图像传感器和摄像设备

本申请是在2017年01月23日提交的申请号为201710051977.X、发明创造名称为“图像传感器和摄像设备”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种图像传感器和摄像设备。

背景技术

作为摄像设备所进行的焦点检测方法，使用如下的摄像面相位差方法，其中在该摄像面相位差方法中，使用图像传感器中所形成的焦点检测像素来进行利用相位差方法的焦点检测。

美国专利4410804号公开了使用在各像素中形成有一个微透镜和多个光电转换单元的二维图像传感器的摄像设备。该多个光电转换单元被配置成经由一个微透镜接收穿过了摄像镜头的出射光瞳的不同区域的光分量，由此对光瞳进行分割。根据从各自包括多个光电转换单元的像素(焦点检测像素)输出的焦点检测信号来计算相关量，并且根据该相关量来获得图像偏移量，由此进行利用相位差方法的焦点检测。此外，日本特开2001-083407公开了如下内容：通过针对各像素将从多个光电转换单元输出的焦点检测信号相加来生成图像信号。

日本特开2000-156823公开了如下的摄像设备，其中在该摄像设备中，在根据多个摄像像素所形成的二维图像传感器中，部分地配置焦点检测像素对。这些焦点检测像素对被配置成经由具有开口的遮光层来从摄像镜头的出射光瞳的不同区域接收光分量，由此对光瞳进行分割。通过二维图像传感器的大部分上所配置的摄像像素来获取图像信号。根据部分配置的焦点检测像素的焦点检测信号来计算相关量，并且根据所计算出的相关量来获得图像偏移量，由此进行利用相位差方法的焦点检测。

在使用摄像面相位差方法的焦点检测中，可以通过图像传感器中所形成的焦点检测像素来同时检测散焦方向和散焦量。因此，可以高速地进行调焦控制。

然而，在摄像面相位差方法中，存在如下问题：在来自周边部分处的图像传感器上的摄像镜头(成像光学系统)的光的入射角度的变动范围大的情况下，传感器的入射光瞳和摄像镜头的出射光瞳之间的光瞳偏差大，并且无法确保基线长度，因此存在利用摄像面相位差方法的焦点检测质量劣化的情况。

发明内容

本发明是考虑到上述情形而作出的，并且实现了如下：在来自周边部分处的图像传感器上的成像光学系统的光的入射角度的变动范围大的情况下，在宽范围条件下进行利用摄像面相位差方法的焦点检测。

根据本发明，一种图像传感器，其排列有多个像素，所述多个像素各自具有用于接收穿过了成像光学系统的不同部分光瞳区域的光束的多个光电转换单元，其中，相对于所述成像光学系统的最小出射光瞳距离L

此外，根据本发明，一种图像传感器，其排列有多个像素，所述多个像素各自具有用于接收穿过了成像光学系统的不同部分光瞳区域的光束的多个光电转换单元，其中，相对于所述图像传感器的最大图像高度R，所述图像传感器的入射光瞳距离Z

此外，根据本发明，一种图像传感器，其排列有多个像素，所述多个像素各自具有用于接收穿过了成像光学系统的不同部分光瞳区域的光束的多个光电转换单元，其中，确定所述图像传感器的最大图像高度和入射光瞳距离，使得针对所述多个光电转换单元中的各个光电转换单元的所述图像传感器的入射光瞳和所述成像光学系统的出射光瞳之间的偏差量落入预定范围内。

此外，根据本发明，一种摄像设备，其能够连接至可拆卸的成像光学系统，所述摄像设备包括如上所述的图像传感器。

此外，根据本发明，一种摄像设备，包括：成像光学系统；以及如上所述的图像传感器。

通过以下(参考附图)对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用来解释本发明的原理。

图1是根据本发明的实施例的摄像设备的示意性框图；

图2是根据实施例的像素阵列的示意图；

图3A和3B分别是根据实施例的像素的示意性平面图和示意性截面图；

图4是根据实施例的像素结构和光瞳分割的示意性说明图；

图5是根据实施例的图像传感器和光瞳分割的示意性说明图；

图6是用于说明根据实施例的图像传感器的入射光瞳和光瞳偏移量之间的对应关系的示意性说明图，其中该光瞳偏移量是成像光学系统的入射光瞳与出射光瞳之间的光瞳偏移量；

图7是根据变形例的像素阵列的示意图；

图8A和8B分别是根据变形例的像素的示意性平面图和示意性截面图；

图9A和9B是示出根据实施例的像素内的光强度分布的示例的图；以及

图10是示出根据实施例的光瞳强度分布的示例的图。

具体实施方式

将参考附图来详细说明本发明的典型实施例。

整体结构

图1是示出作为具有根据本发明实施例的图像传感器的摄像设备的示例的照相机的简要结构。在图1中，第一透镜组101配置在成像光学系统的前端，并且以沿着光轴方向能够前后移动的方式被支撑。光圈-快门102调节其开口的直径，由此调节摄像期间的光量，并且还具有用以调节静止图像拍摄期间的曝光时间的功能。光圈-快门102和第二透镜组103沿着光轴一起前后移动，并且与第一透镜组101的前后移动连动地提供变倍效果(变焦功能)。

第三透镜组105(调焦透镜)通过沿着光轴前后移动来实施焦点调节。低通光学滤波器106是用于减少所拍摄图像的伪色和摩尔纹的目的的光学元件。图像传感器107包括二维CMOS光电传感器及周围电路，并且配置在成像光学系统的成像面上。

变焦致动器111通过凸轮筒(未示出)的转动以沿着光轴前后移动第一透镜组101～第二透镜组103来实现变倍操作。光圈-快门致动器112控制光圈-快门102的开口的直径并调节摄像用的光量，并且还控制静止图像拍摄期间的曝光时间。调焦致动器114沿着光轴前后移动第三透镜组105以调节焦点。

在摄像期间使用用于照射被摄体的电子闪光灯115。优选是使用氙管的闪光灯照明装置，但是还可以使用包括连续发光LED的照明装置。AF辅助闪光灯单元116通过投影透镜将具有预定开口图案的掩模的图像投影到被摄体视场上，以提高针对暗被摄体和低对比度被摄体的焦点检测能力。

CPU 121在摄像设备内以各种方式控制照相机主体单元。CPU 121例如可以具有计算单元、ROM、RAM、A/D转换器、D/A转换器和通信接口电路等。另外，基于ROM中所存储的预定程序，CPU 121对照相机具有的各种电路进行驱动，并且执行AF、摄像、图像处理和记录的一系列操作。

电子闪光灯控制电路122与摄像操作同步地控制电子闪光灯115的点亮。辅助闪光灯驱动电路123与焦点检测操作同步地控制AF辅助闪光灯单元116的点亮。图像传感器驱动电路124控制图像传感器107的摄像操作，还对所获取到的图像信号进行A/D转换，并且将转换后的图像信号发送至CPU 121。图像处理电路125对图像传感器107所获取到的图像进行诸如γ转换、颜色插值和JPEG压缩等的处理。

调焦驱动电路126基于焦点检测结果来控制调焦致动器114的驱动，以在光轴方向上往复驱动第三透镜组105，由此进行焦点调节。光圈-快门驱动电路128控制光圈-快门致动器112的驱动，由此驱动光圈-快门112的开口。变焦驱动电路129根据用户的变焦操作来驱动变焦致动器111。

诸如LCD等的显示装置131显示与照相机的摄像模式有关的信息、摄像之前的预览图像、摄像之后的确认图像和焦点检测期间的聚焦状态显示图像等。操作开关组132包括电源开关、释放(摄像触发器)开关、变焦操作开关和摄像模式选择开关等。可拆卸的闪速存储器133记录所拍摄的图像。

图像传感器

图2示出根据实施例的图像传感器107的摄像像素和焦点检测像素的阵列的概要。图2示出根据本实施例的二维CMOS传感器(图像传感器)中的4列×4行的范围内的像素(摄像像素)阵列以及8列×4行的范围内的焦点检测像素阵列。

像素组200包括2列×2行的像素。具有R(红色)光谱灵敏度的像素200R配置在左上位置，具有G(绿色)光谱灵敏度的像素200G配置在右上位置和左下位置，并且具有B(蓝色)光谱灵敏度的像素200B配置在右下位置。各像素包括以2列×1行方式排列的第一焦点检测像素201和第二焦点检测像素202。

图2所示的4(列)×4(行)个像素(8(列)×4(行)个焦点检测像素)的多个阵列配置在用以拍摄图像(焦点检测信号)的平面上。在本实施例中，在假定以下内容的情况下来说明图像传感器：水平尺寸H是36mm，垂直尺寸V是24mm，像素的周期P是4.8μm，像素的数量N是水平方向上7500列×垂直方向上5000行＝37500000，焦点检测像素的列方向周期PAF是2.4μm，并且焦点检测像素的数量NAF是水平方向上15000列×垂直方向上5000行＝75000000。

图3A是在从图像传感器107的光接收面侧(+z侧)观看时图2所示的图像传感器107的一个像素200G的平面图，并且图3B是示出从-y侧观看时图3A中的a-a截面的截面图。如图3A和3B所示，在根据本实施例的像素200G中，用于会聚入射光的微透镜305形成在各像素的光接收侧。该像素在x方向上被分割成NH个(这里被分割成2个)并且在y方向上被分割成NV个(这里被分割1个或者不分割)，以形成光电转换单元301和302。光电转换单元301和302分别与第一焦点检测像素201和第二焦点检测像素202相对应。

光电转换单元301和302各自被形成为包括p型层和n型层之间的本征层的pin结构光电二极管，或者根据需要被形成为不包括本征层的p-n结光电二极管。

在各像素中，在微透镜305与光电转换单元301和302之间形成有颜色滤波器306。根据需要可以在焦点检测像素之间改变颜色滤波器的谱透过率，或者可以省略颜色滤波器。

进入图3A和3B所示的像素200G的光被微透镜305会聚，被颜色滤波器进行分光，并且被光电转换单元301和302接收。在光电转换单元301和302中，电子-空穴对根据所接收到的光量而产生，并且在耗尽层中分离。具有负电荷的电子累积在n型层(未示出)中。另一方面，空穴经由连接至恒压源(未示出)的p型层而从图像传感器107排出至外部。光电转换单元301和302的n型层(未示出)中所累积的电子经由传输门而传输至静电电容(FD)，被转换成电压信号，并且被输出。注意，微透镜305的焦点位置根据其形状(例如曲率)、材料(例如折射率)和相对于对应光电转换单元的位置关系等而改变。通过设置这些参数，可以设置微透镜305的焦点位置。

图2所示的像素200R和200B同样具有与像素200G相同的结构，并且以与像素200G相同的方式输出与通过颜色滤波器306分光得到的光相对应的电压信号。

将参考图4来说明根据图3A和3B所示的本实施例的像素结构和光瞳分割之间的对应关系。图4示出表示从+y侧观看的根据图3A所示的实施例的像素结构的a-a截面的截面图以及成像光学系统的出射光瞳面。注意，在图4中，为了获得与出射光瞳面的坐标轴的对应关系，使截面图的x轴和y轴相对于图3A和3B的x轴和y轴反转。

第一焦点检测像素201的第一部分光瞳区域501表示经由微透镜305与重心沿-x方向偏心的光电转换单元301的光接收面几乎共轭的光瞳区域，并且穿过第一部分光瞳区域501的光束被第一焦点检测像素201接收。第一焦点检测像素201的第一部分光瞳区域501具有在光瞳面上向着+x侧偏心的重心。

第二焦点检测像素202的第二部分光瞳区域502表示经由微透镜305与重心沿+x方向偏心的光电转换单元302的光接收面几乎共轭的光瞳区域，并且穿过第二部分光瞳区域502的光束被第二焦点检测像素202接收。第二焦点检测像素202的第二部分光瞳区域502具有在光瞳面上向着-x侧偏心的重心。

通过包括光电转换单元301和302(第一焦点检测像素201和第二焦点检测像素202)的像素200G整体来接收穿过光瞳区域500的光束。附图标记400表示光圈-快门102的开口。

图5示出根据本实施例的图像传感器和光瞳分割之间的对应关系的示意图。进行配置以使得：在传感器入射光瞳距离Z

图9A和9B示出光入射在各像素中所形成的微透镜上的情况下的光强度分布。图9A示出微透镜的与微透镜的光轴平行的截面的光强度分布。图9B示出在微透镜的焦点位置处微透镜的与微透镜的光轴垂直的截面的光强度分布。入射光通过微透镜而会聚至焦点位置。然而，由于光的波动所引起的衍射，无法使光的集中点的直径小于衍射极限Δ，并且必须具有有限的尺寸。光电转换单元的光接收面的尺寸约为1～2μm，而微透镜的集中点的尺寸约为1μm。因此，相对于微透镜与光电转换单元的光接收面共轭的图4中的第一部分光瞳区域501和第二部分光瞳区域502由于衍射模糊而导致无法进行精确的光瞳分割，并且根据依赖于光的入射角度的光接收率分布(光瞳强度分布)来接收光。

图10示出依赖于光的入射角度的光接收率分布(光瞳强度分布)的示例。横轴表示光的入射角度θ(可以转换成光瞳坐标)，并且纵轴表示光接收率。图10中的虚线所示的曲线PI1(θ)示出图4中的第一部分光瞳区域501沿着X轴的光瞳强度分布，并且点划线所示的曲线PI2(θ)示出第二部分光瞳区域沿着X轴的光瞳强度分布。此外，实线所示的曲线PI(θ)(＝PI1(θ)+PI2(θ))示出图4中的第一部分光瞳区域501和第二部分光瞳区域502的总光瞳区域500沿着X轴的光瞳强度分布。如图10所示，可以理解为逐渐进行光瞳分割。

本实施例示出光瞳区域在水平方向上被分割成两个的示例。然而，可以根据需要在垂直方向上对光瞳区域进行分割。

应当注意，在上述示例中，排列了各自形成有第一焦点检测像素和第二焦点检测像素的多个摄像像素，然而，本发明不限于此。摄像像素、第一焦点检测像素和第二焦点检测像素可以独立地形成，并且第一焦点检测像素和第二焦点检测像素可以部分地设置在摄像像素的阵列中。

在本实施例中，第一焦点检测信号通过收集与从图像传感器的各像素的第一焦点检测像素201接收到的光相对应的信号来形成，第二焦点检测信号通过收集与从图像传感器的各像素的第二焦点检测像素202接收到的光相对应的信号来形成，并且使用第一焦点检测信号和第二焦点检测信号来进行焦点检测。此外，通过针对图像传感器107的各像素将来自第一焦点检测像素201和第二焦点检测像素202的信号相加，生成了具有与有效像素数量N相对应的分辨率的图像信号(所拍摄图像)。

光瞳偏差

图6是本实施例的图像传感器107的入射光瞳(以下被称为“传感器入射光瞳”)和成像光学系统的出射光瞳(以下被称为“摄像镜头出射光瞳”)之间的光瞳偏差的对应关系的示意性说明图。在图6中，进行如下设定：图像传感器107的入射光瞳距离(以下被称为“传感器入射光瞳距离”)为Z

针对传感器入射光瞳距离Z

因此，在本实施例中，进行配置，以使得传感器入射光瞳距离Z

首先，从光轴上的传感器入射光瞳距离Z

此外，可以使用以下表达式(2)来近似θ

通过将表达式(2)代入表达式(1)，获得如下的表达式(3)，其中该表达式(3)示出传感器入射光瞳距离Z

因此，在本实施例中，为了抑制光瞳偏差量P1和P2并确保基线长度，进行配置，以使得在成像光学系统的最小出射光瞳距离为L

在镜头可更换照相机的情况下，可以安装从广角镜头到远摄镜头的各种光学条件的镜头。在这种情况下，作为针对成像光学系统的最大出射光瞳距离L

通过将L

2.33R

在本实施例中，由于图像传感器107的水平尺寸H是36mm，图像传感器107的垂直尺寸V是24mm，并且图像传感器107的最大图像高度R是21.63mm，因此针对传感器入射光瞳距离Z

此外，可以基于作为图像传感器107的第一部分光瞳区域501和第二部分光瞳区域502的组合区域的光瞳区域500的光瞳强度分布，来确定成像光学系统的最小出射光瞳距离L

通过将L

如上所述，本实施例的图像传感器具有排列了多个像素的结构，其中，各像素具有用于接收穿过了成像光学系统的不同部分光瞳区域的光束的多个光电转换单元，并且针对成像光学系统的最小出射光瞳距离L

此外，本实施例的图像传感器具有排列有多个像素的结构，其中各像素具有用于接收穿过了成像光学系统的不同部分光瞳区域的光束的多个光电转换单元，并且针对图像传感器的最大图像高度R，传感器入射光瞳距离Z

利用如上所述的结构，在从成像光学系统入射到位于图像传感器的周边图像高度处的像素的光的入射角度的改变范围大的情况下，能够在宽范围的条件下进行利用摄像面相位差方法的焦点检测。

变形例

在如上所述的第一实施例中，将图像传感器107的各像素在x方向上分割成2个并且在y方向上分割成1个(或者不分割)。然而，本发明不限于此，图像传感器107包括与图2所示的像素相比以不同数量和不同方式分割的像素。

图7示出根据变形例的图像传感器107的摄像像素和焦点检测像素的阵列的概要。图7示出根据变形例的二维CMOS传感器(图像传感器)中的4列×4行的范围内的像素(摄像像素)阵列以及8列×8行的范围内的焦点检测像素阵列。

在变形例中，图7所示的像素组700包括2列×2行的像素。具有R(红色)光谱灵敏度的像素700R配置在左上位置，具有G(绿色)光谱灵敏度的像素700G配置在右上位置和左下位置，并且具有B(蓝色)光谱灵敏度的像素700B配置在右下位置。各像素包括以2列×2行方式排列的第一焦点检测像素701～第四焦点检测像素704。

图7所示的4(列)×4(行)个像素(8(列)×8(行)个焦点检测像素)的多个阵列配置在用以拍摄图像(焦点检测信号)的平面上。在变形例中，在假定以下内容的情况下来说明图像传感器：水平尺寸H是36mm，垂直尺寸V是24mm，像素的周期P是4.8μm，像素的数量N是水平方向上7500列×垂直方向上5000行＝37500000，焦点检测像素的列方向周期PSUB是2.4μm，并且焦点检测像素的数量NSUB是水平方向上15000列×垂直方向上10000行＝150000000。

图8A是在从图像传感器107的光接收面侧(+z侧)观看时图7所示的图像传感器107的一个像素700G的平面图，并且图8B是示出从-y侧观看时图8A中的a-a截面的截面图。如图8A和8B所示，在根据变形例的像素700G中，用于会聚入射光的微透镜305形成在各像素的光接收侧。像素在x方向上被分割成NH个(这里被分割成2个)并且在y方向上被分割成NV个(这里被分割成2个)，以形成第一光电转换单元801～第四光电转换单元804。第一光电转换单元801～第四光电转换单元804分别与第一焦点检测像素701～第四焦点检测像素704相对应。

在变形例中，通过针对图像传感器107的各像素将来自第一焦点检测像素701～第四焦点检测像素704的信号相加，生成了具有与有效像素数量N相对应的分辨率的图像信号(所拍摄图像)。除此之外，变形例与上述实施例相同。

利用如上所述的结构，在从成像光学系统入射到位于图像传感器的周边图像高度处的像素的光的入射角度的改变范围大的情况下，能够在宽范围的条件下进行利用摄像面相位差方法的焦点检测。

尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不局限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。