素陣列的頂視圖。
【具體實施方式】
[0050]本實用新型的實施例涉及具有自動對焦和深度感測能力的圖像傳感器。具有相機模塊的電子設(shè)備示于圖1中。電子設(shè)備10可以是數(shù)碼相機、計算機、移動電話、醫(yī)療設(shè)備或其他電子設(shè)備。相機模塊12 (有時稱為成像設(shè)備)可以包含一個或多個圖像傳感器14以及一個或多個透鏡28。在操作期間，透鏡28(有時稱為光學(xué)設(shè)備28)使光聚焦于圖像傳感器14上。圖像傳感器14包含用于將光轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)的光敏元件(例如，像素)。圖像傳感器可以具有眾多像素(例如，數(shù)百個，數(shù)千個，數(shù)百萬個，或更多)。例如，典型的圖像傳感器可以具有數(shù)百萬個像素(例如，元像素)。例如，圖像傳感器14可以包含偏置電路(例如，源極跟隨器負載電路)、采樣與保持電路、相關(guān)雙采樣(CDS)電路、放大器電路、模數(shù)(ADC)轉(zhuǎn)換器電路、數(shù)據(jù)輸出電路、存儲器(例如，緩沖器電路)、地址電路等。
[0051]來自圖像傳感器14的靜止圖像和視頻圖像數(shù)據(jù)可以被提供給圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16。圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16可以被用來執(zhí)行圖像處理功能，例如，自動對焦功能，深度感測，數(shù)據(jù)格式化，調(diào)整白平衡和曝光，實現(xiàn)視頻圖像穩(wěn)定化，面部檢測等。例如，在自動對焦操作期間，圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16可以處理由圖像傳感器14中的相位檢測像素收集的數(shù)據(jù)，以確定為對感興趣對象進行對焦所需的透鏡運動的幅度和方向(例如，透鏡28的運動)。
[0052]如果需要(例如，壓縮成聯(lián)合圖像專家組或JPEG格式)，圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16同樣可以被用來壓縮原始的攝像圖像文件。在有時稱為片上系統(tǒng)(SOC)布局的典型布局中，相機傳感器14以及圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16被實現(xiàn)于通用的集成電路上。用于實現(xiàn)相機傳感器14以及圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16的單個集成電路的使用能夠有助于降低成本。但是，這只是說明性的。如果需要，相機傳感器14以及圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16可以使用單獨的集成電路來實現(xiàn)。
[0053]相機模塊12可以經(jīng)由通路18將所采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸給主子系統(tǒng)20(例如，圖像處理和數(shù)據(jù)格式化電路16可以將圖像數(shù)據(jù)傳輸給子系統(tǒng)20)。電子設(shè)備10典型地給用戶提供眾多高層功能。例如，在計算機或高級移動電話中，可以給用戶提供運行用戶應(yīng)用的能力。要實現(xiàn)這些功能，電子設(shè)備10的主子系統(tǒng)20可以包含存儲和處理電路24和輸入-輸出設(shè)備22，例如，鍵盤、輸入-輸出端口、游戲桿和顯示器。存儲和處理電路24可以包括易失性和非易失性存儲器(例如，隨機存取存儲器、閃存、硬盤驅(qū)動器、固態(tài)硬盤等)。存儲和處理電路24還可以包含微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器、專用集成電路或其他處理電路。
[0054]可能最好的是給圖像傳感器提供深度感測能力(例如，用于自動對焦應(yīng)用、3D成像應(yīng)用(例如機器視覺應(yīng)用)等中)。為了提供深度感測能力，圖像傳感器14可以包含相位檢測像素組，例如，圖2A所示的像素對100。
[0055]圖2A是像素對100的說明性截面圖。像素對100可以包含第一及第二像素，例如，像素I和像素2。像素I和像素2可以包含形成于基板(例如，硅基板108)內(nèi)的光敏區(qū)110。例如，像素I可以包含關(guān)聯(lián)的光敏區(qū)，例如，光電二極管PDl，而像素2可以包含關(guān)聯(lián)的光敏區(qū)，例如，光電二極管PD2。微透鏡可以形成于光電二極管H)1和PD2之上，并且可以被用來將入射光引向光電二極管PDl和PD2。其中微透鏡102覆蓋兩個像素區(qū)的圖2A的布局可以有時稱為2x1或1x2布局，因為存在連續(xù)排列成行的兩個相位檢測像素。微透鏡102可以具有寬度和長度，長度長于寬度。微透鏡102可以具有大約為其寬度的兩倍長的長度。微透鏡102可以是縱橫比約為2:1的橢圓形狀。在其他實施例中，微透鏡102可以是另一種形狀，例如，矩形或者別的期望形狀。微透鏡102可以具有小于2:1的，為2:1的，大于2:1的，大于3:1的縱橫比，或者任何其他期望縱橫比。
[0056]濾色器(例如，濾色器元件104)可以被置于微透鏡102與基板108之間。濾色器元件104可以過濾入射光，只允許預(yù)定的波長通過濾色器元件104(例如，濾色器104可以只是對某個波長范圍是透明的)。光電二極管roi和PD2可以用來吸收由微透鏡102聚焦的入射光，并且產(chǎn)生與所吸收的入射光的量對應(yīng)的像素信號。
[0057]光電二極管PDl和PD2可以各自覆蓋在微透鏡102下方的基板面積的大約一半(例如)O通過僅覆蓋基板面積的一半，每個光敏區(qū)都可以設(shè)置有非對稱的角響應(yīng)(例如，光電二極管PDl可以基于入射光達到像素對100的角度而產(chǎn)生不同的圖像信號)。入射光達到像素對100的相對于法向軸線116的角度(S卩，入射光照射微透鏡102的相對于透鏡102的光軸116的角度)在下文可以稱為入射角或入射角度。
[0058]圖像傳感器能夠使用正面照度成像器布局(例如，在諸如金屬互聯(lián)電路之類的電路被置于微透鏡與光敏區(qū)之間時)或者背面照度成像器布局(例如，在光敏區(qū)被置于微透鏡與金屬互聯(lián)電路之間)來形成。其中像素I和2是背面照射式圖像傳感器像素的圖2A、2B和2C的實例只是說明性的。如果需要，像素I和2可以是正面照射式圖像傳感器像素。其中像素是背面照射式圖像傳感器像素的布局在本文中有時作為示例來描述。
[0059]在圖2B的實例中，入射光113可以來源于法向軸線116的左側(cè)，并且可以按照相對于法向軸線116的角度114達到像素對100。角度114可以是入射光的負角。按照負角(例如，角度114)達到微透鏡102的入射光113可以朝著光電二極管TO2聚焦。在這種情況下，光電二極管PD2可以產(chǎn)生相對較高的圖像信號，而光電二極管PDl可以產(chǎn)生相對較低的圖像信號(例如，因為入射光113不是朝著光電二極管roi聚焦的)。
[0060]在圖2C的實例中，入射光113可以來源于法向軸線116的右側(cè)，并且按照相對于法向軸線116的角度118達到像素對100。角度118可以是入射光的正角。按照正角(例如，角度118)達到微透鏡102的入射光可以朝著光電二極管roi聚焦(例如，該光線不是朝著光電二極管PD2聚焦的)。在這種情況下，光電二極管PD2可以產(chǎn)生相對較低的圖像信號輸出，而光電二極管roi可以產(chǎn)生相對較高的圖像信號輸出。[0061 ]光電二極管roi和ro2的位置有時可以稱為非對稱位置，因為每個光敏區(qū)I ?ο的中心相對微透鏡102的光軸116偏移(S卩，與其不對齊)。由于在基板108內(nèi)的個體光電二極管PDl和TO2的非對稱形成，每個光敏區(qū)110都可以具有非對稱的角響應(yīng)(例如，由每個光電二極管110響應(yīng)于具有給定強度的入射光而產(chǎn)生的信號輸出可以基于入射角而變化)。在圖3的曲線圖中，示出了像素對100的光電二極管roi和PD2響應(yīng)于入射光的變化角度而發(fā)生的像素信號輸出的一個實例。
[0062] 線160可以代表光電二極管TO2的輸出圖像信號，而線162可以代表光電二極管HH的輸出圖像信號。對于負的入射角，光電二極管ro2的輸出圖像信號可以增大(例如，因為入射光被聚焦于光電二極管TO2之上)，而光電二極管PDl的輸出圖像信號可以減小(例如，因為入射光被聚焦于光電二極管roi的遠處)。對于正的入射角，光電二極管TO2的輸出圖像信號可以相對較小，而光電二極管ro I的輸出圖像信號可以相對較大。
[0063 ]圖2A、2B和2C的像素對100的光電二極管H) I和PD2的尺寸和位置只是說明性的。如果需要，光電二極管roi和TO2的邊緣可以位于像素對100的中心，或者可以沿任意方向稍微偏移像素對100的中心。如果需要，光電二極管110可以減小尺寸以覆蓋不到像素面積的一半。
[0064]來自像素(例如，像素對100)的輸出信號可以被用來在自動對焦操作期間調(diào)整在相機模塊12中的光學(xué)設(shè)備(例如，圖1的一個或多個透鏡，例如，透鏡28) O為對感興趣對象進行對焦所需的透鏡運動的方向和幅度可以基于來自像素對100的輸出信號來確定。
[0065]例如，通過創(chuàng)建對來自透鏡的一側(cè)或另一側(cè)的光敏感的像素對，能夠確定相位差。該相位差可以被用來確定圖像傳感器的光學(xué)設(shè)備應(yīng)當調(diào)整多遠以及沿哪個方向調(diào)整以對感興趣對象進行對焦。
[0066]當對象處于焦點上時，來自圖像傳感器的光學(xué)設(shè)備的兩側(cè)的光收斂以創(chuàng)建聚焦圖像。當對象位于焦點之外時，由光學(xué)設(shè)備的兩側(cè)投射的圖像不重疊，因為它們彼此相位不同。通過創(chuàng)建其中每個像素都對來自透鏡的一側(cè)或另一側(cè)的光敏感的像素對，能夠確定相位差。該相位差能夠被用來確定使圖像變?yōu)橥嗨璧墓鈱W(xué)設(shè)備運動的方向和幅度，并由此對感興趣對象進行對焦。用來確定相位差信息的像素組(例如，像素對100)在本文中有時稱為相位檢測像素或深度感測像素。
[0067]相位差信號可以通過將PDl的輸出像素信號與PD2的輸出像素信號進行比較來計算。例如，用于像素對100的相位差信號可以通過將roi的像素信號輸出從TO2的像素信號輸出中減去(例如，通過將線162從線160中減去)來確定。對于處于比聚焦對象距離小的距離處的對象，相位差信號可以是負的。對于處于比聚焦對象距離大的距離處的對象，相位差信號可以是正的。該信息可以被用來自動調(diào)整圖像傳感器的光學(xué)設(shè)備，以對感興趣對象進行對焦(例如，通過使像素信號變?yōu)楸舜送?。
[0068]像素對100可以按照不同的方式來排列。例如，如圖4A所示，像素對100的像素1(在此稱為Pl)和像素2(在此稱為P2)可以進行水平取向，與圖4A的X軸平行(例如，可以位于像素陣列的同一行內(nèi))。在圖4B的實例中，PI和P2進行垂直取向，與圖4B的y軸平行(例如，在像素陣列的同一列中)。在圖4C的實例中，Pl和P2被垂直排列，并且被配置用于從例如垂直邊緣處檢測水平方向