CN110352489A - 用于cmos成像传感器的自动对焦*** - Google Patents

Abstract

本发明包括一种成像装置，其包括像素传感器二维阵列。每个像素传感器包括主光电二极管、自动对焦光电二极管、和微透镜，该微透镜将光聚集到主光电二极管和自动对焦光电二极管上。像素传感器的成像阵列包括像素传感器的第一和第二自动对焦阵列，像素传感器的第一自动对焦阵列中的像素传感器具有自动对焦光电二极管，该自动对焦光电二极管被定位成使得每个自动对焦光电二极管优先从该像素传感器中的微透镜的一半接收光，并且，像素传感器的第二自动对焦阵列中的像素传感器具有每个自动对焦光电二极管，该自动对焦光电二极管被定位成使得每个自动对焦光电二极管优先从该像素传感器中的微透镜的另一半接收光。自动对焦光电二极管可以由与每个像素传感器或常规光电二极管中的浮动扩散节点相关联的寄生光电二极管构成。

Description

用于CMOS成像传感器的自动对焦***

技术领域

本发明涉及用于CMOS成像传感器的自动对焦***。

背景技术

自动对焦***广泛用于静止和运动照片相机。这种***降低了用户所需的专业知识。另外，在运动照片相机中，如果相机和感兴趣对象之间的距离快速变化，则随着场景演变而改变焦点的时间是禁止的。

在一种现有技术***中，控制镜头的计算机搜索最大化图像的高空间频率内容的焦点位置。由于离焦图像模糊，在焦点中时，与包含锐边和其它高空间频率产生元件的场景的图像相关联的空间频谱在频谱的高频部分中具有比在场景的图像更少的功率。因此，这些方案迭代地搜索焦点的焦距，该焦点生成具有空间频率能量与平均空间频率能量的最高比率的图像。当该算法应用于由运动照片相机捕获的快速变化的场景时，用于执行搜索的时间提出了问题。

避免该搜索时间的第二类现有技术自动对焦***利用对通过相机镜头的不同部分观看图像的像素之间的相位差的测量。这些方案利用专用成像阵列，该成像阵列与产生照片的成像阵列或阵列中的特殊像素传感器分开以感测该相位差。这些特殊的自动对焦像素取代了记录图像的常规像素；因此，由阵列记录的图像在对应于自动对焦像素的位置处包括“孔”。通过***周围像素的结果来填充这些孔。

发明内容

本发明包括一种成像装置，其包括像素传感器二维阵列。每个像素传感器包括主光电二极管、自动对焦光电二极管、和微透镜，该微透镜将光聚集到主光电二极管和自动对焦光电二极管上。像素传感器的成像阵列包括像素传感器的第一和第二自动对焦阵列，像素传感器的第一自动对焦阵列中的像素传感器具有自动对焦光电二极管，该自动对焦光电二极管被定位成使得每个自动对焦光电二极管优先从该像素传感器中的微透镜的一半接收光，并且，像素传感器的第二自动对焦阵列中的像素传感器具有每个自动对焦光电二极管，该自动对焦光电二极管被定位成使得每个自动对焦光电二极管优先从该像素传感器中的微透镜的另一半接收光。

在本发明的一个方面中，自动对焦光电二极管包括钉扎光电二极管，并且主光电二极管也是钉扎光电二极管，其特征在于具有主光电二极管区域，主光电二极管区域大于钉扎光电二极管区域。

在本发明的另一方面，自动对焦光电二极管包括与每个像素传感器中的浮动扩散节点相关联的寄生光电二极管。

在本发明的另一方面，像素传感器的像素传感器的第一自动对焦阵列中的像素传感器具有自动对焦光电二极管，该自动对焦光电二极管被定位成使得每个自动对焦光电二极管从该像素传感器中的微透镜的一半接收80％以上的光，并且，像素传感器的第二自动对焦阵列中的像素传感器具有自动对焦光电二极管，该自动对焦光电二极管被定位成使得每个自动对焦光电二极管优先从该像素传感器中的微透镜的另一半接收光。

在本发明的另一方面，像素传感器的像素传感器的第一自动对焦阵列中的像素传感器具有自动对焦光电二极管，该自动对焦光电二极管被定位成使得每个自动对焦光电二极管从该像素传感器中的微透镜的一半接收90％以上的光，并且，像素传感器的第二自动对焦阵列中的像素传感器具有自动对焦光电二极管，该自动对焦光电二极管被定位成使得每个自动对焦光电二极管优先从该像素传感器中的微透镜的另一半接收光。

在本发明的另一方面，该装置包括：相机镜头，其将要拍摄的场景成像到像素传感器二维阵列上；以及致动器，其响应于来自控制器的自动对焦信号，相对于二维成像阵列而移动相机镜头。控制器被配置为：在自动对焦时间段内使像素传感器暴露于来自要拍摄的场景的光；从第一和第二阵列中的每个像素传感器获得信号，该信号指示在自动对焦时间段内接收的光量；以及，产生自动对焦信号，使得场景的预定部分将对焦在像素传感器二维阵列的预定区域上。

在本发明的另一个方面，产生自动对焦信号包括计算来自第一阵列中的自动对焦光电二极管的信号与来自第二阵列中的自动对焦光电二极管的信号之间的互相关函数。

在本发明的另一个方面，像素传感器二维阵列中的像素传感器的主光电二极管被组织为在两个维度中的每一个中具有相等间隔的均匀阵列，并且其中自动对焦光电二极管形成非均匀阵列。在本发明的另一方面，自动对焦像素传感器的第一阵列是自动对焦像素传感器的第二阵列的镜像。

在本发明的另一方面，控制器使用包括像素传感器第一和第二阵列的成像阵列中的主光电二极管来产生场景的第一图像。

在本发明的另一方面，像素传感器的第一自动对焦阵列包括像素传感器的第一线性阵列，像素传感器的第二自动对焦阵列包括像素传感器的第二线性阵列，该第二线性阵列被配置为像素传感器的第一线性阵列的镜像。

在本发明的另一方面，像素传感器包括多个不同颜色的滤色器，多个滤色器中的一个设置在多个像素传感器中的每一个中的微透镜下方，第一自动对焦阵列的特征在于具有包含在第一自动对焦阵列中的每种颜色的第一数量的滤色器，并且第二自动对焦阵列的特征在于具有包含在第二自动对焦阵列中的每种颜色的第二数量的滤色器，第一和第二数量基本相等。

在本发明的另一方面，控制器输出了从每个像素传感器中的自动对焦光电二极管确定的光强度测量值以及第一图像。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施例的二维成像阵列。

图2是成像阵列中的一列像素传感器中的典型现有技术像素传感器的示意图。

图3示出了像素传感器，其中寄生光电二极管用于图像测量。

图4A-图4C示出了可以检测从相机镜头到成像阵列的距离的方式。

图5是成像阵列的实施例的一部分的俯视图，该成像阵列利用图3中所示的像素，如2015年7月7日提交的美国专利申请14/591,873中所教导的那样。

图6是通过图5中所示的线6-6的像素传感器66和67的横截面视图。

图7是根据本发明的一个实施例的成像阵列的一部分的俯视图。

图8是通过图7中所示的线8-8的横截面视图。

图9示出了具有多个自动对焦区域的成像阵列。

图10是具有两个光电二极管的像素传感器的示意图，所述两个光电二极管可用于两个光电二极管自动对焦实施例中。

图11是根据本发明一个实施例的成像阵列的一部分的俯视图，其利用图10中所示的像素传感器设计。

图12是通过图11中所示的线12-12的横截面视图。

图13-图15示出了根据本发明的其它实施例的成像阵列的附加布局。

具体实施方式

本发明基于两个观察结果。第一，成像阵列中的每个像素传感器包括浮动扩散节点，该浮动扩散节点可用于自动对焦测量而不会丢失来自成像阵列的任何像素。第二，通过改变浮动扩散节点的位置，可以在不阻挡来自自动对焦像素的光的情况下进行自动对焦测量，以提供相位自动对焦测量所需的不对称性。

为了简化以下讨论，像素传感器被定义为将入射在其上的光转换为电信号的电路，该电信号的幅度由在一段时间(被称为曝光)内入射在该电路上的光量而确定。像素传感器具有栅极，该栅极响应于行选择线上的信号而将该电信号耦合到读出线。

矩形成像阵列被定义为组织为多个行和列像素传感器的多个像素传感器。矩形阵列包括多个读出线和多个行选择线，每个像素传感器连接到一个行选择线和一个读出线，响应于该像素传感器相关联的行选择线上的信号，由该像素产生的电信号连接到与该像素相关联的读出线。

参考图1，可以更容易地理解本发明提供其优点的方式，图1示出了根据本发明一个实施例的二维成像阵列。矩形成像阵列80包括像素传感器81。每个像素传感器具有主光电二极管86和寄生光电二极管91。下面将更详细地讨论像素传感器操作的方式。每个像素中的复位电路和放大电路在87处示出。像素传感器布置为多个行和列。示例性行在94和95处示出。列中的每个像素传感器连接到读出线83，该读出线83由该列中的所有像素传感器共享。每个读出线上可选地包括校准源极96。一行中的每个像素传感器连接到行选择线82，行选择线82确定该行中的像素传感器是否连接到相应的读出线。

矩形成像阵列80的操作由控制器92来控制，控制器92接收要读出的像素地址。控制器92产生行选择地址，行选择地址由行解码器85使用从而使得能够读出矩形成像阵列80中的相应行上的像素传感器。在执行读出算法的列放大器84的阵列中包括列放大器，这将在下面更详细地讨论。给定行中的所有像素传感器并行读出；因此，每个读出线83有一个列放大和模数转换器(ADC)电路。下面将更详细地讨论列处理电路。

当矩形成像阵列80被重置然后在成像曝光期间曝光时，每个光电二极管累积取决于该光电二极管的光曝光和光转换效率的电荷。当读出与该光电二极管相关联的像素传感器的行时，该电荷通过该像素传感器中的复位和放大电路87转换为电压。该电压耦合到相应的读出线83，并由与所述读出线相关联的放大和ADC电路处理，以产生表示在成像曝光期间入射在像素传感器上的光量的数字值。

图2是成像阵列中的一列像素传感器中的典型现有技术像素传感器的示意图。像素传感器21包括光电二极管22，其测量图像中的对应像素处的光强度。首先，通过将栅极25置于导通状态并将浮动扩散节点23连接到复位电压Vr来复位光电二极管22。然后关闭栅极25并允许光电二极管22累积光电子。出于本讨论的目的，浮动扩散节点被定义为不与电源轨相连或由另一电路驱动的电节点。栅极27上的电位设定了可以在光电二极管22上累积的最大电荷量。如果累积的电荷多于栅极27上的电位所允许的电荷，则多余的电荷通过栅极27分流到地。

在光电二极管22已经曝光之后，通常通过记录当来自光电二极管22的累积电荷被转移到浮动扩散节点23时浮动扩散节点23上的电压变化来测量光电二极管22中累积的电荷。浮动扩散节点23的特征在于具有由电容器23’表示的电容。实际上，在浮动扩散节点23连接到光电二极管22之前，电容器23’被充电到电压Vr并通过对栅极24的复位线进行脉冲而被隔离。当栅极25打开时，累积在光电二极管22上的电荷被转移到浮动扩散节点23。浮动扩散节点23上的电压足以去除所有这些电荷，使浮动扩散节点23上的电压减少一定量，该量取决于传输的电荷量和电容器23’的电容。因此，通过测量浮动扩散节点23上的电压变化，可以确定在曝光期间累积的电荷量。当所讨论的像素传感器响应于总线28上的信号连接到读出线31时，浮动扩散节点23上的电压由列放大器32来测量。

本发明基于以下观察：可以修改上述类型的像素以包括第二寄生光电二极管，该第二寄生光电二极管是浮动扩散节点的一部分并且具有显著的光电二极管检测效率。通常，通过屏蔽浮动扩散节点来自光的影响，使寄生光电二极管的光转换效率最小化。然而，如在2015年1月7日提交的共同未决美国专利申请14/591,873中指出的那样，通过调整浮动扩散节点附近的组件的间隔，可以增加寄生光电二极管的光转换效率。

为了将寄生光电二极管与光电二极管22区分开，光电二极管22和用于模拟功能的光电二极管将被称为“常规光电二极管”。现在参考图3，其示出了像素传感器，其中寄生光电二极管用于图像测量。为了简化以下讨论，像素传感器41的那些用于与上面参照图1所讨论的功能类似的功能的元件已经被赋予相同的附图标记，并且将不再进一步讨论，除非这样的讨论是必要的以说明其中这些元件被利用的新方式。通常，寄生光电二极管42的检测效率显著小于光电二极管22的检测效率。在2015年1月7日提交的共同未决的美国专利申请14/591,873中更详细地讨论了调节两个光电二极管的光电二极管检测效率的比率的方式。在一个示例性实施例中，主光电二极管与寄生光电二极管的转换效率的比率为30:1。其中该比例为20:1或15:1的其它实施方案是有用的。

在曝光期间累积在寄生光电二极管上的光电荷可以与在曝光期间累积在主光电二极管上的光电荷分开确定。在完成最后一次图像读出操作之后，从重置像素传感器开始，可以更容易地理解该过程。最初，主光电二极管22复位到Vr并且栅极25闭合。这也使浮动扩散节点43复位到Vr。如果要进行相关双采样测量，则通过将浮动扩散节点43连接到列放大器170来在曝光开始时测量该电压。否则，使用先前对复位电压的电压测量值。在图像曝光期间，寄生光电二极管42产生存储在浮动扩散节点43上的光电子。这些光电子降低浮动扩散节点43上的电位。在曝光结束时，通过将源极跟随器26的输出连接到列放大器170来测量浮动扩散节点43上的电压，并且确定由寄生光电二极管42产生的电荷量以提供第一像素强度值。接下来，浮动扩散节点43再次复位到Vr，并且通过将源极跟随器26的输出连接到列放大器170来测量浮动扩散节点43上的电位。然后将栅极25置于导通状态并且将通过主光电二极管累积的光电子传输到浮动扩散节点43。然后，再次测量浮动扩散节点43上的电压并由列放大器170使用电压以计算第二像素强度值。

参考图4A-图4C可以更容易地理解相位检测自动对焦***的基本原理，图4A-图4C示出了可以检测从相机镜头到成像阵列的距离的方式。参考图4A，考虑场景中的点221，其将由相机的成像阵列通过镜头201捕获。出于该示例的目的，将假设镜头201被掩模204所遮蔽。除了穿过205和206所示的两个边缘窗口的光之外，所有的光都被掩模204所阻挡。来自窗口205和206的光被成像到202和203所示的像素传感器的两个线性阵列上。出于本讨论的目的，假设阵列202中的像素传感器只能“看到”来自窗口205的光，并且阵列203中的像素传感器只能“看到”来自窗口206的光。在图4A中，在阵列202中的像素传感器207处检测来自窗口205的光，并且在像素传感器208处检测来自窗口206的光。

从透镜201到阵列202和203的平面的距离由D表示。光在两个阵列上成像的像素传感器取决于距离D。在图4A所示的示例中，透镜201将包含点221的场景中的平面成像到阵列平面下方的点。因此，场景中的平面的图像失焦。如果透镜朝向阵列202和203移动，则现在检测光的像素传感器位于朝向阵列202和203的中间。在透镜201将光对焦到阵列202和203的平面上的情况下，接收光的像素传感器的位置位于最靠近透镜201的光轴215的阵列的中间。图4B示出了透镜处于适当的距离，并且接收光的像素传感器在209和210处示出。现在参考图4C。在这种情况下，透镜201过于靠近阵列202和203的平面，并且接收光的像素传感器再次沿阵列的长度分离，如211和212所示。

相反，如果可以确定从透镜中的两个窗口接收光的像素传感器的身份，则可以确定将点221适当地对焦到成像阵列上所需的距离。如果接收光的像素传感器是已知的，则可以从查找表确定为了到达正确焦点镜头所必须移动的距离，因此，不需要迭代镜头距离。因此，这种类型的自动对焦方案可以在比优化图像的高频空间组成的方案可用的时间短得多的时间内执行自动对焦调整。

使该自动对焦方案适应于成像阵列，其中像素传感器阵列在用于形成被拍摄场景的图像的成像阵列内，这提出了两个问题。首先，成像镜头未被遮盖。通过使用仅测量由相机镜头的一半所透射的光的像素传感器可以克服该问题。如果自动对焦像素传感器与实际检测图像的像素传感器分离，则可以通过掩蔽位于像素传感器上方的微透镜来获得满足该约束的像素传感器。然而，这种方案有效地从成像阵列中移除像素传感器。下面将更详细地讨论在不牺牲成像阵列内的像素传感器的情况下在本发明中实现这一点的方式。

第二，投射到自动对焦线性阵列上的光不是单个光点，而是来自场景的线。因此，仅检测在每个阵列中接收最多光的像素传感器的身份并不提供用于确定适当D的所需信息。可以通过计算能够映射到镜头与成像阵列之间的距离的图像相关值来克服该问题。

参考图5可以更容易地理解本发明克服第一问题的方式，图5是利用图中所示像素的成像阵列60的实施例的一部分的俯视图，如在上述美国专利申请中所教导的那样。为了简化绘图，图中省略了各种栅极和控制线。像素传感器布置成矩形阵列。典型像素传感器的元件标记为61。具体地，像素传感器61具有主光电二极管62和寄生光电二极管63。这两个光电二极管都接收来自微透镜64的光，微透镜64覆盖在其中构造光电二极管的硅表面上。像素传感器通常布置成四个像素传感器的组，例如组65。在用于彩色相机的阵列中，每个像素传感器被滤色器覆盖。通常，一个像素传感器被红色滤色器覆盖，如“R”所示；一个像素传感器被蓝色滤色器覆盖，如“B”所示，两个像素传感器被绿色滤色器覆盖，如“G”所示。颜色处理与本讨论无关，因此这里不再讨论。

本发明基于以下观察：与浮动扩散节点相关联的寄生光电二极管可用于形成自动对焦***所需的线性成像阵列而不改变主光电二极管，因此，可以避免与现有技术相关的像素损失。

现在参考图6，图6是通过图5中所示的线6-6的像素传感器66和67的横截面图。再次，省略了用于将栅极和光电二极管连接到位线的各种栅极和布线结构以简化绘图。主光电二极管分别在75和73处示出。具有其寄生光电二极管的相应浮动扩散节点在74和76处示出。构造光电二极管的基板上的布线层包括多个图案化金属层68和69，其形成用于限制可以到达光电二极管的来自微透镜64和72的光的孔。滤色器70和71沉积在布线层上方和微透镜下方。应当注意，在这种配置中，两个寄生光电二极管优先从相同的微透镜的一半，即半部64A和72A接收光。因此，这种布置中的寄生光电二极管不适用于自动对焦像素传感器。

现在参考图7，图7是根据本发明的一个实施例的成像阵列的一部分的俯视图。成像阵列130与图5中所示的成像阵列60的不同之处在于，每第三行像素传感器是成像阵列60中相应行的镜像。这产生两个浮动扩散节点阵列，如131和132所示。结果，这些行之一中的浮动扩散节点，例如行133，优选地从浮动扩散节点所在的像素传感器中的微透镜的一侧接收光，并且在这些行中的另一行中的浮动扩散节点，例如134，优先从微透镜的另一侧接收光。

现在参考图8，图8是通过图7中所示的线8-8的横截面图。作为行133的一部分的像素传感器166中的浮动扩散节点141接收来自所示的微透镜140的一半的光，并且从微透镜140的另一半接收基本上较少的光。相反，像素传感器167中的浮动扩散节点142优先从142A所示的微透镜143的一半接收光。因此，这两行像素传感器中的浮动扩散节点可用作自动对焦传感阵列。

为了简化以下讨论，其浮动扩散节点用于自动对焦目的的像素传感器将被称为自动对焦像素传感器。位于与行133类似的行中的那些自动对焦像素传感器将被称为顶部自动对焦像素传感器。位于与行134类似位置的行中的那些自动对焦像素传感器将被称为底部自动对焦像素传感器。标签“顶部”和“底部”仅仅是标签，并不旨在表示相对于地球的位置。通常，在要保持对焦的视场的特定区域中生成图像的成像阵列的区域将具有可用于进行自动对焦测量的自动对焦像素传感器二维阵列。在下面的讨论中，该区域将被称为自动对焦区域。任何特定的自动对焦像素传感器可以通过索引(I，J)上的一对来识别，表示该自动对焦像素传感器在二维成像阵列中的位置。来自底部自动对焦像素传感器中的浮动扩散节点的信号将由B(I，J)表示，并且那些来自顶部自动对焦像素传感器中的浮动扩散节点的信号将由T(I，J)表示。由于每个顶部自动对焦像素传感器具有对应的底部自动对焦像素传感器，因此选择索引使得B(I，J)是对应于T(I，J)的自动对焦像素传感器。自动对焦区域信号将对应于一组可能的A(I，J)和B(I，J)信号。

应当注意，使用作为生成场景图像的成像阵列的一部分的浮动扩散节点要求浮动扩散节点在滤色器下操作。可以通过使用多对自动对焦像素传感器来消除由滤色器引入的任何失真。再次参考图7，阵列131中的顶部自动对焦像素传感器被红色或绿色滤光器覆盖，但不被蓝色滤光器覆盖。类似地，底部自动对焦像素传感器由蓝色和绿色滤光器覆盖，但不被红色滤光器覆盖。然而，利用阵列131和132进行自动对焦测量，然后获得所有可能的组合。在本发明的一个方面，用于自动对焦测量的顶部自动对焦像素传感器的集合包括基本相等数量的具有红色、蓝色、和绿色滤光器的像素传感器。类似地，用于自动对焦测量的底部自动对焦像素传感器的集合包括基本相等数量的具有红色、蓝色、和绿色滤光器的像素传感器。出于本讨论的目的，如果从下面讨论的自相关测量获得的自动对焦调整不因数字中的任何不相等而改变，则包括的每种颜色的滤色器的数量将被定义为基本相等。

如上所述，相机镜头未被遮蔽，因此，自动对焦像素传感器接收来自场景中的多个不同点的光。因此，必须使用某种形式的互相关函数来确定要从中确定透镜位置校正的顶部和底部像素位置。

这里，TA(x，y)和BA(x，y)分别是自动对焦像素传感器上的T(x，y)和B(x，y)的平均值。在用于对焦图像的所选区域的一组自动对焦像素传感器上执行求和。最大为p(u，v)的(u，v)值提供了一个值，该值可用于访问将被成像的场景区域对焦到自动对焦像素传感器上所需的相机镜头移动。在简单镜头的情况下，确定镜头移动的距离。或者，可以改变更复杂的成像镜头的焦距以使图像对焦。在这种情况下，将确定焦距的变化。在本发明的一个方面中，控制器存储焦点表，该焦点表将该确定的(u，v)值映射到使场景对焦所需的相机镜头移动或焦距变化。

通常，移动镜头使得图像的特定区域对焦。这通常是靠近图像中心的区域。在本发明中，自动对焦像素传感器基本上可用于整个成像阵列。因此，存在可以提供自动对焦数据的多个区域。在本讨论中，具有执行焦点调节的足够的自动对焦像素传感器的区域将被称为自动对焦区域。现在参考图9，其示出了具有多个自动对焦区域的成像阵列。成像阵列200被组织为矩形阵列，其在行上具有自动对焦像素传感器阵列。基本上，每三行中有两行包含自动对焦像素传感器，如202-205所示。自动对焦区域可以与两个自动对焦像素传感器行的一部分一样小，如206-208所示，或者自动对焦区域可以包括四个或更多个自动对焦像素传感器行的部分，如209所示。

实际上，自动对焦控制器210被编程为使用自动对焦区域之一来设置镜头212的对焦特性。自动对焦控制器210可以在整个相机控制器中实现或者作为与如图1中92所示的主相机控制器通信的单独控制器而实现。然后，控制器210向致动器211发送信号以移动透镜212，使得自动对焦区域处于对焦状态。如上所述，通常使用的自动对焦区域是靠近成像阵列中心的自动对焦区域。然而，用于设置镜头焦点的相关函数可以在成像阵列中的大量自动对焦区域处计算，并且与在自动对焦控制使感兴趣的自动对焦区域对焦之后测量的图像一起传输。该附加信息可用于提供对场景的相应区域与相机对焦区域之间的距离的测量。

在本发明的一个方面，通过在运动图像序列的每个帧之前进行自动对焦测量来获取图像的运动图像序列。因此，可用于进行自动对焦调节的时间是有限的。执行自动对焦调整所需的时间将被称为自动对焦时间段。该时间段包括曝光自动对焦像素传感器所需的时间、读出那些像素传感器和执行相关计算所需的时间、以及移动镜头所需的时间。通常，成像阵列的一些区域(例如中心区域)将由自动对焦***保持对焦。减少自动对焦曝光时间是有利的。自动对焦曝光时间取决于在自动对焦焦点计算中使用的感兴趣区域中的自动对焦像素传感器的数量和场景中的光水平。如果光照水平较低或自动对焦曝光时间太短，则产生的自动对焦像素传感器输出将具有大量噪音。自动对焦曝光计算取决于相关性测量，例如上面讨论的p(u，v)计算。随着更多像素被添加到该计算中，减小了噪声的影响。由于阵列中超过一半的像素传感器是自动对焦像素传感器，因此本发明可以减少自动对焦曝光时段并使用来自更多自动对焦像素传感器的输出，来补偿增加的噪声。应当注意，与具有嵌入成像阵列中的少量专用自动对焦像素传感器代替记录图像的像素传感器的***相比，这是本发明的显著优点。在一个示例性实施例中，用于确定校准焦点调节的自动对焦像素传感器的数量大于1000。在另一示例性实施例中，用于确定校准焦点调节的自动对焦像素传感器的数量小于或等于1000。

在本发明的一个方面中，成像阵列中心的区域用于设置与成像阵列的相机镜头距离。然而，应当注意，投影到成像阵列上的整个场景的“焦点图”可以通过在整个成像阵列的位置处重复对成像阵列的小段上的距离计算来计算。这样的图在构建场景的三维图像时是有用的。因此，在本发明的一个方面中，来自用于在拍摄图像之前设置镜头距离的自动对焦像素传感器的信号被输出为单独的图像，以用于稍后的图像后处理。

上述美国专利申请描述了一种通过使用浮动扩散节点在成像曝光期间提供由像素传感器接收的光的第二光测量来扩展像素传感器的范围的方法。该方法中的浮动扩散节点具有通常为主光电二极管的光转换效率的1/30的光转换效率，因此，当像素经受引起主光电二极管饱和的光强度时，提供接收光的测量。本发明中的浮动扩散节点同样可以用于扩展像素传感器的动态范围。

应注意，上述实施例中的主光电二极管和微透镜形成在列和行方向上具有相等间隔的规则阵列。浮动扩散节点并不均匀地分布在成像阵列上，可能需要一些后成像处理。例如，可以重新采样由浮动扩散节点看到的图像，以在均匀网格上提供图像。然后，该重新采样的浮动扩散节点图像的值将与由主光电二极管生成的图像中的对应值组合，以提供扩展的光强度测量值。为了执行后处理，必须输出由浮动扩散节点看到的图像并与主光电二极管所见的图像一起保存。

在上述实施例中，自动对焦像素传感器中的浮动扩散节点被定位成使得浮动扩散节点仅从微透镜的一侧接收光。然而，也可以构造其中浮动扩散节点优先从微透镜的一侧接收光的实施例。例如，浮动扩散节点被定位成使得80％的光来自微透镜的一侧，并且由浮动扩散节点接收的光的20％来自微透镜的另一侧。在另一示例性实施例中，浮动扩散节点被定位成使得90％的光来自微透镜的一侧，并且由浮动扩散节点接收的光的10％来自微透镜的另一侧。在自动对焦互相关方法中使用额外的自动对焦像素传感器可以弥补这种光分离的不足。

虽然本发明的自动对焦***容许自动对焦像素传感器中的噪声，但是自动对焦像素传感器中的浮动扩散节点必须具有足够的光转换效率以测量成像传感器的自动对焦区域中的光水平。因此，优选地将浮动扩散节点的光转换效率调节为略高于上述主光电二极管光转换效率的1/30。用于调节浮动扩散节点的光转换效率的机制在上面引用的美国专利申请中进行了讨论，该专利申请通过引用整体结合于此。然而，增加浮动扩散节点的光转换效率减少了通过在图像曝光期间利用浮动扩散节点作为第二光电二极管可实现的动态范围的改善。在一个实施例中，浮动扩散节点光转换效率被设置为大于主光电二极管光转换效率的1/10。在另一实施例中，浮动扩散节点光转换效率被设置为大于主光电二极管光转换效率的1/30。

上述实施例涉及像素传感器的行和列；然而，应该理解，在其它实施例中，行和列可以互换。另外，可以组织自动对焦像素传感器，使得浮动扩散节点的列形成用于自动对焦目的的两个线性阵列。

为了简化以下讨论，在自动对焦调整中使用的光电二极管将被称为自动对焦光电二极管。在上述实施例中，与浮动扩散节点相关联的寄生光电二极管是自动对焦光电二极管。这些实施例不增加像素传感器的面积，因此提供显著的优点。然而，寄生光电二极管不是钉扎光电二极管，因此相对于主光电二极管具有增加的噪声。通过使用单独的小钉扎光电二极管代替浮动扩散节点的寄生光电二极管，可以减少这些噪声问题。在这样的实施例中，与常规成像阵列的情况一样，将有意地降低浮动扩散节点的光转换效率。

现在参考图10，图10是具有可以在这样的两个光电二极管自动对焦实施例中使用的两个光电二极管的像素传感器的示意图。像素传感器300包括主光电二极管322和辅助光电二极管301。辅助光电二极管301的面积选择为远小于光电二极管322的面积。例如，在一个实施例中，辅助光电二极管301的面积小于主光电二极管322的面积的0.1倍。两个光电二极管均可以通过控制栅极302和304分别连接到浮动扩散节点343。由于辅助光电二极管301具有比主光电二极管322小得多的面积，因此不需要抗晕光栅极。可以通过类似于上面关于寄生光电二极管实施例所讨论的方式读出两个光电二极管。在非自动对焦操作期间，累积在辅助光电二极管301上的光电荷可用于以类似于上述的方式扩展像素传感器300的动态范围。出于本讨论的目的，像素传感器300的重要方面是主光电二极管322和辅助光电二极管301在像素传感器300内的相对布置。

现在参考图11，图11是根据本发明一个实施例的成像阵列的一部分的俯视图，其利用图10中所示的像素传感器设计。成像阵列400与图5中所示的成像阵列60的不同之处在于，每个第三行像素传感器是成像阵列60中相应行的镜像。这产生了辅助光电二极管的两个阵列，如431和432所示。结果，这些行中的一个(例如行433)中的辅助光电二极管优先从辅助光电二极管所在的像素传感器中的微透镜的一侧接收光，并且在这些行中的另一行(例如434)中的辅助光电二极管优先从微透镜的另一侧接收光。

现在参考图12，图12是通过图11中所示的线12-12的横截面图。作为行433的一部分的像素传感器466中的辅助光电二极管471从微透镜440的一半接收光，并且从微透镜440的另一半接收基本上较少的光。相反，像素传感器467中的辅助光电二极管472优先从442A所示的微透镜443的一半接收光。因此，这两行像素传感器中的辅助光电二极管可用作自动对焦传感阵列。在辅助光电二极管不对称放置的同时，主光电二极管422和423形成规则的矩形阵列。

在自动对焦过程中使用辅助光电二极管的方式类似于上面关于寄生光电二极管所描述的方式。为了简化以下讨论，其辅助光电二极管用于自动对焦目的的像素传感器将再次称为自动对焦像素传感器。位于与行433类似的行中的那些自动对焦像素传感器将被称为顶部自动对焦像素传感器。位于与行434类似的位置的行中的那些自动对焦像素传感器将被称为底部自动对焦像素传感器。标签“顶部”和“底部”仅仅是标签，并不旨在表示相对于地球的位置。通常，在要保持对焦的视场的特定区域中生成图像的成像阵列的区域将具有可用于进行自动对焦测量的自动对焦像素传感器的二维阵列。在下面的讨论中，该区域将被称为自动对焦区域。任何特定的自动对焦像素传感器可以通过索引(I，J)上的一对来识别，表示该自动对焦像素传感器在二维成像阵列中的位置。来自底部自动对焦像素传感器中的辅助光电二极管的信号将由B(I，J)表示，并且来自顶部自动对焦像素传感器中的辅助光电二极管的信号将由T(I，J)表示。由于每个顶部自动对焦像素传感器具有对应的底部自动对焦像素传感器，因此选择索引使得B(I，J)是对应于T(I，J)的自动对焦像素传感器。自动对焦区域信号将对应于一组可能的A(I，J)和B(I，J)信号。然后如上所述参考寄生光电二极管执行自动对焦调节。

上面讨论的那些布局之外的自动对焦光电二极管的其它布局(浮动扩散节点的寄生光电二极管或单独的光电二极管)也是可行的。

已经提供了本发明的上述实施例以说明本发明的各个方面。然而，应该理解，可以组合在不同的具体实施方案中显示的本发明的不同方面，以提供本发明的其它实施方案。另外，根据前面的描述和附图，对本发明的各种修改将变得显而易见。因此，本发明仅受所附权利要求的范围限制。图13-15示出了三个其它可能的实施例。原则上，其中自动对焦光电二极管形成两个线性阵列并且每个线性阵列优先从微透镜一侧接受光的任何布置都是可以使用的。

Claims (14)

1.一种装置，包括像素传感器二维阵列，每个像素传感器包括：

主光电二极管；

自动对焦光电二极管；和

微透镜，其将光聚集到所述主光电二极管和所述自动对焦光电二极管上，

所述像素传感器的二维阵列包括像素传感器的第一和第二自动对焦阵列，所述像素传感器的所述第一自动对焦阵列中的所述像素传感器具有所述自动对焦光电二极管，该自动对焦光电二极管被定位成使得每个自动对焦光电二极管优先从该像素传感器中的所述微透镜的一半接收光，并且，所述像素传感器的所述第二自动对焦阵列中的所述像素传感器具有每个自动对焦光电二极管，该自动对焦光电二极管被定位成使得每个自动对焦光电二极管优先从该像素传感器中的所述微透镜的所述另一半接收光。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自动对焦光电二极管包括钉扎光电二极管。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述主光电二极管的特征在于具有主光电二极管区域，所述钉扎光电二极管的特征在于具有钉扎光电二极管区域，所述主光电二极管区域大于所述钉扎光电二极管区域。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自动对焦光电二极管包括与每个所述像素传感器中的浮动扩散节点相关的寄生光电二极管。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述像素传感器的第一自动对焦阵列中的所述像素传感器具有自动对焦光电二极管，所述自动对焦光电二极管被定位成使得每个自动对焦光电二极管从所述像素传感器中的所述微透镜的一半接收80％以上的所述光，并且，所述像素传感器的第二自动对焦阵列中的所述像素传感器具有自动对焦光电二极管，每个该自动对焦光电二极管被定位成使得每个自动对焦光电二极管优先从该像素传感器中的所述微透镜的另一半接收光。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述像素传感器的第一自动对焦阵列中的所述像素传感器具有自动对焦光电二极管，所述自动对焦光电二极管被定位成使得每个自动对焦光电二极管从所述像素传感器中的所述微透镜的一半接收90％以上的所述光，并且，所述像素传感器的第二自动对焦阵列中的所述像素传感器具有自动对焦光电二极管，每个该自动对焦光电二极管被定位成使得每个自动对焦光电二极管优先从该像素传感器中的所述微透镜的另一半接收光。

7.如权利要求1所述的装置，还包括

相机镜头，其将要拍摄的场景成像到所述像素传感器二维阵列上；

致动器，其响应于来自控制器的自动对焦信号，相对于所述二维成像阵列而移动所述相机镜头，所述控制器被配置为

在自动对焦时间段内使所述像素传感器暴露于来自要拍摄的场景的光；

从像素传感器的所述第一和第二阵列中的每个像素传感器获得信号，该信号指示在自动对焦时间段内接收的光量；和

产生所述自动对焦信号，使得所述场景的预定部分将对焦在所述像素传感器二维阵列的预定区域上。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，产生所述自动对焦信号包括计算来自像素传感器的所述第一自动对焦阵列中的所述自动对焦光电二极管的信号与来自像素传感器的所述第二自动对焦阵列中的所述自动对焦光电二极管的信号之间的互相关函数。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述像素传感器二维阵列中的所述像素传感器的所述主光电二极管被组织为在所述二维阵列中的每一个维度中具有相等间隔的均匀阵列，并且其中所述自动对焦光电二极管形成非均匀阵列。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，像素传感器的所述第一自动对焦阵列是像素传感器的所述第二自动对焦阵列的镜像。

11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制器使用所述像素传感器二维阵列中的所述主光电二极管来产生所述场景的第一图像，所述所述像素传感器二维阵列包括像素传感器的所述第一和第二自动对焦阵列。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述像素传感器的第一自动对焦阵列包括所述像素传感器的第一线性阵列，所述像素传感器的第二自动对焦阵列包括所述像素传感器的第二线性阵列，所述第二线性阵列被配置为像素传感器的所述第一线性阵列的镜像。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述像素传感器包括多个不同颜色的滤色器，所述多个滤色器中的一个滤色器设置在所述像素传感器二维阵列的每个微透镜下，所述第一自动对焦阵列的其特征在于具有包含在像素传感器的所述第一自动对焦阵列中的每种颜色的第一数量的滤色器，并且所述第二自动对焦阵列的特征在于具有包含在像素传感器的所述第二自动对焦阵列中的每种颜色的第二数量的滤色器，所述第一和第二数量基本相等。

14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述控制器输出从每个所述像素传感器中的所述自动对焦光电二极管确定的光强度测量值以及所述第一图像。