專利名稱：圖像傳感器和攝像設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及圖像傳感器和攝像設備。
背景技術：
已提出一種使用包括各自形成有微透鏡的像素的二維圖像傳感器、利用相位差檢測方法進行攝像鏡頭的焦點檢測的攝像設備。日本特開2000-156823公開了包括配置在包括多個像素的二維圖像傳感器上的多對調焦像素的攝像設備。一對調焦像素被配置為使用包括開口的遮光層、從攝像鏡頭的出射光瞳中的不同區域接收光束，從而進行光瞳分割。通過配置在二維圖像傳感器的大部分中的攝像像素來獲得攝像信號，并且基于來自配置在該圖像傳感器的某些部分中的調焦像素的信號獲得散焦量，從而允許焦點檢測。而且，日本特開2004-320270公開了包括低靈敏度和高靈敏度的光電二極管的CXD (圖像傳感器)。在日本特開2004-320270中，在低靈敏度和高靈敏度的光電二極管之間，源極跟隨器電路(放大器電路)的浮動擴散(電荷累積層)的電容變化，從而減小信號強度的差。日本特開2000-156823中所述的調焦像素使用圖像傳感器中形成的遮光層部分遮擋穿過攝像鏡頭的出射光瞳的光束，從而進行光瞳分割。因為遮光層不影響攝像像素，所以攝像像素具有比調焦像素高的透過率和光接收效率。因此，在攝像像素和調焦像素之間生成飽和電容的差異。為了處理該差異，可以使分別在攝像像素和調焦像素中形成的源極跟隨器電路的浮動擴散的電容不同。然而，呈現給定光瞳強度分布的區域(光瞳區域)的重心的位置在調焦像素和攝像像素之間變化。因此，調焦像素和攝像像素之間的光接收效率比不恒定，并且根據例如成像光學系統的出射光瞳距離(出射光瞳至成像面的距離)和設置變化(光圈值)而顯著變化。這意味著簡單地通過改變各類型的像素中浮動擴散的電容不能充分減小攝像像素和調焦像素之間的飽和電容的差異。
發明內容
考慮到上述的傳統問題做出了本發明，并且本發明提供一種包括飽和電容的差異較小的攝像像素和調焦像素的圖像傳感器。本發明的第一方面提供一種圖像傳感器，包括攝像像素，包括第一電荷累積層并接收穿過成像光學系統的第一光瞳區域的光束；以及調焦像素，包括第二電荷累積層并接收穿過所述成像光學系統的第二光瞳區域的光束，其中，所述調焦像素還包括遮光層，所述遮光層包括開口，并且所述遮光層在所述調焦像素中形成為使得所述第一光瞳區域大于所述第二光瞳區域、并且所述第一光瞳區域的重心位置不同于所述第二光瞳區域的重心位置，以及其中，所述第一電荷累積層的電容和所述第二電荷累積層的電容之比具有根據如下比的平均值和最接近I的值中的一個所確定的值該比是所述攝像像素的光接收效率和所述調焦像素的光接收效率之比，并且該比根據所述成像光學系統的出射光瞳距離和光圈值中至少之一的變化而變化。本發明的第二方面提供一種包括根據本發明的第一方面所定義的圖像傳感器的攝像設備。通過以下參考附圖對典型實施例的說明，本發明的其它特征將變得明顯。
圖I是示出例示了使用根據本發明第一實 施例的圖像傳感器的攝像設備的數字靜態照相機的功能結構的例子的框圖；圖2是示出本發明第一實施例中的圖像傳感器的像素陣列的例子的圖；圖3A和3B分別是本發明第一實施例中的圖像傳感器的調焦像素220SA的平面圖和垂直截面圖；圖4A和4B分別是本發明第一實施例中的圖像傳感器的調焦像素220SB的平面圖和垂直截面圖；圖5A和5B分別是本發明第一實施例中的圖像傳感器的攝像像素的平面圖和垂直截面圖；圖6是本發明第一實施例中的圖像傳感器的像素的示意電路圖；圖7A 7C是用于說明本發明第一實施例中的圖像傳感器的兩種類型的調焦像素和攝像像素的垂直截面與成像光學系統的出射光瞳面之間的關系的圖；圖8A和8B是不出本發明第一實施例中的圖像傳感器的光瞳分割的概略和光瞳強度分布的例子的圖；圖9是示出光圈值和攝像像素與調焦像素之間的光接收效率比的關系的例子的圖；圖10是示出光圈值和攝像像素與調焦像素之間的光接收效率比的關系的其它例子的圖；圖11是示出光圈值和攝像像素與調焦像素之間的光接收效率比的關系的其它例子的圖；圖12是示出光圈值和攝像像素與調焦像素之間的光接收效率比的關系的其它例子的圖；圖13A和13B分別是本發明第二實施例中的調焦像素220SA的平面圖和垂直截面圖；以及圖14是本發明第三實施例中的圖像傳感器的像素的示意電路圖。
具體實施例方式現在將根據附圖詳細說明本發明的典型實施例。第一實施例圖I是示出例示了使用根據本發明第一實施例的圖像傳感器的攝像設備的數字靜態照相機100 (以下簡稱為照相機100)的功能結構的例子的框圖。
第一透鏡組101配置在成像光學系統的前端并被保持為可沿著光軸前后移動。快門102不僅用作控制拍攝靜止圖像時的曝光時間的快門，還用作調節開口大小以調節攝像時的光量的光圈。在快門102的背面(圖像傳感器側)上配置的第二透鏡組103可以與快門102 —起沿著光軸前后移動，并且與第一透鏡組101 —起實現變焦功能。第三透鏡組105用作調焦透鏡，并且可以沿著光軸前后移動。光學低通濾波器106配置在圖像傳感器107的前面并減少所拍攝圖像中生成的偽色和摩爾紋。圖像傳感器107由二維CMOS圖像傳感器及其外圍電路形成。在本實施例中，圖像傳感器107是由二維配置m(水平)Xn(垂直)光接收元件(像素)所形成的二維單板彩色圖像傳感器，這些光接收元件包括以拜爾模式配置的原色馬賽克濾波器。顏色濾波器針對各像素限制入射到光接收元件上的透過光的波長。、
變焦致動器111根據變焦驅動電路129的控制樞轉凸輪筒(未示出)來驅動第一透鏡組101和第三透鏡組105中至少之一，從而實現變焦(變倍)功能。快門致動器112根據快門驅動電路128的控制來控制快門102的開口大小以調節攝像光量，并控制拍攝靜止圖像時的曝光時間。調焦致動器114根據調焦驅動電路126的控制來沿著光軸驅動第三透鏡組105。電子閃光燈115可以用作使用氙管的電子閃光照明裝置，還可以用作包括持續發光的LED的照明裝置。AF輔助光輸出單元116經由光投射透鏡將具有預定開口圖案的掩模的圖像投影至視野，以提高對低亮度被攝體和低對比度被攝體的焦點檢測能力。CPU 121控制整個照相機100的操作并包括例如運算單元、ROM、RAM、A/D轉換器、D/A轉換器和通信接口電路(都未示出)。CPU 121執行ROM中存儲的程序以控制照相機100中設置的各種電路，從而實現諸如AF、AE、圖像處理和記錄等的照相機100的功能。電子閃光燈控制電路122與攝像操作同步地控制電子閃光燈115的開啟/關閉。輔助光驅動控制電路123在焦點檢測操作時控制AF輔助光輸出單元116的開啟/關閉。圖像傳感器驅動電路124控制圖像傳感器107的操作，對從圖像傳感器107讀出的圖像信號進行A/D轉換，并將所獲得的圖像信號輸出至CPU 121。圖像處理電路125對圖像信號應用諸如伽瑪變換、顏色補償和JPEG編碼等的各種圖像處理。調焦驅動電路126基于焦點檢測結果驅動調焦致動器114以使第三透鏡組105沿著光軸移動，從而進行調焦。快門驅動電路128驅動快門致動器112以控制快門102的開口大小和打開/關閉定時。變焦驅動電路129根據在按下例如操作開關132中包括的變焦操作開關時從拍攝者輸入的變焦操作來驅動變焦致動器111。顯示器131用作例如IXD并顯示例如與照相機100的攝像模式相關聯的信息、攝像前的預覽圖像、攝像后的確認圖像和焦點檢測時的焦點狀態的信息等。操作開關132包括例如電源開關、釋放(攝像觸發器)開關、變焦操作開關和攝像模式選擇開關。記錄介質133用作例如可拆卸半導體存儲器并記錄所拍攝圖像。圖像傳感器的像素陣列圖2是在12(列)X12(行)像素的范圍中示出本實施例的圖像傳感器107的像素陣列的例子的圖。以相同的圖案在圖像傳感器107的攝像畫面上配置像素。在本實施例中，圖像傳感器107的攝像畫面的大小是22. 3mm(水平)X 14. 9mm(垂直)，像素間距是4 Pm,以及有效像素數為5575 (行)X 3725 (列)=大約2千萬。
如圖2所示，圖像傳感器107的像素由2 (行)X 2 (列)攝像像素210和2(行)X2(列)調焦像素220形成。攝像像素210包括被配置為兩個對角像素并具有G(綠色)的光譜靈敏度的攝像像素210G、被配置為其余兩個像素中的一個像素并具有R(紅色)的光譜靈敏度的攝像像素210R、和被配置為其余兩個像素中的另一個像素并具有B (藍色)的光譜靈敏度的攝像像素210B。而且,調焦像素220包括被配置為兩個對角像素并具有G的光譜靈敏度的攝像像素210G、以及被配置為其余兩個像素的調焦像素220SA和220SB。如后所述，在本實施例中，調焦像素220SA和220SB具有G (綠色)的光譜靈敏度。
圖3A是從圖像傳感器107的光接收面側(+z側)觀察時的調焦像素220SA的平面圖，以及圖3B是從_y側觀察時的沿圖3A中的截面a-a的截面圖。而且，圖4A是從圖像傳感器107的光接收面側(+z側)觀察時的調焦像素220SB的平面圖，以及圖4B是從-y側觀察時的沿圖4A中的截面b-b的截面圖。此外，圖5A是從圖2所示的圖像傳感器107的光接收面側(+z側)觀察時的圖像傳感器107的一個攝像像素220G的平面圖，以及圖5B是從-y側觀察時的沿圖5A中的截面c-c的截面圖。注意，為了簡化，圖3B、4B和5B未示出傳輸柵極304和n+浮動擴散(n型電荷累積層)303a、303b和303。如圖3B所示，在調焦像素220SA中形成具有pin結構的光電二極管(光電轉換單元)PD，其中，在pin結構中，n本征層302夾在p型層300和n型層301之間。調焦像素220SA的光電轉換單元I3D具有在圖3B中所示的n本征層302中形成的耗盡層的區域及在耗盡層周圍的與少數載流子的擴散距離相對應的區域，因此光電轉換單元ro具有面積上與n本征層302和n型層301的總面積接近相等的區域。根據需要，可以用pn結光電二極管來代替n本征層302。對調焦像素220SB以及攝像像素220G、210R、210G和210B同樣適用。如圖3B、4B和5B所示，在本實施例中各像素的光接收側上形成用于會聚入射光的微透鏡305。而且，在相對于光電轉換單元ro的微透鏡305側上形成用于通過選擇光接收波長來進行顏色分離的顏色濾波器306。如上所述，在本實施例中，在調焦像素220SA和220SB以及攝像像素220G中形成G濾波器。同樣，在攝像像素210R中形成R濾波器，在攝像像素210G中形成G濾波器，以及在攝像像素210B中形成B濾波器。可以根據需要形成其它顏色的濾波器。可選地，可以使用W(白色)像素來代替形成顏色濾波器。在圖3A和3B所示的調焦像素220SA中，在微透鏡305和光電轉換單元I3D之間形成具有開口 310a’的遮光層310a用于光瞳分割。遮光層310a中的開口 310a’的重心相對于光電轉換單元I3D的光接收面的重心在-X方向上偏移。在圖3A中由虛線表示遮光層310a 中的開口 310a，。另一方面，在圖4A和4B所示的調焦像素220SB中，在微透鏡305和光電轉換單元ro之間形成具有開口 310b’的遮光層310b用于光瞳分割。遮光層310b中的開口 310b’的重心相對于光電轉換單元ro的光接收面的重心在+X方向上偏移。在圖4A中由虛線表示遮光層310b中的開口 310b’。盡管在第一實施例中，分別具有開口 310a’和310b’的遮光層310a和310b也用作互連層，但可以單獨形成互連層和遮光層。而且，如圖3A和4A所示，在調焦像素220SA和220SB中，用作第二電荷累積層的n型電荷累積層303a和303b經由傳輸柵極304連接至光電轉換單元H)。同樣，如圖5A所示，在攝像像素220G中，用作第一電荷累積層的n型電荷累積層303經由傳輸柵極304連接至光電轉換單元H)。入射到圖5A和5B所示的攝像像素220G上的光通過微透鏡305會聚并由光電轉換單元ro接收。在光電轉換單元ro中，與入射光量相對應地生成電子空穴對，并且通過耗盡層分離電子空穴對。然后，在n型層301中累積帶負電的電子，同時經由連接至恒定電壓源(未示出)的P型層300將帶正電的空穴排出至圖像傳感器107外部。另一方面，入射到分別在圖3A和3B以及圖4A和4B中示出的調焦像素220SA和220SB的光通過微透鏡305會聚，并且會聚后的光的特定成分穿過遮光層310a和310b中的開口并由光電轉換單元I3D接收。這意味著攝像像素220G具有比調焦像素220SA和220SB高的光透過率，即比調焦像素220SA和220SB好的光接收效率。因此，當攝像像素220G以及調焦像素220SA和220SB包括具有相同光譜透過率的顏色濾波器并接收相同的入射光量時，由攝像像素220G生成的電荷Qik的量大于由各調焦 像素220SA和220SB生成的電荷Qaf的量。將說明各像素的累積操作控制。圖6是圖5A和5B所示的攝像像素220G的示意電路圖。在圖6中，與圖5A和5B相同的附圖標記表不相同的構成兀件。附圖標記300表示P型層，附圖標記301表示n型層，附圖標記302表示n本征層，附圖標記303表示n型電荷累積層，以及附圖標記304表示傳輸柵極，附圖標記Tsf表示源極跟隨器MO S晶體管。而且，附圖標記Vdd和Vss (Vdd > Vss)表不電源電壓，附圖標記4>T表不傳輸柵極電壓，附圖標記0R表示復位柵極電壓，附圖標記0S表示像素選擇柵極電壓，以及附圖標記(]^表示線選擇柵極電壓。首先，為了復位各像素的光電轉換單元PD，同時接通所有行上的傳輸柵極電壓小T和復位柵極電壓0R。在同時斷開傳送柵極電壓0 T和復位柵極電壓0 R的瞬間，開始累積操作以使得與由各像素的光電轉換單元接收到的光量相對應地在n型層301中累 積電荷。在累積進行了期望時間之后，再次接通和斷開所有行上的傳輸柵極電壓0T，以使得將各像素中的信號電荷一次從像素的n型層301傳輸至n型電荷累積層303。針對各行接通/斷開選擇柵極電壓0 S以使得針對各行順次讀出傳輸至n型電荷累積層303的信號電荷。而且，可以通過接通/斷開線選擇柵極電壓01來順次選擇要讀取信號的列。在分別利用n型電荷累積層303a和303b代替上述的n型電荷累積層303時，以相同方式進行調焦像素220SA和220SB的累積操作控制。在傳輸柵極304的控制下將攝像像素220G的n型層301中累積的電荷Qik傳輸 至n型電荷累積層303，由源極跟隨器電路放大，并轉換成電壓信號VIM(；。同樣，在傳輸柵極304的控制下將各調焦像素220SA和220SB的n型層301中累積的電荷Qaf傳輸至n型電荷累積層303a和303b中相對應的一者，由源極跟隨器電路放大，并轉換成電壓信號VAF。將參考圖7A 7C說明光瞳分割和各像素的遮光層310a或310b中的開口 310a’或310b’之間的對應關系。圖7A和7B分別示出成像光學系統的出射光瞳面與在圖3B和4B中示出的調焦像素220SA和220SB的垂直截面圖之間的關系。而且，圖7C示出成像光學系統的出射光瞳面和攝像像素220G的垂直截面圖之間的關系。在圖7A 7C中，為了簡單地觀察與出射光瞳面的坐標軸的對應關系，反轉圖3A和3B、4A和4B以及5A和5B的截面圖中的X軸和y軸。
圖7A 7C所示的出射光瞳面具有成像光學系統的出射光瞳400、攝像像素220G的光瞳強度分布范圍500、調焦像素220SA的光瞳強度分布范圍511和調焦像素220SB的光瞳強度分布范圍521。來自被攝體的光束穿過成像光學系統的出射光瞳400并入射至各像素。參考圖7C，攝像像素220G的光瞳強度分布范圍500使用微透鏡305來維持與光電轉換單元I3D的光接收面的近似共軛關系，并表示攝像像素220G可以接收光的光瞳區域(第一光瞳區域)。光瞳距離是幾十毫米，而微透鏡305的直徑是幾微米。因此，微透鏡305具有數萬的光圈值，由此以幾十毫米的量級生成衍射模糊。當這種情況發生時，光電轉換單元ro的光接收面上的圖像不是變得清晰，而是具有給定的光接收比分布范圍。攝像像素220G的光瞳強度分布范圍500被設置為使得光接收區域盡可能寬以允許攝像像素220G接收更大量的穿過出射光瞳400的光束，并且攝像像素220G的光瞳強度分布范圍500的重心與光軸近似一致。
參考圖7A，調焦像素220SA的光瞳強度分布范圍511使用微透鏡305來維持與遮光層310a中具有在-X方向上偏移的重心的開口 310a’的近似共軛關系，并且調焦像素220SA的光瞳強度分布范圍511表示調焦像素220SA可以接收光的光瞳區域。調焦像素220SA的光瞳強度分布范圍511具有比攝像像素220G的光瞳強度分布范圍500窄的光接收區域，并具有在+X方向上偏移的重心。另一方面，參考圖7B，調焦像素220SB的光瞳強度分布范圍521使用微透鏡305來維持與遮光層310b中具有在+X方向上偏移的重心的開口 310b’的近似共軛關系，并且調焦像素220SB的光瞳強度分布范圍521表示調焦像素220SB可以接收光的光瞳區域。調焦像素220SB的光瞳強度分布范圍521具有比攝像像素220G的光瞳強度分布范圍500窄的光接收區域，并具有在光瞳面上-X方向上、即在與調焦像素220SA中相反的方向上偏移的重心。以下將與調焦像素220SA和220SB相對應的成像光學系統的光瞳區域總稱為第二光瞳區域。圖8A示出調焦像素220SA的光瞳強度分布范圍511、調焦像素220SB的光瞳強度分布范圍521和攝像像素220G的光瞳強度分布范圍500之間的關系。而且，圖8B針對調焦像素220SA用虛線、針對調焦像素220SB用點劃線并且針對圖像傳感器107用實線來示出出射光瞳的沿X軸的光瞳強度分布范圍的例子。通過在X軸方向上分割出射光瞳來獲得調焦像素220SA的光瞳強度分布范圍和調焦像素220SB的光瞳強度分布范圍。同樣，當使遮光層310a或310b中的開口 310a’或310b’的重心在y軸方向上偏移時，可以在y軸方向上分割出射光瞳。如圖2所示，將從在X軸方向上規則排列的調焦像素220SA獲得的被攝體圖像定義為圖像A。同樣，將從在X軸方向上規則排列的調焦像素220SB獲得的被攝體圖像定義為圖像B。通過檢測圖像A和B之間的散焦量(相對位置)，可以檢測在X軸方向上具有亮度分布的被攝體圖像的散焦量(焦點偏移量)。在圖7A所示的調焦像素220SA的成像光學系統中，將出射光瞳400內的光瞳強度分布范圍511的重心定義為CA，以及在圖7B所示的調焦像素220SB的成像光學系統中，將出射光瞳400內的光瞳強度分布范圍521的重心定義為CB。將基線長度定義為這兩個重心之間的間隔CA-CB。隨著基線長度的絕對值增大，針對被攝體圖像的散焦量的圖像A和B之間的散焦量增大，由此提高了焦點檢測精度。確定N型電荷累積層的電容的方法在第一實施例中，在調焦像素220SA和220SB中形成與攝像像素220G的濾波器相同的G濾波器，從而這些像素的顏色濾波器具有相同的光譜透過率。攝像像素220G具有比調焦像素220SA和220SB的光瞳區域大的光瞳區域。因此，當這些像素接收相同量的入射光時，由攝像像素220G生成的電荷Qik的量大于由各調焦像素220SA和220SB生成的電荷
Qaf的量。假定攝像像素220G的n型電荷累積層303的電容Cik等于調焦像素220SA和220SB的n型電荷累積層303a和303b各自的電容CAF。在該情況下，攝像像素220G的n型電荷累積層303較早地飽和，由此生成攝像像素220G與各調焦像素220SA和220SB之間的飽和電容的差異。 通過以下說明使得攝像像素和調焦像素的飽和電容相等的條件
r I Qimg Qaf/i I—^ = —— (I)
I/MG從等式(I)，得到
r ^ Caf Qaf yjAF /9)—~ = —~
L IMG ^IMG rIlMG其中，rIIM(；是攝像像素220G的光接收效率，以及是IIaf是各調焦像素220SA和220SB的光接收效率。因此，為了減小攝像像素220G與各調焦像素220SA和220SB之間的飽和電容的差異，僅需要使電容比QAF/QIMe與光接收效率比nAF/ n IMG接近相等，其中，電容比QAF/QIK是通過將調焦像素220SA和220SB的n型電荷累積層303a和303b各自的電容除以攝像像素220G的n型電荷累積層303的電容而獲得的，而光接收效率比nAF/ n IK是通過將各調焦像素220SA和220SB的光接收比除以攝像像素220G的光接收比所獲得的。在上述操作時，在本實施例中，使得攝像像素220G的n型電荷累積層303的電容Cimg與調焦像素220SA和220SB的n型電荷累積層303a和303b各自的電容Caf不同。這使得可以減小攝像像素220G與各調焦像素220SA和220SB之間的飽和電容的差異。更具體地，在第一實施例中，將攝像像素220G的n型電荷累積層303的電容Cik設置得比調焦像素220SA和220SB的n型電荷累積層303a和303b各自的電容Caf高。然而，在第一實施例中，為了進行相位差檢測方法的焦點檢測，攝像像素220G的光瞳強度分布區域(光瞳區域)的重心的位置與調焦像素220SA和220SB的光瞳區域的重心的位置不同。由于光瞳區域的重心位置的差異，攝像像素220G與各調焦像素220SA和220SB之間的光接收效率比nAF/ Hik隨著像高、成像光學系統的出射光瞳距離和光圈值顯著變化。圖9 11示出在離傳感器中心大約5mm的像高處、光圈值F和攝像像素220G與各調焦像素220SA和220SB之間的光接收效率比nAF/ nIMe之間的關系的具體例子。在橫軸上示出光圈值F，在縱軸上示出光接收效率比nAF/ nIK，由實線表示攝像像素220G和調焦像素220SA(圖像A的調焦像素)之間的光接收效率比，以及由虛線表示攝像像素220G和調焦像素220SB(圖像B的調焦像素)之間的光接收效率比。圖9示出成像光學系統的出射光瞳距離是50mm的情況，圖10示出成像光學系統的出射光瞳距離是IOOmm的情況，以及圖11示出成像光學系統的出射光瞳距離是200mm的情況。從圖9中明顯可見，隨著光圈值F的變化，攝像像素220G和調焦像素220SB之間的光接收效率比從大約0. 3到大約0. 8顯著變化。而且，從圖9 11明顯可見，隨著成像光學系統的出射光瞳距離的變化，攝像像素220G和調焦像素220SB之間的光接收效率比從大約0.2到大約0.8顯著變化。此外，從圖9和11明顯可見，根據出射光瞳距離，攝像像素220G和調焦像素220SA之間的光接收效率比以及攝像像素220G和調焦像素220SB之間的光接收效率比隨著光圈值F的變化以相反的趨勢變化。假定基于攝像像素220G和調焦像素220SA(220SB)之間的光接收效率比nAF/ nIMe最接近0的最小值、根據上述等式(2)來確定n型電荷累積層303的電容和n型電荷累積 層303a(303b)的電容之比QAF/QIMe。在該情況下，由于光接收效率比隨著成像光學系統的出射光瞳距離和光圈值F的變化而增大，因而調焦像素220SA和220SB比攝像像素220G飽和早的過校正發生。如果大量進行過校正，則攝像像素220G與各調焦像素220SA和220SB之間的飽和電容的差異可能變得比校正前大。因此，在成像光學系統的出射光瞳距離和光圈值F的預定范圍內的、攝像像素220G與各調焦像素220SA和220SB之間的光接收效率比的值中，獲得最接近I的值(最大值)。根據該光接收效率比的值和等式(2)，確定n型電荷累積層303的電容Cik與n型電荷累積層303a和303b各自的電容Caf之比。這使得可以避免光接收效率比變化的情況下的飽和電容的過校正。圖12示出在成像光學系統的出射光瞳距離是200mm的情況下、在離傳感器中心大約IOmm的像高處、光圈值和攝像像素220G與各調焦像素220SA和220SB之間的光接收效率比之間的關系的具體例子。在橫軸上示出光圈值，在縱軸上示出光接收效率比，由實線表示攝像像素220G和調焦像素220SA(圖像A的調焦像素)之間的光接收效率比，以及由虛線表示攝像像素220G和調焦像素220SB(圖像B的調焦像素)之間的光接收效率比。從圖11和12明顯可見，在僅改變傳感器像高前后的光接收效率比能夠比較。從圖11和12之間的比較可以看出，攝像像素和調焦像素之間的光接收效率比nAF/nIMG也隨著傳感器像高的變化而顯著變化。通過根據成像光學系統的預定成像面上的傳感器像高、確定n型電荷累積層303的電容Cik與n型電荷累積層303a和303b各自的電容Caf之比，也可以應對光接收效率比隨著像高變化的變化。更具體地，針對各傳感器像高，僅需要根據在光圈值和出射光瞳距離在預定范圍內變化的情況下的光接收效率比的值中、最接近I的值來確定電容比。可以適當確定針對給定傳感器像高改變電容比的間隔。該間隔可以保持相同或者根據像高改變。從電容比確定具體電容值的方法是沒有限制的。然而，隨著調焦像素的n型電荷累積層303a和303b各自的電容被減小以提高靈敏度，可以提高低照明區域中各調焦像素的S/N比，由此可以提聞焦點檢測精度。如上所述，根據本實施例，考慮由于至少光圈值和出射光瞳距離的變化所引起的光接收效率比的變化來確定攝像像素的電荷累積層的電容和調焦像素的電荷累積層的電容之比。這使得可以滿意地減小由于攝像像素和調焦像素的光接收效率之間的差異而引起的飽和電容的差異。此外，可以通過根據像高確定該電容比獲得更大的減小效果。第二實施例在第一實施例中，如在攝像像素220G中一樣，在圖2所示的調焦像素220SA和220SB中形成G濾波器。與此相反，在第二實施例中，代替在調焦像素220SA和220SB中形成顏色濾波器，調焦像素220SA和220SB用作W(白色)像素。圖13A是從圖像傳感器107的光接收面側(+z側)觀察時的第二實施例的調焦像素220SA的平面圖，以及圖13B是從-y側觀察時的沿著圖13A中的截面a_a的截面圖。在本實施例的調焦像素220SA中，因為不形成顏色濾波器，所以可以提高光接收效率。注意，除了調焦像素220SB中的遮光層310b具有與調焦像素220SA中的遮光層310a不同的開口位置以外，調焦像素220SB具有與調焦像素220SA相同的結構。在本實施例中，在攝像像素220G中形成G濾波器，而不在調焦像素220SA和220SB中形成顏色濾波器。這意味著調焦像素220SA和220SB具有比攝像像素220G高的光透過率。因此，攝像像素220G具有較大的光瞳區域，但是在攝像像素220G以及調焦像素220SA和220SB接收相同量的入射光時，各調焦像素220SA和220SB可以生成較大量的電荷。因此，在本實施例中，將攝像像素220G的n型電荷累積層303的電容Cik設置得比調焦像素220SA和220SB的n型電荷累積層303a和303b各自的電容Caf低。在本實施例中，隨著成像光學系統的出射光瞳距離和光圈值F的變化，調焦像素和攝像像素之間的光接收效率比變得既有I以上又有I以下。因此，可以使用調焦像素和攝像像素之間的光接收效率比的平均值來代替最接近I的光接收效率比的值。除了這點以夕卜，可以以與第一實施例相同方式確定電容比cAF/cIMe。根據本實施例，不僅可以獲得根據第一實施例的效果，而且提高了各調焦像素的光接收效率，因此提聞了調焦像素的S/N比,從而提聞了焦點檢測精度。第三實施例圖14是根據第三實施例的攝像像素220G的示意電路圖。在圖14中，與圖6相同的附圖標記表示相同的構成元件，并且將不重復給出其說明。根據本實施例的攝像像素220G具有以下特征經由電容調節柵極308將n型電荷累積層303連接至附加的n型電荷累積層307。因此，通過合成n型電荷累積層303和附加的n型電荷累積層(附加的電荷累積層)307來形成本實施例中的源極跟隨器電路的有效電荷累積層。當斷開電容調節柵極電壓小？時，僅使得n型電荷累積層303有效，因此所有電荷累積層的合成電容減小。另一方面，當接通電容調節柵極電壓0F時，也使得n型電荷累積層307有效，從而所有電荷累積層的合成電容增大。將圖14所示的像素配置同樣應用于調焦像素220SA和220SB。在該情況下，用n型電荷累積層303a和303b來代替n型電荷累積層303。以這種方式，本實施例中的攝像像素220G以及調焦像素220SA和220SB具有以下特征。即，n型電荷累積層由多個n型電荷累積層303/303a/303b和307以及改變這些層的電容的柵極(電容調節柵極308)形成。利用該配置，使得各n型電荷累積層的電容可變。注意，為了應對像素最小化，可以將各調焦像素220SA和220SB的光電轉換單元的、光接收區域設置得小于攝像像素220G的光電轉換單元的光接收區域，并將圖14所示的配置僅應用至調焦像素220SA和220SB。換句話說，在攝像像素220G中既不形成電容調節柵極308也不形成n型電荷累積層307(或者不使用作附加的電荷累積層的n型電荷累積層307有效)。盡管在第一和第二實施例中，攝像像素220G的電荷累積層的電容與各調焦像素220SA和220SB的電荷累積層的電容之比不能動態變化，但在本實施例中可以進行變化。因此，針對光圈值F、出射光瞳距離和像高中的一者，例如針對光圈值F，以與可以通過電容調節柵極308的控制實現的電容比的組合數相等的數量確定如在第一和第二實施例中所確定的那樣的電容比。以實現所確定的電容比的方式確定n型電荷累積層303和307的電容，并且利用控制電路(未示出)根據光圈值F控制電容調節柵極308。當將圖14所示的配置應用至例如調焦像素220SA和220SB時，可以實現兩個電容比CAF/CIM(；。當使用根據第一實施例的方法時，在光圈值F的可變范圍內確定兩個電容比。例如，根據在光圈值F的第一和第二范圍中分別最接近I的光接收效率比的值確定兩個電容比，并且以能夠實現各個電容比的方式確定n型電荷累積層303和307的電容的具體值。根據實際使用的光圈值接通/斷開電容調節柵極308，從而實現與該光圈值相對應的、攝像像素220G與各調焦像素220SA和220SB之間的電容比。電容比可以根據出射光瞳距離、而不是光圈值F而變化。注意，當電容比也根據像高變化時，可以針對各像高使用上述方法來確定多個電容比。在上述例子中，為了容易說明和理解，設置了一組電容調節柵極308和附加的n型電容累積層307。然而，如可以容易理解的那樣，理論上可以設置兩組以上的電容調節柵極308和附加的n型電容累積層307以允許利用較高的精度進行控制。還可以在攝像像素220G中設置可變電容值，從而實現較大數量的電容比的組合。而且，在本實施例中，可以任意確定是否在調焦像素220SA和220SB中形成顏色濾波器。如果不在這些像素中形成顏色濾波器，則可以使用第二實施例中所述的方法來確定電容比。以這種方式，根據本實施例，當使得電荷累積層的電容動態可變時，不僅可以獲得根據第一或第二實施例的效果，還可以更滿意地減小由于攝像像素和調焦像素的光接收效率之間的差異而引起的飽和電容的差異。盡管已經參考典型實施例說明了本發明，但是應該理解，本發明不限于所公開的典型實施例。所附權利要求書的范圍符合最寬的解釋，以包含所有這類修改、等同結構和功倉泛。
權利要求
1.一種圖像傳感器,包括 攝像像素，包括第一電荷累積層并接收穿過成像光學系統的第一光瞳區域的光束；以及 調焦像素，包括第二電荷累積層并接收穿過所述成像光學系統的第二光瞳區域的光束， 其中，所述調焦像素還包括遮光層，所述遮光層包括開口，并且所述遮光層在所述調焦像素中形成為使得所述第一光瞳區域大于所述第二光瞳區域、并且所述第一光瞳區域的重心位置不同于所述第二光瞳區域的重心位置，以及 其中，所述第一電荷累積層的電容和所述第二電荷累積層的電容之比具有根據如下比的平均值和最接近I的值中的一個所確定的值該比是所述攝像像素的光接收效率和所述調焦像素的光接收效率之比，并且該比根據所述成像光學系統的出射光瞳距離和光圈值中 至少之一的變化而變化。
2.根據權利要求I所述的圖像傳感器，其特征在于，所述第一電荷累積層的電容和所述第二電荷累積層的電容之比還根據所述圖像傳感器的像高而確定。
3.根據權利要求I所述的圖像傳感器，其特征在于，所述第一電荷累積層的電容高于所述第二電荷累積層的電容。
4.根據權利要求I 3中任一項所述的圖像傳感器，其特征在于， 所述第二電荷累積層包括多個電荷累積層和至少一個柵極，所述柵極用于調節所述多個電荷累積層的合成電容，以及 在所述成像光學系統的出射光瞳距離和光圈值之一的可變范圍中，所述第一電荷累積層的電容和所述第二電荷累積層的合成電容之比具有與能夠通過所述柵極的控制實現的合成電容的組合數相同的數量的值。
5.一種包括權利要求I所述的圖像傳感器的攝像設備。
全文摘要
本發明涉及圖像傳感器和攝像設備。使得攝像像素的電荷累積層的電容與調焦像素的電荷累積層的電容不同，從而減小由于攝像像素和調焦像素的光接收效率之間的差引起的飽和電容的差。考慮攝像像素和調焦像素的光接收效率之間的比隨著出射光瞳距離和光圈值中至少之一的變化的變化，來確定攝像像素的電荷累積層的電容和調焦像素的電荷累積層的電容之間的比。
文檔編號H01L27/146GK102740006SQ20121009643
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月1日 優先權日2011年3月31日
發明者福田浩一 申請人:佳能株式會社