CN102197328B - 图像拾取元件和图像拾取装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有相差检测功能的成像元件的技术，该成像元件通过相差检测方法来精确地检查焦点，并且即使提高像素的微制造技术，也可以适当地被制造。为成像装置提供的成像元件包括：通过接收通过出瞳中的一对部分区域(Qa，Qb)的要被成像的被摄体的光束来实现光瞳分割功能的AF像素对(11f)；以及没有光瞳分割功能的普通像素。AF像素对(11f)包括具有与普通像素的光电转换器相同的尺寸并包括沿着水平方向相邻地设置的一对光电转换器(PD)。遮光部(LS)和微透镜(ML)被提供在所述一对光电转换器(PD)的上方，遮光部(LS)具有遮住通过出瞳的光束的两个遮光部(Ea，Eb)，所述微透镜(ML)被夹于这两个遮光区域(Ea，Eb)之间。这样使得可以实现成像元件，该成像元件通过相差检测方法来精确地检测焦点，并且即使提高像素的微制造技术，也可以适当地被制造。

Description

图像拾取元件和图像拾取装置
技术领域
本发明涉及能够接收透射通过拍摄光学***的出瞳的被摄体光束的图像拾取元件的技术。
背景技术
在诸如镜头更换型的单反数字照相机的图像拾取装置中，提出了图像拾取元件(在下文中还可以称为“相差检测图像拾取元件”)的使用。图像拾取元件包括多对光电转换器(光电二极管)，并且能够通过相差检测方法来检测焦点。每一对光电转换器通过下述方式来产生相应的图像信号：接收透射通过可更换镜头(interchangeable lens)(拍摄光学***)的出瞳中的相应的一对部分(例如，左光瞳部分/右光瞳部分)的被摄体的光束。该图像拾取元件的已知例子如下。
例如，专利文献1讨论了具有如下结构的相差检测图像拾取元件：其中，在用于获得被摄体的图像信号的普通像素(RGB像素)中，光电转换器被分成两个(这样的光电转换器在下文中被称为“半尺寸光电转换器”)。即，专利文献1讨论了这样的相差检测图像拾取元件：其中，一对半尺寸光电转换器被置于一个微透镜(microlens)的下方。
另外，例如，专利文献2讨论了这样的相差检测图像拾取元件：其中，在一对相邻像素中使用金属层将被摄体的光束限制在遮光掩模(light-intercepting mask)中的小开口处，从而使得出瞳的一对部分在一对光电转换器处接收该光束。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本未审专利申请公开No.2001-250931
专利文献2：日本未审专利申请公开No.2005-303409
发明内容
技术问题
然而，在专利文献1中讨论的图像拾取元件中，用于将各个半尺寸光电转换器的输出转换为电信号的晶体管必须被置于相应的光电转换器附近。因此，必需与光电转换器的设置空间相对应地减少它们的尺寸，从而减少在每一个光电转换器处的接收的光量(即，感光度)。这使得难以通过相差检测方法来精确地检测焦点。
与此不同的是，在专利文献2中的图像拾取元件中，由于被摄体的光束针对每个像素被遮光掩模中的小开口所限制，因此，当由于例如图像拾取元件的像素化(pixelation)的提高而导致每一个像素变得更加精细时，要求在遮光掩模中的开口甚至更小。这样的开口在制造时可能难以形成。
考虑到这种情况，本发明的目的是提供这样的相差检测图像拾取元件的技术：该相差检测图像拾取元件可以通过相差检测方法来精确地检测焦点，并且，即使像素变得更精细，也可以良好地被制造。
解决问题的方案
根据本发明的一个方面，提供一种图像拾取元件，该图像拾取元件包括：通过接收透射通过拍摄光学***的出瞳中的沿着预定方向在相反方向上倾斜的一对部分的被摄体光束来执行光瞳分割功能的一对第一像素；以及第二像素组，该第二像素组包括不被提供光瞳分割功能的第二像素。第二像素组包括沿着所述预定方向以预定节距设置的多个光电转换器、以及在各个光电转换器的上方提供的多个微透镜。所述一对第一像素包括具有与所述多个光电转换器相同的尺寸的一对光电转换器，这一对光电转换器沿着预定方向以预定节距彼此相邻地设置。在所述一对光电转换器的上方提供遮光部和一个微透镜，所述遮光部具有遮住透射通过出瞳的光束的两个遮光区域，所述一个微透镜被夹于这两个遮光区域之间。
本发明的有益效果
根据本发明，图像拾取元件包括：通过接收透射通过拍摄光学***的出瞳中的一对部分的被摄体光束来执行光瞳分割功能的一对第一像素，这一对部分沿着预定方向在相反方向上倾斜；以及第二像素组，该第二像素组包括不被提供光瞳分割功能的第二像素、以及沿着所述预定方向以预定节距设置的多个光电转换器。另外，所述一对第一像素包括具有与第二像素光电转换器相同的尺寸的一对光电转换器，这一对光电转换器沿着预定方向以预定节距彼此相邻地设置。在所述一对光电转换器的上方提供遮光部和一个微透镜，所述遮光部具有遮住透射通过出瞳的光束的两个遮光区域，所述一个微透镜被夹于这两个遮光区域之间。这种图像拾取元件(相差检测图像拾取元件)可以通过相差检测方法来精确地检测焦点，并且，即使像素变得更加精细，也可以被适当地制造。
附图说明
图1示出根据本发明第一实施例的图像拾取装置1的外部结构。
图2示出图像拾取装置1的外部结构。
图3是图像拾取装置1的垂直截面图。
图4是图像拾取装置1的电结构的框图。
图5示出图像拾取元件101的结构。
图6示出图像拾取元件101的结构。
图7是示出普通像素110的结构的垂直截面图。
图8是示出AF像素对11f的结构的垂直截面图。
图9是示出AF像素对11f的结构的平面图。
图10是当焦平面被离焦到离图像拾取元件101的图像拾取表面的200μm的近侧时的模拟结果的曲线图。
[图11]图11是当焦平面被离焦到离图像拾取表面的100μm的近侧时的模拟结果的曲线图。
图12是在焦平面与图像拾取表面匹配时的聚焦状态中的模拟结果的曲线图。
图13是当焦平面被离焦到离图像拾取表面的100μm的远侧时的模拟结果的曲线图。
图14是当焦平面被离焦到离图像拾取表面的200μm的远侧时的模拟结果的曲线图。
图15是示出离焦量与一对图像序列中的重心位置的差之间的关系的曲线图Gc。
图16示出为根据本发明第二实施例的图像拾取元件101A规定的AF区域Efr的结构。
图17是示出AF像素对11fr的结构的垂直截面图。
图18示出微透镜的直径/曲率和光瞳分割之间的关系。
图19示出根据本发明变型例的第一金属44a的结构。
图20示出根据本发明变型例的Af区域Efa的结构。
具体实施方式
<第一实施例>
[图像拾取装置的主要部分的结构]
图1和图2示出根据本发明第一实施例的图像拾取装置1的外部结构。这里，图1和图2分别是图像拾取装置1的正视图和后视图。
图像拾取装置1被形成为(例如)单反数字静止照相机，并且包括照相机主体10和用作拍摄镜头的可更换镜头2，该可更换镜头2可以从照相机主体10去除。
在图1中，照相机主体10的前侧被设有安装部301、镜头更换按钮302、夹持部303、模式设置盘(setting dial)305、控制值设置盘306和快门按钮307。安装部301具有基本上在照相机主体10的前表面的中心处安装到其上的可更换镜头2。镜头更换按钮302被置于安装部301的右侧。夹持部303可以被夹持。从照相机主体10的前侧看，模式设置盘305被置于左上部处。从照相机主体10的前侧看，控制值设置盘306被置于右上部处。快门按钮307被置于夹持部303的上表面处。
另外，在图2中，照相机主体10的背侧被设有LCD(液晶显示器)311、设置按钮组312、箭头键314和按钮315。设置按钮组312被置于LCD 311的左边。箭头键314被置于LCD 311的右边。按钮315被置于箭头键314的中心中。此外，照相机主体10的背侧被设有EVF(电子取景器)316、眼杯(eye cup)321、主开关317、曝光校正按钮323和AE锁定按钮324、以及闪光部318和连接端子部319。EVF 316被置于LCD 311的上方。眼杯321围绕EVF 316。主开关317被置于EVF 316的左边。曝光校正按钮323和AE锁定按钮324被置于EVF 316的右边。闪光部318和连接端子部319被置于EVF 316的上方。
安装部301具有用于与安装的可更换镜头2的电连接的连接器Ec(参见图4)和用于与安装的可更换镜头2的机械耦接的耦合器75(参见图4)。
镜头更换按钮302是在去除安装到安装部301的可更换镜头2时被按下的按钮。
夹持部303是当用户执行拍摄时用户夹持的图像拾取装置1的一部分，并且，具有与手指形状相符的不均匀的表面，从而提高适配性(fittability)。此外，电池容纳室和卡容纳室(未示出)被提供在夹持部303中。电池容纳室容纳作为照相机的电源的电池69B(参照图4)。卡容纳室可去除地容纳用于记录拍摄图像的图像数据的存储卡67(参照图4)。此外，夹持部303可以被设有夹持传感器，用于检测用户是否已经夹持该夹持部303。
模式设置盘305和控制值设置盘306是可以在与照相机主体10的顶表面基本上平行的平面上旋转的基本盘状的构件。模式设置盘305被提供用于择一地(alternatively)选择在图像拾取装置1中提供的功能或模式，例如自动曝光(AE)控制模式或自动聚焦(AF；自动聚焦)控制模式，或者各种拍摄模式(例如，用于拍摄一个静止图像的静止图像拍摄模式或者用于执行连续拍摄的连续拍摄模式)，或者用于再现记录图像的再现模式。与此不同的是，控制值设置盘306被提供用于设置图像拾取装置1的各种功能的控制值。
快门按钮307是可以在部分按下状态和完全按下状态中操作的按钮，该完全按下状态是通过进一步按下快门按钮307来实现的。当在静止图像拍摄模式中部分地按下快门按钮307时，执行用于拍摄被摄体的静止图像的准备操作(例如，设置曝光控制值或检测焦点)。当快门按钮307被完全按下时，执行拍摄操作(包括一系列操作，其中，对图像拾取元件101(参见图3)进行曝光，对通过曝光获得的图像信号执行预定的图像处理操作，并且，例如，在存储卡上记录该图像信号)。
LCD 311包括能够显示图像的彩色液晶面板。例如，LCD 311再现和显示记录的图像或者显示通过图像拾取元件101(参见图3)拾取的图像，并且提供图像拾取装置1的功能或者模式设置画面显示。代替LCD 311，也可以使用有机EL或等离子体显示装置。
设置按钮组312包括用于执行图像拾取装置1的各种功能的按钮。例如，设置按钮组312包括用于在LCD 311上显示的菜单画面处确认选择内容的选择确认开关、选择取消开关、用于切换菜单画面的内容的菜单显示开关、显示on/off开关和显示放大开关。
箭头键314包括被设有多个按压部分(示出的三角形部分)的环状构件，并且被形成为使得检测通过与各个按压部分相对应地提供的触点(开关)进行的对按压部分的按压，其中，所述多个按压部分以恒定的间隔被置于圆周方向上。另外，按钮315被置于箭头键314的中心处。箭头键314和按钮315被提供用于输入(例如)设置拍摄条件(例如，光圈值(diaphragm stop value)、快门速度、有/无闪光发生)、使(例如)由LCD 311再现的记录图像的帧前进、以及改变拍摄放大率(在广角方向或望远方向上移动变焦透镜212(参见图4))的指令。
EVF 316包括液晶面板310(参见图3)，并且，例如，再现和显示记录图像，或者显示由图像拾取元件101(参见图3)拾取的图像。在EVF 316和LCD 311处，用户可以通过在实际拍摄(为了图像记录而进行拍摄)之前执行实时取景(live view)(预览)显示来视觉地识别实际上由图像拾取元件101拍摄的被摄体，在实时取景(预览)显示中，基于由图像拾取元件101连续地产生的图像信号来动态地显示被摄体。
主开关317是向着左右滑动的双触点滑动式开关。当主开关317被设置到左边时，接通图像拾取装置1的电源，然而，当主开关317被设置到右边时，断开图像拾取装置1的电源。
闪光部318被形成为弹出式内置闪光部。另一方面，例如，当外部闪光部被安装到照相机主体10时，连接端子部319用于将它连接到照相机主体10。
眼杯321是具有遮光性质并且限制外部光进入EVF 316中的C形遮光构件。
曝光校正按钮323是用于手动地调节曝光值(光圈值或快门速度)的按钮。AE锁定按钮324是用于固定曝光的按钮。
可更换镜头2充当让来自被摄体的光(光学图像)进入的透镜窗，并且充当用于将被摄体光引导到置于照相机主体10中的图像拾取元件101的拍摄光学***。通过按下前述的镜头更换按钮302，可以从照相机主体10去除可更换镜头2。
可更换镜头2被设有透镜组21，该透镜组21包括沿着光轴LT串联地设置的多个透镜(参见图4)。透镜组21包括用于聚焦的聚焦透镜211(参见图4)和用于改变放大率的变焦透镜212(参见图4)。通过在光轴LT的方向上驱动聚焦透镜211和变焦透镜212(参见图3)，执行聚焦并改变放大率。在可更换镜头2的镜筒的外周的合适位置处提供可以围绕镜筒的外周表面旋转的操作环。通过手动或自动操作，根据操作环的旋转的方向和旋转量移动变焦透镜212，从而使得根据其目的地的位置来设置变焦放大率(拍摄放大率)。
[图像拾取装置1的内部结构]
接下来，将描述图像拾取装置1的内部结构。图3示出图像拾取装置1的垂直截面图。如图3所示，在照相机主体10中设置图像拾取元件101、EVF 316等。
当可更换镜头2被安装到照相机主体10时，图像拾取元件101被设置为与可更换镜头2的透镜组的光轴LT垂直。作为图像拾取元件101，使用CMOS彩色区域传感器(color area sensor)(CMOS图像拾取元件)。在CMOS彩色区域传感器中，包括(例如)光电二极管的多个像素按照矩阵的形式二维地设置。图像拾取元件101产生通过可更换镜头2接收的被摄体光束的相应的R(红)、G(绿)和B(蓝)颜色分量的电信号(图像信号)，并且输出相应颜色R、G和B的图像信号。下面将详细地描述图像拾取元件101的结构。
快门单元40沿着光轴被置于图像拾取元件101的前方。快门单元40被形成为机械焦平面快门，该机械焦平面快门包括垂直移动帘式构件，并且通过帘式构件的打开和关闭操作来打开和关闭沿着光轴LT被引导到图像拾取元件101的被摄体光的光路。当图像拾取元件101是允许使用完全电子快门的图像拾取元件时，可以省略快门单元40。
EVF 316包括液晶面板310和目镜106。例如，液晶面板310被形成为可以显示图像的彩色液晶面板，并且可以显示通过图像拾取元件101拾取的图像。目镜106将在液晶面板310上显示的被摄体图像引导到EVF 316的外侧。通过EVF 316的这种结构，用户可以看见用图像拾取元件101拍摄的被摄体。
[图像拾取装置1的电结构]
图4示出图像拾取装置1的电结构的框图。例如，对与图1至3中所示的构件相应的构件给出相同的附图标记。此外，为了便于解释，首先，将描述可更换镜头2的电结构。
除了前述的拍摄光学***的透镜组21以外，可更换镜头2还被设有透镜驱动机构24、透镜位置检测部25、透镜控制部26和光阑驱动机构27。
在透镜组21中，在照相机主体10中提供的聚焦透镜211、变焦透镜212和光阑23沿着光轴LT(图3)被保持在镜筒中，该光阑23用于调节入射在图像拾取元件101上的光量。透镜组21取得被摄体的光学图像，并且将它聚焦在图像拾取元件101上。在AF控制中，通过由AF致动器71M在光轴LT的方向上驱动聚焦透镜211来执行聚焦，该AF致动器71M置于可更换镜头2中。
基于通过透镜控制部26从主控制部62施加的AF控制信号，聚焦驱动控制部7A产生将聚焦透镜211移动到其焦点位置所需的驱动控制信号给AF致动器71M。例如，AF致动器71M由例如步进电机(stepping motor)形成，并且，将透镜驱动力(1ense driving power)施加到透镜驱动机构24。
例如，透镜驱动机构24包括螺旋体和使该螺旋体旋转的齿轮(未示出)。透镜驱动机构24接收来自AF致动器71M的驱动力，并且，例如，在与光轴LT平行的方向上驱动聚焦透镜211。聚焦透镜211的移动方向和移动量分别与AF致动器71M的旋转方向和转数一致。
透镜位置检测部25包括编码板(encode plate)和编码器刷(encoder brush)，并且检测在使透镜组21聚焦时的透镜组21的移动量。在编码板中，在透镜组21的移动范围内在光轴LT的方向上以预定的节距形成多个代码图案。编码器刷在沿着编码板滑动并与其接触的同时与透镜一起移动。例如，由透镜位置检测部25检测的透镜的位置作为脉冲数被输出。
例如，透镜控制部26包括具有诸如ROM或者闪存的存储器的微计算机，所述ROM存储例如控制程序，所述闪存存储关于条件信息的数据。
此外，透镜控制部26具有用于通过连接器Ec与照相机主体10中的主控制部62通信的通信功能。例如，这样使得可以将由透镜位置检测部25检测的聚焦透镜211的位置的信息和条件数据(例如，透镜组21的周边区域的光量、聚焦距离、光圈值、出瞳位置和焦距)发送到主控制部62。另外，例如，这样使得可以从主控制部62接收聚焦透镜211的驱动量的数据。
光阑驱动机构27通过耦合器75接收来自光阑驱动致动器76M的驱动力，并且改变光阑23的光阑直径。
接下来，将描述照相机主体10的电结构。除了前述的图像拾取元件101、快门单元40等以外，照相机主体10还包括AFE(模拟前端)5、图像处理部61、图像存储器614、主控制部62、闪光电路63、操作部64、VRAM 65(65a，65b)、卡接口(I/F)66、存储卡67、通信接口(I/F)68、电源电路69、电池69B、快门驱动控制部73A、快门驱动致动器73M、光阑驱动控制部76A和光阑驱动致动器76M。
图像拾取元件101由上述的CMOS彩色区域传感器形成。定时控制电路51(稍后描述)控制图像拾取操作，例如，读出像素信号、选择图像拾取元件101的每一个像素的输出、以及开始(和结束)图像拾取元件101的曝光操作。
AFE 5施加使得图像拾取元件101实现预定操作的定时脉冲，对从图像拾取元件101输出的图像信号(即，在CMOS区域传感器的像素处接收的模拟信号组)执行预定的信号处理操作，将图像信号转换为数字信号，并且将数字信号输出到图像处理部61。例如，AFE 5包括定时控制电路51、信号处理部52和A/D转换部53。
基于从主控制部62输出的参考时钟，定时控制电路51产生预定的定时脉冲(例如，使得要产生垂直扫描脉冲φVn、水平扫描脉冲φVm和复位信号φVr)，将预定的定时脉冲输出到图像拾取元件101，并且控制图像拾取元件101的图像拾取操作。另外，通过将预定的定时脉冲输出到信号处理部52和A/D转换部53，控制信号处理部52和A/D转换部53的操作。
信号处理部52对从图像拾取元件101输出的模拟图像信号执行预定的模拟信号处理操作。例如，信号处理部52包括CDS(相关双采样)电路、AGC(自动增益控制)电路和箝位电路。基于从定时控制电路51输出的定时脉冲，A/D转换部53将从信号处理部52输出的模拟R、G和B图像信号转换为多位(例如，12位)的数字图像信号。
图像处理部61对从AFE 5输出的图像数据执行预定的信号处理操作，并且形成图像文件。例如，图像处理部61包括黑电平校正电路611、白平衡控制电路612和伽马校正电路613。将由图像处理部61取得的图像数据与图像拾取元件101的读出同步地、一次地写入到图像存储器614。然后，访问写入到图像存储器614的图像数据，使得在图像处理部61的每一块中执行操作。
黑电平校正电路611将经过A/D转换部53的A/D转换的R、G和B数字图像信号中的每一个的黑电平校正为基准黑电平。
基于与光源相对应的白色标准，白平衡校正电路612对相应的R(红)、G(绿)和B(蓝)颜色分量的数字信号执行电平转换(白平衡(WB)调节)。也就是说，基于从主控制部62施加的WB调节数据，白平衡校正电路612从例如拍摄被摄体的颜色饱和数据和亮度指定被假定为实际白色的部分；确定该部分的R、G和B颜色分量的平均值；确定G/R比和G/B比；并且将这些电平校正为R和B的校正增益。
伽马校正电路613对经过WB调节的图像数据的灰度级特性(gradation characteristic)进行校正。更具体地说，伽马校正电路613使用伽马校正表来执行非线性转换，并且执行偏移调节，在该伽马校正表中，针对每一种颜色分量预先设置图像数据电平。
在拍摄模式中，图像存储器614是用作工作区域的存储器，其临时存储从图像处理部61输出的图像数据，并且用于由主控制部61对该图像数据执行预定操作。另外，在再现模式中，图像存储器614临时存储从存储卡67读出的图像数据。
主控制部62包括(例如)微计算机，并且控制图像拾取装置1的每一个部分的操作，在该微计算机中内置存储部，例如，存储控制程序的ROM或者临时存储数据的RAM。
在闪光拍摄模式中，闪光电路63将与连接端子部319连接的外部闪光部或者闪光部318的发光量控制为由主控制部62设置的发光量。
例如，操作部64包括模式设置盘305、控制值设置盘306、快门按钮307、设置按钮组312、箭头键314、按钮315和主开关317。操作部64输入操作信息给主控制部62。
VRAM 65a和65b是分别被提供在主控制部62和LCD 311之间以及在主控制部62和EVF 316之间并具有用于存储与LCD 311和EVF 316的像素的数目相对应的图像信号的存储容量的缓冲存储器。卡I/F 66是使得可以在存储卡67和主控制部62之间进行信号发送和接收的接口。存储卡67是存储由主控制部62产生的图像数据的记录介质。例如，通信I/F 68是用于使得可以将图像数据发送到个人计算机或者其它外部装置的接口。
电源电路69是(例如)恒压电路，并且产生用于驱动诸如控制部(主控制部62等)、图像拾取元件101和各种其它驱动部的整个图像拾取装置1的电压。此外，基于从主控制部62施加到电源电路69的控制信号，执行将电流施加到图像拾取元件101的控制。电池69B是诸如碱性干电池的一次电池或者诸如镍金属氢化物可充电电池的二次电池，并且是向整个图像拾取装置1供应电力的电源。
基于从主控制部62施加的控制信号，快门驱动控制部73A产生驱动控制信号给快门驱动致动器73M。快门驱动致动器73M是执行用于打开和关闭快门单元40的驱动操作的致动器。
基于从主控制部62施加的控制信号，光阑驱动控制部76A产生驱动控制信号给光阑驱动致动器76M。光阑驱动致动器76M通过耦合器75将驱动力施加给光阑驱动机构27。
另外，照相机主体10包括相差AF计算电路77，基于从黑电平校正电路611输出并在黑电平校正之后提供的图像数据，该相差AF计算电路77使用图像拾取元件101在自动聚焦(AF)控制期间执行所需的计算。
接下来，将描述使用相差AF计算电路77的图像拾取装置1的相差AF操作。
[图像拾取装置1的相差AF操作]
图像拾取装置1被形成为：使得它可以通过接收透射通过图像拾取元件101中的出瞳的不同部分的透射光来执行使用相差检测方法的焦点检测(相差AF)。下面将描述图像拾取元件101的结构和利用图像拾取元件101的相差AF的原理。
图5和图6均示出图像拾取元件101的结构。
图像拾取元件101被形成为：使得它可以在按照矩阵提供在图像拾取表面101f中的多个AF区域Ef中的每一个处执行使用相差检测方法的焦点检测。
每一个AF区域Ef被设有包括R像素111、G像素112和B像素113的普通的像素(在下文中还可以称为“普通像素”)110，在R像素111、G像素112和B像素113处，相应的R(红)滤色器、G(绿)滤色器和蓝(B)滤色器被置于光电二极管和充当聚光透镜的微透镜ML(由虚线圆示出)之间。同时，每一个AF区域Ef被设有用于执行实现相差AF的光瞳分割功能的像素对(在下文中可以称为“AF像素对”)11f(图6)。在这种AF区域Ef中，原理上，基于在数目上大于AF像素对11f的像素的普通像素110，获得被摄体的图像信息。
另外，每一个AF区域Ef被设有Gr线L1和Gb线L2。Gr线L1和Gb线L2是未提供有上述光瞳分割功能的普通像素(第二像素)110的水平线(在下文中可以称为“普通像素线”)。Gr线L1具有水平地、交替地设置的G像素112和R像素111。Gb线L2具有水平地、交替地设置的B像素113和G像素112。通过垂直地、交替地设置Gr线L1和Gb线L2，提供Bayer图案的普通像素110组(第二像素组)。
另外，在AF区域Ef中，AF像素对11f水平地、重复地设置，使得垂直地、周期性地设置AF线Lf(第一像素对布置)，每一个AF像素对11f包括具有与普通像素110的结构特征(直径和曲率)相同的结构特征的一个微透镜ML，在AF线Lf中，多个AF像素对11f彼此相邻地布置。而且，希望在垂直相邻的AF线Lf之间提供用于对在AF线Lf处丢失的被摄体的图像信息进行内插所需的数目的普通像素线(例如，四条或更多条的普通像素线)。这里，与Af线Lf垂直相邻的两个普通像素线的组合可以是相同类型的水平线(例如，Gr线L1或者Gb线L2)的组合，或者可以是不同类型的水平线(例如，Gr线L1和Gb线L2)的组合。
接下来，将描述普通像素110和AF像素对11f的结构之间的差异。首先，将描述普通像素110的结构。
图7是示出普通像素110的结构的垂直截面图。例如，图7中所示的普通像素110布置在Gr线L1中(图6)。
在普通像素110的布置中，微透镜ML被提供在相应的光电转换器(光电二极管)PD的上方，光电转换器以节距α被置于水平方向上。三个金属层(更具体地，从上部依次地设置的第一金属41、第二金属42和第三金属43)被置于微透镜ML和光电转换器PD之间。这里，第二金属42和第三金属43被形成为发送电信号的布线(在图7中，布线与片平面垂直地设置)。第一金属41是接地面。滤色器FL被置于第一金属41上，微透镜ML被提供在滤色器FL的上方。关于滤色器FL，例如，在被置于Gr线L1中的普通像素110的布置中，交替地设置绿色滤波器Fg和红色滤波器Fr，如图7所示。
另外，在普通像素110的布置，为了防止光电转换器PD接收在微透镜ML之间透射的不需要的光，第一金属41遮住来自微透镜ML之间的光。也就是说，第一金属41充当遮光掩模层，其中，直接在微透镜ML的下方形成开口OP。
接下来，将描述AF像素对11f的结构。
图8和9分别是AF像素对11f的结构的垂直截面图和平面图。此外，在AF线Lf(图6)中布置图8和图9中所示的AF像素对11f。
如图8中所示，每一个AF像素对11f包括一对像素(一对第一像素)11a和11b，在这一对像素处，两个光电转换器PD被置于相应的微透镜ML的光轴AX的相反侧，用于分割来自与可更换镜头2相关联的出瞳的左部分Qa的光束Ta和来自与可更换镜头2相关联的出瞳的右部分Qb的光束Tb(即，用于执行光瞳分割)。这一对光电转换器PD的尺寸均与普通像素110的光电转换器PD(图7)的尺寸相同。这一对光电转换器PD以节距α水平地、彼此相邻地设置，该节距α与普通像素110的节距相同。
在每一个这样的AF像素对11f中，为了执行精确的光瞳分割，希望在像素(在下文中可以称为“第一AF像素”)11a的光电转换器PD和像素(在下文中可以称为“第二AF像素”)11b的光电转换器PD之间存在的空间小。因此，在根据本实施例的图像拾取元件101中，在光电转换器PD的纵向方向(即，水平方向)上设置AF像素对11f是合适的，该图像拾取元件101包括在水平方向上延长的光电转换器PD，如图9所示。因此，通过在水平方向上设置两个或更多个AF像素对11f来形成根据本实施例的AF线Lf。
另外，在AF像素对11f的布置中的示意结构中，被置于光电转换器PD的上方的构件，即，第一至第三金属、滤色器和微透镜与图7中所示的普通像素110的布置中的那些相比在水平方向上偏移了半个节距。也就是说，在每一个AF像素对中的一对光电转换器PD和微透镜ML之间的布置关系对应于在普通像素线中的微透镜ML中的与AF像素对11f的微透镜ML相对应的特定微透镜ML相对于光电转换器PD在水平方向上偏移节距α的一半(预定量)时的配置布置中的布置关系。然后，通过在该配置布置中彼此相邻的特定微透镜ML之间提供遮光部LS，提供AF像素对11f(AF线Lf)的布置。因此，由于可以通过稍微改变普通像素对的布局来提供AF线Lf，所以，可以简化布局并制造AF线Lf。下面将更详细地描述在AF线Lf中的相邻的微透镜ML之间提供的遮光部LS的结构。
在AF线Lf中，如图8和9所示，针对在普通像素110的布置中提供的第一金属41的开口OP(图7)，光被每隔一个第一金属44遮住。也就是说，为了通过使相邻的AF像素对11彼此最靠近来提高相差AF的精度，在AF线Lf中的相应的相邻微透镜ML之间提供的遮光部LS的间隔等于水平地被置于普通像素线中的普通像素110的布置中的每隔一个像素之间的间隔。更具体地说，在图7中所示的普通像素110的布置中形成开口OP的位置OQ(图8)被第一金属44阻挡。针对每隔一个像素，在第一金属44上设置黑色滤色器(黑色滤波器)Fb。由于当第一金属44的上表面未被覆盖时作为从可更换镜头2入射的光的反射的结果而产生鬼闪光(ghost flare)，所以，以通过吸收反射光来限制鬼闪光的方式，在相应的第一金属44上设置黑色滤波器Fb。因此，在根据本实施例的每一个AF像素对11f中，在相应对的光电转换器PD的上方设置遮光部LS。遮光部LS包括在多个位置OQ处形成的黑色滤波器Fb和第一金属44、以及遮住透射通过出瞳的被摄体的光束的两个遮光区域Ea和Eb。在这种遮光部LS中，黑色滤波器Fb和第一金属(金属层)44遮住光，从而可以适当地且容易地遮住光。另外，在每一个AF像素对11f中，提供夹于两个遮光部Ea和Eb之间且从这一对光电转换器PD的各端上方向着中心延伸的一个微透镜ML。
在每一条AF线Lf中，透明的滤波器Ft用作在第一金属44的开口OP的上方提供的滤色器。这样增加了被AF像素对11f接收的光量，并且提高了灵敏度。
此外，在每一条AF线Lf中，为了直接在第一金属44的开口OP的下方提供大的光程，直接在开口OP的下方间隔空间设置第二金属45和第三金属46。也就是说，与图7中所示的普通像素110的结构相比，第二金属45和第三金属46以与空间SP相对应的距离向着内侧设置。第二金属45和第三金属46这样设置以克服下述问题：例如，当第二和第三金属存在于空间SP内并且实际的出瞳的尺寸大于预期的尺寸(即，设计尺寸)时，来自非预期的部分的光束可以入射在第二和第三金属上并被它们反射，从而负面地影响光瞳分割。
由于具有上述结构的每一个AF像素对11f，在出瞳处执行出瞳分割，即，来自出瞳的左部分Qa的光束Ta透射通过微透镜ML和透明的滤色器Ft，并且被第二AF像素11b的光电转换器PD接收，来自出瞳的右部分Qb的光束Tb透射通过微透镜ML和滤波器Ft，并且被第一AF像素11a的光电转换器PD接收。换句话说，在每一个AF像素对11f中，透射通过在可更换镜头2的出瞳中沿着相反方向水平地倾斜的一对部分Qa和Qb(即，左右部分)的被摄体的光束Ta和Tb被接收。
在下文中，在每一个第一AF像素11a处获得的接收数据称为“A系列数据”，在每一个第二AF像素11b处获得的接收数据称为“B系列数据”。例如，将参照图10至14描述相差AF的原理，其中，将描述从被置于一条AF线Lf(图6)中的一组AF像素对11f获得的A系列数据和B系列数据。
图10是当焦平面被离焦到离图像拾取元件101的图像拾取表面101f的200μm的近侧时的模拟结果的曲线图。图11是当焦平面被离焦到离图像拾取表面101f的100μm的近侧时的模拟结果的曲线图。图12是在焦平面与图像拾取表面101f匹配时的聚焦状态中的模拟结果的曲线图。此外，图13是当焦平面被离焦到离图像拾取表面101f的100μm的远侧时的模拟结果的曲线图。图14是当焦平面被离焦到离图像拾取表面101f的200μm的远侧时的模拟结果的曲线图。这里，在图10至14中，水平轴表示在AF线Lf的方向上的第一AF像素11a和第二AF像素11b的像素位置，并且，垂直轴表示来自相应的第一AF像素11a和第二AF像素11b的光电转换器PD的输出。此外，在图10至14中，曲线Ga1至Ga5(由实线示出)表示A系列数据，并且，曲线Gb1至Gb5(由虚线示出)表示B系列数据。
在图10至14中，当将由A系列曲线Ga1至Ga5表示的相应的A系列数据的图像序列和由B系列曲线Gb1至Gb5表示的相应的B系列数据的图像序列相互比较时，可以看出，离焦量越大，A系列数据的图像序列和B系列数据的图像序列之间的AF线Lf的方向(水平方向)上的偏移量(位移量)就越大。
在这些对的图像序列(即，A系列数据的图像序列和B系列数据的图像序列)中的偏移量和离焦量之间的关系由图15中所示的曲线Gc表示。在图15中，水平轴表示B系列数据的图像序列的重心位置与A系列数据的图像序列的重心位置之差(即，像素节距)，并且，垂直轴表示离焦量(μm)。例如，使用下述公式(1)来获得每一个图像序列的重心位置Xg：
[公式1]
Xg = X 1 Y 1 + X 2 Y 2 + - - - - - + XnYn Y 1 + Y 2 + - - - - - + Y n . . . ( 1 ) .
然而，在前述公式(1)，例如，X1至Xn表示离AF线Lf的左端的像素位置，并且，Y1至Yn表示位置X1至Xn中的每一个的第一AF像素11a和第二AF像素11b的输出值。
如图15中示出的曲线Gc所示，离焦量和这一对图像序列的重心位置之差相互成比例。该关系由下面的公式(2)表示，其中，离焦量是DF(μm)，重心位置之差是C(μm)：
[公式2]
DF＝k×C    …(2)
这里，公式(2)中的系数k表示图15中所示的曲线Gc的倾斜率(由虚线示出)，并且，例如，可以通过工厂中的测试预先获得。
因此，在相差AF计算电路77获得从AF像素对11f获得的A系列数据和B系列数据的重心位置之差(相差)之后，可以执行自动聚焦(AF)控制，其中，使用公式(2)计算离焦量，并且，聚焦透镜211被设有与计算的离焦量相对应的驱动量，以将聚焦透镜211移动到检测的焦点位置。此外，基于安装到照相机主体10的可更换镜头2的设计值，唯一地确定聚焦透镜211的离焦量和驱动量之间的关系。
在上述的图像拾取装置1中，图像拾取元件(具有相差检测功能的图像拾取元件)101被形成为包括AF线Lf，在AF线Lf中，在光电转换器PD的上方的构件与图7中所示的普通像素110的布置中的构件相比在水平方向上偏移了半个节距，并且，针对每隔一个像素，提供遮光部LS(图8)。结果，图像拾取元件101可以使用相差检测方法来执行精确的焦点检测，并且，即使像素变得更加精细，也可以适当地制造该图像拾取元件101。另外，与通过在金属层(遮光掩模)的小开口处限制被摄体的光束来执行光瞳分割的类型相比，当它们处于被设有在前述专利文献2中讨论的相差检测功能的图像拾取元件中时，可以限制必要的光束的截止，从而可以限制光电转换器的灵敏度的减少。此外，在被设有在前述专利文献2中讨论的相差检测功能的图像拾取元件中，可以出现鬼闪光，因为具有小开口的金属层突出并且在光电转换器的上方变成未覆盖的。然而，在根据本实施例的图像拾取元件101中，可以防止鬼闪光，因为黑色滤波器Fb被置于第一金属(金属层)44的顶部上。
<第二实施例>
根据本发明的第二实施例的图像拾取装置1A具有与图1至4中所示的图像拾取装置1的结构特征相似的结构特征。图像拾取装置1A在图像拾取元件的结构方面不同于图像拾取装置1。
也就是说，在图像拾取装置1A的图像拾取元件101A中，在图像拾取元件101f中按照矩阵提供的每一个AF区域Efr(图5)的结构不同。下面将详细地描述每一个AF区域Efr的结构。
图16示出为图像拾取元件101A规定的AF区域Efr的结构。
在根据本实施例的AF区域Efr中，形成Gr线L1和Gb线L2，Gr线L1和Gb线L2是具有与第一实施例中的普通像素的水平线相同的结构的普通像素110的水平线。在AF区域Efr中形成的每一条AF线Lfr中，提供微透镜MLr，微透镜MLr的直径大于第一实施例中的在AF线Lf处设置的微透镜ML和在普通像素110处设置的微透镜ML的直径。下面将描述被设有具有这种结构的微透镜MLr的AF像素对11fr。
图17对应于图8，并且是示出AF像素对11fr的结构的垂直截面图。
每一个AF像素对11fr包括像素11c和11d。AF像素对11fr被设有光电转换器PD、第二金属45、第三金属46、透明的滤色器Ft和黑色滤色器Fb，它们具有与根据第一实施例的AF像素对11f的那些相似的结构。与此不同的是，与第一实施例不一样，每一个第一金属44r被设有前述的大微透镜MLr和对应于该微透镜MLr的大开口OPr。其相应的第一金属44r的开口OPr的尺寸稍微小于其相应的透明滤波器Ft，并且大于图8中所示的根据第一实施例的每一个开口OP的尺寸和相应的普通像素110的每一个开口OP的尺寸。也就是说，在AF线Lfr中的相应的微透镜MLr的下方形成第一金属(遮光掩模)44r的开口Opr，开口Opr大于在相应的普通像素110处的相应的微透镜ML的下方形成的开口OP。
这里，对于AF像素对11fr的微透镜MLr，不仅希望简单地使其直径大于普通像素110的微透镜ML的直径，而且希望使其曲率大(即，使其曲率半径小)，从而提高光瞳分割的精度。将参照图18描述此。
图18示出微透镜的直径/曲率和光瞳分割之间的关系。
图18(a)示出当在AF像素对11f中使用(例如)普通像素100的微透镜ML(例如，第一实施例中的普通像素100的微透镜ML)时的光瞳分割的状态。这里，例如，在光电转换器PD的顶表面(光接收表面)处，来自出瞳的左部分的光束Ta和来自出瞳的右部分的光束Tb分别扩展宽度W1a和W1b。
这里，在仅仅使得其大于图18(a)中所示的微透镜ML以提高聚光效率的微透镜MLs(图18(b))中，与微透镜ML的直径的增大相对应地，在光电转换器PD的光接收表面处，来自出瞳的左部分的光束Ta和来自出瞳的右部分的光束Tb分别扩展宽度W2a和W2b，宽度W2a和W2b大于图18(a)中的宽度。
因此，为了限制光束Ta和Tb在图18(b)中所示的光接收表面处的扩展，可以提供其曲率大于普通像素110的微透镜ML的曲率的微透镜MLr(参见图18(c))。在微透镜MLr中，与其曲率大于微透镜ML的曲率相应地，在光电转换器PD的光接收表面处，来自出瞳的左部分的光束Ta和来自出瞳的右部分的光束Tb仅仅扩展宽度W3a和W3b。结果，例如，如图18(c)所示，来自出瞳的左部分的光束Ta可以仅仅被右光电转换器PD接收，并且，来自出瞳的右部分的光束Tb可以仅仅被左光电转换器PD接收。因此，提高通过适当的光瞳分割执行的相差AF操作的精度。
包括具有上述结构且被设有相差检测功能的图像拾取元件101A的图像拾取装置1A提供与第一实施例的优点相似的优点。另外，在图像拾取元件101A中，由于第一金属44r的开口Opr和AF像素对11fr的微透镜MLr的直径大于第一金属41的开口OP和普通像素110的微透镜ML，所以提高AF像素对11f中的像素的灵敏度。
<变型例>
在根据第一实施例的图像拾取元件中，不需要使用直接在黑色滤波器Fb的下方的位置OQ如在图8中的那样被阻挡的第一金属44。如图19所示，可以使用直接在黑色滤波器Fb的下方形成开口OP的第一金属44a。在这种情况下，为了减少被直接置于黑色滤波器Fb的下方的光电转换器PD接收(透射通过黑色滤波器Fb)的光量，希望黑色滤波器Fb具有低透射率(例如，3％或更小)。如果这样直接在黑色滤波器Fb的下方形成开口OP，甚至在AF线Lf中，也可以在第一金属中以与普通像素10的布置中的节距相同的节距形成开口OP，从而可以使用普通像素110中的第一金属的布局。此外，在根据第二实施例中的图像拾取元件中，也可以使用如图19中所示的具有直接在黑色滤波器Fb的下方形成的开口OP的第一金属44a。
与此不同的是，在上述的每一个实施例中，可以省略图8和17中所示的结构中的黑色滤波器Fb。在这种情况下，由于上述的未覆盖的第一金属而可以出现鬼闪光。然而，例如，此问题可以通过使第一金属的顶表面变成黑色或者使用由黑色导电材料形成的导电层作为第一金属来得以减缓。
在根据第一实施例的图像拾取元件中，不需要使用具有仅仅包括图6中所示的AF像素对11f的AF线Lf的AF区域Ef。如图20所示，可以使用具有AF线Lfa的AF区域Efa，在AF线Lfa中，普通像素110被夹于AF像素对11fa之间。在这种情况下，使用***在Af线LFa中的普通像素110的图像信息，可以对在任何AF像素对11f处丢失的被摄体的图像信息执行内插。因此，提高图像质量。在根据第二实施例的图像拾取元件中，普通像素110还可以被***在AF线Lfa中的AF像素对11fa之间，如图20所示。
在上述的每一个实施例中，不需要使用这样的AF线：其中，针对在普通像素110的水平线中形成的第一金属41的每隔一个开口OP，提供开口OP。可以使用这样的AF线：其中，针对每两个或者至少每三个开口OP，提供开口OP。
在上述实施例的AF线中，不需要使光电转换器PD的上方的构件(微透镜和滤色器)相对于普通像素110的水平线中的那些构件偏移半个节距。可以使光电转换器PD的上方的构件保持原样并使光电转换器PD相对于普通像素110的水平线偏移半个节距。通过使光电转换器PD的上方的构件相对于光电转换器PD偏移半个节距，可以提供与上述的每一个实施例相应的优点。
在上述的每一个实施例中，不需要在单反镜头数字照相机中提供包括AF线Lf的图像拾取元件101。它可以被提供在小型数字照相机中。
对于上述的每一个实施例中的AF像素对，不需要在第一金属44的开口OP的上方提供透明的滤色器。从重视聚焦精度的角度来说，可以使用具有良好的发光率的绿色滤色器。可替换地，还可以使用红色滤色器或者蓝色滤色器。
在上述的每一个实施例中，可以在黑色滤波器Fb的上方设置微透镜。如果这样设置微透镜，可以按照与普通像素110的布置中的节距相同的节距设置微透镜，从而可以使用普通像素110中的微透镜的布局设计。
在上述的每一个实施例中，不需要提供适用于对来自AF像素对11f的每一个像素的输出的适当平衡的半个节距(50％节距)的偏移。例如，可以提供任何节距的偏移(例如，约40％节距)。在这种情况下，第一AF像素和第二AF像素的输出之间的平衡丧失了，因为出瞳未按半分割。然而，例如，可以通过将增益β与具有较小光接收量的像素输出相乘来平衡输出。例如，增益β是基于在相应的像素处接收光的出瞳的每一个部分的面积比。
本发明中的术语“半个预定的节距”显然是指相对于预定节距的50％的节距，并且是指相对于50％节距的在(50±γ)％内的节距，其考虑了例如制造误差的变化量γ。
附图标记列表
1，1A图像拾取装置
2可更换镜头
10照相机主体
11a，11c第一AF像素
11b，11d第二AF像素
11f，11fr AF像素对
41，44，44a，44r第一金属
42，45第二金属
43，46第三金属
62主控制部
77相差AF计算电路
101，101A图像拾取元件
101f图像拾取表面
110普通像素
Ef，Efa，Efr AF区域
Fb黑色滤色器(黑色滤波器)
Lf，Lfa，Lfr AF线
ML，MLr微透镜
Qa出瞳的左部分
Qb出瞳的右部分
PD光电转换器

Claims (9)

1.一种图像拾取元件，包括：
一对第一像素，所述一对第一像素通过接收透射通过拍摄光学***的出瞳中的沿着预定方向在相反方向上倾斜的一对部分的被摄体光束来执行光瞳分割功能；以及
包括不被提供光瞳分割功能的第二像素的第二像素组，
其中，第二像素组包括
沿着所述预定方向以预定节距设置的多个光电转换器，以及
提供在各个光电转换器的上方的多个微透镜，遮光掩模层被置于所述多个微透镜和所述多个光电转换器之间，
其中，所述一对第一像素包括
分别具有与所述多个光电转换器中的每个相同的尺寸的一对光电转换器，所述一对光电转换器沿着所述预定方向以所述预定节距彼此相邻地设置，
其中，在所述一对光电转换器的上方提供遮光部和一个微透镜，遮光部具有遮住透射通过出瞳的光束的两个遮光区域，所述一个微透镜被夹于这两个遮光区域之间，
其中，遮光掩模层的第一开口被提供在所述多个微透镜的下方，
其中，遮光部的第二开口被提供在所述一个微透镜的下方，第二开口大于第一开口，
其中，多对第一像素沿着所述预定方向彼此相邻地设置的第一像素对布置被提供，并且
其中，在第一像素对布置中的所述一个微透镜和每一对光电转换器之间的布置关系对应于当所述多个微透镜中的预定的微透镜相对于第二像素组中的所述多个光电转换器沿着预定方向相对地偏移预定量时的布置配置中的布置关系。
2.根据权利要求1所述的图像拾取元件，其中，第一像素对布置包括在该布置配置中彼此相邻的所述预定的微透镜之间的多个遮光部。
3.根据权利要求2所述的图像拾取元件，其中，所述预定量是预定节距的一半。
4.根据权利要求2所述的图像拾取元件，其中，在第一像素对布置中彼此相邻的微透镜之间提供的所述多个遮光部之间的间隔等于在第二像素组中沿着预定方向设置的第二像素的布置中的每隔一个像素之间的距离。
5.根据权利要求1所述的图像拾取元件，其中，在遮光部中，光束被黑色滤色器遮住。
6.根据权利要求1所述的图像拾取元件，其中，在遮光部中，光束被预定的金属层遮住。
7.根据权利要求1所述的图像拾取元件，其中，所述一个微透镜的直径大于所述多个微透镜的直径。
8.根据权利要求1所述的图像拾取元件，其中，所述一个微透镜的曲率大于所述多个微透镜的曲率。
9.一种图像拾取装置，包括：
拍摄光学***；以及
图像拾取元件，所述图像拾取元件接收透射通过拍摄光学***的出瞳的被摄体光束，
其中，图像拾取元件包括
一对第一像素，所述一对第一像素通过接收透射通过出瞳中的沿着预定方向在相反方向上倾斜的一对部分的被摄体光束来执行光瞳分割功能；以及
包括不被提供光瞳分割功能的第二像素的第二像素组，
其中，第二像素组包括
沿着预定方向以预定节距设置的多个光电转换器，以及
提供在各个光电转换器的上方的多个微透镜，遮光掩模层被置于所述多个微透镜和所述多个光电转换器之间，
其中，所述一对第一像素包括
分别具有与所述多个光电转换器中的每个相同的尺寸的一对光电转换器，所述一对光电转换器沿着所述预定方向以预定节距彼此相邻地设置，
其中，在所述一对光电转换器的上方提供遮光部和一个微透镜，所述遮光部具有遮住透射通过出瞳的光束的两个遮光区域，所述一个微透镜被夹于这两个遮光区域之间，
其中，遮光掩模层的第一开口被提供在所述多个微透镜的下方，
其中，遮光部的第二开口被提供在所述一个微透镜的下方，第二开口大于第一开口，
其中，多对第一像素沿着所述预定方向彼此相邻地设置的第一像素对布置被提供，并且
其中，在第一像素对布置中的所述一个微透镜和每一对光电转换器之间的布置关系对应于当所述多个微透镜中的预定的微透镜相对于第二像素组中的所述多个光电转换器沿着预定方向相对地偏移预定量时的布置配置中的布置关系。
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