ДАТЧИК ИЗОБРАЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
IMAGE SENSOR AND IMAGER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к датчику изображения и устройству формирования изображения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Были предложены устройства формирования изображения, которые выполняют детектирование фокуса линзы формирования изображения с помощью способа детектирования разности фаз, с использованием датчика двухмерного изображения, в котором микролинза сформирована в каждом пикселе.
[0003] В выложенной патентной заявке Японии № 58-24105 раскрывается устройство формирования изображения с использованием датчика двухмерного изображения, в котором одиночная микролинза и блок фотоэлектрического преобразования, разделенный на множество частей, сформированы в одиночном пикселе. Разделение зрачка выполняется в результате того, что множество блоков фотоэлектрического преобразования сконфигурированы так, чтобы принимать свет из различных областей выходного зрачка линзы формирования изображения через одиночную микролинзу. Детектирование фокуса выполняется посредством извлечения разности между изображениями от сигналов, происходящих из света, принимаемого посредством отдельных блоков фотоэлектрического преобразования, и сигнал формирования изображения получается посредством суммирования вместе сигналов, получаемых в результате из света, принимаемого посредством отдельных блоков фотоэлектрического преобразования. Помимо детектирования фокуса также раскрывается предоставление возможности отображения трехмерного изображения посредством отображения сигналов, происходящих из света, принимаемого посредством блоков фотоэлектрического преобразования на правой стороне и блоков фотоэлектрического преобразования на левой стороне каждого пикселя в качестве сигналов параллакса.
[0004] В выложенной патентной заявке Японии № 2000-156823 раскрывается устройство формирования изображения, в котором множество пар пикселей для фокусировки расположены в датчике двухмерного изображения, состоящем из множества пикселей. Разделение зрачка выполняется в результате того, что каждая пара пикселей для фокусировки сконфигурирована так, чтобы принимать свет из различных областей выходного зрачка линзы формирования изображения с использованием экранирующего свет слоя, имеющего отверстие. Сигнал формирования изображения получают с помощью пикселей для формирования изображения, расположенных по большой части датчика двухмерного изображения, и детектирование фокуса выполняется посредством получения разности между изображениями из сигналов пикселей для фокусировки, расположенных над частью датчика двухмерного изображения.
[0005] При детектировании фокуса с помощью способа детектирования разности фаз с использованием датчика двухмерного изображения точность детектирования фокуса значительно зависит от распределения интенсивности зрачка (производительности разделения зрачка) пикселей для фокусировки. Точное детектирование фокуса может быть выполнено посредством увеличения пиковой интенсивности и сужения половинной ширины распределения интенсивности зрачка пикселей для фокусировки.
[0006] Однако существует проблема в том, что возникает отклонение в распределении интенсивности зрачка пикселей для фокусировки, вызванное производственным допуском по положению компонентов, составляющих датчик изображения, приводящее к тому, что точность детектирования фокуса и сигналы параллакса испытывают недостаток в стабильности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Настоящее изобретение создано, исходя из таких проблем с традиционной технологией, и обеспечивает датчик изображения, в котором подавляется отклонение в распределении интенсивности зрачка пикселей для фокусировки, вызванное производственным допуском по положению компонентов.
[0008] Согласно одному аспекту настоящего изобретения, обеспечивается датчик изображения, в котором множество пикселей, включающих в себя пиксель для фокусировки и пиксель для формирования изображения, размещены двумерно, содержащий: микролинзу, обеспеченную на принимающей свет стороне каждого из множества пикселей;
блок фотоэлектрического преобразования, обеспеченный в каждом из множества пикселей, и для приема света, собираемого посредством микролинзы; и экранирующий свет слой, обеспеченный между микролинзой и блоком фотоэлектрического преобразования пикселя для фокусировки и имеющий отверстие, центральная точка которого является не центрированной относительно центральной точки принимающей свет поверхности блока фотоэлектрического преобразования пикселя для фокусировки, при этом положение фокуса микролинзы позиционировано дальше на стороне микролинзы, чем экранирующий свет слой, и расстояние от положения фокуса микролинзы до экранирующего свет слоя больше 0 и меньше nFΔ, где n является показателем преломления в положении фокуса микролинзы, F является величиной апертуры микролинзы, и Δ является дифракционным пределом микролинзы.
[0009] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, обеспечивается датчик изображения, в котором множество пикселей размещены двумерно, содержащий: микролинзу, обеспеченную на принимающей свет стороне каждого из множества пикселей; и множество блоков фотоэлектрического преобразования, обеспеченных в каждом из множества пикселей, и для приема света, собираемого посредством микролинзы, при этом множество блоков фотоэлектрического преобразования расположены так, что их центральные точки являются не центрированными относительно центральной точки одиночной принимающей свет поверхности, объединяющей принимающие свет поверхности множества блоков фотоэлектрического преобразования, положение фокуса микролинзы позиционировано дальше на стороне микролинзы, чем принимающие свет поверхности множества блоков фотоэлектрического преобразования, и расстояние от положения фокуса микролинзы до принимающих свет поверхностей множества блоков фотоэлектрического преобразования больше 0 и меньше nFΔ, где n является показателем преломления в положении фокуса микролинзы, F является величиной апертуры микролинзы, и Δ является дифракционным пределом микролинзы.
[0010] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предоставляется датчик изображения, в котором множество пикселей размещены двумерно, содержащий: микролинзу, обеспеченную на принимающей свет стороне каждого из множества пикселей; множество блоков фотоэлектрического преобразования, обеспеченных в каждом из множества пикселей, и для приема света, собираемого посредством микролинзы; и множество волноводов, которые обеспечены между микролинзой и множеством блоков фотоэлектрического преобразования, принимают свет, собираемый посредством микролинзы на принимающих свет поверхностях, и направляют принятый свет к принимающим свет поверхностям множества блоков фотоэлектрического преобразования, при этом множество блоков фотоэлектрического преобразования расположены так, что их центральные точки являются не центрированными относительно центральной точки одиночной принимающей свет поверхности, объединяющей принимающие свет поверхности множества блоков фотоэлектрического преобразования, положение фокуса микролинзы позиционировано дальше на стороне микролинзы, чем принимающие свет поверхности множества волноводов, и расстояние от положения фокуса микролинзы до принимающих свет поверхностей множества волноводов больше 0 и меньше nFΔ, где n является показателем преломления в положении фокуса микролинзы, F является величиной апертуры микролинзы, и Δ является дифракционным пределом микролинзы.
[0011] Дополнительные признаки настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания примерных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] Фиг.1 является схемой, показывающей примерную функциональную конфигурацию цифровой фотокамеры, служащей в качестве примерного устройства формирования изображения с использованием датчика изображения согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
[0013] Фиг.2 является схемой, показывающей примерное размещение пикселей датчика изображения в первом варианте осуществления настоящего изобретения.
[0014] Фиг.3A и 3B являются видом сверху и видом вертикального поперечного сечения пикселя A для фокусировки датчика изображения в первом варианте осуществления настоящего изобретения.
[0015] Фиг.4A и 4B являются видом сверху и видом вертикального поперечного сечения пикселя B для фокусировки датчика изображения в первом варианте осуществления настоящего изобретения.
[0016] Фиг.5 является принципиальной схемой пикселя для фокусировки датчика изображения в первом варианте осуществления настоящего изобретения.
[0017] Фиг.6A-6C являются схемами, изображающими взаимосвязь между вертикальными поперечными сечениями пикселя для фокусировки и пикселя для формирования изображения датчика изображения и плоскости выходного зрачка оптической системы формирования изображения в первом варианте осуществления настоящего изобретения.
[0018] Фиг.7A и 7B являются диаграммами, показывающими схемы разделения зрачка и примерные распределения интенсивностей зрачка датчика изображения в первом варианте осуществления настоящего изобретения.
[0019] Фиг.8A и 8B являются схемами, показывающими примерное распределение интенсивности света поперечного сечения, параллельного, и поперечного сечения, перпендикулярного оптической оси микролинзы датчика изображения в первом варианте осуществления настоящего изобретения.
[0020] Фиг.9A-9C являются схемами, показывающими примерные позиционные взаимосвязи между экранирующим свет слоем и положением сбора света микролинзы датчика изображения в первом варианте осуществления настоящего изобретения.
[0021] Фиг.10 является схемой, показывающей распределения интенсивностей зрачка для иллюстрирования примерных результатов, являющихся следствием конфигурации датчика изображения, в первом варианте осуществления настоящего изобретения.
[0022] Фиг.11 является схемой, показывающей примерное размещение пикселей датчика изображения во втором варианте осуществления настоящего изобретения.
[0023] Фиг.12A и 12B являются видом сверху и видом вертикального поперечного сечения пикселя датчика изображения во втором варианте осуществления настоящего изобретения.
[0024] Фиг.13 является видом вертикального поперечного сечения пикселя датчика изображения в третьем варианте осуществления настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0025] Ниже будут подробно описаны примерные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи.
[0026] Первый вариант осуществления
Фиг.1 является схемой, показывающей примерную функциональную конфигурацию цифровой фотокамеры 100 (в дальнейшем, просто камера 100), служащей в качестве примерного устройства формирования изображения с использованием датчика изображения согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
[0027] Первая группа 101 линз расположена в передней части оптической системы формирования изображения (оптическая система для формирования изображения) и удерживается с возможностью перемещения назад и вперед вдоль оптической оси. Затвор 102 функционирует не только как затвор для управления временем экспозиции при захвате неподвижного изображения, но и как диафрагма, которая регулирует количество света при захвате изображения посредством регулировки диаметра апертуры. Вторая группа 103 линз, расположенная на задней поверхности (стороне датчика изображения) затвора 102, полностью сформирована с затвором 102 так, чтобы быть перемещаемой назад и вперед вдоль оптической оси, и реализует функцию масштабирования вместе с первой группой 101 линз.
[0028] Третья группа 105 линз является фокальной линзой, которая является перемещаемой назад и вперед вдоль оптической оси. Оптический фильтр 106 нижних частот расположен перед датчиком 107 изображения и уменьшает ложный цвет или муар, который возникает в захваченном изображении. Датчик 107 изображения составлен двумерным CMOS датчиком изображения и периферийными схемами. В настоящем варианте осуществления датчик 107 изображения является двумерным однокристальным датчиком цветного изображения, в котором множество принимающих свет элементов, состоящих из m пикселей в горизонтальном направлении и n пикселей в вертикальном направлении, размещены двумерно, и на которых сформированы первичные цветовые мозаичные фильтры в конфигурации Байера на микросхеме. Цветовые фильтры ограничивают длину волны пропущенного света, который падает на принимающие свет элементы, на каждый пиксель.
[0029] Привод 111 масштабирования реализует функцию масштабирования (увеличения) посредством поворачивания непоказанного тубуса камеры для управления, по меньшей мере, одной из первой группы 101 линз и третьей группы 105 линз вдоль оптической оси в соответствии с управлением схемы 129 управления масштабированием. Привод 112 затвора управляет временем экспозиции при захвате неподвижного изображения, наряду с регулировкой количества захваченного света посредством управления диаметром апертуры затвора 102, в соответствии с управлением схемы 128 управления затвором.
[0030] Привод 114 фокуса управляет третьей группой 105 линз вдоль оптической оси в соответствии с управлением схемы 126 управления фокусом.
[0031] Вспышка 115 может быть устройством освещения вспышками с использованием ксеноновой трубки, а может быть устройством освещения, снабженным LED для непрерывного излучения. Блок 116 вывода вспомогательного света AF проецирует изображение маски, имеющей предписанный шаблон отверстия, на объект через проекционную линзу и повышает возможность детектирования фокуса относительно объекта с низкой яркостью или объекта с низким контрастом.
[0032] CPU 121 управляет функционированием всей камеры 100 и имеет арифметический блок, ROM, RAM, A/D преобразователь, D/A преобразователь, схему интерфейса связи и тому подобное, которые не показаны. CPU 121 управляет различными схемами камеры 100 посредством исполнения программ, сохраненных в ROM, и реализует функции камеры 100, такие как AF, AE, обработка изображений и запись.
[0033] Схема 122 управления вспышкой управляет освещением вспышки 115 синхронно с действием формирования изображения. Схема 123 управления приведением в действие вспомогательного света управляет освещением блока 116 вывода вспомогательного света AF, когда выполняется действие детектирования фокуса. Схема 124 управления датчиком изображения выполняет A/D преобразование над сигналами изображения, считанными из датчика 107 изображения, и выводит результирующие сигналы в CPU 121 наряду с управлением функционированием датчика 107 изображения. Схема 125 обработки изображения применяет обработку изображения, такую как гамма-преобразование, интерполяция цвета и JPEG кодирование, к сигналам изображения.
[0034] Схема 126 управления фокусом перемещает третью группу 105 линз вдоль оптической оси посредством управления приводом 114 фокуса на основе результата детектирования фокуса для регулировки фокуса. Схема 128 управления затвором управляет диаметром апертуры и выбором времени открытия/закрытия затвора 102 посредством управления приводом 112 затвора. Схема 129 управления масштабированием управляет приводом 111 масштабирования согласно действию масштабирования, введенному пользователем, задействующим устройство формирования изображения, например, нажатием переключателя масштабирования, включенного в состав группы 132 операционных переключателей.
[0035] Устройство 131 отображения является LCD или подобным устройством, которое отображает информацию, относящуюся к режиму формирования изображения камеры 100, изображению предварительного просмотра предварительного формирования изображения, изображению подтверждения после формирования изображения, информацию о состоянии фокусировки в течение детектирования фокуса и тому подобного. Группа 132 операционных переключателей включает в себя выключатель электропитания, спусковой (запускающий формирование изображения) переключатель, переключатель масштабирования и переключатель выбора режима формирования изображения. Носитель 133 записей является съемной полупроводниковой картой памяти, например, которая записывает захваченные изображения.
[0036] Размещение пикселей датчика изображения
Фиг.2 является схемой, показывающей примерное размещение пикселей датчика 107 изображения в настоящем варианте осуществления в области из 12 столбцов на 12 строк пикселей. Пиксели расположены на экране формирования изображения датчика 107 изображения по подобному шаблону. В настоящем варианте осуществления предполагается, что размер экрана формирования изображения датчика 107 изображения составляет 22,3 мм в длину на 14,9 мм в высоту, шаг пикселя составляет 4 мкм, и эффективное количество пикселей составляет приблизительно 20 миллионов пикселей, состоящих из 5575 столбцов по горизонтали и 3725 строк по вертикали.
[0037] Как показано на фиг.2, пиксели датчика 107 изображения составлены группой 210 пикселей для формирования изображения, состоящей из 2 строк на 2 столбца пикселей, и группой 220 пикселей для фокусировки, состоящей из 2 строк на 2 столбца пикселей. Группа 210 пикселей для формирования изображения состоит из двух диагонально противоположных пикселей 210G для формирования изображения, имеющих чувствительность G (зеленого) спектра, и по одному каждого из пикселя 210R для формирования изображения, имеющего чувствительность R (красного) спектра, и пикселя 210B для формирования изображения, имеющего чувствительность B (синего) спектра, в качестве остальных двух пикселей. Также, группа 220 пикселей для фокусировки состоит из двух диагонально противоположных пикселей 220G для формирования изображения, имеющих чувствительность G спектра, и пикселя 220SA для фокусировки и пикселя 220SB для фокусировки, которые имеют чувствительность W (белого) спектра, в качестве остальных двух пикселей.
[0038] Вид сверху пикселя 220SA для фокусировки, просматриваемый со стороны (сторона +z) принимающей свет поверхности датчика 107 изображения, показан на фиг.3A, а вид поперечного сечения для поперечного сечения a-a фиг.3A, просматриваемый со стороны -y, показан на фиг.3B. Также, вид сверху пикселя 220SB для фокусировки, просматриваемый со стороны (сторона +z) принимающей свет поверхности датчика 107 изображения, показан на фиг.4A, и вид поперечного сечения для поперечного сечения b-b фиг.4A, просматриваемый со стороны -y, показан на фиг.4B.
-
-
-
-
[0039] Как показано на фиг.3B, фотодиод (блок фотоэлектрического преобразования) PD, имеющий p-i-n структуру, в которой слой 302 с n собственной проводимостью позиционирован в качестве прослойки между слоем 300 p-типа и слоем 301 n-типа, сформирован в пикселе 220SA для фокусировки. Область блока PD фотоэлектрического преобразования пикселя 220SA для фокусировки имеет такой же размер, как и обедненный слой, сформированный в слое 302 с n собственной проводимостью на фиг.3A и 3B, и диффузионная длина неосновного носителя вокруг обедненного слоя, и приближенно равна объединенной области слоя 302 с n собственной проводимостью и слоя 301 n-типа. Слой 302 с n собственной проводимостью может быть опущен и заменен на фотодиод p-n перехода в случае необходимости.
[0040] Микролинза 305 для сбора падающего света сформирована на принимающей свет стороне каждого пикселя, а экранирующий свет слой 310a, имеющий отверстие, сформирован между микролинзой 305 и блоком PD фотоэлектрического преобразования. Пиксель 220SA для фокусировки сконфигурирован так, что центральная точка отверстия SA экранирующего свет слоя 310a является не центрированной в направлении -x относительно центральной точки принимающей свет поверхности блока фотоэлектрического преобразования.
[0041] С другой стороны, как показано на фиг.4A и 4B, пиксель 220SB для фокусировки сконфигурирован так, что центральная точка отверстия SB экранирующего свет слоя 310b является не центрированной в направлении +x относительно центральной точки принимающей свет поверхности блока фотоэлектрического преобразования.
[0042] Экранирующий свет слой 310a (310b), имеющий отверстие SA (SB), может также служить в качестве слоя межсоединений. Также, цветовой фильтр может быть сформирован между микролинзой 305 и блоком PD фотоэлектрического преобразования в случае необходимости.
[0043] Свет, который падает на пиксель 220SA (220SB) для фокусировки, показанный на фиг.3A и 3B (фиг.4A и 4B), собирается посредством микролинзы 305, и часть собранного света проходит через отверстие SA (SB) экранирующего свет слоя 310a (310b) и принимается посредством блока PD фотоэлектрического преобразования. В блоке PD фотоэлектрического преобразования пары электрон-дырка генерируются согласно количеству принятого света и отделяются посредством обедненного слоя, после чего отрицательно заряженные электроны накапливаются в слое 301 n-типа, а дырки разряжаются вне датчика 107 изображения через слой 300 p-типа, соединенный с источником питания постоянного напряжения (не показан).
+
+
[0044] Далее описано управление действием накопления пикселей. Принципиальная схема пикселя 220SA (220SB) для фокусировки, показанного на фиг.3A и 3B (фиг. 4A и 4B), показана на фиг.5. На фиг.5 те же самые ссылочные позиции даны тем же самым компонентам, как на фиг.3A, 3B, 4A и 4B. Ссылочная позиция 303 представляет n плавающую диффузионную область (n FD), а ссылочная позиция 304 представляет затвор передачи. Также, Vdd и Vss (Vdd>Vss) являются напряжениями источника питания, φT является напряжением на затворе для передачи, φR является напряжением на затворе для сброса, φS является напряжением на затворе для выбора пикселя, и φL является напряжением на затворе для выбора строки. Данная конфигурация также подобна для пикселей 210G, 210R, 210B и 220G для формирования изображения.
+
+
[0045] Сначала, для сброса блока PD фотоэлектрического преобразования каждого пикселя, напряжение φT на затворе для передачи и напряжение φR на затворе для сброса всех строк включаются в одно и то же время. Действие накопления начинается с момента, когда напряжение φT на затворе для передачи и напряжение φR на затворе для сброса выключаются в одно и то же время, и заряд накапливается в слое 301 n-типа согласно количеству света, принятому посредством блока PD фотоэлектрического преобразования. После накопления заряда за требуемый период времени сигнальные заряды пикселей переносятся все вместе из слоя 301 n-типа в n FD 303 каждого пикселя посредством включения напряжения φT на затворе для передачи всех строк и затем выключения снова. Затем сигнальные заряды, перенесенные в n FD 303, считываются последовательно построчно посредством включения/выключения напряжения φSp на затворе для выбора построчно. Также столбцы, которые должны считываться, могут последовательно выбираться посредством включения/выключения напряжения φLn на затворе для выбора строки.
[0046] Далее описана взаимосвязь соответствия между отверстием SA (SB) экранирующего свет слоя 310a (310b) пикселей и разделением зрачка со ссылкой на фиг.6A-6C. Фиг.6A и фиг.6B показывают взаимосвязь между соответствующими видами поперечных сечений пикселей 220SA и 220SB для фокусировки на фиг.3B и фиг.4B и плоскостью выходного зрачка оптической системы формирования изображения. Заметим, что на фиг.6 ось X и ось Y видов поперечных сечений инвертированы по отношению к фиг.3A, 3B, 4A и 4B, чтобы соответствовать координатной оси плоскости выходного зрачка. Также взаимосвязь между видом вертикального поперечного сечения пикселя 210G (210R, 210B, 220G) для формирования изображения и плоскостью выходного зрачка оптической системы формирования изображения показана на фиг.6C.
[0047] Выходной зрачок 400 оптической системы формирования изображения, принимающая свет область 500 зрачка пикселя для формирования изображения, принимающая свет область 511 зрачка пикселя 220SA для фокусировки и принимающая свет область 521 зрачка пикселя 220SB для фокусировки показаны на плоскости выходного зрачка фиг.6.
[0048] Световой поток от объекта проходит через выходной зрачок 400 оптической системы формирования изображения и падает на соответствующие пиксели.
[0049] На фиг.6C принимающая свет область 500 зрачка пикселя для формирования изображения имеет грубую сопряженную взаимосвязь с принимающей свет поверхностью блока PD фотоэлектрического преобразования из-за микролинзы и представляет собой область зрачка, способную принимать свет в пикселе для формирования изображения. Расстояние до зрачка составляет несколько десятков миллиметров, тогда как диаметр микролинзы составляет несколько микрометров. По этой причине микролинза будет иметь величину апертуры в несколько десятков тысяч, и возникает дифракционное пятно в несколько десятков миллиметров. Поэтому изображение на принимающей свет поверхности блока PD фотоэлектрического преобразования будет иметь распределение скорости приема света (распределение интенсивности зрачка), не становясь четкой принимающей свет областью зрачка.
[0050] Принимающая свет область 500 зрачка пикселя формирования изображения сконфигурирована так, что принимающая свет область является по возможности большой, чтобы позволить принимать больше светового потока, который проходит через выходной зрачок 400, и чтобы центральная точка принимающей свет области 500 зрачка пикселя для формирования изображения грубо совпадала с оптической осью.
[0051] На фиг.6A принимающая свет область 511 зрачка пикселя 220SA для фокусировки имеет грубую сопряженную взаимосвязь с отверстием экранирующего свет слоя 310a, чья центральная точка является не центрированной в направлении -x, из-за микролинзы, и представляет собой область зрачка, способную принимать свет в пикселе 220SA для фокусировки. Принимающая свет область 511 зрачка пикселя 220SA для фокусировки имеет принимающую свет область, меньшую, чем принимающая свет область 500 зрачка пикселя для формирования изображения, и центральная точка является не центрированной к стороне +X на плоскости выходного зрачка.
[0052] С другой стороны, на фиг.6B принимающая свет область 521 зрачка пикселя 220SB для фокусировки имеет грубо сопряженную взаимосвязь с отверстием экранирующего свет слоя 310b, чья центральная точка является не центрированной в направлении +x, из-за микролинзы, и представляет собой область зрачка, способную принимать свет в пикселе 220SB для фокусировки. Принимающая свет область 521 зрачка пикселя 220SB для фокусировки имеет принимающую свет область, меньшую, чем принимающая свет область 500 зрачка пикселя для формирования изображения, и центральная точка является не центрированной к стороне -X на передней поверхности зрачка, напротив пикселя 220SA для фокусировки.
[0053] Взаимосвязь между принимающей свет областью 511 зрачка пикселя 220SA для фокусировки, принимающей свет областью 521 зрачка пикселя 220SB для фокусировки и принимающей свет областью 500 зрачка пикселя для формирования изображения показана на фиг.7A. Также, примерные принимающие свет области зрачка (распределения интенсивностей зрачка) вдоль оси X плоскости выходного зрачка соответственно показаны на фиг.7B с помощью прерывистой линии для пикселя 220SA для фокусировки, штрихпунктирной линии для пикселя 220SB для фокусировки и сплошной линии для пикселя для формирования изображения. Очевидно, что распределение интенсивности зрачка пикселя 220SA для фокусировки и распределение интенсивности зрачка пикселя 220SB для фокусировки соответственно делят выходной зрачок в направлении оси X. Точно так же, когда центральная точка отверстия экранирующего свет слоя 310a (310b) является не центрированной в направлении оси Y, выходной зрачок может быть разделен в направлении оси Y.
[0054] Как показано на фиг.2, пиксели 220SA для фокусировки регулярно размещены в направлении x, и изображение объекта, полученное от группы пикселей 220SA для фокусировки, задается как изображение A. Точно так же пиксели 220SB для фокусировки регулярно расположены в направлении x, и изображение объекта, полученное от группы пикселей 220SB для фокусировки, задается как изображение B. Величина расфокусировки изображения объекта, имеющего распределение яркости в направлении x, может быть детектирована посредством детектирования разности между изображением A и изображением B (взаимные положения).
[0055] Центральная точка принимающей свет области 511 зрачка пикселя на внутренней стороне выходного зрачка 400 оптической системы формирования изображения пикселя 220SA для фокусировки на фиг.6A задается посредством CA, а центральная точка принимающей свет области 521 зрачка пикселя на внутренней стороне выходного зрачка 400 оптической системы формирования изображения пикселя 220SB для фокусировки на фиг.6B задается посредством CB. Длина базовой линии задается посредством интервала CA-CB между упомянутыми двумя центральными точками. Разность между изображением A и изображением B относительно величины расфокусировки увеличивается, чем большее абсолютное значение длины базовой линии, повышая точность детектирования фокуса.
[0056] Конфигурация положения фокуса
Далее описывается конфигурация положения фокуса оптической системы микролинзы.
[0057] Примерный численный анализ распределения интенсивности света в случае, где свет падает на датчик изображения, в котором сформирована микролинза 305, показанная на фиг.3A, 3B, 4A и 4B, показан на фиг.8A и 8B. Способ Временной Области с Конечной Разностью (FDTD) используется для вычисления значения электромагнитных волн. Дается примерный расчет распределения интенсивности света внутри датчика изображения в случае, где плоская волна с правой круговой поляризацией, имеющая длину волны λ в 540 нм, падает параллельно оптической оси от вышеупомянутой микролинзы 305.
[0058] Примерное распределение интенсивности света поперечного сечения, параллельного оптической оси микролинзы, показано на фиг.8A. Оптическая система микролинзы в каждом пикселе датчика изображения составлена посредством микролинзы 305, сглаживающего слоя, герметизирующего слоя, изолирующего слоя и тому подобного. Оптическая система микролинзы может быть сконфигурирована с возможностью включения в себя множества микролинз. Шаг пикселя задается посредством 2a, фокусное расстояние оптической системы микролинзы задается посредством f, и апертурный угол оптической системы микролинзы задается посредством 2φ. Показатель преломления в положении фокуса оптической системы микролинзы задается посредством n. Также, координата вдоль оптической оси задается посредством z. С помощью координаты z сторона микролинзы указана посредством знака «минус», а противоположная сторона к микролинзе указана посредством знака «плюс», с положением фокуса в качестве ее начала (z=0). Числовая апертура NA оптической системы микролинзы определяется следующим уравнением (1).
[0059] Также, величина F апертуры оптической системы микролинзы определяется следующим уравнением (2).
[0060] Падающий свет собирается в положении фокуса посредством оптической системы микролинзы. Однако диаметр пятна сбора света не может быть уменьшен сверх дифракционного предела Δ из-за волновой природы света. Полагая, что распределение интенсивности пятна сбора света приблизительно соответствует узору Эйри, дифракционный предел Δ грубо выводится из следующего уравнения (3), где λ является длиной волны падающего света.
[0061] Распределение интенсивности света в поперечном сечении, перпендикулярном оптической оси микролинзы в положении фокуса, показано на фиг.8B. В положении фокуса (z=0) диаметр пятна сбора света будет равен дифракционному пределу Δ и будет минимальным.
D
D
D
D
[0062] Задняя глубина фокуса +z и передняя глубина фокуса -z оптической системы микролинзы выводятся из следующего уравнения (4), с дифракционным пределом Δ в качестве допустимого кружка рассеяния. Диапазон глубины фокуса составляет -z<z<+z.
[0063] Когда распределение интенсивности пятна сбора света приблизительно соответствует распределению Гаусса, грубо выполняется отношение в следующем уравнения (5), где диаметр w пятна сбора света является функцией от координаты z.
R
R
R
D
R
[0064] Здесь z является Рэлеевской длиной и определяется посредством z=αz, где коэффициент α=0,61, и n1,92.
D
[0065] В примерном вычислении, показанном на фиг.8A и 8B, длина λ волны составляет 540 нм, шаг 2a пикселя составляет 4,3 мкм, фокусное расстояние f оптической системы микролинзы составляет 5,8 мкм, и показатель n преломления в положении фокуса составляет 1,46. Также, величина F апертуры оптической системы микролинзы составляет 0,924, дифракционный предел Δ составляет 1,22 мкм, и глубина фокуса z составляет 1,65 мкм.
[0066] Чтобы достичь высокой эффективности приема света и увеличить максимальную интенсивность распределения интенсивности зрачка, диаметр w пятна сбора света должен быть уменьшен относительно принимающей свет поверхности блока фотоэлектрического преобразования, отверстия экранирующего свет слоя и тому подобного.
R
R
[0067] Диаметр w пятна сбора света увеличивается, следуя за увеличением z, от минимума в дифракционном пределе Δ в соответствии с вышеупомянутым уравнением (5). В частности, в случае, где абсолютное значение координаты z является достаточно большим относительно Рэлеевской длины z (|z|>>z), диаметр w пятна сбора света будет увеличиваться пропорционально z.
D
D
D
D
[0068] С другой стороны, внутри диапазона глубины фокуса (-z<z<+z) диаметр w пятна сбора света (w=Δ на фиг.8A) почти не изменяется, как показано в примерном вычислении на фиг.8A. Диаметр w (±z) пятна сбора света в положении, удаленном на глубину фокуса ±z (=±nFΔ) от положения фокуса z=0, приблизительно составляет 1,13Δ на основе вышеупомянутого уравнения (5).
D
D
[0069] Поэтому, в первом варианте осуществления, в качестве первого условия конфигурации, чтобы достичь высокой эффективности приема света и увеличить максимальную интенсивность распределения интенсивности зрачка, экранирующий свет слой 310a (310b), имеющий отверстие, конфигурируется в диапазоне -z<z<+z глубины фокуса оптической системы микролинзы.
[0070] Чтобы увеличить максимальную интенсивность распределения интенсивности зрачка пикселей для формирования изображения, желательно, чтобы дифракционный предел Δ был меньше шага 2a пикселя (Δ<2a). Также, чтобы увеличить максимальную интенсивность распределения интенсивности зрачка пикселей для фокусировки, желательно, чтобы дифракционный предел Δ был меньше половины шага пикселя (Δ<a).
[0071] Угол падения параллельного света на оптическую систему микролинзы задается посредством θ [радиан]. Центр пятна сбора света становится не центрированным от оптической оси с изменением в угле падения θ. Отношение следующего уравнения (6) грубо выполняется на основе параксиального приближения, где величина нецентрированности пятна сбора света от оптической оси под углом падения θ и на расстоянии f+z от основной точки H задается посредством q(θ, f+z).
0
0
[0072] Здесь, n является показателем преломления оптической системы микролинзы на стороне падения (противоположной стороне блоку фотоэлектрического преобразования). Обычно, n=1 в воздухе.
[0073] Также выполняется отношение следующего уравнения (7), где скорость нецентрированного изменения пятна сбора света на расстоянии f+z от основной точки H (скорость изменения относительно угла падения величины нецентрированности пятна сбора света) задается посредством (f+z).
[0074] В случае, где выходной зрачок оптической системы формирования изображения разделен посредством формирования экранирующего свет слоя 310a (310b), имеющего отверстие в положении координаты z, односторонняя половинная ширина Γ распределения интенсивности зрачка может быть грубо оценена посредством следующего уравнения (8) из уравнения (5) и уравнения (7). Односторонняя половинная ширина Γ распределения интенсивности зрачка является величиной изменения в угле падения, при котором интенсивность распределения интенсивности зрачка составляет половину своего максимального значения.
[0075] Также, скорость изменения относительно координаты z односторонней половинной ширины Γ распределения интенсивности зрачка представлена следующим уравнением (9).
min
R
min
min
min
min
2
[0076] Здесь z=z /f>0. Скорость изменения односторонней половинной ширины Γ будет нулем при z=z, и знак изменяется от минуса в плюс при z=z. В примерном вычислении на фиг.8A и 8B z=1,72 мкм. Односторонняя половинная ширина Γ распределения интенсивности зрачка будет в минимуме в положении z=z>0, которое удалено на стороне блока фотоэлектрического преобразования (противоположной стороне к микролинзе) от положения фокуса z=0 оптической системы микролинзы, и представлена следующим уравнением (10).
min
min
[0077] Положение z=z>0 является также стационарной точкой, а изменение в односторонней половинной ширине Γ относительно координаты z подавляется около z на стороне блока фотоэлектрического преобразования от положения фокуса.
[0078] Поэтому в первом варианте осуществления, в качестве второго условия конфигурации, чтобы подавить изменение в односторонней половинной ширине Γ распределения интенсивности зрачка относительно отклонения в толщине пленки пикселей, экранирующий свет слой, имеющий отверстие, сконфигурирован в положении (z>0), которое находится дальше на стороне блока фотоэлектрического преобразования, чем положение фокуса оптической системы микролинзы.
D
[0079] Соответственно, в первом варианте осуществления экранирующий свет слой 310a (310b), имеющий отверстие, сконфигурирован в диапазоне 0<z<z глубины фокуса на задней стороне (стороне блока фотоэлектрического преобразования) оптической системы микролинзы, на основе первого условия конфигурации и второго условия конфигурации. Более конкретно, пиксели конфигурируются так, что положение фокуса оптической системы микролинзы позиционировано дальше на стороне микролинзы, чем экранирующий свет слой, имеющий отверстие, и расстояние от положения фокуса микролинзы до экранирующего свет слоя, имеющего отверстие, больше 0 и меньше nFΔ.
[0080] Результаты такой конфигурации согласно настоящему варианту осуществления описаны с использованием фиг.9A-9C, которые являются видами вертикального поперечного сечения, подобными фиг.8A. На фиг.9A-9C нецентрированность отверстия экранирующего свет слоя от оптической оси опускается.
D
[0081] Примерное вычисление распределения интенсивности света в случае, где позиционная взаимосвязь положения фокуса оптической системы микролинзы и экранирующего свет слоя, имеющего отверстие, согласована со спецификациями проектирования, показано на фиг.9A. В спецификациях проектирования положение фокуса оптической системы микролинзы устанавливается в положение (исходное положение), которое удалено от экранирующего свет слоя, имеющего отверстие, на Δz (0<Δz<z) на стороне микролинзы. В примере фиг.9A Δz=0,5nFΔ. В данное время односторонняя половинная ширина Γ распределения интенсивности зрачка грубо выводится посредством следующего уравнения (8a).
[0082] Знаменатель уравнения (8a) пропорционален скорости нецентрированного изменения пятна сбора света, а числитель пропорционален диаметру пятна сбора света.
[0083] В фактическом датчике изображения толщина пленки от основной точки H оптической системы микролинзы до экранирующего свет слоя, имеющего отверстие, изменяется относительно спецификации проектирования по причине отклонения в точности изготовления.
1
1
[0084] Например, примерное вычисление распределения интенсивности света в случае, где толщина пленки является δz (0<δz<Δz) меньше спецификации проектирования, показано на фиг.9B. При этом уравнение, представляющее одностороннюю половинную ширину Γ распределения интенсивности зрачка, изменяется от уравнения (8a) к следующему уравнению (8b).
[0085] В уравнении (8b) знаменатель немного меньше, чем в уравнении (8a), следуя за уменьшением в расстоянии от основной точки H к экранирующему свет слою, имеющему отверстие. В то же время, числитель также несколько меньше, следуя за приближением к положению фокуса. Изменения в числителе и знаменателе нейтрализуют друг друга, предоставляя возможность подавления изменения в односторонней половинной ширине Γ распределения интенсивности зрачка.
2
2
D
[0086] С другой стороны, примерное вычисление распределения интенсивности света в случае, где толщина пленки больше спецификации проектирования на δz (0<δz<z-Δz), показано фиг.9C. В это время односторонняя половинная ширина Γ распределения интенсивности зрачка изменяется от уравнения (8a) к следующему уравнению (8c).
[0087] В уравнении (8c) знаменатель несколько больше, чем в уравнении (8a), следуя за увеличением расстояния от основной точки H к экранирующему свет слою, имеющему отверстие. В то же время, числитель также несколько больше, следуя за отдалением от положения фокуса. Изменения в числителе и знаменателе нейтрализуют друг друга, предоставляя возможность подавления изменения в односторонней половинной ширине Γ распределения интенсивности зрачка.
D
D
[0088] Далее описаны результаты настоящего изобретения на конкретном примере. Глубина фокуса оптической системы микролинзы составляет z=1,65 мкм. Также, в качестве спецификации проектирования, положение фокуса оптической системы микролинзы устанавливается в положение, которое удалено от экранирующего свет слоя, имеющего отверстие, на Δz=0,2z=0,35 мкм на стороне микролинзы.
[0089] На фиг.10 распределение интенсивности зрачка в случае, где толщина пленки на 0,39 мкм больше, чем спецификация проектирования, показано сплошной линией, а распределение интенсивности зрачка в случае, где толщина пленки на 0,35 мкм меньше, чем спецификация проектирования, показано прерывистой линией. Поэтому очевидно, что распределения интенсивности зрачка являются, по существу, одними и теми же в обоих случаях. Поэтому очевидно, что изменение в распределении интенсивности зрачка может быть подавлено относительно изменения в толщине пленки в диапазоне 0,74 мкм.
[0090] Согласно настоящему варианту осуществления, как описано выше, пиксели сконфигурированы так, что положение фокуса оптической системы микролинзы позиционировано дальше на стороне микролинзы, чем экранирующий свет слой, имеющий отверстие, и расстояние от положения фокуса микролинзы до экранирующего свет слоя, имеющего отверстие, больше 0 и меньше nFΔ. Такая конфигурация предоставляет возможность подавления изменения в распределении интенсивности зрачка пикселей для фокусировки, вызванного отклонением в толщине экранирующего свет слоя.
[0091] Второй вариант осуществления
Фиг.11 является схемой, показывающей размещение пикселей датчика изображения согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения в области в 4 строки на 4 столбца.
1
4
[0092] В настоящем варианте осуществления, схожим образом с первым вариантом осуществления, два диагонально противоположных пикселя 230G, имеющих чувствительность G спектра, и по одному каждого из пикселя 230R, имеющего чувствительность R спектра, и пикселя 230B, имеющего чувствительность B спектра, в качестве остальных двух пикселей, расположены в группе 230 пикселей, состоящей из 2 строк на 2 столбца. Особенность настоящего варианта осуществления состоит в том, что пиксели 230R, 230G и 230B соответственно составляются посредством четырех вспомогательных пикселей для разделения зрачка (вспомогательные пиксели с 230R по 230R в случае пикселя 230R). В настоящем варианте осуществления нет никакого четкого структурного различия между пикселями для фокусировки и пикселями для формирования изображения и всеми функциями пикселей, как пикселей для фокусировки, так и пикселей для формирования изображения.
[0093] Вид сверху одного пикселя (здесь, пикселя 230G) датчика изображения, просматриваемого со стороны (сторона +z) принимающей свет поверхности датчика изображения, показанного на фиг.11, показан на фиг.12A, и вид поперечного сечения для поперечного сечения c-c фиг.12A, просматриваемого со стороны -y, показан на фиг.12B.
1
4
1
4
1
4
[0094] Как показано на фиг.12A и 12B, в пикселе 230G настоящего варианта осуществления четыре слоя 301a, 301b, 301c и 301d n-типа сформированы так, что содержатся в слое 300 p-типа и соответственно составляют блоки (вспомогательные пиксели) 230G-230G фотоэлектрического преобразования. Четыре вспомогательных пикселя 230G-230G располагаются в положениях, которые являются соответственно не центрированными в направлениях (-x, -y), (+x, -y), (+x, +y) и (-x, +y) относительно центра пикселя 230G. Более конкретно, пиксели сконфигурированы так, что центральные точки отдельных принимающих свет поверхностей четырех вспомогательных пикселей 230G-230G являются не центрированными так, чтобы отличаться от центральной точки одиночной принимающей свет поверхности, объединяющей принимающие свет поверхности четырех вспомогательных пикселей. Принимающие свет поверхности четырех не центрированных вспомогательных пикселей проецируются на плоскость выходного зрачка оптической системы формирования изображения через оптическую систему микролинзы, и выходной зрачок тем самым разделяется на четыре области зрачка. В первом варианте осуществления выходной зрачок разделен посредством экранирующего свет слоя, имеющего отверстие, тогда как во втором варианте осуществления, вместо использования экранирующего свет слоя, выходной зрачок разделен посредством предоставления множества блоков (вспомогательных пикселей) фотоэлектрического преобразования в каждом пикселе так, что каждый блок фотоэлектрического преобразования принимает свет из различной области зрачка. Датчик изображения настоящего варианта осуществления, в других отношениях, имеет схожую конфигурацию с первым вариантом осуществления.
[0095] В настоящем варианте осуществления принимающие свет поверхности блоков фотоэлектрического преобразования, таким образом, функционируют схожим образом с экранирующим свет слоем первого варианта осуществления. По этой причине, посредством расположения принимающих свет поверхностей блоков (вспомогательных пикселей) фотоэлектрического преобразования схожим образом с экранирующим свет слоем в первом варианте осуществления, изменение в распределении интенсивности зрачка пикселей для фокусировки, вызванное отклонением в положениях принимающих свет поверхностей, может быть подавлено.
D
[0096] То есть в настоящем варианте осуществления принимающие свет поверхности блоков фотоэлектрического преобразования сконфигурированы в диапазоне 0<z<z задней глубины фокуса оптической системы микролинзы. Более конкретно, пиксели составлены так, что положение фокуса оптической системы микролинзы позиционировано дальше на стороне микролинзы, чем принимающие свет поверхности блоков фотоэлектрического преобразования, и расстояние от положения фокуса микролинзы до принимающих свет поверхностей блоков фотоэлектрического преобразования больше 0 и меньше nFΔ.
[0097] Вышеупомянутая конфигурация предоставляет возможность подавления изменения в распределении интенсивности зрачка пикселей для сбора фокусировки, вызванного позиционным производственным допуском принимающих свет поверхностей.
[0098] Третий вариант осуществления
Фиг.13 является видом поперечного сечения одиночного пикселя датчика изображения согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения, схожего с фиг.12B. В настоящем варианте осуществления, схожим образом со вторым вариантом осуществления, каждый пиксель разделен на множество вспомогательных пикселей. В данном документе предполагается, что предоставляется четыре вспомогательных пикселя, как показано на фиг.12A. Как показано на фиг.13, в настоящем варианте осуществления оптический волновод 307 сформирован на стороне микролинзы принимающей свет поверхности каждого блока фотоэлектрического преобразования для того, чтобы повысить эффективность приема света блоков фотоэлектрического преобразования. Оптический волновод 307 разделен на вспомогательный пиксель.
[0099] Центральные точки отдельных принимающих свет поверхностей четырех оптических волноводов 307, схожим образом с соответствующими блоками фотоэлектрического преобразования, являются соответственно не центрированными в направлениях (-x, -y), (+x, -y), (+x, +y) и (-x, +y) относительно центра пикселя. Более конкретно, пиксели сконфигурированы так, что центральные точки отдельных принимающих свет поверхностей четырех оптических волноводов 307 являются не центрированными так, чтобы иметь отличающиеся центральные точки от центральной точки одиночной принимающей свет поверхности, объединяющей принимающие свет поверхности четырех оптических волноводов. Принимающие свет поверхности четырех не центрированных оптических волноводов 307 проецируются на плоскость выходного зрачка оптической системы формирования изображения через оптическую систему микролинзы, и выходной зрачок тем самым разделяется на четыре области зрачка. Датчик изображения согласно третьему варианту осуществления имеет схожую конфигурацию со вторым вариантом осуществления за исключением выходного зрачка, разделенного посредством расположения принимающих свет поверхностей оптических волноводов нецентрированно. В настоящем варианте осуществления принимающие свет поверхности оптических волноводов 307 функционируют схожим образом с экранирующим свет слоем первого варианта осуществления и блоками фотоэлектрического преобразования второго варианта осуществления. По этой причине, посредством расположения принимающих свет поверхностей оптических волноводов схожим образом с экранирующим свет слоем в первом варианте осуществления или принимающими свет поверхностями блоков фотоэлектрического преобразования во втором варианте осуществления, изменение в распределении интенсивности зрачка пикселей для фокусировки, вызванное отклонением в положении принимающих свет поверхностей оптических волноводов, может быть подавлено.
D
[0100] То есть в настоящем варианте осуществления принимающие свет поверхности оптических волноводов сконфигурированы в диапазоне 0<z<z задней глубины фокуса оптической системы микролинзы. Более конкретно, пиксели сконфигурированы так, что положение фокуса оптической системы микролинзы позиционировано дальше на стороне микролинзы, чем принимающие свет поверхности оптических волноводов, и расстояние от положения фокуса микролинзы до принимающих свет поверхностей оптических волноводов больше 0 и меньше nFΔ.
[0101] Вышеупомянутая конфигурация предоставляет возможность подавления изменения в распределении интенсивности зрачка пикселей для фокусировки, вызванного позиционным производственным допуском принимающих свет поверхностей оптических волноводов. Также, предоставление оптических волноводов предоставляет возможность повышения эффективности приема света блоков фотоэлектрического преобразования.
[0102] Другие варианты осуществления
Аспекты настоящего изобретения могут также быть реализованы посредством компьютера системы или устройства (либо устройствами, такими как CPU или MPU), который считывает и исполняет программу, записанную на запоминающем устройстве, для выполнения функций вышеописанного варианта(ов) осуществления, и посредством способа, этапы которого выполняются посредством компьютера системы или устройства, например, посредством считывания и исполнения программы, записанной на запоминающем устройстве, для выполнения функций вышеописанного варианта(ов) осуществления. С этой целью, программа предоставляется компьютеру, например, через сеть или с носителя записи различных типов, служащих в качестве запоминающего устройства (например, считываемый компьютером носитель).
[0103] В то время как настоящее изобретение было описано со ссылкой на примерные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми примерными вариантами осуществления. Объем следующей формулы изобретения должен соответствовать самой широкой интерпретации, чтобы охватывать все такие изменения и эквивалентные структуры и функции.
[0104] Данная заявка испрашивает приоритет патентных заявок Японии № 2011-066555, поданной 24 марта 2011 г., и 2012-061149, поданной 16 марта 2012 г., содержание которых полностью включено в данный документ посредством ссылки.