TWI661724B - 相位檢測自動聚焦圖元陣列和相關的成像系統 - Google Patents

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Abstract

相位檢測自動聚焦(PDAF)圖元陣列包括第一圖元和第二圖元。第一圖元位於距PDAF圖元陣列中心的第一距離處，其包括相對於該中心的第一內光電二極體和第一外光電二極體。第一內光電二極體和第一外光電二極體分別佔據第一內面積和第一外面積。第一內面積除以第一外面積等於第一比率。第二圖元位於距該中心的第二距離處，該第二距離超過第一距離，其包括相對於該中心的第二內光電二極體和第二外光電二極體。第二內光電二極體和第二外光電二極體分別佔據第二內面積和第二外面積。第二內面積除以第二外面具等於超過第一比率的第二比率。

Description

相位檢測自動聚焦圖元陣列和相關的成像系統
本發明涉及光學領域，尤其涉及相位檢測自動聚焦圖元陣列和相關的成像系統。
許多數位照相機具有自動聚焦功能。自動聚焦功能可以是全自動，以使得該照相機識別場景中的物體並對該物體聚焦。在一些情況下，照相機甚至可以決定哪些物體比其他物體更重要，並隨後對該更重要的物體聚焦。可選地，自動聚焦功能可以透過使用者輸入以指定對場景的哪個部分或哪些部分感興趣。基於此，自動聚焦功能在使用者之指定下，能識別場景一部內的物體並使照相機對這些物體聚焦。
為適應市場，自動聚焦功能必須可靠且快速使得每次使用者擷取圖像時照相機快速地對場景中期望的部分或一些部分聚焦。較佳地，自動聚焦功能需足夠快速使得用戶不需注意在按下拍攝按鈕和擷取圖像間的任何延遲。對於無法手動調焦的照相機(例如小型數位照相機或照相機手機)，自動聚焦功能尤其重要。
許多數位照相機使用對比式自動聚焦(Contrast Autofocus)，其中自動聚焦功能調整成像物鏡以最大化場景中一部的對比度，從而對該場景中一部聚焦。最近，相位檢測自動聚焦功能(Phase-Detection Autofocus)大受歡迎，原因是其比對比式自動聚焦更快。相位檢測自動聚焦以比較穿過成像物鏡的一部分光(例如左側部分)和穿過成像物鏡的另一部分光(例如右側部分)光，來直接測量失焦程度。一些數位單鏡反射照相機(Digital Single-Lens Reflex Camera)除了包括擷取圖像的圖像感測器還包括專門的相位檢測感測器。
然而，對於更加小型化和/或造價更低的照相機，上述方案不可行。因此，照相機製造商正在研發具有晶片上相位檢測功能的圖像感測器，即 藉由在圖像感測器圖元陣列中使用相位檢測自動聚焦圖元(Phase-Detection Auto-Focus Pixel,PDAF Pixel)使該圖像感測器具有整合的相位檢測功能。
圖1說明在例示性使用情景190中具有PDAF圖元的一個例示性圖像感測器101。圖像感測器101在數位照相機180中被使用於成像場景150。例如，數位照相機180是照相機手機或小型數位照相機。數位照相機180利用圖像感測器101的片上相位檢測功能對場景150聚焦。當聚焦時，數位照相機180利用圖像感測器101擷取場景150的聚焦圖像120而不是散焦圖像130。
圖像感測器101具有包括至少一個雙二極體PDAF圖元200的圖元陣列200A。圖2是圖元陣列200A的雙二極體PDAF圖元200的剖視圖。雙二極體PDAF圖元200包括具有共用濾色鏡221和顯微透鏡230的光電二極體211和212。顯微透鏡230具有在光電二極體211和212之間居中的光軸231。光電二極體221和212具有各自的上表面211T和212T。雙二極體PDAF圖元200可以被視為包括分別包括光電二極體211和光電二極體212的相位檢測圖元200L和200R。
圖3A-3C是其中透鏡310在接近圖元陣列200A的像平面312處形成軸外物體350的像352的PDAF成像系統300的剖視圖。透鏡310具有與圖元陣列200A相交於圖元陣列中心200AC的光軸310A。像352在距光軸310A和圖元陣列中心200AC的徑向距離352R處。像平面312和透鏡310被以一像距312Z而隔開。
圖3A-3C示出主光線351(0)、上邊緣光線351(1)和下邊緣光線351(-1)的傳播。在圖3A-3C的剖視圖中，圖元陣列200A包括圖2的雙二極體PDAF圖元200的欄。在圖3A中，圖元陣列200A在像平面312的後方。在圖3B中，圖元陣列200A與像平面312共平面。在圖3C中，圖元陣列200A在像平面312的前方。
圖3A-3C還包括示意性圖元欄回應303、304，其分別表示相位檢測圖元PDAF圖元200的列中(a)左光電二極體211和(b)右光電二極體212的回應。
在圖3A中，圖元陣列200A在像平面312的後方使得像352未對焦在在圖元陣列200A處。圖元陣列200A在距透鏡310的距離311A處，其 對應距像平面312的離焦距離△Z=△ZA>0。圖元欄回應303A說明左相位檢測圖元的欄檢測一強度峰303A'，其對應上邊緣光線351(1)。圖元欄回應304A示出右相位檢測圖元的欄檢測一強度峰304A'，其對應下邊緣光線351(-1)。強度峰304A'比強度峰303A'更接近光軸310A。在圖元陣列200A上，強度峰303A'和304A'被以一距離△X=△XA>0隔開。
在圖3B中，圖元陣列200A位於像平面312處使得像352是對焦的。圖元陣列200A在距透鏡310的距離311B處，其對應距像平面312的離焦距離△Z=△ZB=0。圖元欄回應303B說明左相位檢測圖元的欄檢測一強度峰303B'，其對應入射到列中相同的左相位檢測圖元上的光線351(-1,0,1)。圖元欄回應304B說明右相位檢測圖元的欄檢測一強度峰，其對應入射到列中相同的右相位檢測圖元的光線351(-1,0,1)。在圖元陣列200A上，強度峰303B'和304B'被以一距離△X=△XB隔開，其在圖3B中被說明為等於0。
在圖3C中，圖元陣列200A在像平面312的前方使得像352在圖元陣列200A處是未對焦的。圖元陣列200A在距透鏡310的距離311C處，其對應距像平面312的離焦距離△Z=△ZC<0。圖元欄回應303C說明左相位檢測圖元的欄檢測一強度峰，其對應上邊緣光線351(1)的。圖元欄回應304C說明右相位檢測圖元的欄檢測一強度峰，其對應下邊緣光線351(-1)的。強度峰304C'比強度峰303C'更遠離光軸310A。在圖元陣列200A上，強度峰303C'與304C'被以一距離△X=△XC<0隔開。
圖像感測器101的相位檢測自動聚焦精度(以下為“PDAF精度”)的一個指標是△x的大小，以代表離焦程度△z的大小。具體地，參考圖3B，零離焦(△z=0)應該對應△x=0。因此，當△z=0時，△x的大小越小，PDAF精度越高。
在第一實施例中公開一PDAF圖元陣列。該PDAF圖元陣列包括一第一圖元和一第二圖元。該第一圖元位於距該PDAF圖元陣列的中心的一第一距離處，並包括相對於該中心的一第一內光電二極體和一第一外光電二極體。該第一內光電二極體和該第一外光電二極體分別佔據一第一內面積和一第一外面積。該第一內面積除以該第一外面積等於一第一比率。該第二圖元位於距該中心的一第二距離處，並包括相對於該中心的一第二內光電二極體和一第 二外光電二極體。該第二內光電二極體和該第二外光電二極體分別佔據一第二內面積和一第二外面積。該第二內面積除以該第二外面積等於一第二比率。該第二距離超過該第一距離，且該第二比率超過該第一比率。
在第二實施例中公開一PDAF成像系統。該PDAF成像系統包括一成像透鏡和與該成像透鏡對齊並具有該PDAF圖元陣列的一圖像感測器。
101‧‧‧圖像感測器
120‧‧‧聚焦圖像
130‧‧‧散焦圖像
150‧‧‧場景
180‧‧‧數位照相機
190‧‧‧使用情景
200‧‧‧雙二極體PDAF圖元
200A‧‧‧圖元陣列
200R、200L‧‧‧圖元
211、212、711、712‧‧‧光電二極體
211T、212T‧‧‧上表面
212L‧‧‧左邊緣
212R‧‧‧右邊緣
221、521‧‧‧濾色鏡
230‧‧‧顯微透鏡
231、310A、1200A、1210A‧‧‧光軸
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‧‧‧圖元欄回應
303A'、303B'、303C'、304A'、304B'、304C'‧‧‧峰
310、1210‧‧‧透鏡
311A、311B、311C、510‧‧‧距離
312、1212‧‧‧像平面
312Z‧‧‧像平面距離
350‧‧‧軸外物體
351(-1)、351(0)、351(1)‧‧‧光線
352‧‧‧像
352R‧‧‧距離
400、600、800‧‧‧角度選擇圖
411、412、611、612、811、812‧‧‧光電二極體回應
411P、412P、611P、612P‧‧‧峰區域
500、700、1000、1100‧‧‧PDAF圖元
500A、700A、900A、1000A、1100A‧‧‧PDAF圖元陣列
525‧‧‧不透明結構
525A‧‧‧孔
525A'‧‧‧中心軸
531‧‧‧介面
551(0)、1250(0.0)、1250(0.2)、1250(0.4)、1250(0.6)、1250(0.8)、1250(1.0)‧‧‧主光線
551(-1)、551(+1)‧‧‧邊緣光線
711B‧‧‧下邊緣
711W、712W‧‧‧寬度
712T‧‧‧上邊緣
820‧‧‧角度範圍
900‧‧‧圖元
900AC‧‧‧圖元陣列中心
901、905、909‧‧‧區域
911、1011‧‧‧內光電二極體
912、1012‧‧‧外光電二極體
922‧‧‧介面
922N、950(1)、950(2)、950(3)、1404、1504‧‧‧線
1023‧‧‧高度
1060‧‧‧標準化距離
1200‧‧‧成像系統
1251、1351、1351(0.2)、1351(0.4)、1351(0.6)、1351(0.8)、1351(1.0)‧‧‧主光線角
1251(1.0)‧‧‧角
1300、1400、1500、1600‧‧‧圖
1402(1)、1402(2)、1402(3)、1402(4)‧‧‧寬度差
1502(1)、1502(2)、1502(3)、1502(4)‧‧‧寬度比率
1610‧‧‧比率
1610F‧‧‧拋物線擬合
圖1說明一使用情景中先前技術圖像感測器，其包括具有PDAF圖元的圖元陣列。
圖2是圖1圖元陣列的先前技術雙二極體PDAF圖元的剖視圖。
圖3A-圖3C一PDAF成像系統的剖視圖，其中該圖元陣列在相對於聚焦平面的不同位置處。
圖4是圖2軸上雙二極體PDAF圖元的示意性角度選擇圖。
圖5是一實施例中PDAF圖元陣列的軸外多二極體PDAF圖元的剖視圖。
圖6是圖5的軸外多二極體PDAF圖元的示意性角度選擇圖。
圖7是一實施例中PDAF圖元陣列的軸外多二極體PDAF圖元的剖視圖。
圖8是圖7軸外多二極體PDAF圖元的示意性角度選擇圖。
圖9是一實施例中包括多個圖7軸外多二極體PDAF圖元的第一PDAF圖元陣列的平面圖。
圖10是一實施例中包括多個圖7軸外多二極體PDAF圖元的第二PDAF圖元陣列的平面圖。
圖11是一實施例中包括多個圖7軸外多二極體PDAF圖元的第三PDAF圖元陣列的平面圖。
圖12是一實施例中在一成像系統的像平面處的圖10PDAF圖元陣列的剖視圖。
圖13是作為圖12像平面上標準化位置函數的例示性主光線角圖。
圖14說明一實施例中圖7PDAF圖元陣列的PDAF圖元的內和 外光電二極體寬度對主光線角的例示性最適差異圖。
圖15說明一實施例中圖7PDAF圖元陣列的PDAF圖元的內和外光電二極體寬度對主光線角的例示性最適比率圖。
圖16說明一實施例中作為距圖7PDAF圖元陣列中心的標準化距離函數的例示性光電二極體寬度比率圖。
申請人已經確定PDAF精度取決於雙二極體PDAF圖元200的角靈敏度(Angular Sensitivity)。圖4是軸上雙二極體PDAF圖元200(0)的示意性角度選擇圖400，其中“軸上”(On-Axis)指的是透鏡310的光軸310A與圖元陣列200A相交的位置。圖400包括作為入射光角θ的函數的左光電二極體211的光電二極體回應411和右光電二極體212的光電二極體回應412。由於雙二極體PDAF圖元200(0)與透鏡310的光軸310A對齊，入射其上的主光線與光電二極體上表面212T和211T垂直。光電二極體212具有對正入射光角θ>0的峰回應。光電二極體211具有對負入射光角θ<0的峰回應。光電二極體回應411和412在相對角θ r =θ x =0°處相等，並具有關於θ x 對稱的各自的峰區域411P和412P。在此，相對角θ x 表示θ r 的最小絕對值，在相對角處多二極體PDAF圖元的光電二極體回應相等。申請人已經確定PDAF精度取決於雙二極體PDAF圖元(例如，雙二極體PDAF圖元200)的角靈敏度。
圖5是PDAF圖元陣列500A的軸外多二極體PDAF圖元500的剖視圖。例如，PDAF圖元陣列500A是CMOS圖像感測器的部分。PDAF圖元500與雙二極體PDAF圖元200相似，除了顯微透鏡230不與光電二極體211和212對齊。光軸231自光電二極體211和212之間的介面531以一距離510偏移。顯微透鏡230具有一與光軸231相交於焦點232P的主平面232。濾色鏡521在顯微透鏡230和光電二極體211、212之間。
PDAF圖元500在距PDAF圖元陣列500A的中心的距離r p 處，其中從圖元陣列中心至與PDAF圖元500相關的位置(例如，光軸231或介面531)測量r p 。距離r p 與距離352R(圖3)相似。在例示性的實施情景中，PDAF圖元陣列500A在具有有效焦距f的透鏡310的像平面處。透鏡310以相對於光軸310A的多個主光線角(CRA)χ透射光，使得入射到PDAF圖元500上的主光線的“設計”CRAχp取決於距離r p 。根據 (以後稱為等式(1))，設計CRAχp可以與距離r p 相關。例如，等式(1)至少適用于單透鏡。
可以在不參照成像透鏡的情況下定義設計CRAχp。例如，圖元500A可以包括一不透明結構525具有穿過其中的孔525A。孔525A具有中心軸525A'。設計CRAχp可以對應穿過孔525A內特定位置(例如，穿過中心軸525A')的顯微透鏡230所透射的主光線，其傳播角。可選地，設計CRAχp可以是由光軸231與連接點232P和中心軸525A'上的點的線形成的角。
可選地，可以參照光電二極體211和212的邊緣定義設計CRAχp。光電二極體211具有左邊緣211L。光電二極體212具有右邊緣212R。設計CRAχp可以是穿過邊緣211L和212R之間的中點的顯微透鏡230透射的主光線的傳播角。可選地，設計CRAχp可以是由光軸231與連接點232P和邊緣211L、212R之間的中點的線形成的角。
在等式(1)中，距離d pa是圖元陣列200A和透鏡310沿坐標系298的z軸的特徵距離。在此之下，除非另有說明者外，自透鏡310起的距離將參照於透鏡310的主平面。圖3的距離311A-C是距離d pa的例子。例如，距離d pa在焦平面312和透鏡310之間的像平面距離312Z的範圍內，其中像平面距離的範圍為從f至f的整數倍。可選地，d pa =f。
在圖5中，圖元陣列500A在成像系統的聚焦平面上(未表示)透射主光線551(0)和邊緣光線551(±1)至其上。主光線551(0)傳播至焦點531P並與光軸231形成角χp。透鏡230將同樣以角χp傳播的邊緣光線551(±1)折射至其與主光線551(0)相交的焦點531P。由於焦點531P在光電二極體212內且光線551在光電二極體212中比其在光電二極體211中傳播更長的距離，光電二極體212比光電二極體211具有更強的對光線551的回應，如圖6中所示。
圖6說明相對CRA θ r 的函數的光電二極體回應的軸外多二極體PDAF圖元500，其示意性角度選擇圖600，該函數為被設計CRAχp所偏移的入射光的主光線角。圖600包括左光電二極體211的光電二極體回應611和右光電二極體212的光電二極體回應612。當角θ r 等於“交叉角”θ x 時，光電二極體回應611和612相等，在此例中θ x -9°。光電二極體回應611和622具有關於交叉角θ x 對稱的各自的峰區域611P和612P。
申請人已經確定PDAF精度隨著交叉角θ x 偏離0度而降低。對於具有相等寬度的光電二極體211和212的多二極體PDAF圖元，交叉角θ x 隨PDAF圖元距成像透鏡光軸(例如，光軸310A)的徑向距離r p (例如，圖3距離352R)的增加而增加。
圖7是包括在PDAF圖元陣列700A中的軸外多二極體PDAF圖元700的剖視圖。例如，PDAF圖元陣列700A是CMOS圖像感測器的部分，並可相容用於圖像感測器101中以替代圖元陣列200A。在圖7中，圖元陣列700A被描繪成在成像系統的聚焦平面處(未表示)透射主光線551(0)和邊緣光線551(±1)至其上。
圖元700具有分別遠離和更靠近PDAF圖元陣列700A的幾何中心的光電二極體711和712。光電二極體711和712具有各自的寬度711W和712W，其中寬度711W超過712W。光電二極體711和712之間的介面731在距光軸231的距離710處。距離710超過圖5的PDAF圖元500的距離510。光電二極體711和712被表示出具有在其上的共用濾色鏡521。在不脫離本發明揭露範圍的情況下，光電二極體711和712之上方可以具有各自不同的濾色鏡。
圖元700A可以包括不透明結構525和對應的孔525A。光電二極體711具有一下邊緣711B。光電二極體712具有一上邊緣712T。設計CRAχp可以在與相對於孔525A或邊緣711B、712T被定義，類似於在圖元500A討論的方法。
圖8表示作為相對CRA θ r 函數的光電二極體回應的軸外多二極體PDAF圖元700，其示意性角度選擇圖800。圖800包括右光電二極體712的光電二極體回應812和左光電二極體711的光電二極體回應811。光電二極體回應811和812在位於角度範圍820內θ r 的值處相等，包括θ r =0。由於光電二極體響應811和812是PDAF圖元700的光電二極體711和712的各自的屬性，交叉角θ x 是PDAF圖元700的屬性。例如，角度範圍820是在約θ r =0時為±4°。角度範圍820可以更大，例如，在約θ r =0時為±8°或+18°。
在一實施例中，寬度711W及寬度712W的比率隨光軸231至PDAF圖元陣列700A的幾何中心的距離r p 變化，如圖9所示。圖9是具有多 個圖元900(m,n)的PDAF圖元陣列900A的平面圖，其中1<m<M、1<n<N、且m、n、M和N都是正整數。每個圖元900和圖元陣列900A分別是圖元700和PDAF圖元陣列700A的例，且可相容用於圖像感測器101中。
圖元陣列中心900AC與圖元陣列中心200AC類似，使得當圖元陣列900A是包含透鏡的成像系統的一部分時，透鏡光軸與圖元陣列中心900AC對齊在本領域中可容許的公差內。
在圖9的實施例中，圖元陣列900A包括在圖元陣列中心900AC處的中心圖元900(,)(之後為“900(C)”)。例如，當圖元陣列900A的圖元行的總數和圖元列的總數都是奇數時，圖元陣列900A包括中心圖元900(C)。在另一實施例中，例如，當圖元陣列900A的圖元行的總數和圖元列的總數都是偶數時，圖元陣列900A不包括中心圖元使得圖元陣列中心900AC在相鄰的圖元900之間。
如圖9所示，M和N都是奇數，但是在不脫離本發明範圍的情況下，M和N的至少一個可以是偶數。圖9說明三個區域901、905和909中的選擇圖元900。每個圖元900具有各自的光電二極體對：內光電二極體911和外光電二極體912，其中對於給定的圖元900，內光電二極體911的至少一部分在外光電二極體912和圖元陣列中心900AC之間。例如，圖元900(1，1)包括光電二極體911(1，1)和912(1，1)。在圖9中，內光電二極體是白色的且外光電二極體是上陰影線的(Hatched)。
圖元900(C)居中於坐標系統298的原點(x，y)=(0，0)。對於居中於座標(x m ，y n )的任一個圖元900(m，n)，其內光電二極體911(m，n)與其外光電二極體912(m，n)的面積比率R是(x m ，y n )的函數，使得比率R(x m ，y n )根據圖元900(m，n)和圖元陣列中心900AC之間的距離增加。例如，在圖9中，區域909中的比率R超過區域905中的比率R，區域905中的比率R超過區域901中的比率R。例如，比率R(x m ，y n )是x m 和y n 的至少一個的多項式：R(x m ,y n )=Σ k a k |x m | k +b k |y n | k +c 0，以後稱為等式(2)。在等式(2)中，k是非負整數且R(0,0)=c 0(其中，例如c 0=1)，且(x m ，y n )與r p 的關係為r p 2=r m,n 2=x m 2+y n 2。可選地，R(x m ，y n )可以被表示為設計CRAχ p (m,n)的函數。例如，R(x m ，y n )隨設計CRAχ p (m,n)的函數線性增加。
沿圖像感測器對角線的圖元(例如圖元900(1，1))被表示出為具有三角形的光電二極體901。這樣的對角線圖元可以具有矩形的光電二極體901，例如與圖元900(1，)或圖元900(，1)的光電二極體相似。
對於給定的圖元900，其內和外光電二極體之間的介面可以在相對於圖元的中心和圖元陣列中心900AC之間的線成角。例如，圖元900(m1，n1)具有在圖元陣列中心900AC的方向上與線922N正交的介面922，使得其光電二極體是梯形的。
圖9表示出具有其每個圖元是PDAF圖元700(在此情況下，是PDAF圖元900)的圖元陣列900A。在實施例中，圖元陣列900A包括與PDAF圖元700不同的圖元，例如，具有單個光電二極體的圖元或具有相等尺寸的光電二極體的雙光電二極體圖元。圖9包括與中心圖元900(C)佔據的區域相交(例如，相交於圖元陣列中心900AC)的疊加在圖元陣列900A上的線950。線950(1-3)被表示出為例示且並不代表限制穿過由中心圖元900(C)佔據區域的線950的方位。在實施例中，圖元陣列900A包括(a)位於線950(1)下面的多個PDAF圖元700，(b)位於線950(2)下面的多個PDAF圖元700和(c)位於線950(3)下面的多個PDAF圖元700的至少一個。
在實施例中，區域909中的圖元900、區域905中的圖元900和區域901中的圖元是共線的。區域901中的圖元比組成圖元陣列900A的圖元，其總數的一百分比更接近圖元陣列中心900AC。例如，此百分比超過95%，或可選地在90%和95%之間。
圖10是具有多個PDAF圖元1000(m，n)的PDAF圖元陣列1000A的平面圖，其中，和圖9一樣，1<m<M、1<n<N、且m、n、M和N都是正整數。PDAF圖元1000和PDAF圖元陣列1000A分別是PDAF圖元700和PDAF圖元陣列700A的示例。PDAF圖元陣列1000A與PDAF圖元陣列900A相似，除了對於每個圖元1000，光電二極體之間的分隔沿坐標系298表示的x方向或y方向。
圖11是具有多個PDAF圖元1100(m，n)的PDAF圖元陣列1100A的平面圖，其中，如圖10一樣，1<m<M、1<n<N、且m、n、M和N都是正整數。PDAF圖元1100和PDAF圖元陣列1100A分別是PDAF圖元700和PDAF圖元陣列700A的例示。PDAF圖元陣列1100A與PDAF圖元陣列 1000A相似，除了對於每個圖元1100，光電二極體之間的分隔沿坐標系298表示的x方向。
每個PDAF圖元700、900、1000和1100被表示出為具有兩個光電二極體。在不脫離其範圍的情況下，PDAF圖元(例如PDAF圖元700、900、1000和1100)可以具有多於兩個光電二極體。
當圖元陣列在成像系統的聚焦平面處時，入射到圖元陣列上在距圖元陣列中心的距離r p 處的主光線的入射角(即CRAχ p )取決於距離r p 。圖10示出歸一化的距離1060，即在坐標系298的x方向中r p 被標準化至圖元陣列1000A的一半寬度。
圖12是包括與透鏡1210的光軸1200A對齊的PDAF圖元陣列1000A，其成像系統1200的剖視圖。圖元陣列1000A在成像系統1200的像平面1212平面處。圖中包括PDAF圖元陣列1000A而未包含其他PDAF圖元陣列700A的例示，係僅為說明目的。PDFA圖元陣列700A的其他例示可以替換圖12中的PDAF圖元陣列1000A。例如，透鏡1210為一複合透鏡，該複合透鏡包括一厚透鏡和被設計以減少圖元陣列邊緣附近的主光線角的一表面。
圖12表示出被透鏡1210成像到PDAF圖元陣列1000A上的多個主光線1250(x)。每個主光線1250(x)以自光軸1200A之對應距離x入射到圖元陣列1000A上，該光軸1200A由標準化距離1060及對應至光軸1210A之一對應角度1251(x)所表示。。例如，主光線1250(0.0)以平行於光軸1210A之方式傳播，使得角1251(0.0)為0度，且主光線1250(1.0)以角1251(1.0)傳播。
圖13是作為像平面1212上標準化距離1060的函數，其主光線角1351的圖1300。主光線角1351是主光線1250的主光線角1251的例示。特別地，主光線角1351(0.2，0.4，0.6，08，1.0)分別表示主光線1250(0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)的主光線角。圖1300可以由本技術領域中使用的光學設計軟體產生，並提供圖像感測器位置和入射其上的主光線角之間的映射(Mapping)。
圖14表示出一例示性圖1400，其作為對於PDAF圖元陣列700A實施例的主光線角函數的最適光電二極體寬度差1402(1-4)。圖15表示出與圖14相同資料的圖1500，但其最適光電二極體尺寸被表示為光電二極體 寬度比率1502(1-4)。光電二極體寬度差1402和光電二極體寬度比率1502由圖元光學回應(Pixe1 Optica1 Response)的有限差分時域模擬(Finite-Difference Time-Domain Simu1ation)產生。
例如，“光電二極體寬度”指的是內光電二極體711的光電二極體寬度711W和外光電二極體712的光電二極體寬度712W。當內光電二極體711和外光電二極體712具有沿坐標系298的y軸相等的高度時，每個光電二極體寬度比率1502也代表在相同PDAF圖元700中的內光電二極體711與外光電二極體712，其面積比率。如圖8所示，當光電二極體響應811和812在角度範圍820內θ r 的值處相等時，能對應至最適寬度差和最適寬度比率。
例如，寬度差1402(1)和寬度比率1502(1)對應具有內光電二極體1011(m1，n1)和外光電二極體1012(m1，n1)的圖元1000(m1，n1)(圖10)。例如，寬度差1402(4)和寬度比率1502(4)對應具有內光電二極體1011(m4，n4)和外光電二極體1012(m4，n4)的圖元1000(m4，n4)。圖元1000的每個具有總光電二極體高度1023，如對於圖元1000(m4，n4)所示。在產生寬度差1402和寬度比率1502的模擬中，高度1023等於1.3μm。
寬度差1402由具有斜率m 12=0.0111μm/度和確定係數R 2=0.9991的線1404擬合。寬度比率1502由具有斜率m 13=0.0228/度和確定係數R 2=0.9908的線1504擬合。線1404和1504分別與圖1400和1500的原點相交，其中該原點對應等於0的主光線角，且在PDAF圖元700中光電二極體寬度711W等於光電二極體寬度712W。
圖16表示出一圖1600，其作為距PDAF圖元陣列700A的中心的標準化距離1060(x n )的函數的例示性光電二極體寬度比率1610(實曲線，r(x n ))。比率1610為圖1500中線1504除以標準化距離1060而非主光線角所得之比值。標準化距離1060係從圖13的圖1300得到的圖1500的主光線角得到。
圖1600還包括對光電二極體寬度比率1610的抛物線擬合1610F。抛物線擬合1610F滿足r(x n )=ax n 2+bx n +1.0，其中a和b的擬合值為a=-1.16，b=1.91。寬度比率1610和抛物線擬合1610F之間的均方根誤差為△RMS=1.011×10-2。
特徵組合
在不脫離其範圍的情況下，以上說明和以下請求的特徵可以以各種方式進行組合。以下表例示出一些可能的、非限制性的組合：
(A1)一種PDAF圖元陣列，包括一第一圖元和一第二圖元。該第一圖元位於距該PDAF圖元陣列的一中心的一第一距離處，並包括相對於該中心的一第一內光電二極體和一第一外光電二極體。該第一內光電二極體和該第一外光電二極體分別佔據一第一內面積和一第一外面積。該第一內面積除以該第一外面積等於一第一比率。該第二圖元位於距該中心的一第二距離處，並包括相對於該中心的一第二內光電二極體和一第二外光電二極體。該第二內光電二極體和該第二外光電二極體分別佔據一第二內面積和一第二外面積。該第二內面積除以該第二外面積等於一第二比率。該第二距離超過該第一距離，且該第二比率超過該第一比率。
(A2)在如(A1)表示的PDAF圖元陣列中，該第一內光電二極體和該第一外光電二極體的一回應可以相等於對與該第一圖元相關聯之一設計主光線角小於5度以內入射光回應。
(A3)如(A1)和(A2)的一個表示的PDAF圖元陣列更包括位於距該中心的一第三距離並包括相對於該中心的一第三內光電二極體和一第三外光電二極體的一第三圖元。該第三內光電二極體和該第三外光電二極體分別佔據一第三內面積和一第三外面積。該第三內面積除以該第三外面積等於一第三比率。該第三距離超過該第二距離，且該第三比率超過該第二比率。
(A4)在如(A3)表示的PDAF圖元陣列中，該第一圖元可以具有以下至少一者(1)與該圖元陣列中心重疊，(2)比該PDAF圖元陣列中所有其他圖元更接近該圖元陣列中心，和(3)比該PDAF圖元陣列中所有其他圖元的90%更接近該圖元陣列中心。
(A5)如(A3)和(A4)的其中一者所表示的PDAF圖元陣列更包括位於距該中心的一第四距離處的一第四圖元。該第四圖元包括相對於該中心的一第四內光電二極體和一第四外光電二極體。該第四內光電二極體和該第四外光電二極體分別佔據一第四內面積和一第四外面積。該第四內面積除以該第四外面積等於一第四比率。該第四距離超過該第三距離，且該第四比率超過該第三比率。該第一、第二、第三和第四比率可表示為各自的該第一、第 二、第三和第四距離的一抛物線函數。
(A6)在如(A5)表示的PDAF圖元陣列中，該抛物線函數可為至少四個座標{(x 1,y 1),(x 2,y 2),(x 3,y 3),(x 4,y 4)}的抛物線曲線擬合並可以具有關於至少該四個座標而小於0.02的一方均根誤差，其中{x 1,x 2,x 3,x 4}分別對應該第一、第二、第三和第四距離且{y 1,y 2,y 3,y 4}分別對應該第一、第二、第三和第四比率。
(A7)如(A1)至(A6)的一個表示的PDAF圖元陣列更包括位於距該中心的一第三距離處的一第三圖元。該第三圖元包括相對於該中心的一第三內光電二極體和一第三外光電二極體。該第三內光電二極體和該第三外光電二極體分別佔據一第三內面積和一第三外面積。該第三內面積除以該第三外面積等於一第三比率。該第三距離可以小於該第二距離，且該第三比率等於該第一比率。可選地，該第三距離超過該第二距離，且該第三比率等於該第二比率。
(B1)一種PDAF成像系統包括一成像透鏡和與該成像透鏡對齊的一圖像感測器。該圖像感測器具有如(A1)表示的PDAF圖元陣列。
(B2)在如(B1)表示的PDAF成像系統中，該第一圖元(a)可以位於與對齊於該PDAF圖元陣列的該成像透鏡所透射的一第一主光線角相關的該PDAF圖元陣列上。該第一內光電二極體和該第一外光電二極體的一回應可以相等於對與該第一圖元相關聯之一設計主光線角小於5度以內入射光回應。
(B3)在如(B1)和(B2)的其中一者所表示的PDAF成像系統中，該PDAF圖元陣列還可以包括位於距該中心的一第三距離處的一第三圖元。該第三圖元包括一第三內光電二極體和一第三外光電二極體。該第三內光電二極體和該第三外光電二極體分別佔據一第三內面積和一第三外面積。該第三內面積除以該第三外面積等於一第三比率。該第三距離超過該第二距離，且該第三比率超過該第二比率。
(B4)在如(B3)表示的PDAF成像系統中，該第一圖元可以滿足以下至少一者：(1)與該圖元陣列中心重疊，(2)比該PDAF圖元陣列中所有其他圖元更接近該圖元陣列中心，和(3)比該PDAF圖元陣列中所有其他圖元的90%更接近該圖元陣列中心。
(B5)在如(B3)和(B4)的其中一者所表示的PDAF成像系統中，該第一、第二和第三比率可以被表示為各自的該第一、第二和第三距離的一線性函數。
(B6)在如(B5)表示的PDAF成像系統中，該線性函數可以是最佳擬合於三個座標{(x 1,y 1),(x 2,y 2),(x 3,y 3)}的最小平方線(Least Squares Line)，並可以具有超過0.98的一決定係數，其中{x 1,x 2,x 3}分別對應該第一、第二和第三距離且{y 1,y 2,y 3}分別對應該第一、第二和第三比率。
(B7)如(B1)至(B6)的其中一者所表示的PDAF圖元陣列更包括位於距該中心的一第三距離處的一第三圖元。該第三圖元包括相對於該中心的一第三內光電二極體和一第三外光電二極體。該第三內光電二極體和該第三外光電二極體分別佔據一第三內面積和一第三外面積。該第三內面積除以該第三外面積等於一第三比率。該第三距離可以小於該第二距離，且該第三比率等於該第一比率。可選地，該第三距離超過該第二距離，且該第三比率等於該第二比率。
在不脫離其範圍的情況下，可以對上述方法和系統做出改變。因此應該注意的是，在上述說明中所包含或在圖式中表示出的內容，應該被理解為例示說明性的而不具有限制意義。以下申請專利範圍旨在覆蓋在本發明所描述的所有通用和特定特徵，以及在語言上本方法和本系統的範圍的所有聲明應被認為落入其間。

Claims (16)

  1. 一種相位檢測自動聚焦PDAF圖元陣列，包括：一第一圖元位於距該PDAF圖元陣列的一中心的一第一距離處，並具有相對於該中心的一第一內光電二極體和一第一外光電二極體，該第一內光電二極體和該第一外光電二極體分別佔據一第一內面積和一第一外面積，該第一內面積除以該第一外面積等於一第一比率；以及一第二圖元位於距該中心的一第二距離處，並具有相對於該中心的一第二內光電二極體和一第二外光電二極體，該第二內光電二極體和該第二外光電二極體分別佔據一第二內面積和一第二外面積，該第二內面積除以該第二外面積等於一第二比率；該第二距離超過該第一距離；且該第二比率超過該第一比率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的PDAF圖元陣列，該第一內光電二極體和該第一外光電二極體的一回應相等於對與該第一圖元相關聯之一設計主光線角小於5度以內入射光回應。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的PDAF圖元陣列，更包括：一第三圖元位於距該中心的一第三距離處，並具有相對於該中心的一第三內光電二極體和一第三外光電二極體，該第三內光電二極體和該第三外光電二極體分別佔據一第三內面積和一第三外面積，該第三內面積除以該第三外面積等於一第三比率，該第三距離超過該第二距離，且該第三比率超過該第二比率。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的PDAF圖元陣列，該第一圖元滿足以下至少一者：(1)與該圖元陣列中心重疊，(2)比該PDAF圖元陣列中所有其他圖元更接近該圖元陣列中心，和(3)比該PDAF圖元陣列中所有其他圖元的90%更接近該圖元陣列中心。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的PDAF圖元陣列，更包括：一第四圖元，位於距該中心的一第四距離處，並具有相對於該中心的一第四內光電二極體和一第四外光電二極體，該第四內光電二極體和該第四外光電二極體分別佔據一第四內面積和一第四外面積，該第四內面積除以該第四外面積等於一第四比率，該第四距離超過該第三距離，且該第四比率超過該第三比率，該第一比率、該第二比率、該第三比率和該第四比率可表示為各自的該第一距離、該第二距離、該第三距離和該第四距離的一抛物線函數。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的PDAF圖元陣列，該抛物線函數是至少四個座標{(x 1,y 1),(x 2,y 2),(x 3,y 3),(x 4,y 4)}的一抛物線曲線擬合，並具有關於該至少四個座標而具有小於0.02的一方均根誤差，其中{x 1,x 2,x 3,x 4}分別對應該第一距離、該第二距離、該第三距離和該第四距離，且{x 1,x 2,x 3,x 4}分別對應該第一比率、該第二比率、該第三比率和該第四比率。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的PDAF圖元陣列，還包括：一第三圖元位於距該中心的一第三距離處，並具有相對於該中心的一第三內光電二極體和一第三外光電二極體，該第三內光電二極體和該第三外光電二極體分別佔據一第三內面積和一第三外面積，該第三內面積除以該第三外面積等於一第三比率，該第三距離小於該第二距離，且該第三比率等於該第一比率。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的PDAF圖元陣列，還包括：一第三圖元位於距該中心的一第三距離處，並具有相對於該中心的一第三內光電二極體和一第三外光電二極體，該第三內光電二極體和該第三外光電二極體分別佔據一第三內面積和一第三外面積，該第三內面積除以該第三外面積等於一第三比率，該第三距離超過該第二距離，且該第三比率等於該第二比率。
  9. 一種相位檢測自動聚焦PDAF成像系統，包括：一成像透鏡；以及一圖像感測器與該成像透鏡對齊並且具有一PDAF圖元陣列，該PDAF圖元陣列包括：(a)一第一圖元位於距該PDAF圖元陣列的一中心的一第一距離處，並具有相對於該中心的一第一內光電二極體和一第二外光電二極體，該第一內光電二極體和該第一外光電二極體分別佔據一第一內面積和一第一外面積，該第一內面積除以該第一外面積等於一第一比率，以及(b)一第二圖元，位於距該中心的一第二距離處，並具有相對於該中心的一第二內光電二極體和一第二外光電二極體，該第二內光電二極體和該第二外光電二極體分別佔據一第二內面積和一第二外面積，該第二內面積除以該第二外面積等於一第二比率；該第二距離超過該第一距離，以及該第二比率超過該第一比率。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的PDAF成像系統，該第一圖元滿足：(a)該第一圖元位於與對齊於該PDAF圖元陣列的該成像透鏡所透射的一第一主光線角相關的該PDAF圖元陣列上，且(b)該第一內光電二極體和該第一外光電二極體的一回應相等於對與該第一圖元相關聯之一設計主光線角小於5度以內入射光回應。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的PDAF成像系統，該PDAF圖元陣列更包括：一第三圖元，位於距該中心的一第三距離處，並具有一第三內光電二極體和一第三外光電二極體，該第三內光電二極體和該第三外光電二極體分別佔據一第三內面積和一第三外面積，該第三內面積除以該第三外面積等於一第三比率，該第三距離超過該第二距離，且該第三比率超過該第二比率。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的PDAF圖元陣列，其中，該第一圖元滿足以下至少一者：(1)與該圖元陣列中心重疊，(2)比該PDAF圖元陣列中所有其他圖元更接近所述該圖元陣列中心，和(3)比該PDAF圖元陣列中所有其他圖元的90%更接近該圖元陣列中心。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的PDAF成像系統，其中，該第一比率、該第二比率和該第三比率表示成各自的該第一距離、該第二距離和該第三距離的一線性函數。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的PDAF成像系統，其中，該線性函數是最佳擬合於三個座標{(x 1,y 1),(x 2,y 2),(x 3,y 3)}的一最小平方線，並具有超過0.98的一決定係數，其中{x 1,x 2,x 3}分別對應該第一距離、該第二距離和該第三距離，且{y 1,y 2,y 3}分別對應該第一比率、該第二比率和該第三比率。
  15. 如申請專利範圍第9項所述的PDAF成像系統，該PDAF圖元陣列更包括：一第三圖元，位於距該中心的一第三距離處，並具有相對於該中心的一第三內光電二極體和一第三外光電二極體，該第三內光電二極體和該第三外光電二極體分別佔據一第三內面積和一第三外面積，該第三內面積除以該第三外面積等於一第三比率，該第三距離小於該第二距離，且該第三比率等於該第一比率。
  16. 如申請專利範圍第9項所述的PDAF成像系統，該PDAF圖元陣列更包括：一第三圖元，位於距該中心的一第三距離處，並具有相對於該中心的一第三內光電二極體和一第三外光電二極體，該第三內光電二極體和該第三外光電二極體分別佔據一第三內面積和一第三外面積，該第三內面積除以該第三外面積等於一第三比率，該第三距離超過該第二距離，且該第三比率等於該第二比率。
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