CN104064577A - 自动对焦的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动对焦的图像传感器。图像传感器的每个像素单元从下到上包括衬底、金属层、颜色滤镜层和微透镜层，每个像素单元对应的衬底和颜色滤镜层之间至少设置有四条光通道，以及在不同光通道底部对应设置有一感光单元，每个像素单元包括的感光单元至少共享微透镜层中同一微透镜，选择性地输出位于像素对角线上的任意一组感光单元的像素值进行相位检测，以进行自动对焦；金属层用于将感光单元的输出传输到***电路进行处理；颜色滤镜层用于进行颜色的还原以生成彩色图像；微透镜层用于对进入每条光通道的入射光进行汇聚处理。本发明中可以进行自动对焦，无需复杂的对焦单元进行辅助、对焦过程经常往返焦点可控、速度相对较快。

Description

自动对焦的图像传感器
技术领域
本发明属于图像传感器技术领域，具体地说，涉及一种自动对焦的图像传感器。
背景技术
图像传感器在民用和商业范畴内得到了广泛的应用。目前，图像传感器包括CMOS图像传感器(CMOS IMAGE SENSOR，以下简称CIS)和电荷耦合图像传感器(Charge-coupled Device，以下简称CCD)。
在专业的科研和工业领域，具有高信噪比的CCD成为首选；在高端摄影摄像领域，能提供高图像质量的CCD也颇受青睐。CCD在网络摄像头和手机拍照模块得到了广泛应用。
CCD与CIS相比来说，前者功耗较高、集成难度较大，而后者功耗低、易集成且分辨率较高。虽然说，在图像质量方面CCD可能会优于CIS，但是，随着CIS技术的不断提高，一部分CIS的图像质量已经接近于同规格的CCD。
现有技术中，CIS中的像素阵列采用有源像素侦测结构(Active PixelSensor，简称APS)。一个APS侦测结构APS包括一个感光二极管(Photo Diode，简称PD)。
在使用上述CIS的数码相机中，自动对焦技术主要有主动式和被动式两种。主动式对焦的原理是利用信号发射源如红外线或声纳，但无法与CIS结合用到通用的数字图像***之中。被动式对焦又分为相位检测对焦和对比度检测对焦两大类；其中，相位检测速度快、精度高，但需要较复杂的对焦单元进行辅助；对比度检测只需数字模块协助计算即可，然而对焦过程经常往返焦点附近、速度相对较缓慢。
因此，亟待提供一种自动对焦的图像传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种自动对焦的图像传感器，克服现有技术中需要较复杂的对焦单元进行辅助、对焦过程经常往返焦点附近、速度相对较缓慢等缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自动对焦的图像传感器，其包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上包括衬底、金属层、颜色滤镜层和微透镜层，每个像素单元对应的衬底和颜色滤镜层之间至少设置有四条光通道，以及在不同光通道底部对应设置有一感光单元，每个像素单元包括的感光单元至少共享微透镜层中同一微透镜，选择性地输出位于像素对角线上的任意一组感光单元的像素值进行相位检测，以进行自动对焦；金属层用于将感光单元的输出传输到***电路进行处理；颜色滤镜层用于进行颜色的还原以生成彩色图像；微透镜层用于对进入每条光通道的入射光进行汇聚处理。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自动对焦的图像传感器，其包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上包括金属层、衬底、颜色滤镜层和微透镜层，每个像素单元对应的衬底中至少设置有四条光通道，以及在不同光通道底部对应设置有一感光单元，每个像素单元包括的感光单元至少共享微透镜层中同一微透镜，选择性地输出位于像素对角线上的任意一组感光单元的像素值进行相位检测，以进行自动对焦；金属层用于将感光单元的输出传输到***电路进行处理；颜色滤镜层用于进行颜色的还原以生成彩色图像；微透镜层用于对进入每条光通道的入射光进行汇聚处理。
优选地，在本发明的一实施例中，每个像素单元包括的感光单元共享颜色滤镜层中同一颜色滤镜。
优选地，在本发明的一实施例中，每个像素单元对应的颜色滤镜层包括不同颜色滤镜，每一个颜色滤镜对应一感光单元设置。
优选地，在本发明的一实施例中，每个像素单元对应的颜色滤镜层包括红色滤镜、绿色滤镜、蓝色滤镜中任意一个与白色滤镜的组合。
与现有的方案相比，本发明中，每个像素单元对应的衬底和颜色滤镜层之间至少设置有四条光通道，以及在不同光通道底部对应设置有一感光单元，每个像素单元包括的感光单元至少共享微透镜层中同一微透镜，选择性地输出位于像素对角线上的任意一组感光单元的像素值进行相位检测，以进行自动对焦，无需复杂的对焦单元进行辅助、对焦过程经常往返焦点可控、速度相对较快。
附图说明
图1-图4分别为本发明实施例图像传感器自动对焦的原理示意图一至四；
图5为本发明实施例一图像传感器的平面示意图；
图6为本发明实施例一图像传感器的剖视图；
图7为本发明实施例二图像传感器的平面示意图；
图8为本发明实施例二图像传感器的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图和优选实施例对本发明的技术方案进行详细地阐述。应该理解，以下列举的实施例仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。
本发明的核心思想之一
针对正面照射式FSI图像传感器，本发明的核心思想在于，其包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上包括衬底、金属层、颜色滤镜层和微透镜层，每个像素单元对应的衬底和颜色滤镜层之间至少设置有四条光通道，以及在不同光通道底部对应设置有一感光单元，每个像素单元包括的感光单元至少共享微透镜层中同一微透镜，选择性地输出位于像素对角线上的任意一组感光单元的像素值进行相位检测，以进行自动对焦；金属层用于将感光单元的输出传输到***电路进行处理；颜色滤镜层用于进行颜色的还原以生成彩色图像；微透镜层用于对进入每条光通道的入射光进行汇聚处理。
本发明的核心思想之二
针对背照射式BSI图像传感器，本发明的核心思想之二在于，其包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上包括金属层、衬底、颜色滤镜层和微透镜层，每个像素单元对应的衬底中至少设置有四条光通道，以及在不同光通道底部对应设置有一感光单元，每个像素单元包括的感光单元至少共享微透镜层中同一微透镜，选择性地输出位于像素对角线上的任意一组感光单元的像素值进行相位检测，以进行自动对焦；金属层用于将感光单元的输出传输到***电路进行处理；颜色滤镜层用于进行颜色的还原以生成彩色图像；微透镜层用于对进入每条光通道的入射光进行汇聚处理。
需要说明的是，本发明下述实施例中，以基于红绿蓝RGB三原色的BAYER模式正面照射式FIS图像传感器为例，对本发明的上述核心思想进行说明。需要说明的是，本发明的上述核心思想也可以应用到基于青色Cyan、品红色Magenta、黄色Yellow(CMYK)的图像传感器，或者其他模式的图像传感器，详细在下述实施例中将不再另行赘述。
对于基于红绿蓝RGB三原色的BAYER模式背照射式BIS图像传感器来说，只要根据本发明下述实施例的描述，无须创造性劳动，使金属层位于金属层之下即可实现，因此，本发明下述实施例将不再具体赘述。
图1-图4分别为本发明实施例图像传感器自动对焦的原理示意图一至四；如图1-图4所示，图1表示经过主镜头汇聚的图像通过两个圆孔的分离后投射到相位检测平面上，获得eyeL和eyeR两幅子图像。eyeL与eyeR关于圆孔中心连线的中垂线am对称。图2表示相位检测的合焦状态，即子图像eyeL与eyeR各自位于其对应圆孔中心线上al和ar时。图3表示相位检测的离焦状态之一，即子图像eyeL与eyeR位于al与ar之间。图1表示相位检测的离焦状态之二，即子图像eyeL与eyeR位于al与ar之外。
实施例一
图5为本发明实施例一图像传感器的平面示意图；如图5所示，每个像素单元实际包括四个子像素，这四个子像素设置有独立的光通道，即每个像素单元实际包括四条光通道，这四个子像素共用颜色滤镜层中的同一颜色滤镜以及微透镜层中的同一微透镜。每个光通道度对应设置有一感光单元501，每个感光单元106是边长为3a/5和3a/5的正方形，其位置关于每个像素单元所在正方形的几何中心对称。相位检测分于两个对角线的轴线方向上进行。当位于左上角的感光单元106输出的像素值构成eyeL时，位于右下角的感光单元501输出的像素值构成eyeR；当左下角的感光单元106输出的像素值构成eyeL时，位于右上角的感光单元106输出的像素值构成eyeR。
图6为本发明实施例一图像传感器的剖视图；如图6所示，本实施例是对某一特定的像素进行剖视，以同时显示其包括的四个子像素。某一特定像素从下到上包括衬底101、金属层102、颜色滤镜层103和微透镜层104，每个像素单元对应的衬底101和颜色滤镜层103之间设置有四条光通道105，以及在不同光通道105底部对应设置有一感光单元106如感光二极管PD，每个像素单元包括的感光单元106至少共享微透镜层104中同一微透镜，选择性地输出位于像素对角线上的任意一组感光单元106的像素值进行相位检测，以进行自动对焦；金属层102用于将感光单元106的输出传输到***电路进行处理，具体的金属层102可以包括多层金属布线(图中未示出)，该金属布线可以设置在一氧化硅层100中。颜色滤镜层103用于进行颜色的还原以生成彩色图像，一个像素对应颜色滤镜层103中的一具体颜色滤镜，四个子像素共用该具体颜色滤镜。微透镜层104用于对进入每条光通道105的入射光进行汇聚处理，一个像素对应微透镜层104中的一具体微透镜，四个子像素共用该具体微透镜。
本实施例中，每个像素单元对应设置的四个感光单元106的规格大小以及光敏感度均相同。
实施例二
图7为本发明实施例二图像传感器的平面示意图；如图7所示，每个像素单元实际包括四个子像素，这四个子像素设置有独立的光通道，即每个像素单元实际包括四条光通道，这四个子像素各自在颜色滤镜层中有单独对应地一颜色滤镜，但这四个子像素共享微透镜层中的同一微透镜。每个光通道度对应设置有一感光单元501，处于左上角的感光单元106是边长为a的正方形，处于右下角的感光单元106是边长为7a/10的正方形，位于右上角和左下角的感光单元106均是a*a/2的矩形，区别在设置的方向不同。相位检测分于两个对角线的轴线方向上进行。当位于左上角的感光单元106输出的像素值构成eyeL时，位于右下角的感光单元501输出的像素值构成eyeR；当左下角的感光单元106输出的像素值构成eyeL时，位于右上角的感光单元106输出的像素值构成eyeR。这四个感光单元501的感光敏感度大小相同。
本实施例中，除了RGB滤镜外，在每一个像素中增加了白色滤镜，就某红色像素单元来说，即规格较大感光单元对应的滤镜为红色滤镜，其他三个感光单元对应的滤镜均为白色滤镜。白色滤镜的加入能够提高较小像素的入射光效率，保证对焦的效率和成像的质量。比如举个例子，左上角和右下角的感光单元106进行相位检测时，左上角的感光单元面积大但其对应的滤镜为有色滤镜比如红色，右下角的感光单元面积小但滤镜为白色滤镜，具体实现时应保持入射光通过颜色滤镜后两者的光强相同。右上角和左下角的感光单元类似，详细不再赘述。
8为本发明实施例二图像传感器的剖视图；如图8所示，图像传感器包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上包括衬底101、金属层102、颜色滤镜层103和微透镜层104，每个像素单元对应的衬底101和颜色滤镜层103之间设置有四条光通道105，以及在不同光通道105底部对应设置有一感光单元106如感光二极管PD，每个像素单元包括的感光单元106共享微透镜层104中同一微透镜，选择性地输出位于像素对角线上的任意一组感光单元106的像素值进行相位检测，以进行自动对焦；金属层102用于将感光单元106的输出传输到***电路进行处理，具体的金属层102可以包括多层金属布线(图中未示出)，该金属布线可以设置在一氧化硅层100中。颜色滤镜层103用于进行颜色的还原以生成彩色图像，一个像素对应颜色滤镜层103中的四个颜色滤镜，四个子像素具有独立的具体颜色滤镜，比如红色像素为例，包括一个红色滤镜及三个白色滤镜。微透镜层104用于对进入每条光通道105的入射光进行汇聚处理，一个像素对应微透镜层104中的一具体微透镜，四个子像素共用该具体微透镜。
需要说明的是，如果要将本发明的上述核心思想运用于灰度图像传感器，只要去除颜色滤镜层即可。
本发明的上述实施例中，每个像素单元对应的衬底和颜色滤镜层之间至少设置有四条光通道，以及在不同光通道底部对应设置有一感光单元，每个像素单元包括的感光单元至少共享微透镜层中同一微透镜，选择性地输出位于像素对角线上的任意一组感光单元的像素值进行相位检测，以进行自动对焦，无需复杂的对焦单元进行辅助、对焦过程经常往返焦点可控、速度相对较快。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种自动对焦的图像传感器，其特征在于，包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上包括衬底、金属层、颜色滤镜层和微透镜层，每个像素单元对应的衬底和颜色滤镜层之间至少设置有四条光通道，以及在不同光通道底部对应设置有一感光单元，每个像素单元包括的感光单元至少共享微透镜层中同一微透镜，选择性地输出位于像素对角线上的任意一组感光单元的像素值进行相位检测，以进行自动对焦；金属层用于将感光单元的输出传输到***电路进行处理；颜色滤镜层用于进行颜色的还原以生成彩色图像；微透镜层用于对进入每条光通道的入射光进行汇聚处理。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，每个像素单元包括的感光单元共享颜色滤镜层中同一颜色滤镜。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，每个像素单元对应的颜色滤镜层包括不同颜色滤镜，每一个颜色滤镜对应一感光单元设置。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，每个像素单元对应的颜色滤镜层包括红色滤镜、绿色滤镜、蓝色滤镜中任意一个与白色滤镜的组合。
5.一种自动对焦的图像传感器，其特征在于，包括若干个像素单元，每个像素单元从下到上包括金属层、衬底、颜色滤镜层和微透镜层，每个像素单元对应的衬底中至少设置有四条光通道，以及在不同光通道底部对应设置有一感光单元，每个像素单元包括的感光单元至少共享微透镜层中同一微透镜，选择性地输出位于像素对角线上的任意一组感光单元的像素值进行相位检测，以进行自动对焦；金属层用于将感光单元的输出传输到***电路进行处理；颜色滤镜层用于进行颜色的还原以生成彩色图像；微透镜层用于对进入每条光通道的入射光进行汇聚处理。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，每个像素单元包括的感光单元共享颜色滤镜层中同一颜色滤镜。
7.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，每个像素单元对应颜色滤镜层中的不同颜色滤镜，每一个颜色滤镜对应一个感光单元。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，每个像素单元对应的颜色滤镜层包括红色滤镜、绿色滤镜、蓝色滤镜中任意一个与白色滤镜的组合。
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