專利名稱：成像裝置及其設(shè)置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括諸如互補型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器的固 態(tài)成像部件的成像裝置，以及該成像裝置的設(shè)置方法。
背景技術(shù)：
在應(yīng)用CMOS傳感器的一般成像裝置中，用在半導(dǎo)體基質(zhì)上形成的光 接收單元中包含的光電二極管對經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的光進行光電轉(zhuǎn)換。然后，通 過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子被聚集并傳遞至放大器電路，并從該放大器電路獲得 電壓l命出或電^4命出。
下面將描述光進入這種成像裝置的方式。圖9是示出包含CMOS傳感 器的照相機模塊的示例的結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖IOA和IOB是示出圖9中所示 的CMOS傳感器的光接收單元中的不同像素的結(jié)構(gòu)的放大剖面圖。圖10A 示出處于光垂直進入的位置的像素(圖9中用a表示)，而圖10B則示出處于 光以一定角度進入的位置的像素(圖9中用b表示)。
如圖中所示，光10穿過透4竟12、孔徑(aperture) 13、和i殳置在透4竟4竟 筒11中的透鏡14,進入位于各像素的CMOS傳感器15表面上的各芯片上 (on-chip)透鏡16，再由芯片上透鏡16折射，并入射在相應(yīng)的光接收部分 17中的光電二極管上。CMOS傳感器15中設(shè)有各種導(dǎo)線層18。
如圖10A中所示，在成像平面的中心區(qū)域，光基本上垂直入射在成像平 面上。所以，光穿過芯片上透鏡16，并直接入射在光接收部分17上。然而， 如圖10B中所示，當(dāng)與成像平面中心的距離增大時，入射角度增大，光以相 對于成像平面的小角度入射在成像平面上。因此，并非全部穿過芯片上透鏡 16的光都入射在光接收部分17上，有些光到達光接收部分17以外的區(qū)域。 因而，降低了在成像平面的外圍區(qū)域內(nèi)入射在光接收部分上的光的強度。
下面將描述光學(xué)系統(tǒng)中出射光瞳的概念。圖ll是示出CMOS傳感器20 的光學(xué)系統(tǒng)的一個示例的示圖。兩個透鏡22和23設(shè)置在孔徑21的前面， 而透鏡24設(shè)置在孔徑21的后面。
出射光瞳是指由設(shè)置在孔徑21后面的透鏡24形成的孔徑的圖像(虛像)。 另外，出射光瞳距是指成像平面與出射光瞳之間的距離。
雖然通過使用出射光瞳距長的透鏡可以減小成像平面的外圍區(qū)域內(nèi)的 入射角，但在這種情況下制造薄透鏡模塊變得困難。相反，雖然使用出射光 瞳距短的透鏡可以制造薄透鏡模塊，但在這種情況下成像平面外圍區(qū)域內(nèi)的 入射角變大。
在公知結(jié)構(gòu)中，如圖12所示，各芯片上透鏡31從相應(yīng)的光接收部分32 的中心移向成像平面，移經(jīng)的距離與成像平面的中心和芯片上透鏡31的中 心之間的距離以一恒定比率成比例，該比率與出射光瞳距相關(guān)。這樣做的原 因是為了使大入射角的光以高效率入射在光接收部分上。這就是所述的光瞳 校正。
然后，還存在一個問題，即在薄透鏡模塊中，成像平面的外圍區(qū)域內(nèi)的 入射角增大。所以，僅通過以恒定比率移動各芯片上透鏡得到的收集效率受 到限制(例如參照曰本未經(jīng)審查的專利申請公開第1-213079號)。
因此，在公知的成像裝置中，CMOS傳感器的成像平面中的中心處與外 圍區(qū)域的入射光強度不同，并且會出現(xiàn)CMOS傳感器的輸出在中心區(qū)域大 而在外圍區(qū)域小的陰影。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種成像裝置，它能減小由于成像裝置的成 像平面中的中心和外圍區(qū)域之間的亮度差異造成的陰影，本發(fā)明還提供一種 該成像裝置的設(shè)置方法。
為了實現(xiàn)該目的，根據(jù)本發(fā)明， 一種成像裝置包括 一固態(tài)成像裝置， 其包括一光接收單元，在該單元上集成著多個具有光電轉(zhuǎn)換器的像素；芯片 上透鏡，其與像素相對應(yīng)地設(shè)置在光接收單元的成像平面上；以及一光學(xué)系 統(tǒng)，其控制入射在光接收單元上的光，該光學(xué)系統(tǒng)包括一孔徑和一非球面透 鏡，所述孔徑控制入射在光接收單元上的光的強度，所述非球面透鏡設(shè)置在 光接收單元與孔徑之間，并控制入射光，使得出射光瞳距中成像平面的中心
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區(qū)域短而在成^f象平面的外圍區(qū)域長。
另外，為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種成像裝置的設(shè)置方法，該成
像裝置包括 一固態(tài)成像裝置，其包括一光接收單元，在該單元上集成著多 個具有光電轉(zhuǎn)換器的像素；芯片上透鏡，其與像素相對應(yīng)地設(shè)置在光接收單 元的成像平面上；以及一光學(xué)系統(tǒng)，其控制入射在光接收單元上的光，該光 學(xué)系統(tǒng)包括控制入射在光接收單元上的光強的一孔徑以及控制入射光的一 非球面透鏡。所述設(shè)置方法包括將非球面透鏡設(shè)置在光接收單元與孔徑之 間，從而使出射光瞳距在成像平面的中心區(qū)域短而在成像平面的外圍區(qū)域 長。
根據(jù)本發(fā)明，固態(tài)成像裝置的光學(xué)系統(tǒng)包括使出射光瞳距根據(jù)像高(光 接收單元與成像平面中心之間的距離)而不同的透鏡。因此，提高了成像平 面外圍區(qū)域的收集效率，并抑制了陰影。因而，改善了陰影特性。


圖1是示出本發(fā)明實施例的包括一 CMOS傳感器照的相機模塊的結(jié)構(gòu) 的剖面圖2A和2B是示出圖1中所示的CMOS傳感器的光接收單元中不同像 素的結(jié)構(gòu)的放大剖面圖，其中圖2A示出處于光垂直進入的位置的像素，圖 2B示出處于光以一定角度進入的位置的像素；
圖3是示出在圖1中所示的CMOS傳感器的光學(xué)系統(tǒng)中像高與出射光 瞳距之間的關(guān)系的示圖4是示出圖1中所示的CMOS傳感器的光學(xué)系統(tǒng)以及對應(yīng)公知結(jié)構(gòu) 的 一對比示例中像高與入射角之間的關(guān)系的示圖5是示出圖1中所示的CMOS傳感器的光學(xué)系統(tǒng)中進行的光瞳校正 的方式的示圖6A至6C是示出圖1中所示的CMOS傳感器的光學(xué)系統(tǒng)中校正特性 的示圖7是示出圖1中所示的CMOS傳感器的光學(xué)系統(tǒng)中以及對應(yīng)公知結(jié) 構(gòu)的 一對比示例中的像高與芯片上透鏡位移(移動量)之間的關(guān)系的示圖8A至8C是示出圖1中所示的CMOS傳感器的光學(xué)系統(tǒng)中光曈校正 距函數(shù)與出射光瞳函數(shù)之間的關(guān)系的示圖9是示出包括一 CMOS傳感器的公知照相機模塊的結(jié)構(gòu)的剖面圖IOA和IOB是示出圖9中所示的CMOS傳感器的光^J妄收單元中的不 同像素的結(jié)構(gòu)的放大剖面圖，其中圖10A示出處于光垂直進入的位置的像 素，圖IOB示出處于光以一定角度進入的位置的像素；
圖11是示出公知的CMOS傳感器的光學(xué)系統(tǒng)中的出射光瞳和出射光瞳 距的示圖；以及
圖12是示出公知的CMOS傳感器中芯片上透鏡的設(shè)置的示圖。
具體實施例方式
在根據(jù)本發(fā)明實施例的成像裝置及該成像裝置的設(shè)置方法中，CMOS傳 感器的光學(xué)系統(tǒng)包括使出射光瞳在成像平面中心區(qū)域中短而在成像平面外 圍區(qū)域中長的一非球面透鏡。因此，成像平面外圍區(qū)域的收集效率增大，且 陰影得到抑制。
非球面透鏡起到使得出射光瞳距從成像平面中心區(qū)域向成像平面外圍 區(qū)域單調(diào)增大的作用。在這種情況下，可以根據(jù)滿足(dl+d2)/2〈cKd2的出射 光瞳距d進行光瞳校正，在該式中，dl是成像平面中心處的出射光瞳距，d2 是成像平面邊緣處的出射光瞳距。因而，當(dāng)假定一特定出射光瞳距，且各芯 片上透鏡以恒定比率移動時，成像平面外圍區(qū)域的收集效率增大，且陰影得 到抑制。
另外，在使用使得出射光瞳距從成像平面中心區(qū)域向成像平面外圍區(qū)域 單調(diào)增大的非球面透鏡的情況下，芯片上透鏡可以根據(jù)像高以不同的比率移 動，從而使成像平面外圍區(qū)域中移動量的變化率比成像平面中心區(qū)域中的小 (見圖7)。在這種情況下，移動量的變化率朝向成像平面外圍區(qū)域單調(diào)降低。 當(dāng)芯片上透鏡的移動量以這種方式改變時，與芯片上透鏡以恒定比率移動且 出射光瞳距單調(diào)增大的情況相比，光更加有效地入射在光接收單元上。
另外，當(dāng)使用上述非球面透鏡時，描述出射光瞳距隨像高(距光接收單 元的成像平面中心的距離)的變化的出射光瞳函數(shù)基本上與描述相對于處于 相應(yīng)位置上的出射光瞳距的各芯片上透鏡移動量的光瞳校正距函數(shù)與距成 像平面中心的距離無關(guān)地一致(見圖8A)。在這種情況下，獲得能使整個區(qū)域 上的靈敏性最大化的結(jié)構(gòu)。
或者，光瞳校正距函數(shù)可以大于成像平面中心區(qū)域中的出射光瞳距函
數(shù)，并接近成像平面外圍區(qū)域中的出射光瞳函數(shù)(見圖8B)。在這種情況下， 獲得能減小成像平面的中心區(qū)域與外圍區(qū)域之間的靈敏性差異并減少陰影 的結(jié)構(gòu)。
或者，光瞳校正距函數(shù)可以比成像平面的中心區(qū)域中的出射光瞳函數(shù) 大，在出射光瞳距處于(dl+d2)/2和d2之間的范圍內(nèi)與出射光瞳函數(shù)相交， 并靠近成像平面的外圍區(qū)域中的出射光瞳函數(shù)(見圖8C)。在該情況下，獲得 能減小成像平面的中心區(qū)域與外圍區(qū)域之間的靈敏性差異并減少陰影的結(jié)構(gòu)。
第一實施例
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的包括一 CMOS傳感器的照相機模塊 的結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖2A和2B是示出圖1中所示的CMOS傳感器的光接收 單元中的不同像素的結(jié)構(gòu)的放大剖面圖。圖2A示出處于光垂直進入的位置 的像素(圖1中用a表示)，而圖2B示出處于光以一定角度進入的位置的像素 (圖1中用b表示)。
如圖1所示，在根據(jù)本發(fā)明的成像裝置中，CMOS傳感器120、孔徑112、 和透鏡113至115被設(shè)置在透鏡鏡筒111中。
CMOS傳感器120作為一個模塊通過傳感器支架121和蓋122被設(shè)置在 透鏡鏡筒111的底部。孔徑112設(shè)置在透鏡鏡筒111的前側(cè)附近并控制入射 在CMOS傳感器120上的光的強度。透鏡113設(shè)在孔徑112的外側(cè)，透鏡 114和115設(shè)在孔徑112與CMOS傳感器120之間。這些透鏡構(gòu)成的非球面 透鏡是本實施例的特征所在，并其具有使出射光瞳距在CMOS傳感器120 的成像平面的中心區(qū)域短而在成像平面的外圍區(qū)域長的形狀。透鏡113至115 由其各自的透鏡支架安裝在透鏡鏡筒in上。
在如上所述那樣構(gòu)造的照相機模塊中，光110穿過透鏡鏡筒111中的透 鏡113、孔徑112、透鏡114和115，并進入設(shè)置在CMOS傳感器120表面 上用于各像素的各芯片上透鏡116，再由芯片上透鏡116折射，并入射在相 應(yīng)的光接收部分123中的光電二極管上。各種導(dǎo)線層124設(shè)置在CMOS傳 感器120中。
在本發(fā)明的第一實施例中，包括三個透鏡113至115的透鏡組起到使得 出射光瞳距不被確定為單個的恒定的距離的作用，并構(gòu)成使出射光瞳距在成 像平面的中心區(qū)域短而在成像平面的外圍區(qū)域長的一非球面透鏡。
最外面的透4竟113具有凸外表面和凹內(nèi)表面，面向透《竟113的內(nèi)表面的 透鏡114具有凹外表面和凸內(nèi)表面。最內(nèi)側(cè)的透鏡115具有凹外表面和復(fù)合 內(nèi)表面，該復(fù)合內(nèi)表面中的中心區(qū)域是凹形的，外圍區(qū)域是凸形的。實驗證 實，通過該透鏡組，出射光瞳距在成像平面的中心區(qū)域短，而在成像平面的 外圍區(qū)域長。
因而，透鏡組在透鏡組的一部分中包括一非球面表面。在本發(fā)明中，術(shù) 語"非球面透鏡"概括地指具有這種結(jié)構(gòu)的透鏡組。
圖2中所示的透鏡結(jié)構(gòu)僅是應(yīng)用本發(fā)明的示例，也可以用其它不同的模 式。例如，可以使用具有兩個透鏡的透鏡組，可以從不同的模擬設(shè)計、測試 產(chǎn)品、實驗中選取適當(dāng)?shù)耐哥R結(jié)構(gòu)。
當(dāng)使用具有上述結(jié)構(gòu)的透鏡時，不能確定精確的出射光瞳。然而，由于 能為各像素確定出射光瞳距，所以這里使用所謂的"出射光瞳函數(shù)"，該函 數(shù)中出射光瞳距被表示成像高的函數(shù)。像高是指距成像平面中心的距離。
圖3是示出像高與出射光瞳距之間的關(guān)系(出射光瞳函數(shù))的示圖，圖4 是示出像高與入射角之間的關(guān)系的示圖。雖然在公知結(jié)構(gòu)中出射光瞳距是恒 定的，但在本實施例中，出射光瞳距隨著像高而單調(diào)地增大，如圖3所示。 在這種情況下，如圖4所示，入射角的改變比率朝著成^f象平面的外圍區(qū)域(邊 緣)降低。當(dāng)使用這種透鏡時，入射角能在成像平面的外圍區(qū)域減小而不會 增加透鏡模塊的厚度。
因此，在本實施例中，CMOS傳感器的光學(xué)系統(tǒng)包括一使出射光瞳距依 據(jù)像高而不同的透鏡。另外，各芯片上透鏡可以以根據(jù)芯片上透鏡處的出射 光瞳距以與成像平面的中心和相應(yīng)的像素之間的距離成比例或不成比例的 一比率從相應(yīng)的光接收部分的中心移開。因此，增大了成像平面外圍區(qū)域的 收集效率。因而，抑制了陰影，并改善了陰影特性。 第二實施例
在本發(fā)明的第二實施例中，圖3所示的兩個出射光瞳距dl和d2用于假 定(dl+d2)/2和d2之間的出射光瞳距，如圖5所示。然后，以基于該假定的 出射光瞳距的恒定比率移動各芯片上透鏡。在這種情況下，如果不考慮由于 透鏡本身造成的光強陰影，靈敏性在與成像平面的外圍區(qū)域相應(yīng)的像高處增 大，如圖6A所示。然而，實際上會產(chǎn)生由于透鏡本身造成的光強陰影，如 圖6C所示。因此，通過計算乘積可以確定如圖6B所示的芯片靈敏性。
由于如圖6A所示，靈敏性在外圍區(qū)域中增大，所以即使當(dāng)考慮透鏡的 陰影時，也防止了外圍區(qū)域中的光強的減小，如圖6B所示。
因此，當(dāng)根據(jù)第一實施例中的圖1所示的透鏡結(jié)構(gòu)應(yīng)用于本實施例中， 且各芯片上透鏡基于假定的出射光瞳距以恒定比率移動時，收集效率在成像 平面的外圍區(qū)域中的收集效率增大，并改善了陰影特性。 第三實施例
在第三實施例中，使用根據(jù)第一實施例的透鏡，并且不采用如第二實施 例中那樣以恒定比率移動各芯片上透鏡，而代之以以不同比率移動芯片上透 鏡，如圖7中所示。更具體地，成像平面外圍區(qū)域中的芯片上透鏡的位移(移 動量)的變化率比成像平面的中心區(qū)域中的小。這里，表示芯片上透鏡位移 的最佳出射光瞳距的函數(shù)定義為光瞳校正距函數(shù)。
在公知的結(jié)構(gòu)中，由于出射光瞳距是恒定的，所以光瞳校正距函數(shù)是恒 定的。然而，當(dāng)在本實施例中使用使出射光瞳距根據(jù)像高而顯不同的透鏡時， 各位置上的最佳芯片上透鏡位移不同。
例如，在如圖7中所示芯片上透鏡位移變化的情況下，光瞳校正距函數(shù) 隨著像高朝著成像平面的外圍區(qū)域而單調(diào)增大。
如圖8A中所示，光瞳校正距函數(shù)基本上與出射光瞳函數(shù)一致。或者， 如圖8B所示，光瞳校正距函數(shù)可以比中心區(qū)域中的出射光瞳函數(shù)大，并接 近外圍區(qū)域中的出射光瞳函數(shù)?；蛘撸鐖D8C所示，光瞳校正距函數(shù)可以 比中心區(qū)域中的出射光瞳函數(shù)大，在(dl+d2)/2與d2之間的范圍內(nèi)與出射光 瞳函數(shù)相交，并接近外圍區(qū)域中的出射光瞳函數(shù)。
圖8A用于使整個區(qū)域上的靈敏性最大化，圖8B和8C用于通過使成像 平面的中心與外圍區(qū)域之間的靈敏性的差異最小化而抑制陰影。
雖然圖1中所示的裝置的結(jié)構(gòu)也用于第三實施例，但第三實施例不同于 第二實施例，區(qū)別在于芯片上透鏡位移是根據(jù)光瞳校正距函數(shù)確定的，且各 芯片上透鏡位移不以恒定比率變化。因此，光更有效地入射在光接收單元上。
權(quán)利要求
1. 一成像裝置，其包括一固態(tài)成像裝置，其包括一光接收單元，在該單元上集成著多個具有光電轉(zhuǎn)換器的像素；芯片上透鏡，其與所述像素相對應(yīng)地設(shè)置在所述光接收單元的一成像平面上；以及一光學(xué)系統(tǒng)，其控制入射在所述光接收單元上的光，該光學(xué)系統(tǒng)包括一孔徑和一非球面透鏡，所述孔徑控制入射在所述光接收單元上的光強，所述非球面透鏡設(shè)置在所述光接收單元與所述孔徑之間，并控制入射光，使出射光瞳距在所述成像平面的中心區(qū)域短而在成像平面的外圍區(qū)域長，其中，所述非球面透鏡起到使得出射光瞳距從所述成像平面的中心區(qū)域朝著成像平面的外圍區(qū)域單調(diào)增大的作用，并且，所述芯片上透鏡根據(jù)距所述成像平面中心的距離以不同比率移動，從而使成像平面的外圍區(qū)域中的移動量的變化率小于成像平面的中心區(qū)域中的移動量的變化率。
2、 如權(quán)利要求1所述的成像裝置，其中，所述移動量的變化率朝著所 述成像平面的外圍區(qū)域單調(diào)降低。
3、 如權(quán)利要求1所述的成像裝置，其中，描述出射光瞳距隨著距成像 平面中心的距離的變化的出射光瞳函數(shù)基本上與描述相對于處于相應(yīng)位置 上的出射光瞳距的各芯片上透鏡移動量的光瞳校正距函數(shù)與距成像平面中 心的距離無關(guān)地一致。
4、 如權(quán)利要求1所述的成像裝置，其中，在所述成像平面的中心區(qū)域 中，所述光瞳校正距函數(shù)大于所述出射光瞳函數(shù)，并且在成像平面的外圍區(qū) 域中，所述光瞳校正距函數(shù)接近出射光瞳函數(shù)。
5、 如權(quán)利要求1所述的成像裝置，其中，在所述成像平面的中心區(qū)域 中，所述光瞳校正距函數(shù)大于所述出射光瞳函數(shù)，在出射光瞳距處于 (dl+dl)/1和dl之間的范圍內(nèi)，所述光瞳校正距函數(shù)與出射光瞳函數(shù)相交， 其中dl是成像平面中心處的出射光瞳距，d2是成像平面邊緣處的出射光瞳 距，并且在成像平面的外圍區(qū)域中，所述光瞳校正距函數(shù)接近出射光瞳函數(shù)。
6、 一種成像裝置的設(shè)置方法，該成像裝置包括 一固態(tài)成像裝置，其 包括一光接收單元，在該單元上集成著多個具有光電轉(zhuǎn)換器的像素；芯片上 透鏡，其與所述像素相對應(yīng)地設(shè)置在所述光接收單元的一成像平面上；以及 一光學(xué)系統(tǒng)，其控制入射在光接收單元上的光，該光學(xué)系統(tǒng)包括控制入射在 光接收單元上的光強的一孔徑以及控制入射光的一非球面透鏡，所述設(shè)置方 法包括以下步驟將所述非球面透鏡設(shè)置在所述光接收單元與孔徑之間，從而使出射光瞳 距在所述成像平面的中心區(qū)域短而在成像平面的外圍區(qū)域長，其中所述非球面透鏡的設(shè)置使得出射光瞳距從所述成像平面的中心區(qū)域朝 著成像平面的外圍區(qū)域單調(diào)增大，并且所述芯片上透鏡根據(jù)距所述成像平面中心的距離以不同比率移動，從而 使成像平面的外圍區(qū)域中的移動量的變化率小于成像平面的中心區(qū)域中的 移動量的變化率。
7、 如權(quán)利要求6所述的成像裝置，其中，所述移動量的變化率朝著所 述成像平面的外圍區(qū)域單調(diào)降低。
8、 如權(quán)利要求6所述的成像裝置，其中，描述出射光瞳距隨著距成像 平面中心的距離的變化的出射光瞳函數(shù)基本上與描述相對于處于相應(yīng)位置 上的出射光瞳距的各芯片上透鏡移動量的光瞳校正距函數(shù)與距成像平面中 心的距離無關(guān)地一致。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種CMOS傳感器的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括使出射光瞳距在成像平面的中心區(qū)域短而在成像平面的外圍區(qū)域長的一非球面透鏡。非球面透鏡起到使得出射光瞳距從成像平面的中心區(qū)域朝著成像平面的外圍區(qū)域單調(diào)增大。另外，根據(jù)出射光瞳距d進行光瞳校正，所述出射光瞳距d滿足(d1+d2)/2＜d＜d2，該式中d1是成像平面中心處的出射光瞳距，d2是成像平面邊緣處的出射光瞳距。
文檔編號H04N5/361GK101388963SQ200810169360
公開日2009年3月18日 申請日期2005年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月1日
發(fā)明者若野壽史, 馬渕圭司 申請人:索尼株式會社