TWI591814B - 影像感測器及拍攝裝置 - Google Patents

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Description

影像感測器及拍攝裝置
本揭露係有關於一種影像感測器，且特別有關於一種能夠在低光源環境下執行相位檢測自動對焦功能的拍攝裝置。
近年來，相位檢測自動對焦(phase detection autofocus，以後簡稱相位對焦)技術已經應用到各種拍攝產品，例如，數位單眼相機與行動電話相機。相位檢測的方式是藉由將入射光分開以形成一對的影像並加以比較。具體來說，一種傳統的方式是利用兩個綠色的畫素，這兩個綠色的畫素各自具有覆蓋它們的孔徑面積的一半的非透明材料。這兩個畫素之間的差動信號經過計算來找出物件是位於焦點之前還是焦點之後。因此可算出對焦機構的需要移動的方向以及估計的移動量。然而，這個構造在低光源環境下，因為收集到的用於相位對焦的信號太弱，而導致無法執行相位對焦功能。
另一方面，在影像監視的應用領域，用來感測近紅外光的紅外光畫素會取代拜爾(Bayer)圖樣中的一個綠色畫素，而配置在影像感測器陣列中。當環境過暗時，監視攝影機會使用紅外光光源發射出近紅外光至監視攝影機的前方，而紅外光畫素會感測位於監視攝影機前方的物件所反射回來的近紅外光。這樣一來，影像拍攝裝置就可在低光源環境下進行 攝影。然而，現有的內建紅外光畫素的拍攝裝置仍然無法實行相位對焦的功能。因此，本揭露的目的是提出一種影像感測器及其拍攝裝置，能夠在低光源環境化執行相位對焦。
本揭露提出一種影像感測器，包括：一感測器陣列層，包括複數的普通感測器單元以及一對的自動對焦感測器單元；複數的彩色濾光單元，配置於該感測器陣列層上用以覆蓋該複數的普通感測器單元；一對的紅外光通過濾光單元，配置於該感測器陣列層上用以分別覆蓋該一對的自動對焦感測器單元；以及一微透鏡層，包括複數的微透鏡，配置在該彩色濾光單元與該紅外光通過濾光單元上，其中該一對的自動對焦感測器單元中的一者檢測出來自於一第一側的紅外光，該一對的自動對焦感測器單元中的另一者檢測出來自於相反於該第一側的一第二側的紅外光，用以執行相位對焦的功能。
在一個實施例中，該一對的紅外光通過濾光單元中的每一者分成兩半，其中一半填入不透明材料，另一半填入紅外光通過材料。
在一個實施例中，在該一對的紅外光通過濾光單元中的一者中，該不透明材料位於該第二側，該紅外光通過材料位於該第一側。在該一對的紅外光通過濾光單元中的另一者中，該不透明材料位於該第一側，該紅外光通過材料位於該第二側。
在一個實施例中，該一對的自動對焦感測器單元中的一者鄰接於該一對的自動對焦感測器單元中的另一者。該 複數的微透鏡包括複數的第一微透鏡以及一第二微透鏡，該複數的第一微透鏡中的任一者配置在該複數的彩色濾光單元的一者上，該第二微透鏡配置在該一對的紅外線通過單元上來覆蓋該一對的自動對焦感測器單元。
在一個實施例中，該兩個鄰接的自動對焦感測器單元、該紅外光通過濾光單元、以及該第二微透鏡構成一第一相位對焦組。該第一相位對焦組中的該兩個鄰接的自動對焦感測器單元沿著列方向配置。該影像感測器更包括一第二相位對焦組，具有與該第一相位對焦組相同的組成，然而該第二相位對焦組中的該兩個鄰接的自動對焦感測器單元沿著行方向配置。
在一個實施例中，該紅外光通過感測器單元允許波長大於800nm或者是大於900nm的光通過。
本揭露也提供一種拍攝裝置，包括：一影像感測器，包括：前述的影像感測器；一透鏡組，配置於該影像感測器之上；以及一雙帶通濾光片，配置於該透鏡組之上或者是該透鏡組與該影像感測器之間，其中該雙帶通濾光片允許可見光以及具有一特定主波長的紅外光通過。
在一個實施例中，該拍攝裝置更包括：一紅外光帶阻濾光圖樣，插入該複數的彩色濾光單元與該複數的微透鏡之間，或者是插入該複數的彩色濾光單元與該複數的普通感測器單元之間，其中該紅外光帶阻濾光圖樣阻擋具有該特定主波長的紅外光到達該複數的普通感測器單元。
在一個實施例中，該拍攝裝置更包括：一輔助紅 外光光源，發射出具有該特定主波長的紅外光。
在一個實施例中，該特定主要波長是850nm，該雙帶通濾光片的紅外光通過頻帶是840nm~860nm。在另一個實施例中，該特定主要波長是940nm，該雙帶通濾光片的紅外光通過頻帶是930nm~950nm。
10‧‧‧拍攝裝置
110‧‧‧影像感測器
1101‧‧‧彩色濾光單元
1102‧‧‧紅外光通過濾光單元
1103‧‧‧感測器陣列層
1104‧‧‧微透鏡
1105‧‧‧紅外光帶阻濾光圖樣
1106‧‧‧紅外光通過濾光單元
1107‧‧‧特殊微透鏡
120‧‧‧透鏡組
130‧‧‧雙帶通濾光片
140‧‧‧輔助紅外光光源
IR‧‧‧紅外光通過濾光材料
ML‧‧‧不透明材料
PD‧‧‧感測器單元
第1圖係顯示根據本揭露一實施例的拍攝裝置的示意圖。
第2圖係顯示本揭露的雙帶通濾光片的穿透率頻譜。
第3A圖係顯示根據本揭露一實施例的影像感測器的一部分的上視圖。
第3B圖係顯示第3A圖的I-I’線的剖面圖。
第3C圖係顯示第3A圖所示的一對的紅外光畫素的剖面圖。
第3D圖係顯示根據一實施例的紅外光通過濾光材料的兩種穿透率頻譜曲線。
第4A圖係顯示根據本揭露另一實施例的普通畫素及紅外光畫素的剖面圖。
第4B圖係顯示根據本揭露另一實施例的普通畫素及紅外光畫素的剖面圖。
第4C圖係顯示本揭露的紅外光帶阻濾光片的穿透率頻譜。
第5A圖係顯示顯示根據本揭露一實施例的影像感測器的一部分的上視圖。
第5B圖係顯示第5A圖的II-II’線的剖面圖。
第6A圖係顯示根據本揭露另一實施例的普通畫素及紅外光畫素的剖面圖。
第6B圖係顯示根據本揭露另一實施例的普通畫素及紅外光畫素的剖面圖。
第1圖係顯示根據本揭露一實施例的拍攝裝置的示意圖。如第1圖所示，拍攝裝置10包括影像感測器110、透鏡組120、雙帶通濾光片130、輔助紅外光光源140。影像感測器110具有的畫素陣列包括紅、綠、藍畫素以及紅外光畫素。紅、綠、藍畫素用於接收影像光並轉換為構成影像的資訊。紅外光畫素用於感測相位對焦用的信號。影像感測器110的詳細構造將稍後說明。透鏡組120配置於影像感測器110之上，使物件的影像投射於影像感測器110。雙帶通濾光片130配置在透鏡組120之上或在透鏡組120與影像感測器110之間，讓可見光頻帶的光及特定的紅外光波長的光通過。元件符號RGB+IRλ表示通過雙帶通濾光片130的光束。第2圖係顯示雙帶通濾光片130的穿透率頻譜。如第2圖所示，共有兩個通過頻帶。一個通過頻帶的範圍在400nm~700nm，這個範圍能夠讓大部分的可見光通過。另一個通過頻帶主要在一個特定紅外光波長λI的±10nm的誤差範圍內。在本揭露中，特定的紅外光波長λI設定為850nm或940nm。也就是說，雙帶通濾光片130的紅外光通過頻帶設定為840~860nm或者是930~950nm。輔助紅外光光源140配置在拍攝裝置10的機體外，用以發射出主要波長為λI的近紅外光。元件符號IRλ表示從輔助紅外光光源140射出的光線。
利用第1圖所示的配置，拍攝裝置10可以使用輔助紅外光光源140發出近紅外光至拍攝裝置10的前方，然後影像感測器110會感測近紅外光來確認發出的近紅外光是否有被拍攝裝置10前方的物件反射回來。由影像感測器110的紅外光光化所感測到的近紅外光會用於相位對焦的計算。這樣一來，本揭露的拍攝裝置即使在低光源環境下也能執行相位對焦的功能。
以下將說明第1圖所示的影像感測器110的詳細構造。第3A圖係顯示根據本揭露一實施例的影像感測器的一部分的上視圖。第3B圖係顯示第3A圖的I-I’線的剖面圖。第3C圖係顯示第3A圖所示的一對的紅外光畫素的剖面圖。如第3A圖所示，影像感測器具有一個畫素陣列，配置了複數的彩色濾光單元1101與一對的紅外光通過濾光單元1102。
在第3B圖中，可看見影像感測器的垂直構造。複數的彩色濾光單元1101與一對的紅外光通過濾光單元1102配置在在感測器陣列層1103上，感測器陣列層1103由排列成矩陣狀的複數的感測器單元PD所構成。要注意的是，感測器單元PD之間沒差別，但為了方便瞭解，被彩色濾光單元1101覆蓋的感測器單元是用來感測紅、綠、藍光，因此有時會稱它為普通感測器單元。而被紅外光通過濾光單元1102覆蓋的感測器單元是用來感測輔助紅外光，因此有時候會稱它為紅外光感測器單元或是自動對焦感測器單元。彩色濾光單元1101及紅外光通過濾光單元1102中的任一者都覆蓋在一個感測器單元PD上。另外，有複數個微透鏡1104分別配置在每個彩色濾光單元1101及紅 外光通過濾光單元1102上。
彩色濾光單元1101是紅光、綠光、藍光的濾光材料。紅外光通過濾光單元1102分成兩半，其中一半填入不透明材料ML，例如金屬。另一半填入可讓近紅外光波長的光通過的紅外光通過濾光材料IR。對於一對的紅外光畫素來說，如第3C圖所示，在兩個紅外光通過濾光單元1102中的不透明材料ML必須位於相反側。例如，如果一個紅外光畫素的不透明材料ML位於紅外光通過濾光單元1102的左側(列方向的一側)，那麼另一個紅外光畫素的不透明材料ML就必須位於紅外光通過濾光單元1102的右側(列方向的相反的一側)。同樣地，如果一個紅外光畫素的不透明材料ML位於紅外光通過濾光單元1102的上側(行方向的一側)，那麼另一個紅外光畫素的不透明材料ML就必須位於紅外光通過濾光單元1102的下側(行方向的相反的一側)。這樣一來，兩個紅外光畫素就能夠分別檢測來自兩個相反側的紅外光而執行相位對焦的功能。
第3D圖係顯示紅外光通過濾光材料IR的兩種適合的穿透率頻譜曲線A、B。穿透率頻譜曲線A在短波長帶大致維持在最低值(約0~10%)並且當波長大於800nm時會快速地上升到最大值(大約90~100%)。另一方面，穿透率頻譜曲線B在短波長帶大致維持在最低值(約0~10%)並且當波長大於900nm時會快速地上升到最大值(大約90~100%)。兩種穿透率頻譜曲線A、B會根據第2圖中所顯示雙帶通濾光片130的紅外光通過頻帶來選擇。如果雙帶通濾光片130的紅外光通過頻帶的主要波長λI是850nm，那麼就會選擇具有穿透率頻譜曲線 A的特性的紅外光通過濾光材料IR。如果雙帶通濾光片130的紅外光通過頻帶的主要波長λI是940nm，那麼就會選擇具有穿透率頻譜曲線B的特性的紅外光通過濾光材料IR。
第4A圖及第4B圖係顯示根據本揭露兩個實施例的普通畫素及紅外光畫素的剖面圖。既然雙帶通濾光片130(參考第1圖及第2圖)具有兩個通過頻帶，通過雙帶通濾光片130的紅外光束不只會入射紅外光畫素，也會入射普通畫素。這會對普通畫素感測紅、綠、藍光的強度時造成問題。由普通畫素所感測到的入射光強度會增加。在這個考量下，本揭露的實施例將一種紅外光帶阻濾光圖樣應用到影像感測器中。在第4A圖所示的實施例中，有一紅外光帶阻濾光圖樣1105插入微透鏡1104與彩色濾光單元1101之間，覆蓋普通感測器單元PD(用來檢測紅、綠、藍光)。在第4B圖所示的另一個實施例中，紅外光帶阻濾光圖樣1105插入彩色濾光單元1101與感測器陣列層1103之間，同樣覆蓋普通感測器單元PD。
第4C圖係顯示本揭露的紅外光帶阻濾光片的穿透率頻譜。如第4C圖所示，紅外光帶阻濾光圖樣1105的穿透率除了在特定的紅外光波長λI以外，幾乎在全部的波長維持為大值。紅外光帶阻濾光圖樣1105的穿透率在特定的紅外光波長λI具有最小值。因此，具有主要波長為λI的紅外光會被紅外光帶阻濾光圖樣1105阻擋而無法入射普通感測器單元PD。在此的特定的紅外光波長λI等於第2圖所示的特定紅外光波長λI。也就是說，如果雙帶通濾光片130的紅外光通過頻帶的主要波長λI是850nm的話，則被紅外光帶阻濾光圖樣1105阻擋的紅外光 的主要波長λI也會是850nm。如果雙帶通濾光片130的紅外光通過頻帶的主要波長λI是940nm的話，則被紅外光帶阻濾光圖樣1105阻擋的紅外光的主要波長λI也會是940nm。
利用第4A圖或第4B圖的配置，紅外光帶阻濾光圖樣1105使普通感測器單元PD(用來檢測紅、綠、藍光)不要檢測到通過雙帶通濾光片130的輔助近紅外光。因此，普通感測器單元PD可以精確地檢測紅、綠、藍光的強度。
第5A圖係顯示顯示根據本揭露一實施例的影像感測器的一部分的上視圖。第5B圖係顯示第5A圖的II-II’線的剖面圖。如第5A圖所示，影像感測器具有一個畫素陣列，配置了複數的彩色濾光單元1101與至少一個紅外光通過濾光單元1106。相比於第3A圖的配置，紅外光通過濾光單元1106佔據兩個相鄰的畫素的面積。
在第5B圖中，可以可看見影像感測器的垂直構造。複數的彩色濾光單元1101與一個紅外光通過濾光單元1106配置在在感測器陣列層1103上，感測器陣列層1103由排列成矩陣狀的複數的感測器單元PD所構成。要注意的是，感測器單元PD之間沒差別，但為了方便瞭解，被彩色濾光單元1101覆蓋的感測器單元是用來感測紅、綠、藍光，因此有時會稱它為普通感測器單元。而被紅外光通過濾光單元1106覆蓋的感測器單元是用來感測輔助紅外光，因此有時候會稱它為紅外光感測器單元或是自動對焦感測器單元。任一個彩色濾光單元1101覆蓋在一個感測器單元PD上，而紅外光通過濾光單元1106覆蓋在兩個相鄰的感測器單元PD上。另外，有複數個微透鏡1104分別配置 在每個彩色濾光單元1101上，還有一個特殊微透鏡1107配置在紅外光通過濾光單元1106上。
在這個實施例中，兩個相鄰的紅外光感測器單元PD(用以檢測輔助近紅外光來執行相位對焦的功能)共用一個紅外光通過濾光單元1106與一個特殊微透鏡1107。這樣一來，入射特殊微透鏡1107的一半的紅外光，也就是來自右側的紅外光，會被位於左側的感測器單元PD所檢測。而入射特殊微透鏡1107的另一半的紅外光，也就是來自左側的紅外光，會被位於右側的感測器單元PD所檢測。兩個相鄰的紅外光畫素同樣也能夠檢測來自相反側的紅外光，進而執行相位對焦的功能。要注意的是，如第5A圖所示，紅外光通過濾光單元1106與特殊微透鏡1107不只能夠配置在列方向上相鄰的兩個感測器單元上，也能夠配置在行方向上相鄰的兩個感測器單元上。在這個情況下，入射特殊微透鏡1107的一半的紅外光，也就是來自上側的紅外光，會被位於下側的感測器單元PD所檢測。而入射特殊微透鏡1107的另一半的紅外光，也就是來自下側的紅外光，會被位於上側的感測器單元PD所檢測。
另外，紅外光通過濾光單元1106的紅外光通過濾光材料IR具有如第3D圖所示的穿透率頻譜。兩種穿透率頻譜曲線A、B會根據第2圖中所顯示雙帶通濾光片130的紅外光通過頻帶來選擇。如果雙帶通濾光片130的紅外光通過頻帶的主要波長λI是850nm，那麼就會選擇具有穿透率頻譜曲線A的特性的紅外光通過濾光材料IR。如果雙帶通濾光片130的紅外光通過頻帶的主要波長λI是940nm，那麼就會選擇具有穿透率頻譜 曲線B的特性的紅外光通過濾光材料IR。
第6A圖及第6B圖係顯示根據本揭露兩個實施例的普通畫素及紅外光畫素的剖面圖。為了避免普通畫素檢測到通過雙帶通濾光片130的紅外光，將紅外光帶阻濾光圖樣1105應用到影像感測器中。在第6A圖所示的實施例中，紅外光帶阻濾光圖樣1105插入微透鏡1104與彩色濾光單元1101之間，覆蓋普通感測器單元PD(用來檢測紅、綠、藍光)。在第6B圖所示的另一個實施例中，紅外光帶阻濾光圖樣1105插入彩色濾光單元1101與感測器陣列層1103之間，同樣覆蓋普通感測器單元PD。
紅外光帶阻濾光圖樣1105同樣具有第4C圖中所示的穿透率頻譜。因此，具有主要波長為λI的紅外光會被紅外光帶阻濾光圖樣1105阻擋而無法入射普通感測器單元PD。在此的特定的紅外光波長λI等於第2圖所示的特定紅外光波長λI。也就是說，如果雙帶通濾光片130的紅外光通過頻帶的主要波長λI是850nm的話，則被紅外光帶阻濾光圖樣1105阻擋的紅外光的主要波長λI也會是850nm。如果雙帶通濾光片130的紅外光通過頻帶的主要波長λI是940nm的話，則被紅外光帶阻濾光圖樣1105阻擋的紅外光的主要波長λI也會是940nm。
根據第3B圖、第4A圖、第4B圖、第5B圖、第6A圖、第6B圖所示的實施例，用來執行相位對焦功能的紅外光畫素有多種不同的配置方式。這些實施例僅是一些例子，本揭露包括這些實施例的多種變形與組成。所有實施例中揭露的新式的影像感測器都能夠在低光源環境下執行相位對焦功能。又，藉由某些特定的配置，通過雙帶濾光片的輔助近紅外光不會入射普 通感測器單元(用來檢測紅、綠、藍光)，因此普通感測器單元能夠正確地檢測出紅、綠、藍光的強度。
以上雖詳細說明本揭露的實施型態，但本揭露並不限定於上述的實施型態，只要符合申請專利範圍內所記載的發明要旨，本揭露包括各種變形及變更。
1101‧‧‧彩色濾光單元
1102‧‧‧紅外光通過濾光單元
1104‧‧‧微透鏡
IR‧‧‧紅外光通過濾光材料

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，包括：一感測器陣列層，包括複數的普通感測器單元以及一對的自動對焦感測器單元；複數的彩色濾光單元，配置於該感測器陣列層上用以覆蓋該複數的普通感測器單元；一對的紅外光通過濾光單元，配置於該感測器陣列層上用以分別覆蓋該一對的自動對焦感測器單元；以及一微透鏡層，包括複數的微透鏡，配置在該彩色濾光單元與該紅外光通過濾光單元上，其中該一對的自動對焦感測器單元中的一者檢測出來自於一第一側的紅外光，該一對的自動對焦感測器單元中的另一者檢測出來自於相反於該第一側的一第二側的紅外光，用以執行相位對焦的功能。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該一對的紅外光通過濾光單元中的每一者分成兩半，其中一半填入不透明材料，另一半填入紅外光通過材料，在該一對的紅外光通過濾光單元中的一者中，該不透明材料位於該第二側，該紅外光通過材料位於該第一側，在該一對的紅外光通過濾光單元中的另一者中，該不透明材料位於該第一側，該紅外光通過材料位於該第二側。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之影像感測器，其中該不透明材料為金屬。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之影像感測器，其中該紅外光 通過材料允許波長大於800nm或者是大於900nm的光通過。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該一對的自動對焦感測器單元中的一者鄰接於該一對的自動對焦感測器單元中的另一者，該複數的微透鏡包括複數的第一微透鏡以及一第二微透鏡，該複數的第一微透鏡中的任一者配置在該複數的彩色濾光單元的一者上，該第二微透鏡配置在該一對的紅外線通過單元上來覆蓋該一對的自動對焦感測器單元。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之影像感測器，其中該兩個鄰接的自動對焦感測器單元、該紅外光通過濾光單元、以及該第二微透鏡構成一第一相位對焦組，該第一相位對焦組中的該兩個鄰接的自動對焦感測器單元沿著列方向配置，該影像感測器更包括一第二相位對焦組，具有與該第一相位對焦組相同的組成，然而該第二相位對焦組中的該兩個鄰接的自動對焦感測器單元沿著行方向配置。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之影像感測器，其中該紅外光通過感測器單元允許波長大於800nm或者是大於900nm的光通過。
  8. 一種拍攝裝置，包括：一影像感測器，包括：一感測器陣列層，包括複數的普通感測器單元以及一對的自動對焦感測器單元；複數的彩色濾光單元，配置於該感測器陣列層上用以覆蓋 該複數的普通感測器單元；一對的紅外光通過濾光單元，配置於該感測器陣列層上用以分別覆蓋該一對的自動對焦感測器單元；以及一微透鏡層，包括複數的微透鏡，配置在該彩色濾光單元與該紅外光通過濾光單元上，其中該一對的自動對焦感測器單元中的一者檢測出來自於一第一側的紅外光，該一對的自動對焦感測器單元中的另一者檢測出來自於相反於該第一側的一第二側的紅外光，用以執行相位對焦的功能，一透鏡組，配置於該影像感測器之上；以及一雙帶通濾光片，配置於該透鏡組之上或者是該透鏡組與該影像感測器之間，其中該雙帶通濾光片允許可見光以及具有一特定主波長的紅外光通過。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之拍攝裝置，更包括：一紅外光帶阻濾光圖樣，插入該複數的彩色濾光單元與該複數的微透鏡之間，或者是插入該複數的彩色濾光單元與該複數的普通感測器單元之間，其中該紅外光帶阻濾光圖樣阻擋具有該特定主波長的紅外光到達該複數的普通感測器單元。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之拍攝裝置，更包括：一輔助紅外光光源，發射出具有該特定主波長的紅外光，其中該特定主要波長是850nm，該雙帶通濾光片的紅外光通過頻帶是840nm~860nm，或者是 該特定主要波長是940nm，該雙帶通濾光片的紅外光通過頻帶是930nm~950nm。
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