照圖13A，低折射率濾光片551包括一低折射率濾光片層552及一提供於低折射率濾光片層552面對微透鏡522之表面上之抗反射膜553。於圖13A中，低折射率濾光片層552由朝右側向下傾斜之線顯示，且抗反射膜553由一空白區顯示。高折射率濾光片564包括一高折射率濾光片層565及一提供於高折射率濾光片層565面對微透鏡522之表面上之抗反射膜567。於圖13A中，高折射率濾光片層565由朝右側向上傾斜之線顯示，且抗反射膜567由一以小圓點表示之灰色區顯示。
低折射率濾光片551及高折射率濾光片564彼此緊鄰配置以使得不在抗反射膜553及567面對微透鏡522之表面之間形成階梯。低折射率濾光片層552與高折射率濾光片層565具有相同厚度，且抗反射膜553與抗反射膜567亦具有相同厚度。因此，低折射率濾光片層552及高折射率濾光片層565經安置以使得不在其面對光電二極體528之表面之間形成階梯。此乃因若在該等表面之間存在一階梯，則光學路徑在該階梯處改變且可能難以可靠地提供收集僅來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα之功能。
低折射率濾光片層552及高折射率濾光片層565之光學材料及厚度經確定以使得可在方程式(1)的基礎上將通過低折射率濾光片層552之光與通過高折射率濾光片層565之光之間的相差設定至180°。類似於上述實例，抗反射膜553及567可由(例如)氮化矽(Si3 N4 )製成。包括於圖13A中所示之焦距偵測像素中之濾色片524選擇性透射綠色光。因此，抗反射膜553及567之厚度較佳經設定以使得可減小介於綠色光之波長範圍內之波長範圍之反射比。
低折射率濾光片551及高折射率濾光片564相對於微透鏡522及光電二極體528之位置類似於第一實施例中所述之位置。更特定而言，低折射率濾光片551與高折射率濾光片564之間的邊界定位於圖13A中之微透鏡522之光軸上方。
相反地，低折射率濾光片551與高折射率濾光片564之間的邊界如圖13B中所示定位於微透鏡522之光軸下方，以形成收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之焦距偵測像素。
4.　第四實施例
圖14係一包括於一根據本發明之一第四實施例之攝影機系統中之影像擷取器件中之一焦距偵測像素之一示意剖面圖。圖14中所示之焦距偵測像素收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα。第四實施例與第三實施例的不同之處僅在於代替高折射率濾光片560提供一疊層濾光片570。
疊層濾光片570係藉由交替堆疊由具有不同折射率之兩種類型之光學材料製成之層以使得該等層之間的邊界表面平行於微透鏡522之光軸(亦即，使得疊層表面之法線垂直於微透鏡522之光軸方向)而形成。
疊層濾光片570經定位以使得在來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之全部通過疊層濾光片570之條件下其中疊層濾光片570與光電二極體528之區B 528b相對之區在沿微透鏡522之光軸方向看去時最小化。來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之大部分沿一相對於微透鏡522之光軸傾斜之方向入射於疊層濾光片570上。入射光通過疊層濾光片570中由一具有一高折射率之光學材料製成之層及由一具有一低折射率之光學材料製成之層兩者。
因此，一相差隨著來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ通過疊層濾光片570中具有不同折射率之層而由光Lβ引起，且到光Lβ抵達光電二極體528時因干涉而減小。因此，當疊層濾光片570之總厚度(沿微透鏡522之光軸方向之厚度)為d時，該兩種類型之層之光學材料較佳經選擇從而滿足方程式(1)。於本實施例中，因上述結構，故所透射光之相差接近180°。因此，可以可靠地減小來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ。
來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα除一圍繞微透鏡522之光軸之區以外不通過疊層濾光片570。因此，光Lα大體上收集於光電二極體528之區C 528c處。因此，圖14中所示之焦距偵測像素用來收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα。
儘管未顯示於圖式中，但一收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之焦距偵測像素經構造以使得疊層濾光片570相對於微透鏡522之光軸與圖14中所示之像素結構中之疊層濾光片對稱配置。換言之，疊層濾光片570經安置以使得疊層濾光片570與光電二極體528之區B 528b及區A 528a之下半部相對。本實施例亦提供類似於第一實施例之效果。
儘管本實施例中不提供濾色片，但亦可提供一濾色片以限制入射光之波長範圍，如在第一實施例中一樣。
另外，儘管疊層濾光片570係由以具有不同折射率之兩種類型之光學材料製成之層構成，但疊層濾光片570亦可由以具有不同折射率之三種或更多種類型之光學材料製成之層構成，只要可在所透射光中引起一約180°之相差。
疊層濾光片570係技術方案中所述之一光學構件之一實例。
5.　第五實施例
圖15係一包括於一根據本發明之一第五實施例之攝影機系統中之影像擷取器件中之一焦距偵測像素之一示意剖面圖。第五實施例與第二實施例的不同之處在於一低折射率濾光片556及一高折射率濾光片566安置於與氧化矽膜530相對之微透鏡522之一側處。由於低折射率濾光片556及高折射率濾光片566較具有一光收集功能之微透鏡522更靠近影像擷取光學系統210安置，因此低折射率濾光片556及高折射率濾光片566之尺寸較佳大於第二實施例中之尺寸。
圖15中所示之焦距偵測像素收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ。低折射率濾光片556與高折射率濾光片566之間的邊界處於微透鏡522之光軸上方。儘管未顯示於圖式中，但一收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα之焦距偵測像素經構造以使得低折射率濾光片556及高折射率濾光片566相對於微透鏡522之光軸與圖15中所示之像素結構對稱配置。
本實施例亦提供類似於第一實施例之效果。儘管本實施例中不提供濾色片，但亦可提供一濾色片以限制入射光之波長範圍，如在第一實施例中一樣。
6.　第六實施例
圖16係一包括於一根據本發明之一第六實施例之攝影機系統中之影像擷取器件中之一焦距偵測像素之一示意剖面圖。第六實施例與圖7A中所示之第一實施例的不同之處在於移除濾色片524且提供一波導構件580。
波導構件580安置於包括低折射率濾光片550及高折射率濾光片560之單元與光電二極體528之間。儘管圖16中僅顯示波導構件580之剖面圖，但波導構件580實際上具有一其中其開口直徑在微透鏡-522側處為大且在光電二極體-528側處為小之空心形狀。位於透鏡-522側處之波導構件580之開口區較佳經設定以使得來自微透鏡522之所有光皆進入波導構件580，如同在本實施例中一樣。在此一情況下，可增大焦距偵測像素之光靈敏度。波導構件580具有一由一具有高反射比之光學材料製成之內表面，且藉由反射將通過低折射率濾光片550及高折射率濾光片560之光大體上朝光電二極體528之區B 528b方向導引。
低折射率濾光片550與高折射率濾光片560之間的邊界經定位以使得光Lα之全部通過高折射率濾光片560而不通過低折射率濾光片550且光Lβ通過低折射率濾光片550及高折射率濾光片560兩者。
來自影像擷取光學系統210之光Lα通過僅高折射率濾光片560，以致在透射光中不出現相差。因此，光Lα由波導構件580之內表面反射且抵達光電二極體528之區B 528b而不因干涉而減小。
光Lβ通過低折射率濾光片550及高折射率濾光片560兩者，以致出現一180°之相差。光Lβ在抵達光電二極體528之前由波導構件580之內表面反射。因此，至光電二極體528之光學路徑長於第一實施例中之光學路徑。由於光學路徑更長，因此光Lβ因干涉而減小之量大於第一實施例之量。因此，來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ大致概不抵達光電二極體528。因此，圖16中所示之焦距偵測像素收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα。
儘管未顯示於圖式中，但一收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之焦距偵測像素經構造以使得低折射率濾光片550及高折射率濾光片560相對於微透鏡522之光軸與圖16中所示之像素結構中之低折射率濾光片550及高折射率濾光片560對稱配置。
本實施例亦提供類似於第一實施例之效果。
儘管本實施例中不提供濾色片，但亦可提供一濾色片以限制入射光之波長範圍，如同在第一實施例中一樣。
本實施例之技術思想係藉由波導構件580之內表面之反射來增大來自微透鏡522之光之光學路徑，從而可增大具有一相差之光之干涉。因此，波導構件580較佳經成形以使得其開口直徑在微透鏡-522側處為大且在光電二極體-528側處為小。於此一情況下，通過微透鏡522之光收集於光電二極體528中之一局部區處。此區如同在本實施例中一樣不侷限於區B 528b，且亦可係區A 528a或區C 528c。
7.　第七實施例
圖17係一包括於一根據本發明之一第七實施例之攝影機系統中之影像擷取器件中之一焦距偵測像素之一示意剖面圖。第七實施例與第一實施例的不同之處在於代替低折射率濾光片550及高折射率濾光片560提供一中間折射率波導590及一高折射率波導592，且移除濾色片524。
中間折射率波導590及高折射率波導592呈具有一梯形截面之大致相同形狀且彼此緊密接觸。中間折射率波導590與高折射率波導592之間的邊界定位於微透鏡522之光軸上。氧化矽膜530提供於中間折射率波導590與光電二極體528之間，但不提供於高折射率波導592與光電二極體528之間。
中間折射率波導590及高折射率波導592中之每一者之截面在微透鏡-522側處為大且在光電二極體-528側處為小。中間折射率波導590及高折射率波導592中之每一者之截面在微透鏡-522側處較佳大到足以允許所有來自微透鏡522之光皆進入中間折射率波導590或高折射率波導592，如同在本實施例中一樣。在此一情況下，可增大焦距偵測像素之光靈敏度。
高折射率波導592藉由內部反射將來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα大體上朝光電二極體528之區B 528b方向導引。通常，當光自一具有一低折射率之媒體傳播至一具有一高折射率之媒體時，入射於具有一高折射率之媒體上之光之一部分大於由該兩個媒體之間的邊界反射之光之一部分。相反地，當光自一具有一高折射率之媒體傳播至一具有一低折射率之媒體時，由該兩個媒體之間的邊界反射之光之一部分大於入射於具有一低折射率之媒體上之光之一部分。因此，於本實施例中，折射率以形成光電二極體528、高折射率波導592、中間折射率波導590及氧化矽膜530之矽之次序增大。
因此，於圖17中，來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα自氧化矽膜530入射於高折射率波導592上並抵達光電二極體528而大致不洩漏至高折射率波導592之外部。
此乃因高折射率波導592之折射率高於氧化矽膜530及中間折射率波導590之折射率且因此光Lα由高折射率波導592與氧化矽膜530之間的邊界及高折射率波導592與中間折射率波導590之間的邊界重複反射。
來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ自具有一相對低的折射率之氧化矽膜530入射於中間折射率波導590上。然後，光Lβ由氧化矽膜530與中間折射率波導590之間的邊界反射且入射於高折射率波導592上。然後，自氧化矽膜530直接入射於高折射率波導592上之光Lα與在通過氧化矽膜530及中間折射率波導590之後入射於高折射率波導592上之光Lβ因由其之間的相差而引起之干涉彼此抵消。
於此結構中，首先，自氧化矽膜530入射於中間折射率波導590上之來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之一部分由中間折射率波導590與高折射率波導592之間的邊界反射且不入射於高折射率波導592上。其次，在通過氧化矽膜530及中間折射率波導590之後入射於高折射率波導592上之光Lβ具有一與自氧化矽膜530直接入射於高折射率波導592上之光Lα相比更長之光學路徑，且因此光Lβ之強度減小一更大量。
鑒於上述兩個論點，自氧化矽膜530直接入射於高折射率波導592上之光Lα之量及強度大於在通過中間折射率波導590之後入射於高折射率波導592上之光Lβ之量及強度。因此，光因干涉而減小且不抵達光電二極體528，且僅光Lα抵達光電二極體528。因此，圖17中所示之焦距偵測像素選擇性收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα。
儘管未顯示於圖式中，但一收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之焦距偵測像素經構造以使得中間折射率波導590及高折射率波導592相對於微透鏡522之光軸與圖17中所示之像素結構中之中間折射率波導590及高折射率波導592對稱配置。
本實施例亦提供類似於第一實施例之效果。
中間折射率波導590係技術方案中所述之一第一波導之一實例。高折射率波導592係技術方案中所述之一第二波導之一實例。氧化矽膜530係技術方案中所述之一光學層之一實例。
對於中間折射率波導590及高折射率波導592之光學材料，可自表1中所示之材料選擇具有介於矽與二氧化矽之間的折射率之折射率之兩種類型之材料。
儘管本實施例中闡述其中高折射率波導592與光電二極體528彼此緊密接觸之結構，但本發明不侷限於此實施例。氧化矽膜530可間置於高折射率波導592與光電二極體528之間，只要氧化矽膜530之厚度足夠小且沒有實際問題因自高折射率波導592至光電二極體528之光透射比之減小而引起。
儘管本實施例中不提供濾色片，但亦可提供一濾色片以限制入射光之波長範圍，如同在第一實施例中一樣。
8.　根據本發明各實施例之焦距偵測像素中之折射濾光片之配置之修改
圖18至21係圖解說明根據本發明之該等實施例收集來自影像擷取光學系統210之上部及下部區段之光之四個焦距偵測像素中之低折射率濾光片550及高折射率濾光片560之配置之四個實例之示意剖面圖。於圖18至21中之每一者中，從頂部起的第一及第三像素係收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα之焦距偵測像素。另外，從頂部起的第二及第四像素係收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之焦距偵測像素。
於本發明之該等實施例中，兩種類型之像素結構可用於收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα之焦距偵測像素中。亦即，其中高折射率濾光片560安置於光軸之下側上之像素構件(圖18及圖19)及其中低折射率濾光片550安置於光軸之下側上之像素結構(圖20及圖21)。此乃因低折射率濾光片550及高折射率濾光片560可安置於下側上，只要其之間的邊界定位於微透鏡522之光軸上方。
類似地，兩種類型之像素結構可用於收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之焦距偵測像素中。亦即，其中低折射率濾光片550安置於光軸之上側上之結構(圖18及圖20)及其中高折射率濾光片560安置於光軸之上側上之結構(圖19及圖21)。此乃因低折射率濾光片550及高折射率濾光片560中之任何一者可安置於上側上，只要其之間的邊界定位於微透鏡522之光軸下方。
因此，收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα之焦距偵測像素與收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之焦距偵測像素之組合數可計算為2×2，亦即，4。圖18至21顯示該四種類型之配置。
低折射率濾光片550及高折射率濾光片560之配置較佳根據光學特性(例如消光係數)確定。更特定而言，為增大焦距偵測像素之光靈敏度，較佳形成低折射率濾光片550及由一具有一更低消光係數之光學材料製成之高折射率濾光片560中之一者從而在一更大區上與光電二極體528相對。
另外，光靈敏度較佳在焦距偵測像素上係一致的。因此，較佳地形成低折射率濾光片550及高折射率濾光片560中之一者從而在收集來自影像擷取光學系統210之上部及下部區段之光所有焦距偵測像素中與光電二極體528相對於一更大區上。從此觀點出發，其中形成高折射率濾光片560從而在所有焦距偵測像素中與光電二極體528相對於一更大區上之圖19中所示之配置較圖18中所示之配置更可取。類似地，其中形成低折射率濾光片550從而在所有焦距偵測像素中與光電二極體528相對於一更大區上之圖20中所示之配置較圖21中所示之配置更可取。
9.　根據本發明各實施例之濾色片之配置之修改
圖22係根據本發明之該等實施例之一修改收集來自影像擷取光學系統210之上部及下部區段之光之四個像素之一示意剖面圖。於圖22中，一濾色片205選擇性透射紅色光。根據此修改，選擇性透射綠色光之像素及選擇性透射紅色光之像素用作焦距偵測像素。於圖22中，從頂部起的第一及第二像素係收集來自影像擷取光學系統210之上部區段之光Lα之焦距偵測像素，且從頂部起的第三及第四像素係收集來自影像擷取光學系統210之下部區段之光Lβ之焦距偵測像素。
難以在自具有不同光接收波長範圍之焦距偵測像素獲得之電荷信號之間的比較的基礎準確地偵測焦點平面之位置。因此，自具有相同濾色片(524或525)且收集來自影像擷取光學系統210之上部及下部區段之光之焦距偵測像素讀取電荷信號，然後，如第一實施例中所述偵測焦點平面之位置。於圖22中，可藉由自選擇性接收綠色光之從頂部起的第一及第三焦距偵測像素讀取電荷信號來偵測焦點平面之位置。另一選擇係，可藉由自選擇性接收紅色光之從頂部起的第二及第四焦距偵測像素讀取電荷信號來偵測焦點平面之位置。
在執行焦距偵測及焦距調整的同時，使影像擷取器件500曝露在光下並產生對應一欲顯示於液晶顯示器402上之影像之影像資料。因此，可根據該影像資料偵測物件之一色彩分佈範圍。因此，可在綠色分量強於紅色分量之情況下使用選擇性接收綠色光之焦距偵測像素來執行焦距偵測，且可在紅色分量強於綠色分量之情況下使用選擇性接收紅色光之焦距偵測像素來執行焦距偵測。在此種情況下，可準確地執行焦距偵測而不管物件之色彩分佈如何。
濾色片524及525中之一者係技術方案中所述之一第一光學濾光器之一實例，且另一者係技術方案中所述之一第二光學濾光片之一實例。
於圖22中所示之實例中，選擇性接收綠色光及紅色光之像素用作焦距偵測像素。然而，選擇性接收綠色光及藍色光之像素亦可用作焦距偵測像素，且該焦距偵測可如上文所述根據物件之色彩分佈類似地執行。另一選擇係，對應於三色分量(亦即，紅色、綠色及藍色)之像素可用作焦距偵測像素，且焦距偵測可以一類似方式執行。
然而，當根據色彩內插過程最重要的是防止色彩再現性降低時，較佳如同在第一實施例中一樣僅使用對應於一拜耳圖案中之綠色之像素作為焦距偵測像素，此乃因對應於綠色之像素數為其他色彩之像素數的兩倍。
10.　根據本發明各實施例之焦距偵測像素之配置之修改
圖23係一圖解說明影像擷取器件之總面積中之焦距偵測像素之配置之一修改之示意平面圖。於顯示第一實施例之圖2中，焦距偵測像素與間置於其之間的藍色光分量之像素依次配置。此僅僅係焦距偵測像素之配置之一實例。如圖23中所示，可增大收集來自影像擷取光學系統210之上部及下部區段之光之焦距偵測像素對之間的間隔及收集來自影像擷取光學系統210之左側及右側區段之光之焦距偵測像素對之間的間隔。
在其中在顯示一移動影像的同時執行焦距偵測之情況下，自來自所有該等像素之電荷信號提取來自焦距偵測像素之電荷信號。因此，從易於提取過程的觀點出發，收集來自影像擷取光學系統210之上部及下部區段之光之焦距偵測像素較佳沿一像素行(沿垂直方向)線性配置。類似地，收集來自影像擷取光學系統210之左側及右側區段之光之焦距偵測像素較佳沿一像素列(沿水平方向)線性配置。
焦距偵測像素可如圖23及圖2中所示沿一中心像素行及一中心像素列配置呈一交叉圖案，以致可容易把處於影像擷取光學系統210之一影像空間之中心之物件置於焦點之上。然而，此僅僅係一實例。焦距偵測像素可安置於除中心像素行及中心像素列以外的位置處，或大體圍繞處於影像擷取光學系統210之光軸上之像素安置。包括焦距偵測像素之像素行或像素列可配置於影像擷取器件500中之複數個區中以致可把一處於影像擷取光學系統210之影像空間之所期望位置之物件置於焦點之上。在此一情況下，可藉由使用選自配置於影像擷取器件500中之像素行或像素列之一像素行或一像素列來執行焦距偵測。
另一選擇係，焦距偵測像素可配置於該拜耳圖案中之紅色光分量或藍色光分量之像素之位置處而不是綠色光分量之像素之位置處。焦距偵測像素可彼此緊鄰配置或彼此分離預定間隔。另一選擇係，焦距偵測像素可配置呈一交錯圖案。焦距偵測像素之配置可根據焦距偵測準確度及影像擷取器件之影像擷取效能來確定。
本申請案含有與2009年5月26日在日本專利局提出申請之日本優先專利申請案JP 2009-126818中所揭示之標的物相關之標的物，該日本優先專利申請案之全部內容以引用方式據此引入。
本發明之該等實施例僅係用以體現本發明之實例，且本發明之該等實施例中所述之標的物對應於用以界定本發明之技術方案中所述之標的物，如本發明之該等實施例中所陳述。類似地，用以界定本發明之技術方案中所述之標的物對應於在本發明之該等實施例中由相同名稱指代之標的物。然而，本發明不侷限於該等實施例，且可在不背離本發明之範疇之情形下做各種修改。
100．．．電子攝影機
200．．．攝影機系統
210．．．影像擷取光學系統
212．．．凸透鏡
214．．．光闌
216．．．凹透鏡
220．．．光闌驅動機構
230．．．透鏡驅動機構
240．．．透鏡控制器
300．．．可置換記錄媒體
400．．．電子攝影機
402．．．液晶顯示器
404．．．液晶顯示器驅動電路
406．．．快門
410．．．A/D轉換器
412．．．類比信號處理器
414．．．時序產生器
416．．．快門驅動機構
418．．．焦距控制器
420．．．成像位置偵測器
422．．．影像擷取控制器
424．．．操作單元
426．．．系統匯流排
428．．．記錄單元
430．．．記憶體
432．．．影像處理器
500．．．影像擷取器件
501．．．上部區段偵測像素
502．．．上部區段偵測像素
503．．．上部區段偵測像素
504．．．上部區段偵測像素
505．．．上部區段偵測像素
506．．．下部區段偵測像素
507．．．下部區段偵測像素
508．．．下部區段偵測像素
509．．．下部區段偵測像素
510．．．下部區段偵測像素
522．．．微透鏡
524．．．濾色片
525．．．濾色片
526．．．元素分離區
528c．．．區C
528b．．．區B
528a．．．區A
528．．．光電二極體
530．．．氧化矽膜
550．．．低折射率濾光片
551．．．低折射率濾光片
552．．．低折射率濾光片層
553．．．抗反射膜
556．．．低折射率濾光片
560．．．高折射率濾光片
561．．．高折射率濾光片
562．．．高折射率濾光片層
563．．．抗反射膜
564．．．高折射率濾光片
565．．．高折射率濾光片層
566．．．高折射率濾光片
567．．．抗反射膜
570．．．疊層濾光片
580．．．波導構件
590．．．中間折射率波導
592．．．高折射率波導
圖1係一根據本發明之第一實施例之攝影機系統之一方塊圖；
圖2係一圖解說明一根據本發明之一第一實施例之影像擷取器件中之一像素配置之示意平面圖；
圖3係圖2之一局部放大圖，其圖解說明一圍繞一其中配置焦距偵測像素之中心像素行之區；
圖4A及圖4B係圖解說明根據本發明之第一實施例之影像擷取器件中之一影像擷取像素之圖示；
圖5A及圖5B係圖解說明一根據本發明之第一實施例收集來自該影像擷取器件中之一影像擷取光學系統之一下部區段之光之焦距偵測像素之圖示；
圖6係一圖解說明通過一低折射率濾光片之光與通過一高折射率濾光片之光之間的一相差之圖示；
圖7A及圖7B係圖解說明一根據本發明之第一實施例收集來自該影像擷取器件中之該影像擷取光學系統之一上部區段之光之焦距偵測像素之圖示；
圖8A、圖8B及圖8C分別係圖解說明在前焦點、對焦及後焦點之情況下入射於焦距偵測像素上之光之強度之圖示；
圖9係一包括於一根據本發明之一第二實施例之攝影機系統中之影像擷取器件中之一焦距偵測像素之一示意剖面圖；
圖10A及圖10B係圖解說明收集來自一包括於一根據本發明之一第三實施例之攝影機系統中之影像擷取器件中之一影像擷取光學系統之一上部區段之光之焦距偵測像素之示意剖面圖；
圖11A及圖11B係圖解說明收集來自包括於根據本發明之第三實施例之攝影機系統中之影像擷取器件中之影像擷取光學系統之一下部區段之光之焦距偵測像素之示意剖面圖；
圖12A及圖12B係圖解說明其中抗反射膜提供於根據本發明之第三實施例之焦距偵測像素中之高折射率濾光片之表面上之結構之示意剖面圖；
圖13A及圖13B係圖解說明其中抗反射膜提供於根據本發明之第一實施例之焦距偵測像素中之低折射率濾光片及高折射率濾光片之表面上之結構之示意剖面圖；
圖14係一包括於一根據本發明之一第四實施例之攝影機系統中之影像擷取器件中之一焦距偵測像素之一示意剖面圖；
圖15係一包括於一根據本發明之一第五實施例之攝影機系統中之影像擷取器件中之一焦距偵測像素之一示意剖面圖；
圖16係一包括於一根據本發明之一第六實施例之攝影機系統中之影像擷取器件中之一焦距偵測像素之一示意剖面圖；
圖17係一包括於一根據本發明之一第七實施例之攝影機系統中之影像擷取器件中之一焦距偵測像素之一示意剖面圖；
圖18係一圖解說明根據本發明之該等實施例收集來自該影像擷取光學系統之上部及下部區段之光之四個像素偵測像素中之折射濾光片之配置之一第一實例之一示意剖面圖；
圖19係一圖解說明根據本發明之該等實施例收集來自該影像擷取光學系統之上部及下部區段之光之四個像素偵測像素中之折射濾光片之配置之一第二實例之一示意剖面圖；
圖20係一圖解說明根據本發明之該等實施例收集來自該影像擷取光學系統之上部及下部區段之光之四個像素偵測像素中之折射濾光片之配置之一第三實例之一示意剖面圖；
圖21係一圖解說明根據本發明之該等實施例收集來自該影像擷取光學系統之上部及下部區段之光之四個焦距偵測像素中之折射濾光片之配置之一第四實例之示意剖面圖；
圖22係一圖解說明在其中選擇性透射綠色光之像素及選擇性透射紅色光之像素皆用作焦距偵測像素之第一實施例之一修改中收集來自該影像擷取光學系統之上部及下部區段之光之四個偵測像素之示意剖面圖；及
圖23係一圖解說明焦距偵測像素在根據本發明之該等實施例之影像擷取器件之總面積中之配置之一修改之示意平面圖。
100．．．電子攝影機
200．．．攝影機系統
210．．．影像擷取光學系統
212．．．凸透鏡
214．．．光闌
216．．．凹透鏡
220．．．光闌驅動機構
230．．．透鏡驅動機構
240．．．透鏡控制器
300．．．可置換記錄媒體
400．．．電子攝影機
402．．．液晶顯示器
404．．．液晶顯示器驅動電路
406．．．快門
410．．．A/D轉換器
412．．．類比信號處理器
414．．．時序產生器
416．．．快門驅動機構
418．．．焦距控制器
420．．．成像位置偵測器
422．．．影像擷取控制器
424．．．操作單元
426．．．系統匯流排
428．．．記錄單元
430．．．記憶體
432．．．影像處理器
500．．．影像擷取器件

Claims (17)

  1. 一種焦距偵測裝置，其包含：複數個第一類型像素，每一第一類型像素皆包括一光電轉換器、一第一光學構件及一第二光學構件，該光電轉換器經組態以接收來自一影像擷取光學系統之光並執行光電轉換，該第一及第二光學構件配置於一自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之光學路徑上且具有不同折射率，每一第一類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第一電荷信號；複數個第二類型像素，每一第二類型像素皆包括該光電轉換器、該第一光學構件及該第二光學構件，該第一及第二光學構件配置於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上以使得該第一及第二光學構件與該光電轉換器之間的位置關係不同於每一第一類型像素中之位置關係，每一第二類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第二電荷信號；及一成像狀態偵測器，其經組態以在該等第一電荷信號及該等第二電荷信號的基礎上偵測該影像擷取光學系統之一成像狀態。
  2. 如請求項1之焦距偵測裝置，其中該等第一類型像素及該等第二類型像素中之每一者皆進一步包括一位於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上之光收集單元，該光收集單元將來自該影像擷取光學系統之入射光收集於該光電轉換器上，且其中該第一及第二光學構件安置於該光收集單元與該光電轉換器之間。
  3. 如請求項2之焦距偵測裝置，其中該第一及第二光學構件經配置以使得一包括該第一及第二光學構件之單元與該光電轉換器之一整個本體相對，使得其中該第一及第二光學構件與該光電轉換器相對之區彼此不同，且使得該第一與第二光學構件不沿該影像擷取光學系統之一光軸方向彼此重疊，且其中該第一及第二光學構件經配置以使得在每一第一類型像素中該第一與第二光學構件之間的一邊界之一位置及在每一第二類型像素中該第一與第二光學構件之間的一邊界之一位置位於一沿該光軸方向通過該光電轉換器之中心之軸之相對側處。
  4. 如請求項1之焦距偵測裝置，其中該等第一類型像素及該等第二類型像素中之每一者皆進一步包括一位於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上之光收集單元，該光收集單元將來自該影像擷取光學系統之入射光收集於該光電轉換器上，且其中該第一及第二光學構件安置於該影像擷取光學系統與該光收集單元之間。
  5. 如請求項1之焦距偵測裝置，其中該等第一類型像素及該等第二類型像素中之每一者皆進一步包括一位於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上之光學濾光片，該光學濾光片選擇性透射具有一預定波長範圍之光。
  6. 如請求項1之焦距偵測裝置，其中該等第一類型像素中之每一者皆進一步包括位於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上之一第一光學濾光片或一第二光學濾光片，該第一光學濾光片選擇性透射具有一預定波長範圍之光，該第二光學濾光片選擇性透射具有另一預定波長範圍之光，且其中該等第二類型像素中之每一者皆進一步包括位於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上之該第一光學濾光片或該第二光學濾光片。
  7. 如請求項1之焦距偵測裝置，其中該等第一類型像素及該等第二類型像素中之每一者皆進一步包括一位於一介於一包括該第一光學構件及該第二光學構件之單元與該光電轉換器之間的位置處之波導構件，該波導構件藉由反射將來自該影像擷取光學系統之入射光朝該光電轉換器方向導引。
  8. 如請求項1之焦距偵測裝置，其中該第一及第二光學構件中之至少一者係由單晶矽、非晶矽、多晶矽、鍺、二氧化矽、氮化矽、矽氧烷、鎢、鋁或銅構成。
  9. 如請求項1之焦距偵測裝置，其中該第一及第二光學構件中之至少一者在一面對該影像擷取光學系統之表面上提供有一由一光學材料製成之膜，該光學材料具有一低於該第一及第二光學構件中之該至少一者之一內部區段之一反射比之反射比。
  10. 一種焦距偵測裝置，其包含：複數個第一類型像素，每一第一類型像素皆包括：一光電轉換器，其經組態以接收來自一影像擷取光學系統之光並執行光電轉換；一光收集單元，其經組態以將來自該影像擷取光學系統之入射光收集於該光電轉換器上；及一光學層，其安置於一自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之光學路徑上，每一第一類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第一電荷信號；複數個第二類型像素，每一第二類型像素皆包括該光電轉換器、該光收集單元及安置於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上之該光學層，每一第二類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第二電荷信號；及一成像狀態偵測器，其經組態以在該等第一電荷信號及該等第二電荷信號的基礎上偵測該影像擷取光學系統之一成像狀態，其中該等第一類型像素及該等第二類型像素中之每一者皆進一步包括一具有一不同於該光學層之一折射率之折射率之光學構件，其中包括於該等第一類型像素及該等第二類型像素中之每一者中之該光學構件經安置以使得該光學構件之一周邊邊緣與一沿該影像擷取光學系統之該光軸方向通過該光電轉換器之中心之直線分離且使得該光學構件與該光電轉換器之僅一部分相對，且其中該光學構件經安置以使得靠近該直線之該光學構件之一端於該等第一類型像素中之每一者中之一位置及靠近該直線之該光學構件之一端於該等第二類型像素中之每一者中之一位置位於該直線之相對側處。
  11. 如請求項10之焦距偵測裝置，其中該光學構件在一面對該影像擷取光學系統之表面上提供有一由一光學材料製成之膜，該光學材料具有一低於該光學構件之一內部區段之一反射比之反射比。
  12. 一種焦距偵測裝置，其包含：複數個第一類型像素，每一第一類型像素皆包括：一光電轉換器，其經組態以接收來自一影像擷取光學系統之光並執行光電轉換；及一光學構件，其安置於一自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之光學路徑上以使得該光學構件與該光電轉換器之僅一部分相對，該光學構件具有一其中由具有不同折射率之光學材料製成之膜堆疊在一起之疊層結構，每一第一類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第一電荷信號；複數個第二類型像素，每一第二類型像素皆包括：該光電轉換器及該光學構件，該光學構件安置於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上以使得該光學構件與該光電轉換器之間的位置關係不同於每一第一類型像素中之位置關係，每一第二類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第二電荷信號；及一成像狀態偵測器，其經組態以在該等第一電荷信號及該等第二電荷信號的基礎上偵測該影像擷取光學系統之一成像狀態。
  13. 如請求項12之焦距偵測裝置，其中該光學構件具有一其中由具有不同折射率之該等光學材料製成之該等膜交替堆疊以使得該等膜之疊層表面之一法線垂直於該影像擷取光學系統之該光軸方向之疊層結構。
  14. 一種焦距偵測裝置，其包含：複數個第一類型像素，每一第一類型像素皆包括：一光電轉換器，其經組態以接收來自一影像擷取光學系統之光並執行光電轉換；一光學層，其安置於一自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之光學路徑上；一第一波導，其安置於該光學層中且具有一高於該光學層之一折射率之折射率；及一第二波導，其毗鄰該第一波導安置於該光學層中且具有一高於該第一波導之該折射率之折射率，每一第一類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第一電荷信號；複數個第二類型像素，每一第二類型像素皆包括：該光電轉換器；該光學層，其安置於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上；及該第一及第二波導，其等彼此毗鄰安置於該光學層中以使得該第一及第二波導與該光電轉換器之間的位置關係不同於每一第一類型像素中之位置關係，每一第二類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第二電荷信號；及一成像狀態偵測器，其經組態以在該等第一電荷信號及該等第二電荷信號的基礎上偵測該影像擷取光學系統之一成像狀態。
  15. 如請求項14之焦距偵測裝置，其中該等第一類型像素及該等第二類型像素中之每一者皆進一步包括一位於該光學路徑上之光收集單元，該光收集單元將來自該影像擷取光學系統之入射光收集於該光電轉換器上，且其中該第一及第二波導經配置以使得在該第一類型像素中該第一與第二波導之間的位置關係與在該第二類型像素中該第一與第二波導之間的位置關係圍繞一沿該影像擷取光學系統之一光軸方向通過該光電轉換器之中心之軸彼此對稱。
  16. 一種影像擷取器件，其包含：複數個第一類型像素，每一第一類型像素皆包括一光電轉換器、一第一光學構件及一第二光學構件，該光電轉換器經組態以接收來自一影像擷取光學系統之光並執行光電轉換，該第一及第二光學構件配置於一自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之光學路徑上且具有不同折射率，每一第一類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第一電荷信號；複數個第二類型像素，每一第二類型像素皆包括該光電轉換器、該第一光學構件及該第二光學構件，該第一及第二光學構件配置於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上以使得該第一及第二光學構件與該光電轉換器之間的位置關係不同於每一第一類型像素中之位置關係，每一第二類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第二電荷信號；及複數個影像擷取像素，每一影像擷取像素皆包括該光電轉換器且輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第三電荷信號。
  17. 一種電子攝影機，其包含：複數個第一類型像素，每一第一類型像素皆包括一光電轉換器、一第一光學構件及一第二光學構件，該光電轉換器經組態以接收來自一影像擷取光學系統之光並執行光電轉換，該第一及第二光學構件配置於一自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之光學路徑上且具有不同折射率，每一第一類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第一電荷信號；複數個第二類型像素，每一第二類型像素皆包括該光電轉換器、該第一光學構件及該第二光學構件，該第一及第二光學構件配置於自該影像擷取光學系統至該光電轉換器之該光學路徑上以使得該第一及第二光學構件與該光電轉換器之間的位置關係不同於每一第一類型像素中之位置關係，每一第二類型像素皆輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第二電荷信號；複數個影像擷取像素，每一影像擷取像素皆包括該光電轉換器且輸出一對應於一由該光電轉換器所接收之光量之第三電荷信號；一信號處理器，其經組態以在該等第三電荷信號的基礎上產生影像資料；一成像狀態偵測器，其經組態以在該等第一電荷信號及該等第二電荷信號的基礎上偵測該影像擷取光學系統之一成像狀態；及一焦距控制器，其經組態以在由該成像狀態偵測器所確定之該成像狀態的基礎上調整該影像擷取光學系統之一透鏡位置以使得該透鏡位置接近一對焦位置。
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