專利名稱：圖像感測元件,圖像感測裝置和信息處理裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的領域本發(fā)明涉及圖像感測元件、圖像感測裝置和信息處理裝置，并且更特別地涉及適于在接收光束時執(zhí)行光瞳分割聚焦檢測的圖像感測元件，其中光束已經穿過例如圖像感測透鏡的光瞳，并且涉及具有圖像感測元件的照相機和信息處理裝置。
Canon公司已經在日本專利特開昭第2001-124984號中建議了通過使用圖像感測器(圖像感測元件)執(zhí)行光瞳分割聚焦檢測的裝置，其中圖像感測器用在數(shù)字靜止照相機中。


圖12是解釋通過使用圖像感測器執(zhí)行光瞳分割聚焦檢測的方法的原理圖，這在日本專利特開昭第2001-124984號中揭示。圖像感測器10布置在圖像感測透鏡5各自的成像平面上。圖像感測器10的一個象素由兩個光接收部分13a和13b組成。布置光接收部分13a和13b，從而通過形成在圖像感測透鏡一側的微透鏡11，幾乎與圖像感測透鏡5的光瞳共軛。
光接收部分13a接收已經穿過圖12中預定的下部圖像感測透鏡5的光束。光接收部分13b接收已經穿過圖12中預定的上部圖像感測透鏡5的光束。在檢測聚焦時，象素的光接收部分13a和13b的信號被獨立讀出。這些信號形成已經穿過圖像感測透鏡5的光瞳上不同位置的光束的兩個圖像。日本專利特開昭第5-127074號揭示了使用光束產生的兩個圖像檢測聚焦的方法，其中光束已經穿過圖像感測透鏡的光瞳上的不同區(qū)域。在日本專利特開昭第2001-124984號中揭示的圖像感測器，輸出一個象素的光接收部分13a的輸出與普通照相中它的光接收部分13b的輸出的和。
日本專利說明書第5-61610號揭示了檢測聚焦時控制聚焦檢測感測器曝光的方法。為了監(jiān)視入射到聚焦檢測感測器上的光量，這個參考的聚焦檢測感測器具有監(jiān)視象素，它介于產生聚焦檢測圖像的象素與監(jiān)視入射到感測器上的光量的象素之間。監(jiān)視象素的輸出控制聚焦檢測象素的存儲時間等。
組成用于執(zhí)行光瞳分割聚焦檢測的感測器，使圖像感測器的一個象素中的光接收部分被分成兩個區(qū)域。在這些光接收部分之間的區(qū)域中，光接收靈敏度低。
圖13A和13B是顯示普通照相中，入射到圖像感測器的一個象素上的光束的圖。在圖13A和圖13B中，參考數(shù)字13a和13b指示兩個分割的光接收部分。在這些光接收部分之間的區(qū)域中，光接收靈敏度低。圖13A中的虛線光路是在圖像感測透鏡的光闌在完全光圈狀態(tài)時的入射光束。當光闌在完全光圈狀態(tài)時，入射到低靈敏區(qū)上的光束少于入射到光接收區(qū)13a和13b上的光束。圖像感測器輸出減小的程度小，幾乎不影響曝光控制。
如果圖像感測透鏡的光闌縮小光圈，那么入射到低靈敏區(qū)上的光束與入射到光接收區(qū)13a和13b上的光束的比增加，如圖13B所示。圖像感測器輸出的減小程度增加。當圖像感測透鏡在完全光圈狀態(tài)執(zhí)行光度測定，并且根據(jù)光度測定結果減小光感測透鏡的光闌時，圖像感測器的輸出比縮小光圈效果減小更多。
圖像感測器的光接收部分和圖像感測透鏡的光瞳通過微透鏡幾乎彼此共軛。在圖像感測透鏡的光瞳平面上，圖像感測透鏡的光瞳和感測器的光接收部分，具有與圖13A顯示相同的關系。入射到圖像感測器的光接收部分13a和13b上的光束，具有半圓形的光瞳形狀(圖像感測透鏡的光瞳(虛線代表的圓形)與光接收部分(實線代表的矩形)彼此重疊的部分)。這種形狀在光接收部分13a與13b之間不同(鏡像關系)。
圖14顯示了圖像感測器的光接收部分13a和13b產生的一條白線圖像的圖像感測器輸出。圖14中圖像a是由象素的光接收部分13a輸出的圖像。圖14中圖像b是由象素的光接收部分13b的輸出形成的圖像。在這個圖像感測器中，兩個圖像a與b之間的相似性低。使用兩個圖像的平均相關性計算產生了計算結果誤差，產生了聚焦檢測誤差。
為了檢測圖像感測透鏡的聚焦狀態(tài)，用于確定象素電荷累積時間及相似的監(jiān)視象素，根據(jù)需要靠近象素布置，用于獲得聚焦檢測圖像，并且根據(jù)需要獲得高對比度的聚焦檢測圖像。然而，上面的圖像感測器不結合任何監(jiān)視象素，來確定象素電荷存儲時間及相似，從而檢測圖像感測透鏡的聚焦狀態(tài)。在圖像感測器中，根據(jù)分割的光度測定感測器的輸出，來控制存儲時間及相似。并不總是得到高對比度的圖像。
本發(fā)明的次要目的是允許增加兩個圖像之間的一致性，并且增加聚焦檢測精度，其中這兩個圖像在聚焦檢測中受到相關性計算。
本發(fā)明的另一個次要目的是允許得到適當?shù)钠毓庀赂袦y的圖像，作為聚焦檢測中受到相關性計算的圖像。
本發(fā)明的第一方面涉及圖像感測元件，用于感測圖像感測透鏡形成的圖像，包括象素，其中象素包括第一光接收區(qū)，它包括已經穿過圖像感測透鏡的主光束入射的區(qū)域，并且象素包括第二光接收區(qū)，它不包括已經穿過圖像感測透鏡的主光束入射的區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，第二光接收區(qū)最好包括兩個分割的光接收區(qū)，并且布置這兩個分割的光接收區(qū)，使它最好夾著第一光接收區(qū)。兩個分割的光接收區(qū)適于至少檢測圖像感測透鏡的聚焦狀態(tài)，或者適于檢測圖像感測透鏡的聚焦狀態(tài)，并且拍攝對象。第一光接收區(qū)適于確定電荷在第二光接收區(qū)存儲的時間。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選方面，兩個分割的光接收區(qū)之一最好從圖像感測透鏡的光瞳上兩個預定區(qū)域之一接收光束，并且兩個分割的光接收區(qū)的另一個從圖像感測透鏡光瞳上的兩個預定區(qū)域的另一個接收光束，兩個預定區(qū)域是夾著光軸的區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選方面，圖像感測元件最好進一步包括單獨輸出第一光接收區(qū)中存儲的電荷和第二光接收區(qū)中存儲的電荷的功能，并且包括功能，來輸出第一光接收區(qū)中存儲的電荷與兩個分割的光接收區(qū)中存儲的電荷之和。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選方面，兩個分割的光接收部分之間的間隔在第一光接收區(qū)的中心最好相對窄，而在第一光接收區(qū)的兩個末端最好相對寬。可選地，第一光接收區(qū)最好在中心相對窄，而在兩個末端相對寬。可選地，第一光接收區(qū)最好在中心窄于兩個分割的光接收區(qū)的每個的寬度，而在兩個末端寬于兩個分割的光接收區(qū)的每個的寬度。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選方面，象素最好具有軸向對稱的結構。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選方面，從第一和第二光接收區(qū)形成的區(qū)域最好具有實際上規(guī)則的多邊形狀?？蛇x地，從第一和第二光接收區(qū)形成的區(qū)域最好具有實際上通過切割正方形的每個角得到的形狀。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選方面，圖像感測元件最好進一步包括微透鏡，它促使兩個分割的光接收部分各自從圖像感測透鏡光瞳上的兩個預定區(qū)域接收光束，兩個預定的區(qū)域是夾著光軸的區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選方面，第二光接收區(qū)最好用于至少檢測圖像感測透鏡的聚焦狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選方面，第二光接收區(qū)最好用于檢測圖像感測透鏡的聚焦狀態(tài)，并且拍攝圖像。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選方面，第一光接收區(qū)最好用于確定第二光接收區(qū)中電荷存儲的時間。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選方面，圖像感測元件最好在第一和第二光接收區(qū)形成的區(qū)域上包括微透鏡。
本發(fā)明的第二方面涉及圖像感測裝置，它包括上述任何之一的圖像感測元件；和控制單元，通過使用圖像感測元件的第二光接收區(qū)，檢測圖像感測透鏡的聚焦狀態(tài)，并且圖像感測裝置執(zhí)行聚焦調整。
這個圖像感測裝置可以用作例如數(shù)字靜止照相機、數(shù)字視頻照相機、這些照相機的混合體、或者是具有這些照相機的功能以外其它功能的照相機。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選方面，控制單元最好通過使用第二光接收區(qū)控制拍攝操作，從而拍攝對象。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選方面，控制單元最好通過使用第一光接收區(qū)，控制第二光接收區(qū)中電荷存儲的時間。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選方面，控制單元最好在聚焦調整中，根據(jù)圖像感測元件的第一光接收區(qū)的曝光量，確定第二光接收區(qū)中電荷存儲的時間。
根據(jù)本發(fā)明的又一個優(yōu)選方面，控制單元最好在聚焦調整時，獨立讀出第一光接收區(qū)中存儲的電荷和第二光接收區(qū)中存儲的電荷，并且讀出照相中第一光接收區(qū)中存儲的電荷與兩個分割的光接收區(qū)中存儲的電荷的和。
本發(fā)明的第三方面涉及信息處理裝置，它包括上述圖像感測元件或圖像感測裝置。信息處理裝置可以用于例如便攜式終端中，如便攜式電話或便攜式計算機。
從后面聯(lián)系附圖的描述中，本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點將會更加明顯，在其所有附圖中，相似的參考字母指示相同或相似的部件。
圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的照相機結構的圖；圖2是電路圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的圖像感測器；圖3是剖視圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的圖像感測器；圖4是平面視圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的圖像感測器；圖5是示意圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的拍攝光學系統(tǒng)；圖6A和6B是平面視圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的圖像感測器；圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的圖像感測器輸出的曲線圖；圖8A和8B是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的圖像感測器的時間曲線圖；圖9是流程圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的照相機的操作；圖10是流程圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的照相機的聚焦檢測的操作；圖11是平面視圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的圖像感測器；圖12是解釋聚焦檢測原理的圖；圖13A和13B是顯示圖像感測器的平面圖；而圖14是顯示圖像感測器輸出的曲線圖。
優(yōu)選實施例的具體描述下面參考附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖1到11是顯示本發(fā)明優(yōu)選實施例的圖。圖1是顯示數(shù)字靜止照相機的結構的圖，它具有根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的圖像感測元件(此后也被稱為圖像感測器)。圖2是電路圖，顯示了圖像感測器。圖3是剖視圖，顯示了圖像感測器的一個象素。圖4、6A和6B是平面視圖，顯示了圖像感測器的一個象素。圖5是示意圖，顯示了拍攝光學系統(tǒng)。圖7是解釋圖像感測器輸出的曲線圖。圖8A和8B是時間曲線圖。圖9是流程圖，解釋數(shù)字靜止照相機的操作。圖10是流程圖，顯示了聚焦檢測的操作。圖11是平面視圖，顯示了圖像感測器。
在圖1中，參考數(shù)字10指示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的圖像感測器。圖像感測器10布置在數(shù)字靜止照相機1的圖像感測透鏡5(5a，5b)各自的成像平面上。數(shù)字靜止照相機1包括CPU20，用于控制整個照相機；圖像感測器控制電路21，用于驅動并且控制圖像感測器10；圖像處理電路24，用于處理圖像感測器10感測的圖像信號；液晶顯示元件9，用于顯示感測的圖像；液晶顯示元件驅動電路25，用于驅動液晶顯示元件9；目鏡3，用于允許拍攝者觀察顯示在液晶顯示元件9上的對象圖像；存儲電路22，用于記錄圖像感測器10感測的圖像；接口電路23，用于將圖像處理電路處理的圖像輸出到照相機外側；和操作開關SW2，用于允許拍攝者指定拍攝圖像的記錄。存儲電路22還記錄圖像感測透鏡的單一信息。
在圖1中，為了方便起見，圖像感測透鏡5具有兩個透鏡5a和5b。圖像感測透鏡5典型地包括很多透鏡。根據(jù)CPU20發(fā)出的聚焦調整信息，圖像感測透鏡5被圖像感測透鏡驅動機構26調整到聚焦狀態(tài)。參考數(shù)字30指示光闌設備，它通過光闌驅動機構27將光圈減小到預定的F數(shù)。
圖2是示意電路圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的圖像感測器10。為了方便起見，圖2顯示了具有2×2象素的二維區(qū)域圖像感測器。實際上，圖像感測器10由幾百萬個象素組成。
在圖2中，參考數(shù)字101a、101b和101c指示光電轉換元件的光電轉換部分，它們的每個由mos晶體管柵極柵下面的耗盡層形成；102a、102b和102c指示光柵；103a、103b和103c指示MOS晶體管，它們用作傳輸開關；104指示復位MOS晶體管；105指示MOS晶體管，用作源極跟隨放大器；106指示MOS晶體管，用作水平選擇開關；107指示MOS晶體管，用作源極跟隨連接的負載；108指示MOS晶體管，用于傳輸暗輸出；109指示MOS晶體管，用于傳輸亮輸出；110指示電容器CTN，用于存儲暗輸出；111指示電容器CTS，用于存儲亮輸出；112指示水平傳輸MOS晶體管；113指示MOS晶體管，用于復位水平輸出線；114指示差動輸出放大器；115指示水平掃描電路；而116指示垂直掃描電路。這些元件組成圖1中的圖像感測器控制電路21。
圖3是剖視圖，顯示了象素部分。在圖3中，參考數(shù)字117指示P阱；118指示SIO2膜，用作MOS的柵絕緣膜；119指示多晶硅電極，用作光柵電極；120指示傳輸柵，用于將光柵電極下面存儲的光電荷傳輸?shù)礁由⑸洳糠?此后也被稱作FD部分)121；129指示濾色鏡；而130指示微透鏡。在使圖像感測透鏡5的光瞳與圖像感測器10的光電轉換部分幾乎彼此共軛的位置，微透鏡130形成一個形狀。
圖4是平面視圖，顯示了圖像感測器10的一個象素。圖像感測器10的一個象素具有三個光接收區(qū)119a、119b和119c，它們被多晶硅電極分段。傳輸柵120a、120b和120c各自布置在光接收部分的末端，并且可以將這些光接收部分產生的光電荷傳輸?shù)紽D部分121。還構成光接收部分119a與119c之間的區(qū)域。和光接收部分119b與119c之間的區(qū)域，從而保持低的光接收靈敏度。圖4中的電路代表微透鏡130形成的區(qū)域。
圖5是示意圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的數(shù)字靜止照相機的拍攝光學系統(tǒng)。圖5顯示了入射到圖像感測器10的每個象素上的主光線。主光線40是已經穿過光闌設備30的光圈中心的光束。構成圖像感測器10的每個象素，使主光線40穿過微透鏡130和濾色鏡129，然后到達每個象素的光接收區(qū)119c。
圖6A和6B是顯示入射到圖像感測器10一個象素上的光束的圖。在使圖像感測透鏡5的光瞳與圖像感測器10的光電轉換部分幾乎彼此共軛的位置，圖像感測器10上的微透鏡130形成一個形狀。具有與光闌形狀幾乎相同形狀的光束進入圖像感測器10的象素，其中光闌形狀由圖像感測透鏡5的光闌設備30形成。在一般照相中，操作圖4中顯示的傳輸柵120a、120b和120c，將相應于入射到三個光接收區(qū)119a、119b和119c的輸出相加，將和值輸出到感測器外側。
圖6A中的虛線圓代表圖像感測透鏡5的光闌在完全光圈狀態(tài)時的入射光束。當光闌設備30在完全光圈狀態(tài)時，入射到低靈敏區(qū)的光束小于入射到光接收部分119a、119b和119c上的光束。感測器輸出的減小程度小，幾乎不影響曝光控制。
如果圖像感測透鏡5的光闌設備30的光闌縮小光圈，那么多數(shù)入射光束進入位于一個象素中心的光接收區(qū)119c，如圖6B所示。入射到低靈敏區(qū)的光束的比低。這樣，感測器輸出的減小程度小，幾乎不影響曝光控制。
以這種方式，每個象素中的光接收區(qū)被分成第一光接收區(qū)119c和第二光接收區(qū)119a和119b，其中第一光接收區(qū)119c接收包含拍攝光束外的主光線的光束，拍攝光束已經穿過圖像感測透鏡5的光闌設備30，第二光接收區(qū)119a和119b接收不包含任何主光線的光束。即使圖像感測透鏡5的光闌縮小光圈，也可以執(zhí)行精確的曝光控制。
在聚焦檢測中，圖像感測透鏡5的光闌設備30的光闌設置為完全光圈狀態(tài)，入射到圖像感測器10的一個象素上的光束得到圖6A中的虛線形狀。在圖像感測器10的一個象素上，中心光接收區(qū)119c夾在兩個光接收區(qū)119a與119b之間，其中中心光接收區(qū)119c包括拍攝光束的主光線入射的位置(圖4中的x)，如圖4所示。在每個象素的中心，光接收區(qū)119c的寬度Wc0設置為小于兩個光接收區(qū)119a和119b的寬度Wa0和Wb0。在每個象素的末端(周邊部分)，光接收區(qū)119c的寬度Wc1設置為大于兩個光接收區(qū)119a和119b的寬度Wa0和Wb0。結果，入射到光接收區(qū)119a的光束關于入射到光接收區(qū)119b上的光束幾乎對稱。
圖7顯示了在聚焦檢測時，例如當感測了一條白線時，圖像感測器10上象素的光接收區(qū)119a和119b產生的圖像。象素的光接收區(qū)119a產生的圖像a與象素光接收區(qū)119b產生的圖像b彼此相似。這樣，使用兩個圖像的相關性計算產生高精度結果。從光接收區(qū)119a和119b的輸出，分別通過獨立操作傳輸柵120a和120b而輸出。
圖像感測器10的操作將參考圖8A和8B的時間曲線圖解釋。
圖8A和8B是當圖像感測器10檢測聚焦時，第0線的時刻圖。圖像感測透鏡5的聚焦狀態(tài)，通過執(zhí)行兩個圖像之間的相關性計算，并且通過計算兩個圖像之間的移動量(相差)來檢測，其中通過從光接收區(qū)119a和119b的輸出，得到兩個圖像。為了得到高對比度的圖像，根據(jù)光接收區(qū)119c的輸出，設置光接收區(qū)119a和119b的存儲時間。
在圖8A中，從光接收區(qū)119c得到監(jiān)視輸出，從而確定光接收區(qū)119a和119b的存儲時間。垂直掃描電路116在預定時刻將控制脈沖ΦL改變?yōu)楦唠娖?，從而使垂直輸出線復位。垂直掃描電路116將控制脈沖ΦR0改變?yōu)楦唠娖?，從而導通復位MOS晶體管104，從FD區(qū)121去掉剩余的電子。垂直掃描電路116將控制脈沖ΦPGa0、ΦPGb0和ΦPGc0改變?yōu)楦唠娖?，從而將光?02a、102b和102c的多晶硅電極119a、119b和119c設置為高電平。已經穿過微透鏡130、濾色鏡129和光柵電極119的光，在P阱117的點狀耗盡層產生電子空穴對。當通過控制脈沖ΦPGa0、ΦPGb0和ΦPGc0應用正脈沖的電場時，空穴向P阱移動，并且電荷移動到多晶硅電極119下面。相應于電子量的光電荷存儲在多晶硅電極119下面，其中電子根據(jù)入射光量產生。
垂直掃描電路116將控制脈沖ΦS0改變?yōu)楦唠娖?，從而導通水平選擇開關MOS晶體管106，由此選擇第0線的象素部分。垂直掃描電路116將控制脈沖ΦR0改變?yōu)榈碗娖剑瑥亩Ｖ笷D部分121的復位。由此FD部分121改變?yōu)楦訝顟B(tài)，并且MOS晶體管105作為源極跟隨放大器操作。在預定時間后，控制脈沖ΦTN改變?yōu)楦唠娖?，從而通過源極跟隨器操作，將FD部分121的暗電壓輸出到存儲電容器CTN110。
為了從第0線上每個象素的光接收區(qū)119c得到監(jiān)視輸出，垂直掃描電路116將控制脈沖ΦTXc0改變?yōu)楦唠娖?，從而導通傳輸開關MOS晶體管103c。在預定時間后，垂直掃描電路116將控制脈沖ΦPGc0改變?yōu)榈碗娖健＿@時，光柵102c(光柵電極119)下的電勢擴散增加，并且感光屏障傳輸?shù)紽D部分121。由于從光敏二極管的光電轉換部分101c的電荷傳輸?shù)紽D部分121，F(xiàn)D部分121的電勢根據(jù)光量改變。作為源極跟隨放大器的MOS晶體管105在浮動狀態(tài)?？刂泼}沖ΦTS改變?yōu)楦唠娖剑瑥亩鴮D部分121的電勢輸出到存儲電容器CTS111。這時，預定線上象素的暗輸出和亮輸出各自在存儲電容器CTN110和CTS111存儲?？刂泼}沖ΦHC臨時改變?yōu)楦唠娖剑瑥亩鴮ㄋ捷敵鼍€復位MOS晶體管113，由此使水平輸出線復位。在水平傳輸周期中，水平掃描電路115將掃描時刻信號輸出到水平傳輸MOS晶體管112，從而將象素的黑暗信號和亮信號輸出到水平輸出線。這時，存儲電容器CTN110與CTS111之間的差動輸出Vout，從差動輸出放大器114輸出?？梢缘玫脚c象素的任何隨機噪聲和固定模式噪聲無關的高S/N信號。
水平掃描電路115將掃描時刻信號順序輸出到各自象素的水平傳輸MOS晶體管112，從而得到象素的監(jiān)視輸出。
為了在多條線上執(zhí)行聚焦檢測，垂直掃描電路開始得到下一條線上象素的監(jiān)視輸出。
在得到預定線的監(jiān)視輸出后，其中預定線受到聚焦檢測，對于相應于監(jiān)視輸出的存儲時間，從各自象素的光接收區(qū)119a和119b讀出信號。在這個實施例中，CPU20加權相同線上各自象素的光接收區(qū)119c的輸出。CPU20根據(jù)加權結果，計算這條線的適當存儲時間。CPU20控制作為圖像感測器控制電路的垂直掃描電路116和水平掃描電路115，從而使相同線上的象素存儲時間彼此相等。
垂直掃描電路116將控制脈沖ΦL改變?yōu)楦唠娖剑瑥亩谙鄳谠O置的存儲時間的時刻將垂直輸出線復位。垂直掃描電路116將控制脈沖ΦR0改變?yōu)楦唠娖?，從而導通復位MOS晶體管104，從FD部分121去掉剩余電子。
垂直掃描電路116將控制脈沖ΦS0改變?yōu)楦唠娖剑瑥亩鴮ㄋ竭x擇開關MOS晶體管106，選擇第0線的象素部分。垂直掃描電路116將控制脈沖ΦR0改變?yōu)榈碗娖?，從而停止FD部分121的復位。由此，F(xiàn)D部分121改變?yōu)楦訝顟B(tài)，并且MOS晶體管105作為源極跟隨放大器操作。在預定時間后，控制脈沖ΦTN改變?yōu)楦唠娖?，從而通過源極跟隨操作，將FD部分121的黑暗電壓輸出到存儲電容器CTN110。
為了得到第0線上每個象素的光接收區(qū)119c的輸出，垂直掃描電路116將控制脈沖ΦTXa0改變?yōu)楦唠娖?，從而導通傳輸開關MOS晶體管103c。在預定時間后，垂直掃描電路116將控制脈沖ΦPGa0改變?yōu)榈碗娖?。這時，光柵102c(光柵電極119)下的勢阱擴散增加，并且感光屏障傳輸?shù)紽D部分121。由于從光敏二極管的光電轉換部分101a的電荷傳輸?shù)紽D區(qū)121，F(xiàn)D部分121的電勢根據(jù)光量改變。作為源極跟隨放大器的MOS晶體管105在浮動狀態(tài)?？刂泼}沖ΦTS改變?yōu)楦唠娖?，從而將FD部分121的電勢輸出到存儲電容器CTS111。這時，預定線上象素的暗輸出和亮輸出各自在存儲電容器CTN110和CTS111存儲?？刂泼}沖ΦHC臨時改變?yōu)楦唠娖?，從而導通水平輸出線復位MOS晶體管113，由此使水平輸出線復位。在水平傳輸周期中，水平掃描電路115將掃描時刻信號輸出到水平傳輸MOS晶體管112，從而將象素的暗輸出和亮輸出輸出到水平輸出線。這時，存儲電容器CTN110與CTS111之間的差動輸出Vout，從差動輸出放大器114輸出?？梢缘玫脚c象素的任何隨機噪聲和固定模式噪聲無關的高S/N信號。
然后，通過相同的過程得到光接收區(qū)119b的輸出。
通過將掃描時間信號從水平掃描電路115，順序提供給象素的水平傳輸MOS晶體管，從各自的象素得到聚焦檢測輸出。圖7顯示了從預定線上的光接收區(qū)119a和119b的輸出。這個實施例根據(jù)夾在聚焦檢測光接收區(qū)119a和119b之間的光接收區(qū)119c的監(jiān)視輸出，適當?shù)乜刂凭劢箼z測光接收區(qū)119a和119b的存儲時間?？梢缘玫礁邔Ρ榷葓D像作為聚焦檢測圖像，導致高聚焦檢測精度。
圖8B是當圖像感測器10執(zhí)行一般信號感測時，第0線的時刻圖。在一般圖像信號感測中，光接收區(qū)119a、119b和119c中產生的光電荷在它們共同的FD部分121相加，并且相加的和輸出到圖像感測器10外。
在圖8B中，垂直掃描電路116在預定時刻將控制脈沖ΦL改變?yōu)楦唠娖?，從而使垂直輸出線復位。垂直掃描電路116將控制脈沖ΦR0改變?yōu)楦唠娖?，從而導通復位MOS晶體管104，從FD部分121去掉剩余電子。垂直掃描電路116將控制脈沖ΦGa0、ΦGb0和ΦGc0改變?yōu)楦唠娖?，從而將光?02a、102b和102c的多晶硅電極119a、119b和119c(為了說明方便起見，由圖3中的多晶硅電極119代表，但實際上多晶硅電極119a、119b和119c相應于光柵102a、102b和102c而形成)設置為高電平。已經穿過微透鏡130、濾色鏡129和光柵電極119的光，在P阱117的點狀耗盡層產生電子空穴對。當正脈沖的電場通過控制脈沖ΦPGa0、ΦPGb0和ΦPGc0應用時，空穴向P阱移動，而電子移動到多晶硅電極119下。相應于電子的量的光電荷在多晶硅電極119下存儲，其中電子相應于入射光量產生。
垂直掃描電路116將控制脈沖ΦS0改變?yōu)楦唠娖?，從而導通水平選擇開關MOS晶體管106，由此選擇第0線的象素部分。垂直掃描電路116將控制脈沖ΦR0改變?yōu)榈碗娖?，從而停止FD部分121的復位。由此，F(xiàn)D部分121改變?yōu)楦訝顟B(tài)，并且MOS晶體管105作為源極跟隨放大器操作。在預定時間后，控制脈沖ΦTN改變?yōu)楦唠娖?，從而通過源極跟隨操作，將FD部分121的黑暗電壓輸出到存儲電容器CTN110。
為了得到第0線上每個象素的光接收區(qū)119a、119b和119c的輸出，垂直掃描電路116將控制脈沖ΦTXa0、ΦTXb0和ΦTXc0改變?yōu)楦唠娖?，從而導通傳輸開關MOS晶體管103a、103b和103c。在預定時間后，垂直掃描電路116將控制脈沖ΦPGa0、ΦPGb0和ΦPGc0改變?yōu)榈碗娖?。這時，光柵102a、102b和102c下的電勢擴散增加，并且感光屏障傳輸?shù)紽D部分121。由于從光敏二極管的光電轉換部分101a、101b和101c的電荷傳輸?shù)紽D部分121，F(xiàn)D部分121的電勢根據(jù)光量改變。源極跟隨放大器MOS晶體管105在浮動狀態(tài)?？刂泼}沖ΦTS改變?yōu)楦唠娖?，從而將FD部分121的電勢輸出到存儲電容器CTS111。這時，預定線上象素的暗輸出和亮輸出各自在存儲電容器CTN110和CTS111存儲?？刂泼}沖ΦHC臨時改變?yōu)楦唠娖?，從而導通水平輸出線復位MOS晶體管113，由此使水平輸出線復位。在水平傳輸周期中，水平掃描電路115將掃描時刻信號輸出到水平傳輸MOS晶體管112，從而將象素的暗輸出和亮輸出輸出到水平輸出線。這時，存儲電容器CTN110與CTS111之間的差動輸出Vout，從差動輸出放大器114輸出?？梢缘玫脚c象素的任何隨機噪聲和固定模式噪聲無關的高S/N信號。
水平掃描電路115將掃描時刻信號順序輸出到各自象素的水平傳輸MOS晶體管，從而得到象素的輸出。在垂直掃描電路116和水平掃描電路115的控制下，可以相似地得到圖像感測器10所有象素的輸出。
具有根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的圖像感測元件的操作流程，將參考圖9描述。
如果拍攝者打開數(shù)字靜止照相機1的主開關(未畫出)(S200)，那么用于控制整個照相機的CPU20執(zhí)行圖像感測透鏡5的聚焦檢測(S202)。聚焦檢測操作流程將參考圖10解釋。
照相機主體1的CPU20將用于聚焦檢測的圖像感測開始信號，發(fā)送到圖象感測器控制電路21，從而促使圖象感測器10感測聚焦檢測光束(S211)。
在圖像感測器10的光接收部分以外，其中圖像感測器10布置在圖像感測透鏡5各自的成像平面上，圖象感測器控制電路21將光接收部分的輸出進行A/D轉換，用于將已經穿過圖像感測透鏡5的光瞳上一個預定區(qū)域的光束存儲。轉換的信號輸出到CPU20。相似地，圖象感測器控制電路21將光接收部分的輸出進行A/D轉換，用于將已經穿過圖像感測透鏡5的光瞳上另一個預定區(qū)域的光束存儲。轉換的信號輸出到CPU20。
從具有相同濾色鏡的每個象素的兩個聚焦檢測光接收區(qū)119a和119b輸出的信號中，CPU20通過聚焦檢測光束產生對象圖像，其中聚焦檢測光束已經穿過圖像感測透鏡5光瞳上的一個預定區(qū)域；并且產生對象圖像，其中聚焦檢測光束已經穿過圖像感測透鏡5光瞳上的另一個預定區(qū)域。圖7顯示了通過每個象素的兩個聚焦檢測光接收區(qū)，得到的兩個對象圖像(聚焦檢測信號)。如圖4所示，用于接收圖像感測器10的一個象素上的聚焦檢測光束的光接收區(qū)119a和119b，在圖4中的象素中心區(qū)域是寬的，而在象素的周邊區(qū)域是窄的。入射到光接收區(qū)119a的光束和入射到光接收區(qū)119b的光束幾乎彼此對稱。兩個產生的對象圖像在相關性計算中顯示了高的一致性，導致高聚焦檢測精度。即使考慮到象素周邊部分的接線，圖像感測器10的一個象素的分離形狀，改變?yōu)橥ㄟ^切除光接收區(qū)119a和119b的外角準備的形狀，如圖11所示，接收的光束也保持圖4中的虛線形狀，而不會出現(xiàn)任何問題。
在檢測了兩個對象圖像后，CPU20通過使用兩個對象圖像計算相關性。從每個圖像的圖像移動量中，計算圖像感測透鏡5的散焦量。然后，CPU20返回到圖9顯示的流程(S212)。
CPU20將透鏡驅動信號發(fā)送到圖像感測透鏡驅動機構26。圖像感測透鏡驅動機構26驅動圖像感測透鏡5驅動的量相應于散焦量，并且將它設置為聚焦狀態(tài)(S203)。
在圖像感測透鏡5被驅動到預定位置，并且聚焦調整結束后(S203)，照相機主體1的CPU20將圖像感測信號發(fā)送到圖像感測器控制電路21，從而促使圖像感測器10感測圖像(S204)。這時，在圖像感測器10的光接收區(qū)119a、119b和119c產生的電荷在一個象素中相加，并且求出的和輸出到圖像感測器控制電路21。由圖像感測器10感測的圖像信號通過圖像感測器控制電路21進行A/D轉換，并且受到圖像處理電路24的圖像處理。已經受到圖像處理的圖像信號通過CPU20發(fā)送到液晶顯示元件驅動電路25，并且在液晶顯示元件9上顯示(S205)。這允許拍攝者通過目鏡3觀察顯示在液晶顯示元件9上的對象圖像。
CPU20檢查操作開關的狀態(tài)，用于記錄感測的圖像(S206)。如果拍攝者不操作操作開關SW2(S206中的否)，那么CPU20檢查主開關的狀態(tài)(S201)。
如果拍攝者按下操作開關SW2，從而拍攝對象(S206中的是)，那么CPU20將圖像感測信號發(fā)送到圖像感測器控制電路21，從而促使圖像感測器10執(zhí)行實際圖像感測(S207)。由圖像感測器控制電路21進行A/D轉換的圖像信號，經受圖像處理電路24的圖像處理。結果圖像信號被發(fā)送到液晶顯示元件驅動電路25，并且顯示在液晶顯示元件9上(S208)。
同時，CPU20將圖像信號直接存儲在照相機主體1的存儲電路22中(S209)。
如果拍攝操作結束并且拍攝者關閉主開關(S201中的是)，那么停止到照相機的電源，從而將照相機改變到待機狀態(tài)(S210)。
在本實施例中，根據(jù)多條線的輸出執(zhí)行聚焦檢測，但也可以根據(jù)一條線的輸出進行。
在本實施例中，根據(jù)線的監(jiān)視輸出，對于每條線確定聚焦檢測光接收區(qū)的存儲時間。通過聚焦檢測使用的線的平均監(jiān)視輸出，一般可以對于多條線確定存儲時間。
在本實施例中，垂直和水平掃描電路布置為圖像感測器外的圖像感測器控制電路。然而，垂直和水平掃描電路可以結合到圖像感測器中。
本實施例中的所有或部分軟件可以被硬件代替，或者本實施例中的所有或部分硬件可以被軟件代替。
根據(jù)本實施例的或者所有或者部分裝置和方法可以組成本發(fā)明。
本實施例中的裝置和建立元件可以作為另一個裝置的部分實現(xiàn)，或者通過將它們連接到另一個裝置中實現(xiàn)。
本發(fā)明還可以應用于各種圖像感測裝置中，如視頻電影照相機、視頻靜止照相機、立體透鏡照相機、單透鏡反光照相機、透鏡快柵照相機，和監(jiān)視照相機，并且進一步應用于包括這些圖像感測裝置的裝置中。
本實施例的功能還可以通過對系統(tǒng)和裝置提供存儲介質(或記錄介質)來實現(xiàn)，其中存儲介質記錄預定軟件的程序碼。不僅當計算機執(zhí)行存儲在存儲介質中的程序碼時，而且當計算機上運行的OS(操作系統(tǒng))根據(jù)程序碼的指令，執(zhí)行部分或全部實際處理時，實現(xiàn)本實施例的功能。當從存儲介質讀取的程序碼寫入功能擴展板的存儲器或者功能擴展單元的存儲器中時，其中功能擴展板插入計算機中，而功能擴展單元連接到計算機上，并且功能擴展板或者功能擴展單元的CPU根據(jù)程序碼的指令，執(zhí)行部分或全部實際處理時，實現(xiàn)本實施例的功能。
本發(fā)明實現(xiàn)高精度曝光控制，而與照相中圖像感測透鏡的F數(shù)無關。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例能夠獲得在適當曝光下感測的圖像，作為在聚焦檢測中受到相關計算的圖像。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例可以增加兩個圖像之間的一致性，并且增加聚焦檢測精度，其中兩個圖像在聚焦檢測中受到相關性計算。
可以做出本發(fā)明的明顯很多廣泛不同的實施例，而不必從其思想和范圍中分離出來，應該理解，本發(fā)明不限于其除了權利要求書所定義以外的特定實施例。
權利要求
1.一種圖像感測元件，用于感測圖像感測透鏡形成的圖像，包括象素，它包括第一光接收區(qū)，它包括已經穿過圖像感測透鏡的主光線入射的區(qū)域；和第二光接收區(qū)，它不包括已經穿過圖像感測透鏡的主光線入射的區(qū)域。
2.根據(jù)權利要求1的元件，其中第二光接收區(qū)包括兩個分離的光接收區(qū)，并且布置這兩個分離的光接收區(qū)，從而夾著第一光接收區(qū)。
3.根據(jù)權利要求2的元件，其中兩個分離的光接收區(qū)用于至少檢測圖像感測透鏡的聚焦狀態(tài)。
4.根據(jù)權利要求2的元件，其中兩個分離的光接收區(qū)用于檢測圖像感測透鏡的聚焦狀態(tài)，并且拍攝對象。
5.根據(jù)權利要求2的元件，其中兩個分離的光接收區(qū)之一從圖像感測透鏡的光瞳上兩個預定區(qū)域之一接收光束，而兩個分離的光接收區(qū)的另一個從圖像感測透鏡的光瞳上兩個預定區(qū)域的另一個接收光束，兩個預定的區(qū)域是夾著光軸的區(qū)域。
6.根據(jù)權利要求2的元件，其中第一光接收區(qū)用于確定第二光接收區(qū)中電荷存儲的時間。
7.根據(jù)權利要求2的元件，進一步包括獨立輸出第一光接收區(qū)中存儲的電荷，和兩個分離的光接收區(qū)中存儲的電荷的功能，并且包括輸出第一光接收區(qū)中存儲的電荷與兩個分離的光接收區(qū)中存儲的電荷之和的功能。
8.根據(jù)權利要求2的元件，其中兩個分離的光接收區(qū)之間的間隔，在第一光接收區(qū)的中心相對窄，而在第一光接收區(qū)的兩個末端相對寬。
9.根據(jù)權利要求2的元件，其中第一光接收區(qū)在中心相對窄，而在兩個末端相對寬。
10.根據(jù)權利要求2的元件，其中第一光接收區(qū)在中心窄于兩個分離的光接收區(qū)的每個的寬度，并且在兩個末端寬于兩個分離的光接收區(qū)的每個的寬度。
11.根據(jù)權利要求2的元件，其中從第一和第二光接收區(qū)形成的區(qū)域具有實際上規(guī)則多邊形的形狀。
12.根據(jù)權利要求2的元件，其中第二光接收區(qū)具有實際上通過切掉正方形的每個角得到的形狀。
13.根據(jù)權利要求1的元件，進一步包括微透鏡，它促使兩個分離的光接收區(qū)各自接收來自圖像感測透鏡的光瞳上兩個預定區(qū)域的光束，兩個預定的區(qū)域是夾著光軸的區(qū)域。
14.根據(jù)權利要求1的元件，其中第二光接收區(qū)用于至少檢測圖像感測透鏡的聚焦狀態(tài)。
15.根據(jù)權利要求1的元件，其中第二光接收區(qū)用于檢測圖像感測透鏡的聚焦狀態(tài)，并且拍攝對象。
16.根據(jù)權利要求1的元件，其中第一光接收區(qū)用于確定第二光接收區(qū)中電荷存儲的時間。
17.根據(jù)權利要求1的元件，進一步包括從第一和第二光接收區(qū)形成的區(qū)域上的微透鏡。
18.一種圖像感測裝置，包括圖像感測元件，具有象素，它包括第一光接收區(qū)，它包括已經穿過圖像感測透鏡的主光線入射的區(qū)域；和第二光接收區(qū)，它不包括已經穿過圖像感測透鏡的主光線入射的區(qū)域；和控制單元，通過使用第二光接收區(qū)檢測圖像感測透鏡的聚焦狀態(tài)，并且執(zhí)行聚焦調整。
19.根據(jù)權利要求18的裝置，其中所述控制單元控制拍攝操作，從而通過使用第二光接收區(qū)拍攝對象。
20.根據(jù)權利要求18的裝置，其中所述控制單元通過使用第一光接收區(qū)，確定第二光接收區(qū)中電荷存儲的時間。
21.根據(jù)權利要求18的裝置，其中所述控制單元根據(jù)聚焦調整中第一光接收區(qū)的曝光量，控制第二光接收區(qū)中電荷存儲的時間。
22.根據(jù)權利要求18的裝置，其中所述控制單元在聚焦調整中各自讀出第一光接收區(qū)中存儲的電荷，和第二光接收區(qū)中存儲的電荷，并且讀出照相中第一光接收區(qū)中存儲的電荷與兩個分離的光接收區(qū)中存儲的電荷之和。
23.根據(jù)權利要求18的裝置，其中第二光接收區(qū)包括兩個分離的光接收區(qū)，并且布置這兩個分離的光接收區(qū)，從而夾著第一光接收區(qū)。
24.根據(jù)權利要求23的裝置，其中兩個分離的光接收區(qū)從圖像感測透鏡的光瞳上的兩個預定區(qū)域接收光束，兩個預定的區(qū)域是夾著光軸的區(qū)域。
25.根據(jù)權利要求23的裝置，其中兩個分離的光接收區(qū)之間的間隔，在第一光接收區(qū)的中心相對窄，而在第一光接收區(qū)的兩個末端相對寬。
26.根據(jù)權利要求23的裝置，其中第一光接收區(qū)在中心相對窄，而在兩個末端相對寬。
27.根據(jù)權利要求23的裝置，其中第一光接收區(qū)在中心窄于兩個分離的光接收區(qū)的每個的寬度，并且在兩個末端寬于兩個分離的光接收區(qū)的每個的寬度。
28.根據(jù)權利要求23的裝置，其中從第一和第二光接收區(qū)形成的區(qū)域具有實際上規(guī)則多邊形的形狀。
29.根據(jù)權利要求23的裝置，其中第二光接收區(qū)具有實際上通過切掉正方形的每個角得到的形狀。
30.一種圖像處理裝置，包括權利要求18中定義的圖像感測裝置。
全文摘要
這項發(fā)明實現(xiàn)了高精度曝光,而與照相中圖像感測透鏡的F數(shù)無關。一個象素包括:第一光接收區(qū)(119c),它包括圖像感測透鏡的主光線入射的區(qū)域;和第二光接收區(qū)(119a、119b),它不包括圖像感測透鏡的主光線入射的區(qū)域。第一光接收區(qū)(119c)夾在兩個第二光接收區(qū)之間(119a、119b)。
文檔編號H04N5/232GK1384548SQ0211929
公開日2002年12月11日 申請日期2002年2月26日 優(yōu)先權日2001年2月26日
發(fā)明者長野明彥 申請人:佳能株式會社