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CN106449674B - 具有对称多像素相位差检测器的图像传感器及相关方法 - Google Patents

具有对称多像素相位差检测器的图像传感器及相关方法 Download PDF

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CN106449674B
CN106449674B CN201610632778.3A CN201610632778A CN106449674B CN 106449674 B CN106449674 B CN 106449674B CN 201610632778 A CN201610632778 A CN 201610632778A CN 106449674 B CN106449674 B CN 106449674B
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Omnivision Technologies Inc
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Abstract

具有片上相位检测的成像系统包括具有对称多像素相位差检测器的图像传感器。每个对称多像素相位差检测器包括：形成阵列的多个像素，每个像素具有其上的各自的滤色镜，每个滤色镜具有透射光谱；以及显微透镜，所述显微透镜至少部分地在所述多个像素的每个之上且具有与所述阵列相交的光轴。由于每个透射光谱，所述阵列相对于(a)包括所述光轴的第一平面和(b)与所述第一平面正交的第二平面中的至少一个具有反射对称性。成像系统包括相位检测行对和类似的相位检测列对，相位检测行对包括成对的相邻像素行中的多个对称多像素相位差检测器。

Description

具有对称多像素相位差检测器的图像传感器及相关方法
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种具有对称多像素相位差检测器的图像传感器及相关方法。
背景技术
绝大多数的电子照相机都具有自动对焦功能。自动对焦功能将照相机自动对焦到照相机取景场景中的物体。自动对焦功能可以是全自动的，因此照相机识别场景中的物体并对焦到物体上。在某些情况下，照相机甚至可以决定哪些目标相对于其他目标更为重要，并且随后对焦到更重要的物体上。可选地，自动对焦可以利用指定对场景中的哪个部分或哪些部分感兴趣的用户输入。基于此，自动对焦功能识别用户指定的场景的某个或某些部分中的物体，并将照相机对焦到这些物体上。
为适应市场的需要，自动对焦功能必须可靠且快速，以便每次用户拍摄图像时，照相机快速地对场景中的期望的某个部分或某些部分进行对焦。优选地，自动对焦功能足够快速，使得用户感受不到按下快门和图像拍摄之间的任何延时。自动对焦对于不具有手动对焦的元件的照相机如数码相机和照相手机特别重要。
许多电子照相机利用对比自动对焦，其中自动对焦功能调整成像物镜使场景中至少部分的对比度达到最大，从而对场景中的这个部分进行对焦。最近，相位检测自动对焦大受欢迎，原因是它比对比自动对焦更快。相位检测自动对焦通过比较穿过成像物镜的一部分(例如左侧部分)的光和穿过成像物镜的另一部分(例如右侧部分)的光，直接测量离焦的程度。一些数码单反照相机除了包括用于拍摄图像的图像传感器外还包括专用的相位检测传感器。
然而，对于更加小巧或造价不那么昂贵的照相机来说，这种解决方案并不可行。因此，照相机制造商正在研发具有片上相位检测的图像传感器，即集成有相位检测功能的图像传感器。为此，已经提出了各种像素布局。这些包括其中包括相位检测像素的像素布局，相位检测像素具有阻挡光到达像素的一侧的不透明掩光板(或相当于屏蔽)。这种部分被遮挡(部分被遮蔽)的像素使能从不同方向穿过成像物镜的光的区分。这种方法存在的缺陷是，阻挡光的掩光板在低光情况下降低像素灵敏度，遮挡邻近的像素点，并且反射与邻近的像素发生串扰的光。
发明内容
本文公开的实施例显示在相位检测像素中不使用阻挡光的的片上相位检测。不使用阻挡光的掩光板，例如在像素的显微透镜和感光区域之间不使用阻挡光的，相对于现有技术的具有阻挡光的掩光板的相位检测像素，具有很多优点。这些优点包括更好的感光性，且对于相邻像素具有减少的遮挡以及降低的串扰。
公开一种具有对称多像素相位差检测器的图像传感器。每个对称多像素相位差检测器包括：(a)形成阵列的多个像素，每个像素具有其上的各自的滤色镜，每个滤色镜具有透射光谱；以及(b)显微透镜，所述显微透镜至少部分地在所述多个像素的每个之上且具有与所述阵列相交的光轴。由于每个透射光谱，所述阵列相对于(a)包括所述光轴的第一平面和(b)与所述第一平面正交的第二平面中的至少一个具有反射对称性。
还公开一种具有片上相位检测的成像系统。成像系统包括相位检测行对、相位检测列对及相位处理模块。所述相位检测行对能够测量从左右方向入射的光的成对的水平谱线轮廓，并且包括位于成对的相邻像素行中的多个对称多像素相位差检测器。所述相位检测列对能够测量从上下方向入射的光的成对的竖直谱线轮廓，并且包括位于成对的相邻像素列中的多个对称多像素相位差检测器。所述相位处理模块能够处理所述成对的水平谱线轮廓和所述成对的竖直谱线轮廓，以测量与场景中的任意方向和任意位置的边缘相关联的相移。
公开一种利用具有对称多像素相位差检测器的图像传感器进行相位检测的方法。所述方法包括生成第一谱线轮廓和第二谱线轮廓，以及从所述第一谱线轮廓和所述第二谱线轮廓之间的空间分离确定第一相移。所述第一谱线轮廓是从成像在所述图像传感器的相互共线的多个对称多像素相位差检测器中的每个的第一像素子集上的物体边缘生成的。所述第二谱线轮廓是从成像在所述相互共线的多个对称多像素相位差检测器中的每个的第二像素子集上的物体边缘生成的。
附图说明
图1示出根据实施例的使用情景中的具有对称多像素相位差检测器的图像传感器。
图2A和图2B示出根据实施例的通过成像物镜将物体成像在图1所示的图像传感器上的聚焦成像情景。
图3A和图3B示出根据实施例的通过成像物镜将物体成像在图1所示的图像传感器上的第一离焦成像情景。
图4A和图4B示出根据实施例的通过成像物镜将物体成像在图1所示的图像传感器上的第二离焦成像情景。
图5A、图5B和图5C各自示出根据实施例的图1所示的图像传感器的示例性对称多像素相位差检测器的平面图。
图6是根据实施例的图5所示的对称多像素相位差检测器的剖视图。
图7示出根据实施例的具有在相对于焦平面的三个位置处示出的图1的图像传感器的图2的成像情景。
图8是根据实施例的图1所示的图像传感器中的像素阵列的平面图。
图9是根据实施例的图8所示的像素阵列中的对称多像素相位差检测器的平面图。
图10示出根据实施例的响应于对具有竖直方向边缘的物体进行成像，图8所示的像素阵列的普通像素检测行对的像素值的示意曲线图。
图11示出根据实施例的响应于对具有水平方向边缘的物体进行成像，图8所示的像素阵列的普通像素检测列对的像素值的示意曲线图。
图12示出根据实施例的响应于对具有倾斜方向边缘的物体进行成像，图8所示的像素阵列的相位检测对角线的像素值的示意曲线图。
图13示出根据实施例的通过图1所示的图像传感器对一个示例性的任意方向的边缘的检测及相移测量。
图14示出根据实施例的具有对称多像素相位差检测器的成像系统。
图15是示出根据实施例的利用图1所示的图像传感器进行相位检测的方法的流程图。
图16是为图5所示的对称多像素相位差检测器的实施例的示例性对称多像素相位差检测器的平面图。
具体实施方式
图1示出在示例性使用情景190中的具有对称多像素相位差检测器的一个示例性图像传感器100。在用于对场景150成像的电子照相机110中实现图像传感器100。例如，电子照相机110是拍照手机或小型数码相机。电子照相机110利用图像传感器100的片上相位检测能力聚焦在场景150上。聚焦后，电子照相机110利用图像传感器100拍摄场景150的聚焦图像120，而不是离焦图像130。
图像传感器100用于提供能够对场景150中的任意方向和位置的边缘进行检测的片上对称多像素相位差检测。因此，图像传感器100使能电子照相机110的健壮的自动对焦。例如，通过使用图像传感器100，电子照相机110能够可靠地对人口稀疏的场景150进行自动对焦。图像传感器100还使能非常灵活的自动对焦功能，这可被电子照相机110利用以自动对焦在与一个或多个边缘相关的场景150的任意选择的部分上和/或场景150中任意位置的物体上。这里，场景中的“边缘”指的是空间差异，例如空间亮度差或空间色差。
在实施例中，图像传感器100是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。图像传感器100可以是彩色图像传感器或者单色图像传感器。图像传感器100包括像素阵列102，像素阵列102可以包括排列成滤色镜阵列如贝尔图案或本领域已知的其他排列的多个滤色镜。
下面讨论的图2A、图2B、图3A、图3B、图4A和图4B示出可以如何利用图像传感器100(图1)的片上相位检测确定由图像传感器100和成像物镜210组成的一个示例性成像系统的离焦的程度。
图2A和2B示出成像情景200，成像情景200示出当物体边缘230在成像系统的焦点上，通过成像物镜210将物体边缘230成像在图像传感器100上。物体边缘230可以是物体的两个不同颜色的区域(例如背景上相邻的条纹或文本)之间的物理边缘或边界。图2A示出成像情景200的透视图，图2B示出成像情景200的剖视图。最好综合参考图2A和图2B。相对于坐标系298，物体边缘230平行于x轴，成像物镜210具有平行于z轴的光轴213，图像传感器100平行于x-y平面。
成像物镜210的示例性部分211和212位于光轴213的相对侧且与光轴213等距。部分211和212限定从物体边缘230传播至图像传感器100的两条射线或射线束251和252。射线251从物体边缘230经过成像物镜210的部分211传播至图像传感器100。类似地，射线252从物体边缘230经过成像物镜210的部分212传播至图像传感器100。虽然图2A和图2B示出物体边缘230位于光轴213上，然而在不脱离本发明的范围的情况下，物体边缘230也可以位于偏离光轴213的位置。
成像物镜具有焦距f。假设成像物镜为薄透镜，薄透镜的等式为
其中，DO是物体距成像物镜210的距离202，DI是成像物镜210距物体的聚焦图像的距离203。在成像情景200中，成像物镜210在距图像传感器100的距离201处，记为L，其中L＝DI。因此，物体边缘230在由成像物镜210和图像传感器100组成的成像系统的焦点上，且通过部分211和212形成在图像传感器100上的图像一致以产生单个图像235。
图3A和3B示出成像情景300，成像情景300示出通过图2A和图2B的成像系统对物体边缘330的成像，其中物体边缘330在比成像系统的焦点远的位置。物体边缘330与物体边缘230类似。图3A示出成像情景300的透视图，图3B示出成像情景300的剖视图。最好综合参考图3A和图3B。相对于坐标系298，物体边缘330平行于x轴。
物体边缘330在距成像物镜210的距离302处，其中距离302大于距离202。虽然图3A和3B示出物体边缘330位于光轴213上，然而在不脱离本发明的范围的情况下，物体边缘330也可以位于偏离光轴213的位置。分别经过成像物镜的部分211和212(图3A和3B)从物体边缘330传播至图像传感器100(图3A和3B)的射线351和352相交于点331。根据等式1，由于距离302(DO)大于距离202，所以距离303(DI)小于距离203。因此，点331位于成像物镜210和图像传感器100之间，并且距图像传感器100的距离304(记为ΔD)处。因此，如射线351和射线352所示，成像物镜的部分211和212在图像传感器100上形成各自的图像332和图像333。图像332和图像333彼此分隔开距离311。距离311对应于图像332和图像333之间的离焦导致的相移ΔS，并且代表成像情景300中的模糊量。
图4A和4B示出成像情景400，成像情景400示出通过图2A和图2B的成像系统对物体边缘430进行成像，其中物体边缘430在比成像系统的焦点近的位置。物体边缘430与物体边缘230类似。图4A示出成像情景400的透视图，图4B示出成像情景400的剖视图。最好综合参考图4A和图4B。相对于坐标系298，物体边缘430平行于x轴。
物体边缘430在距成像物镜210的距离402处，其中距离402小于距离202。虽然图4A和4B示出物体边缘430位于光轴213上，然而在不脱离本发明的范围的情况下，物体边缘430也可以位于偏离光轴213的位置。射线451和射线452分别经过成像物镜210的部分211和部分212从物体边缘430传播至图像传感器100并且相交于点431。根据等式1，由于距离402(DO)小于距离202，所以距离403(DI)大于距离203。因此，点431位于超过图像传感器100的位置并且距图像传感器100的感光表面的距离为距离404，记为ΔD。因此，如射线451和射线452所示，成像物镜的部分211和部分212在图像传感器100上形成各自的图像432和图像433。图像432和图像433彼此分隔开距离409。距离409对应于图像432和图像433之间的离焦导致的相移ΔS，并且代表成像情景400中的模糊量。
成像情景200(图2A和图2B)、成像情景300(图3A和图3B)和成像情景400(图4A和图4B)示出由成像物镜210和图像传感器100组成的成像系统的离焦，在经过成像物镜210的不同部分传播到图像传感器100的光之间引起相移。图像传感器100用于测量这个相移。相关的自动对焦功能可以调整成像物镜210以使相移最小或减小相移，从而使得成像系统聚焦在物体上。
虽然图2A、图2B、图3A、图3B、图4A和图4B中示出成像物镜210为薄透镜，然而在不脱离本发明的范围的情况下，成像物镜210也可以是厚透镜或多透镜物镜。
图像传感器100包括至少一个对称多像素相位差检测器。图5A、图5B和图5C分别示出示例性对称多像素相位差检测器540、550和500的平面图。这里，对称多像素相位差检测器540和550也分别称作水平双像素相位差检测器540和竖直双像素相位差检测器550。
水平双像素相位差检测器540包括两个水平相邻的相位检测像素541和542，滤色镜543和544以及显微透镜532。显微透镜532在相位检测像素541和542之上，相位检测像素541和542分别具有其上的滤色镜543和544。显微透镜532具有光轴533。在一个实施例中，像素541和542形成以90°角与光轴相交的平面阵列。
如图5A中所定向的，可以分别将相位检测像素541和542记为左像素和右像素。像素541和542被称作相位检测像素，因为在其上各自没有专用的显微透镜，相反地，每个像素541和542在通用的显微透镜532的下方。为清晰的说明，指示像素541和542的虚线框小于指示各自的滤色镜543和544的框。滤色镜543和544可以具有相同的透射光谱，并且由单块连续的材料制成。
虽然在图5A和图5B的平面图中显微透镜532被示为具有椭圆形的横截面，然而在不脱离本发明的范围的情况下，它可以具有不同形状的横截面。例如，显微透镜532在平行于坐标系298的x-y平面的平面内可以具有矩形的横截面，以便它完全覆盖像素541和542。显微透镜532可以包括球形表面、椭球形表面或非球形表面的部分。
竖直双像素相位差检测器550是将水平双像素相位差检测器540旋转90度得到的，以便其平行于坐标系298的x轴定向，且相位检测像素541和542为竖直相邻的。如图5B所定向的，相位检测像素541和542可以分别记为下像素和上像素。
在一个实施例中，相位检测像素541和542没有被设计为防止光到达其感光区域的遮蔽元件。也就是说，相对于图像传感器100的非相位检测像素，相位检测像素541和542没有额外的遮蔽元件。
图5C和图6分别示出一个对称多像素相位差检测器500的平面图和剖视图。在下面的描述中最好综合参考图5A和图6。显微透镜530位于相位检测像素511、512、513和514之上，相位检测像素511、512、513和514各自具有其上的滤色镜521或522。为清晰说明，指示像素511-514的虚线框小于指示各自的滤色镜521和522的框。
显微透镜530位于相位检测像素511-514之上，以便其光轴531居中在其间。像素511-514被称为相位检测像素，因为在它们的每个上没有专用的显微透镜，相反地，各个像素511-514位于通用的显微透镜530的下方。
滤色镜543、521和522各自透射指定范围的可见电磁辐射至其相关的下方的像素。例如，基于原色的可见色滤色镜具有对应于电磁谱的红色、绿色或蓝色(RGB)区域的谱带，且分别被称为红色滤色镜、绿色滤色镜和蓝色滤色镜。基于合成色的可见色滤色镜具有与原色的合成色对应的谱带，导致滤色镜透射青色、品红色或黄色(CMY)的光，且分别被称为青色滤色镜、品红色滤色镜和黄色滤色镜。全色滤色镜(CI)相等地透射所有可见光。由于像素的滤色镜的透射光谱将其与邻近的像素区分开，因此通过其滤色镜的类型对像素进行命名，例如，“红色像素”包括红色滤色镜。这里，像素的透射指的是其滤色镜的透射光谱。
对称平面501和502可以相互垂直，包含光轴531，且彼此相交于光轴531处。相位检测像素511-514可以具有通用的后平面510，以便形成平面阵列。光轴531可以以90度角与后平面510相交，以便光轴531垂直于像素阵列102。对称多像素相位差检测器500相对于对称平面501和502均具有反射对称性。对称多像素相位差检测器500还具有双重旋转对称性。表1示出对称多像素相位差检测器500的14个示例性滤色镜配置，其中R、G、B、C、M、Y和CI分别表示红色滤色镜、绿色滤色镜、蓝色滤色镜、青色滤色镜、品红色滤色镜、黄色滤色镜和全色滤色镜。在14个配置的任一个中，两个滤色镜可以切换而不脱离本发明的范围。例如，在配置(c)中，滤色镜521为绿色滤色镜，滤色镜522为红色滤色镜。
表1：对称多像素相位差检测器的示例性滤色镜配置
滤色镜配置 a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) m) n)
滤色镜521 G C1 G G C1 C1 C1 R C C M C1 C1 C1
滤色镜522 G C1 R B R G B B Y M Y C M Y
相位检测像素511和512可以各自被视为左像素，一起可被记为左像素对。相位检测像素512和514可以各自被视为右像素，一起可被记为右像素对。相位检测像素511和513可各自被视为上像素，一起被记为上像素对。相位检测像素512和514可以各自被视为下像素，一起被记为下像素对。
在对称多像素相位差检测器500中，像素511-514及其相关的滤色镜521和522形成二维2乘2像素阵列。在一个实施例中，对称多像素相位差检测器500可以包括多于4个像素，例如，2乘4阵列中的8个像素或4乘4阵列中的16个像素。
在一个实施例中，相位检测像素511-514没有被设计为防止光到达感光区域的遮蔽元件。也就是说，相对于图像传感器100的非相位检测像素，相位检测像素511-514没有额外的遮蔽元件。
图7为图像传感器700被示为在相对于焦平面的三个位置处的成像情景200的剖视图。图像传感器700为图像传感器100的实施例。相对于坐标系298，图像传感器700的每个像素行在平行于y-z平面的各自的平面内，而图像传感器700的各个像素列在垂直于y-z平面的各自的平面内。
图像传感器700(1)位于焦平面上，图像传感器700(2)位于焦平面的后方，图像传感器700(3)位于焦平面的前方。图7的剖视图为使得坐标系298的y-z平面与图像传感器700的相位检测列对732相交。相位检测列对732是包括一个或多个对称多像素相位差检测器500的成对的相邻像素列。成像情景200的x-y平面剖视图与图7类似，但是横截面与相位检测行对相交。
在图7中，成像物镜210对物体边缘230进行成像，以便根据图像传感器700的位置，射线251和252为入射到至少一个多像素相位差检测器500(1-3)上的主射线。对称多像素相位差检测器500(1)和500(3)在图像传感器700(3)和图像传感器700(2)上相距的距离分别为距离709和距离711。距离709和距离711分别类似于距离309(图3)和距离411(图4)。
对于图像传感器700(1)，射线251和252均为入射到对称多像素相位差检测器500(2)的主射线。
对于图像传感器700(3)，射线251和252分别为入射到对称多像素相位差检测器500(3)和500(1)的主射线。在对称多像素相位差检测器500(3)中，射线251被像素512检测到。在对称多像素相位差检测器500(1)中，射线252被像素511检测到。对称多像素相位差检测器500(3)和500(1)分离开距离709，该距离709与图4B中的图像432和433之间的距离409相等。
像素511和像素512可分别记为上像素和下像素，其中，上和下分别指的是坐标系298中的正和负y方向。可选地，像素511和像素512可分别记为左像素和右像素，其中，左和右分别指的是坐标系298中的正和负y方向。像素511和512被分别视为上和下像素还是左和右像素可取决于成像情景关于成像水平面的定向，因此取决于坐标系298关于成像水平面的定向。
对于图像传感器700(2)，射线251和252分别为入射到对称多像素相位差检测器500(1)和500(3)的主射线。在对称多像素相位差检测器500(1)中，射线251被像素511检测到。在对称多像素相位差检测器500(3)中，射线252被像素512检测到。对称多像素相位差检测器500(3)和500(1)分离开距离711，该距离711与图3B中的图像332和333之间的距离311相等。在图像传感器700的一个示例中，距离711与距离709相等，这两个距离都对应于相同的两个对称多像素相位差检测器500(1)和500(3)之间的间隔。
在图7及其上述讨论中，各自具有像素511和512的每个多像素相位差检测器500(1-3)可以被替换成各自具有像素541和542的水平双像素相位差检测器540(1-3)。
图8为包括对称多像素相位差检测器的像素阵列802的一部分的平面图。像素阵列802是像素阵列102(图1)的实施例。像素阵列802由分别平行于坐标系298的y方向和x方向的像素行830及像素列890组成。像素阵列802包括按照贝尔图案排列的滤色镜阵列，如图8所示。各个滤色镜覆盖像素阵列中的各自的像素。红色滤色镜、绿色滤色镜和蓝色滤色镜分别表示为R、G和B。
像素阵列802还包括多像素相位差检测器800，其中多像素相位差检测器800周期性散布成贝尔图案中的方形网格。各个多像素相位差检测器800占据相位检测行对如相位检测行对831(1-3)以及相位检测列对如相位检测列对891(1-4)。各个相位检测行对831可以垂直于各个像素检测列对891。在不脱离本发明的范围的情况下，多像素相位差检测器800以与图8所示不同的方式散步在贝尔图案中。例如，多像素相位差检测器800可以形成三角形网格、矩形网格或其组合。
每个多像素相位差检测器800包括4个其上具有对称滤色镜的相位检测像素以及通用的显微透镜530。图8中标记包括对称多像素相位差检测器800的两个像素列890(N)和890(N+1)。整数N和N+1为像素列索引。
每个多像素相位差检测器800为对称多像素相位差检测器500的实施例。每个多像素相位差检测器800具有表1所示的滤色镜配置(a)，以便其具有4个绿色滤色镜的2×2阵列，以便相同颜色的滤色镜位于彼此的对角位置。在不脱离本发明的范围的情况下，多像素相位检测器800可以具有其他不同的滤色镜配置，表1中所列举的。为了清晰的说明，图8中没有标记所有的多像素相位差检测器800和显微透镜530。
在一个实施例中，像素阵列802包括水平双像素相位差检测器840和竖直双像素相位差检测器850中的至少一个。双像素相位差检测器840和850分别为双像素相位差检测器540和550的实施例。在一个实施例中，像素阵列802包括两个相邻的水平双像素相位差检测器840，如双像素相位差检测器对841所示。双像素相位差检测器对841包括上水平双像素相位差检测器841(t)和下水平双像素相位差检测器841(b)。在一个实施例中，像素阵列802包括两个相邻的竖直双像素相位差检测器850，如双像素相位差检测器对851所示。双像素相位差检测器对851包括左竖直双像素相位差检测器851(l)和右竖直双像素相位差检测器851(r)。
图9为具有绿色滤色镜921-924的像素阵列802的一个对称多像素相位差检测器800的平面图，为方便起见，绿色滤色镜921-924也被标记为G1-G4。多像素相位差检测器800可以被视为具有“左侧”像素和“右侧”像素的检测器。左侧像素511和512位于像素列890(N)中滤色镜G1和G2的下方；右侧像素513和514位于像素列890(N+1)中滤色镜G3和G4的下方。
图10示出响应于将具有竖直方向边缘1051和1052的物体1050成像在像素阵列802上，像素值对通用相位差检测行对(例如，831(1))中的对称多像素相位差检测器800的像素列索引的示意曲线图。
图表1060、图表1070和图表1080中的虚的水平谱线轮廓1061、1071和1081分别可表示多像素相位差检测器800的“左侧”像素的像素响应。像素511和512组成多像素相位差检测器800的第一竖直方向像素子集。图表1060、1070和1080中的实的水平谱线轮廓1062、1072和1082分别表示多像素相位差检测器800的“右侧”像素的像素响应。像素513和514组成多像素相位差检测器800的第二竖直方向像素子集。
可选地，图表1060、1070和1080的虚的水平谱线轮廓1061、1071和1081分别可以表示一个双像素相位差检测器对851的一个竖直双像素相位差检测器851(l)的像素响应。类似地，图表1060、1070和1080中的实的水平谱线轮廓的虚线1062、1072和1082可以分别表示一个双像素相位差检测器对851的一个双像素相位差检测器851(r)的像素响应。
图表1060为边缘1051和1052在焦点处的物体1050的图像，如区域1063和1065所示，其中谱线轮廓1061和1062相互重叠。在图表1070中，边缘1051和1052没有对准焦点(前聚焦)，如谱线轮廓1071和1072之间的距离1009所指示。距离1009为距离409的示例。在图表1080中，边缘1051和1052没有对准焦点(后聚焦)，如谱线轮廓1081和1082之间的距离1011所指示。距离1011为距离311的示例。
图11示出响应于将具有水平方向的边缘1151和1152的物体1150成像在像素阵列802上，像素值对通用相位差检测列对(例如，891(1))中的对称多像素相位差检测器800的像素列索引的示意曲线图。
图表1160、图1170和1180中的虚的竖直谱线轮廓的虚线1161、1171和1181分别表示多像素相位差检测器800的“上侧”像素的像素响应。像素511和513组成多像素相位差检测器800的第一竖直方向像素子集。图表1160、1170和1180的实的竖直谱线轮廓1162、1172和1182表示多像素相位差检测器800的“下侧”像素的像素响应。像素512和514组成多像素相位差检测器800的第二竖直方向像素子集。
可选地，图表1160、1170和1180的虚的水平谱线轮廓1161、1171和1181可分别表示一个双像素相位差检测器对841的一个水平双像素相位差检测器841(t)的像素响应。类似地，图表1160、1170和1180的实的水平谱线轮廓的虚线1162、1172和1182可分别表示一个双像素相位差检测器对841的一个双像素相位差检测器841(b)的像素响应。
图表1160为边缘1151和1152在焦点处的物体1150的图像，如区域1163和1165所示，其中谱线轮廓1161和1162相互重叠。在图表1170中，边缘1151和1152没有对准焦点(前聚焦)，如谱线轮廓1171和1172之间的距离1109所指示。距离1109为距离409的一个示例。在图表1180中，边缘1151和1152没有对准焦点(后聚焦)，如谱线轮廓1181和1182之间的距离1111所指示。距离1111为距离311的一个示例。
图12示出响应于沿横截面1255将倾斜方向的物体1250成像在像素阵列802上，像素值对普通相位检测对角线833(图8)上的对称多像素相位差检测器800的像素列索引的示意曲线图。在不脱离本发明的范围的情况下，对角线方向的物体1250可以以相对于坐标系298的y轴的任意角度定向。
图表1260为边缘1251和1252在焦点处的物体1250的图像，如区域1263和1265所示，其中谱线轮廓1261和1262相互重叠。在图表1270中，边缘1251和1252没有对准焦点(前聚焦)，如谱线轮廓1271和1272之间的距离1209所指示。距离1209为距离409的一个示例。在图表1280中，边缘1251和1252没有对准焦点(后聚焦)，如谱线轮廓1281和1282之间的距离1211所指示。距离1211为距离311的一个示例。
图表1260、1270和1280的虚谱线轮廓1261、1271和1281分别表示多像素相位差检测器800的沿着一个相位检测对角线833的左上像素如像素511的像素响应。图表1260、1270和1280中的实谱线轮廓1262、1272和1282分别表示多像素相位差检测器800的沿着一个相位检测对角线833的右下像素如像素514的像素响。横截面1255例如平行于相位检测对角线833。
图13示出图像传感器100(图1)对一个示例性的任意方向的边缘1360进行的检测和相移测量。边缘1360具有宽度1361，且是场景150中两个具有不同亮度和/或颜色的区域之间的过渡的图像。边缘1360的范围由(a)场景150中过渡的真实范围及(b)过渡的图像的离焦的程度来确定。
相位检测列对891的下像素512和514(图5和图9)及上像素511和513生成指示边缘1360沿相位检测列对891的竖直谱线轮廓1322和1332的电信号。谱线轮廓1322和1332被绘制为亮度和/或颜色测量1390对竖直位置1382。下像素512和514产生竖直谱线轮廓1322和1332中的一条，而上像素511和513产生竖直谱线轮廓1322和1332中的另一条。在每个谱线轮廓1322和1332中，边缘1360明显为亮度和/或颜色测量的改变。每条谱线轮廓1322和1332提供沿相位检测列对891的边缘1360的范围1312的测量。结合起来，谱线轮廓1322和1332提供谱线轮廓1322和1332之间的离焦导致的相移1302的测量。
相位检测行对831的左像素511和512以及右像素513和514生成指示边缘1360沿相位检测行对831的水平谱线轮廓1324和1334的电信号。谱线轮廓1324和1334被绘制为亮度和/或颜色量1390对水平位置1384。左像素511和512产生水平谱线轮廓1324和1334中的一条，右像素513和514产生水平谱线轮廓1324和1334中的另一条。在每条谱线轮廓1324和1334中，边缘1360明显为亮度和/或颜色测量的改变。每条谱线轮廓1324和1334提供沿相位检测行对831的边缘1360的范围1314的测量。结合起来，谱线轮廓1324和1334提供谱线轮廓1324和1334之间的离焦导致的相移1304的测量。
如果将场景150成像在图像传感器100上的光学系统没有像散时，离焦导致的相移1304与离焦导致的相移1302相同。另一方面，如果光学系统存在像散时，离焦导致的相移1304可以与离焦导致的相移1302不同。
随着范围1312朝其最小值(为宽度1361)减小，离焦导致的相移1302的精确度升高。类似地，随着范围1314朝其最小值(也为宽度1361)减小，离焦导致的相移1304的精确度降低。在图13的示例中，边缘1360的水平分量大于竖直分量。因此范围1312明显小于范围1314。假设没有或可忽略像散，离焦导致的相移1302与离焦导致的相移1304相同。因此，相比于相位检测行对831，相位检测列对891提供更好的相移测量。
图13中的示例为理想情况。如果进一步考虑非理想的情况，例如在场景中存在噪声和/或干扰特征，光学系统的像差及图像传感器100的电子噪声等，谱线轮廓1322、1332、1324和1334可能基本上比图13所示的更充满噪声。在这种情况下，离焦导致的相移1304可能是不可检测的，只有相位检测列对891能够提供与边缘1360有关的离焦导致的相移的测量。
从上述讨论得出结论：对于接近水平的边缘，相位检测列对891比相位检测行对831提供更好的相移测量，而对于接近竖直的边缘，相位检测行对831比相位检测列对891提供更好的相移测量。还得出结论：相移检测列对891不能对竖直边缘进行相移测量，并且根据上述讨论的非理想特性，可能不能对接近竖直的边缘进行相移测量。类似地，相移检测行对831不能对水平边缘进行相移测量，并且根据上述讨论的非理想特性，可能不能对接近水平的边缘进行相移测量。因此，当图像传感器100既包括相位检测行对831又包括相位检测列对891时，改进图像传感器100的精确度。
图14示出具有对称多像素相位差检测器的一个示例性成像系统1400。成像系统1400包括图像传感器100(图1)、相位处理模块1420以及界面1460。
界面1460是处理成像系统1400与用户和/或外部系统例如计算机之间的通信的界面。界面1460可以包括用户界面设备，例如显示器、触摸屏和/或键盘。界面1460可以包括有线(例如以太网、USB、火线或雷电术)和/或无线(例如Wi-Fi或蓝牙)连接以将图像传输给用户或外部系统。
对于被相位处理模块1420考虑的每个相位检测行对831、或每个相位检测行对831的多个部分中的每个，相位处理模块1420处理左像素511和512和右像素513和514生成的电信号，以确定包括水平谱线轮廓1425和水平谱线轮廓1426的水平谱线轮廓对1424。相位处理模块1420分别基于从左像素511和512接收的电信号和从右像素513和514接收的电信号确定水平谱线轮廓1425和水平谱线轮廓1426。水平谱线轮廓1425和1426的示例包括图10的谱线轮廓1061、1062、1071、1072、1081和1082。
对于相位处理模块1420考虑的每个相位检测列对891(图9)、或每个相位检测列对891的多个部分中的每个，相位处理模块1420处理下像素512和514(图6)和上像素511和513生成的电信号，以确定包括竖直谱线轮廓1422和竖直谱线轮廓1423的竖直谱线轮廓对1421。相位处理模块1420分别基于从下像素512和514接收的电信号和从上像素511和513接收的电信号确定竖直谱线轮廓1422和竖直谱线轮廓1423。竖直谱线轮廓1422和1423的示例包括图11中的谱线轮廓1161、1162、1171、1172、1181和1182。
基于竖直谱线轮廓对1421和水平谱线轮廓对1424中的至少一个，相位处理模块1420检测形成在像素阵列102上的图像中的边缘(例如边缘1360)，并且确定相关的相移1427。由此通过相位处理模块1420检测的边缘可以具有相对于像素阵列102的任何方向。
虽然图14中示出图像传感器100包含各自三个的相位检测列对891、相位检测行对831、下像素512和514、上像素511和513、左像素511和512以及右像素512和514，然而在不脱离本发明的范围的情况下，实际数量可以不同。
在一个实施例中，成像系统1400包括自动对焦模块1440和成像物镜1410。成像物镜1410例如为如图2、3、4和7中所示的成像物镜210。基于从相位处理模块1420接收的相移1427，自动对焦模块1440调整成像物镜1410以在图像传感器100上形成场景150(图1)的图像，从此图像传感器100生成图像数据1480。例如，自动对焦模块1440可以调整成像物镜1410使相移1427最小。场景150可以包括物体边缘，例如边缘1051、1052、1151、1152和1360。
在一个实施例中，成像系统1400包括感兴趣区域(ROI)选择模块1430，其中，ROI选择模块1430选择待被相位处理模块1420处理的像素阵列102中的感兴趣区域(ROI)。ROI选择模块1430可以从界面1460和物体检测模块1431中的一个接收ROI指示。物体检测模块1430例如为人脸检测模块。可选地或与其相结合，ROI选择模块1430从相位处理模块1420接收边缘相对于像素阵列102位置，并基于此确定ROI指示。
成像系统1400还可包括附件1490和电源1470中的一个或两个。
图15为示出利用具有对称多像素相位差检测器的图像传感器进行相位检测的方法1500的示意图。
步骤1510为可选的。步骤1510中，方法1500利用成像物镜将物体边缘成像在图像传感器上。在步骤1510的示例中，通过成像系统1400的成像物镜1410(图14)将场景150成像在图像传感器100上。
步骤1520中，方法1500从成像图像传感器的相互共线的多个对称多像素相位差检测器中的每个的第一像素子集上的物体边缘生成第一谱线轮廓。在步骤1520的示例中，水平谱线轮廓1425成像在图像传感器100的一个相位检测列对831上。水平谱线轮廓1425例如为从成像在图像传感器100的各个相互共线的对称多像素相位差检测器500中的第一像素子集-像素511和512上的物体边缘1051和1052生成的第一谱线轮廓1071(图10)。
步骤1520可包括可选的步骤1522。步骤1522中，方法1500总计第一像素子集中的像素的像素响应。在步骤1522的示例中，像素511和512的像素响应被总计以产生第一谱线轮廓1071。
步骤1530中，方法1500从成像在图像传感器的相互共线的多个对称多像素相位差检测器中的每个的第二像素子集上的物体边缘生成第二谱线轮廓。在步骤1530的示例中，水平谱线轮廓1426成像在一个相位检测列对891上。水平谱线轮廓1426例如为从成像在图像传感器100的各个相互共线的对称多像素相位差检测器500中的第二像素子集-像素513和514上的物体边缘1051和1052生成的第二谱线轮廓1072(图10)。
步骤1530可以包括可选的步骤1532。步骤1532中，方法1500总计第二像素子集中的像素的像素响应。在步骤1532的示例中，总计像素513和514的像素响应以产生第二谱线轮廓1072。
步骤1540中，方法1500从第一谱线轮廓与第二谱线轮廓之间的空间分离确定第一相移。在步骤1540的示例中，相位处理模块1420确定一个相移1427，例如谱线轮廓1071和1072之间的距离1009。
步骤1550为可选的。在步骤1550中，方法1500通过改变成像物镜与图像传感器之间的距离减小第一相移。在1550的示例中，自动对焦模块1440通过改变成像物镜1410与图像传感器100之间的距离减小相移1427。
图16为示例性的对称多像素相位差检测器1601-1606的平面图，其中对称多像素相位差检测器1601-1606为对称多相位相位差检测器500的实施例。对称多像素相位差检测器1601与对称多像素相位差检测器500相同，其中各个滤色镜521和522为全色(全透的)滤色镜1621。对称多像素相位差检测器1602与对称多像素相位差检测器500相同，其中各个滤色镜521为红色滤色镜1622，各个滤色镜522为绿色滤色镜921。对称多像素相位差检测器1603与对称多像素相位差检测器500相同，其中各个滤色镜521为蓝色滤色镜1623，各个滤色镜522为绿色滤色镜921。对称多像素相位差检测器1604-1606与对称多像素相位差检测器500相同，其中各个滤色镜521为全透滤色镜1621，各个滤色镜522分别为红色滤色镜1621、绿色滤色镜921和蓝色滤色镜1623。
特征组合
在不脱离本发明的范围的情况下，上述的以及下面所请求的特征可以以各种方式组合。下述示例示出一些可能的非限制性的组合。
(A1)一种图像传感器可以包括对称多像素相位差检测器。每个对称多像素相位差检测器包括：(a)形成阵列的多个像素，每个像素具有其上的各自的滤色镜，每个滤色镜具有透射光谱；以及(b)显微透镜，该显微透镜至少部分在多个像素的每个之上并且包括与阵列相交的光轴。由于每个透射光谱，阵列相对于(a)包括光轴的第一平面和(b)与第一平面正交的第二平面中的至少一个具有反射对称性。
(A2)在(A1)定义的图像传感器中，阵列可以为平面阵列。
(A3)在(A1)和(A2)定义的图像传感器的任一个中，光轴可以以90度角与阵列相交。
(A4)(A1)-(A3)定义的图像传感器的任一个，还可以包括：相位检测行对，包括成对的相邻像素行中的多个对称多像素相位差检测器；和相位检测列对，包括成对的相邻像素列中的多个对称多像素相位差检测器。
(A5)在(A1)-(A4)的图像传感器的任一个中，多个像素的数量可以为4且排列成2×2的平面阵列。
(A6)在(A1)-(A5)的图像传感器的任一个中，由于各个透射光谱，阵列相对于(a)包括光轴的第一平面和(b)与第一平面正交的第二平面均具有反射对称性。
(A7)在(A5)定义的图像传感器的任一个中，多个像素中的两个像素上的滤色镜可各自具有第一透射光谱，多个像素中的剩下两个像素上的滤色镜可各自具有第二透射光谱。
(A8)在(A7)定义的图像传感器的任一个中，第一透射光谱和第二透射光谱可以对应于红色滤色镜、蓝色滤色镜、绿色滤色镜、青色滤色镜、品红色滤色镜、黄色滤色镜和全色滤色镜中的一个的透射光谱。
(B1)一种具有片上相位检测的成像系统可以包括相位检测行对、相位检测列对和相位处理模块。相位检测行对能够测量从左右方向入射的光的成对的水平谱线轮廓，并且包括成对的相邻像素行中的多个对称多像素相位差检测器。相位检测列对能够测量从上下方向入射的光的成对的竖直谱线轮廓，并且包括成对的相邻像素列中的多个对称多像素相位差检测器。相位处理模块能够处理成对的水平谱线轮廓和成对的竖直谱线轮廓，以测量与场景中的任意方向和任意位置的边缘相关联的相移。
(B2)(B1)中所定义的成像系统还科包括用于调整成像物镜的焦点以减小相移的自动对焦模块。
(C1)一种利用具有对称多像素相位差检测器的图像传感器进行相位检测的方法可以包括生成第一谱线轮廓和第二谱线轮廓，以及从第一谱线轮廓和第二谱线轮廓之间的空间分离确定第一相移。第一谱线轮廓从成像在图像传感器的相互共线的多个对称多像素相位差检测器中的每个的第一像素子集上的物体边缘生成。第二谱线轮廓从成像在图像传感器的相互共线的多个对称多像素相位差检测器中的每个的第二像素子集上的物体边缘生成。
(C2)在(C1)所定义的方法中，生成第一谱线轮廓的步骤可以包括总计第一像素子集中的像素的像素响应。生成第二谱线轮廓的步骤可以包括总计第二像素子集中的像素的像素响应。
(C3)在(C2)所定义的方法中，总计第一像素子集中的像素的像素响应的步骤可以包括总计第一像素子集中的成对的两个相邻像素的像素响应。总计第二像素子集中的像素的像素响应的步骤可以包括总计第二像素子集中的不包括在第一像素子集中的成对的两个相邻像素的像素响应。
(C4)在(C1)-(C3)定义的方法的任一个中，各个对称多像素相位差检测器可以在平行于(i)所述图像传感器的像素行和(ii)所述图像传感器的像素列中的一个的第一方向上相互共线。
(C5)(C1)-(C4)定义的方法的任一个，还可包括：(a)从成像在图像传感器的在第二方向上相互共线的第二多个对称多像素相位差检测器中的每个的第一像素子集上的物体边缘生成第三谱线轮廓，其中第二方向与第一方向垂直，(b)从成像在相互共线的第二多个对称多像素相位差检测器中的每个的第二像素子集上的物体边缘产生第四谱线轮廓，(c)从第三谱线轮廓和第四谱线轮廓之间的空间分离确定第二相移。
(C6)(C1)-(C5)所定义的方法的任一个，还可包括通过成像物镜将物体边缘成像在图像传感器上。
(C7)(C6)中所定义的方法，还可包括通过改变成像物镜和图像传感器之间的距离减小第一相移。
在不脱离本发明的范围的情况下可以做出改变。因此，应注意的是，上述描述中包含的主题或附图中示出的主题应被解释为示例性的且不具有限制意义。所附的权利要求旨在覆盖其中描述的所有通用和特定特征，以及本方法和系统的范围的在语言上的所有声明应被认为落入其间。

Claims (15)

1.一种具有对称多像素相位差检测器的图像传感器，每个对称多像素相位差检测器包括：
形成2×2阵列的四个像素，每个像素具有其上的各自的滤色镜，每个滤色镜具有各自的透射光谱；以及
显微透镜，所述显微透镜至少部分地在所述四个像素的每个之上且具有与所述2×2阵列相交的光轴，
由于各自的透射光谱，所述2×2阵列相对于(a)包括所述光轴的第一平面和(b)与所述第一平面正交并与所述光轴平行的第二平面中的至少一个具有反射对称性；
所述图像传感器还包括：
相位检测行对，包括位于成对的相邻像素行中的多个对称多像素相位差检测器；以及
相位检测列对，包括位于成对的相邻像素列中的多个对称多像素相位差检测器。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，所述2×2阵列为平面阵列。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，所述光轴以90°角与所述2×2阵列相交。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，由于所述各自的透射光谱，所述2×2阵列相对于(a)包括所述光轴的第一平面和(b)与所述第一平面正交的第二平面均具有反射对称性。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，所述四个像素中的两个像素上的所述滤色镜各自具有第一透射光谱，所述四个像素中的剩下两个像素上的所述滤色镜各自具有第二透射光谱。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，所述第一透射光谱和所述第二透射光谱各自对应于红色滤色镜、蓝色滤色镜、绿色滤色镜、青色滤色镜、品红色滤色镜、黄色滤色镜和全色滤色镜中的一个的透射光谱。
7.一种具有片上相位检测的成像系统，包括：
相位检测行对，用于测量从左右方向入射的光的成对的水平谱线轮廓，并且包括位于成对的相邻像素行中的多个对称多像素相位差检测器；
相位检测列对，用于测量分别从上下方向入射的光的成对的竖直谱线轮廓，并且包括位于成对的相邻像素列中的多个对称多像素相位差检测器；
相位处理模块，用于处理所述成对的水平谱线轮廓和所述成对的竖直谱线轮廓，以测量与场景中的任意方向和任意位置的边缘相关联的相移；
每个对称多像素相位差检测器包括：(i)形成2×2阵列的四个像素，每个像素具有其上的各自的滤色镜，每个滤色镜具有各自的透射光谱，以及(ii)显微透镜，所述显微透镜至少部分地在所述四个像素的每个之上且具有与所述2×2阵列相交的光轴，由于各自的透射光谱，所述2×2阵列相对于(a)包括所述光轴的第一平面和(b)与所述第一平面正交并与所述光轴平行的第二平面中的至少一个具有反射对称性。
8.根据权利要求7所述的成像系统，还包括用于调整成像物镜的焦距以减小所述相移的自动对焦模块。
9.一种利用具有对称多像素相位差检测器的图像传感器进行相位检测的方法，包括：
从成像在所述图像传感器的相互共线的多个对称多像素相位差检测器中的每个的第一像素子集上的物体边缘生成第一谱线轮廓；
从成像在所述相互共线的多个对称多像素相位差检测器中的每个的第二像素子集上的物体边缘生成第二谱线轮廓；以及
从所述第一谱线轮廓和所述第二谱线轮廓之间的空间分离确定第一相移，
每个多像素相位差检测器被包括在相位检测行对或相位检测列对中，所述相位检测行对包括成对的相邻行中的多个对称多像素相位差检测器，且所述相位检测列对包括成对的相邻列中的多个对称多像素相位差检测器；以及
每个对称多像素相位差检测器包括(i)形成2×2阵列的四个像素，每个像素具有其上的各自的滤色镜，每个滤色镜具有各自的透射光谱，(ii)显微透镜，所述显微透镜至少部分地在所述四个像素的每个之上且具有与所述2×2阵列相交的光轴，由于各自的透射光谱，所述2×2阵列相对于(a)包括所述光轴的第一平面和(b)与所述第一平面正交并与所述光轴平行的第二平面中的至少一个具有反射对称性。
10.根据权利要求9所述的方法，
生成所述第一谱线轮廓的步骤包括总计所述第一像素子集中的像素的像素响应；
生成所述第二谱线轮廓的步骤包括总计所述第二像素子集中的像素的像素响应。
11.根据权利要求9所述的方法，
总计所述第一像素子集中的像素的像素响应的步骤包括总计所述第一像素子集的成对的两个相邻像素的像素响应；
总计所述第二像素子集中的像素的像素响应的步骤包括总计所述第二像素子集的不包括在所述第一像素子集中的成对的两个相邻像素的像素响应。
12.根据权利要求9所述的方法，所述对称多像素相位差检测器在平行于(i)所述图像传感器的像素行和(ii)所述图像传感器的像素列中的一个的第一方向上相互共线。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
从成像在所述图像传感器的在第二方向上相互共线的第二多个对称多像素相位差检测器中的每个的第一像素子集上的物体边缘生成第三谱线轮廓，其中所述第二方向与所述第一方向垂直；
从成像在所述相互共线的第二多个对称多像素相位差检测器中的每个的第二像素子集上的物体边缘产生第四谱线轮廓；以及
从所述第三谱线轮廓和所述第四谱线轮廓之间的空间分离确定第二相移。
14.根据权利要求9所述的方法，还包括通过成像物镜将所述物体边缘成像在所述图像传感器上。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括通过改变所述成像物镜和所述图像传感器之间的距离减小所述第一相移。
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