专利名称：成像装置、成像传感器及生产成像传感器的方法
技术领域：
本发明涉及可以获得清晰彩色图像的小型成像装置及其生产方 法。本发明还涉及包括该成像装置的便携设备。本发明还涉及用于该 成像装置中的成像传感器及其生产方法。
背景技术：
便携设备，如具有照相机的移动电话等己经广为流行。由于便携 设备变得更小、更薄以及更加多功能，就需要更小更薄更加多功能的 成像装置。
常规而言，已知的成像装置使用复合透镜和成像传感器，通过机 械地移动该复合透镜的一部分以获得放大的图片(变焦图片)(例如，参 见JP2003國255225A)。
图33是常规成像装置的横截面视图。
在图33中，2001表示凹透镜，2002表示凸透镜，2003表示滤 光片，2004成像传感器，2005表示包括如数字信号处理器(DSP)等计 算装置的衬底。凹透镜2001、凸透镜2002、滤光片2003、成像传感 器2004、以及衬底2005以这样一种方式设置在壳体2007中，即使 得透镜系统的光轴2006基本上穿过成像传感器2004的中心。从物体 通过外壳的开口 2007a入射的光由凹透镜2001和凸透镜2002汇聚在 成像传感器2004上。滤光片2003防止比如红外等不需要的光进入成 像传感器2004。在这种情况下，凹透镜2001和凸透镜2002以这样 一种方式适当组合，使得来自物体的光所包括的在红光波段的光、在 蓝光波段的光以及在绿光波段的光以同样的图像放大因子汇聚到同 样的成像位置，由此使得可以阻止由于色散造成的采集图像的退化。
汇聚在成像传感器2004上的光通过成像传感器2004转换为电信号， 且该电信号通过衬底2005中包括的计算装置进行处理。总之，取决 于物体和透镜系统之间的距离，尽管图33中没有示出致动器，通过 移动整个透镜系统的一部分以控制聚焦可以获得清晰的图像。此外， 通过移动凸透镜2002以改变光学系统的放大因子，可以获得放大的 图片(变焦图片)。用致动器执行透镜的移动，该致动器为电磁操作并 构建为使用永磁体、电磁体，弹簧材料等。
然而，因为使用复合透镜，上述常规成像装置不能变得较薄，不 利地导致具有照相机的便携设备的厚度增加。
发明内容
本发明用于解决该常规问题。本发明的第一目的是提供一种薄的 成像装置。本发明的第二目的是提供一种容易组装的成像装置。本发 明的第三目的是提供一种具有多种功能的成像装置，诸如聚焦控制， 防止操作者抖动(operatOTJitterfree)，放大的图片等。本发明的第四目 的是提供一种成像传感器，其使得可以实现较薄的成像装置。本发明 的第五目的是提供一种具有防止操作者抖动的功能的便携设备。
本发明的第一成像装置包括多个光学系统和多个与该多个光学 系统一一对应的成像区域，其中每个成像区域具有多个像素，且该成 像区域以一对一的基础设置在各个光学系统的光轴上。该装置还包括 原点探测装置，用于探测每个成像区域的原点，像素位置指定装置， 用于使用该原点作为基准指定成像区域中包括的多个像素的位置，以 及组合装置，用于组合由成像区域采集的多幅图像。
本发明的便携装置包括本发明的第一成像装置以及设置在成像 装置附近的角速度传感器，其中根据使用角速度传感器探测到的成像 装置移动量进行防止操作者抖动。
下面，本发明第一成像装置的生产方法包括以一一对应的基础， 在各个光学系统的光轴上设置具有多个像素的多个成像区域，探测每
个成像区域的原点，并使用原点作为基准指定包括在每个成像区域中 的多个像素的位置。
本发明的成像传感器包括多个像素，在多个像素中每个的光接收 部分上的光入射部分中设置高折射率光学材料，以及在高折射率光学 材料周围设置低折射率光学材料。
本发明的第二成像装置包括本发明的成像传感器以及至少一个 光学系统。
生产本发明的成像传感器的方法包括在多个像素的光接收部分 上形成低折射率光学材料的第一层，在第一层的光接收部分上的位置 形成第一孔，将高折射率光学材料填充进该第一孔，在该第一层和该 第一孔中填充的高折射率光学材料上形成低折射率光学材料的第二 层，在面对第二层的光接收部分的位置形成第二孔，并将高折射率光 学材料填充入该第二孔中。
下面，本发明的第三成像装置包括至少一个光学系统，成像传感
器，以及驱动装置，用于在平行于或垂直于至少一个光学系统的光轴 的方向，改变该至少一个光学系统和该成像传感器的相对位置，其中 该驱动装置包括至少一个致动器，该致动器包括振荡器，该振荡器包 括弹性材料和安装在该弹性材料至少一侧上的压电元件，以及与该振 荡器连接的弹性弹簧部分，并且该致动器的振荡器一侧的边缘固定， 且该弹簧部分一侧的边缘支撑该至少一个光学系统或成像传感器。
附图简述
图1是本发明实施例1的成像装置的示意图； 图2是本发明实施例1的成像装置的横截面图； 图3是从透镜一侧观看的本发明实施例1的成像装置的平面图； 图4是示出本发明实施例1的成像装置中四个单透镜和四个成像 传感器之间的非常精确的位置关系的示意图5是示出本发明实施例1的成像装置中四个单透镜和四个成像
传感器之间大致位置关系的示意图6A是示出本发明实施例1的成像装置中每个成像传感器的原
点的探测方法的视图；图6B是示出本发明实施例1的成像装置的每
个成像传感器的原点附近的光强度分布的示意图7是示出本发明实施例1的成像装置的成像位置的示意图； 图8是示出本发明实施例1的成像装置的视差方向的示意图； 图9是示出本发明实施例1的成像装置的视差量化程序的流程
图10是示出本发明实施例1的成像装置的视差量化过程中使用 的像素组的示意图11是示出本发明实施例1的成像装置的视差量化过程中使用 的光强度分布的示意图12是示出本发明实施例1的成像装置的视差量化过程中使用 的像素组的另一例子的示意图13是示出本发明实施例1的成像装置的图像处理程序的流程
图14是示出本发明实施例1的成像装置的三维驱动装置透视图； 图15是示出本发明实施例1的成像装置中构成三维驱动装置的
致动器的截面图16是示出本发明实施例1的成像装置的致动器驱动方法的示
意图17是示出本发明实施例1的成像装置的另一种致动器驱动方 法的示意图18是示出本发明实施例1的成像装置的致动器的操作的示意
图19是示出本发明实施例1的成像装置的致动器的另一种操作 的示意图20是示出本发明实施例1的成像装置的另一致动器的截面图; 图21是示出本发明实施例1成像装置的防止操作者抖动的示意
图22A和22B是示出说明本发明实施例1成像装置的电子变焦
图片方法的视图23A是示出根据本发明实施例1成像装置例子的成像传感器和
透镜系统的顶视图23B是示出本发明实施例1成像装置的例子的截面图24是示出本发明实施例2成像装置的截面图25是示出本发明实施例3成像装置的示意性视图26是示出本发明实施例3成像装置的成像传感器和透镜系统
的顶视图27是示出本发明实施例3成像装置的截面图28A和图28B是示出透镜系统的焦距和成像传感器的光入射
角之间的关系的示意图29是示出本发明实施例4成像装置中使用的成像传感器的截
面图30A至30L是示出本发明实施例4成像装置的成像传感器的 生产过程的截面图31A是包括本发明成像装置的移动电话的实施例的正面视图， 图31B是其侧面图32是本发明实施例6的成像装置的截面图33是常规成像装置的截面图。
发明详述
本发明的第一成像装置包括多个光学系统以及与该多个光学系 统一一对应的多个成像区域，其中每个成像区域具有多个像素，且该 成像区域根据一对一设置在各个光学系统的光轴上。该装置进一步包
括原点探测装置，用于探测每个成像区域的原点，像素位置指定装置， 用于使用原点作为基准指定成像区域中包括的多个像素的位置，以及 结合装置，用于结合由成像区域采集的多幅图像。
由此，可以在装配成像装置之后探测每个成像区域的原点，并指 定每个成像区域中包括的像素位置。因此，在该装配中，不必高度精 确地确定每个光学系统的光轴和相应成像区域的原点之间的位置关 系，使得该成像装置的装配较简便。此外，由于多个光学系统和多个 成像区域设置为彼此一一对应，就使得每个光学系统的色差得以减 少，且可以使得光学系统更薄，由此使得可以提供更薄的成像装置。
在本发明的第一成像装置中，优选该原点探测装置使用由多个光 学系统以及多个成像区域采集的物体的多幅图像，以探测每个成像区 域的原点。由此，可以更容易的探测原点。
在此情况下，优选该物体基本上为白色，在基本无限远的位置设 置基本上的点光源。这进一步改善了原点探测的精度。
在此情况下，优选该原点探测装置将该成像区域中包括的多个像 素中具有接收光最大光强的像素的位置探测为原点。这进一步改善了 原点探测的精度。
或者，优选该原点探测装置根据成像区域中包括的多个像素中接 收光的光强，在相邻像素之间插值光强，以探测具有最大光强的位置 作为原点。这进一步改善了原点探测的精度。
在本发明的第一成像装置中，光学系统的数目和成像区域的数目 都是四个，而结合装置将由四个成像区域采集的四个图像结合。由此，
可以有效地实1L图像结合。
在此情况下，四个成像区域以矩阵设置，且四个成像区域中设置 在对角线上的两个采集绿色图像，另外一个采集红色图像，而剩下的 一个采集蓝色图像。由此，来自物体的光在采集之前分为绿色、红色 以及蓝色波段。因此，对于与每个波段相对应的光学系统的色差要求
可以减小，由此，可以使得每个光学系统和成像装置更薄。
在此情况下，优选第一成像装置还包括绿色滤波片，设置在成像 绿色图像的两个成像区域的每个和对应的光学系统之间，红色滤波 片，设置在成像红色图像的成像区域和对应的光学系统之间，蓝色滤 波片，设置在成像蓝色图像的成像区域和对应的光学系统之间，以及 遮光片，设置在每个滤色片之间的边界上。由此，可以防止一个波段 的光进入采集其他波段光的成像区域，这就导致了清晰的彩色图像。 还优选的是，该第一成像装置还包括用于比较两幅绿色图像的校 正装置，其中该两幅绿色图像之一用作绿色基准图像而另一个作为绿
色辅助图像(subsidiary image),以探测绿色辅助图像的视差，使用绿 色辅助图像的视差以获得红色图像的视差以及蓝色图像的视差，并校 正绿色辅助图像，红色图像以及蓝色图像，使得绿色辅助图像、红色 图像以及蓝色图像的视差减少或者消除，其中该结合装置结合绿色基 准图像、校正的绿色辅助图像、校正的红色图像和校正的蓝色图像， 以获得彩色图像。由此，可以校正使用多个光学系统采集的图像导致 的视差，就导致了清晰的彩色图像。
或者，优选第一成像装置还包括用于比较两幅绿色图像的校正装 置，其中该两幅绿色图像之一用作绿色基准图像而另一幅作为绿色辅 助图像，以探测绿色辅助图像的视差，使用绿色辅助图像的视差以获 得红色图像的视差以及蓝色图像的视差，并校正红色图像以及蓝色图 像，使得红色图像以及蓝色图像的视差减少或者消除，其中该结合装 置结合绿色基准图像、校正的红色图像和校正的蓝色图像，以获得彩 色图像。由此，可以校正使用多个光学系统采集图像导致的视差，就 导致了清晰的彩色图像。此外，不必校正绿色辅助图像的视差，且图 像结合不需要校正的绿色辅助图像，导致了简单的图像结合。
当连接采集绿色基准图像的成像区域的原点和采集绿色辅助图 像的成像区域的原点的方向表示为G方向，连接采集绿色基准图像
的成像区域的原点和采集红色图像的成像区域的原点的方向表示为
R方向，而连接采集绿色基准图像的成像区域的原点和采集蓝色图像 的成像区域的原点的方向表示为B方向时，优选该校正装置使用绿 色基准图像作为基准，确定绿色辅助图像的视差的量，作为G方向 的矢量，根据作为矢量而量化的视差来校正红色图像的数据，使得在 红色图像在R方向的视差减少或消除，并且根据作为矢量而量化的 视差校正蓝色图像的数据，使得在蓝色图像在B方向的视差减少或 消除。这就改善了视差校正的精度。
还优选的是，该校正装置从一组构成绿色基准图像的像素中选择 多个基准像素用作基准以获得光强分布，从一组构成绿色辅助图像的 像素中选择对应于多个基准像素的多个检査像素，以检查视差，探测 多个基准像素中每个像素的光强以获得光强分布，作为第一光强分 布，探测多个检查像素中每个像素的光强以获得光强分布，作为第二 光强度分布，比较第一光强分布和第二光强分布，以认出包括在每个 光强度分布中共同的特性部分，并计算第一光强分布的特性部分和第 二光强分布的特性部分之间的位移，并根据该位移确定绿色辅助图像 的视差程度的数量。这进一步改善了校正视差的精度。
在此情况下，还优选的是该校正装置在多个基准像素之间插值虚 拟像素，以获得第一光强分布，并在多个检查像素之间插值虚拟像素 以获得第二光强分布。这进一步改善了校正视差的精度。
在本发明第一成像装置中，优选在不同时刻采集多次图像，在每 次由多个成像区域采集的多幅图像被结合以产生多个第一结合图像， 该多个第一结合图像与多个采集操作一一对应，比较该多个第一结合 图像，且以这样一种方式将多个第一结合图像移动并结合，所述方式 使得每个第一结合图像之间的匹配部分彼此重叠，以产生第二结合图 像。由此，可以获得防抖的图像。
在此情况下，优选多个成像区域采集的多幅图像的每幅都是绿色
图像、红色图像或蓝色图像，而该多幅第一结合图像是彩色图像。由 此，可以获得清晰的防抖的彩色图像，在其中校正了上述视差。
或者，优选的是，在第一成像装置中，在不同时刻多次采集图像, 比较由同样成像区域采集的多幅图像，且这样一种方式将该多幅图像 移动并结合，所述方式使得每个图像之间的匹配部分彼此重叠，以产 生与多个成像区域一一对应的多个第一结合图像，且将该多个第一结 合图像进一步结合以产生第二结合图像。由此可以获得防抖的图像。
在此情况下，优选的是，将执行多个采集操作的多个时刻之一用 作对于多个成像区域共同的基准时刻，并且在该基准时刻之外的其他 时刻采集的图像相对于在该基准时刻采集的图像移动，同时使得在基 准时刻采集的图像保持坐标，并将其结合以产生多个第一结合图像。 这改进了校正视差的精度。
还优选的是，多个第一结合图像中的每个为绿色图像、红色图像 或蓝色图像，而第二结合图像是彩色图像。由此，可以获得防抖的清 晰彩色图像，在其中校正了上述视差。
本发明的便携装置包括本发明的第一成像装置，以及设置在该成 像装置附近的角速度传感器，其中根据使用该角速度传感器探测的成 像装置的移动量，执行防止操作者抖动。由此，可以提供能够一种迅 速校正操作者抖动的便携装置。
还优选的是，本发明的第一成像装置还包括一个驱动装置，用于 相对于多个成像区域一体地移动该多个光学系统，或相对于该多个光 学系统一体地移动多个成像区域，以在垂直于或平行于光学系统光轴 的方向上改变该多个光学系统和多个成像区域的相对位置。由此，可 以获得聚焦控制功能和放大图片功能。
在此情况下，优选该驱动装置在垂直于光学系统光轴并彼此正交 的两个方向改变该多个光学系统和多个成像区域的相对位置。由此， 改善了放大图片的质量。
还优选的是，在基本上平行于成像区域中包括的多个像素的阵列 方向上，驱动装置改变多个光学系统和多个成像区域的相对位置。由 此，可以改善放大图片的质量。
还优选的是，该驱动装置包括至少一个致动器，该致动器包括振 荡器，该振荡器包括弹性材料和附在该弹性材料至少一侧的压电元 件，以及连接该振荡器的弹簧部分，且在该致动器振荡器一侧的边缘 固定，且在其弹簧部分一侧的边缘支撑多个光学系统或多个成像区 域。由此，可以提供一种特定的驱动装置，其可以在平行和/或垂直 于各个光学系统光轴的方向，改变多个光学系统和多个成像区域的相 对位置。结果，可以获得聚焦控制功能和放大图片功能。
在此情况下，优选的是该压电元件附加在弹性材料的两侧，且在 两侧的该压电元件使用彼此独立的信号驱动。由此，可以在平行和/ 或垂直于各个光学系统光轴的方向，独立改变多个光学系统和多个成 像区域的相对位置。
优选的是，该驱动装置中包括的致动器的数量为两个，而这两个 致动器设置为越过多个光学系统或多个成像区域彼此相对。由此，可 以在平行和/或垂直于各个光学系统光轴的方向，改变多个光学系统 和多个成像区域的相对位置。
或者，优选的是，该驱动装置中包括的致动器的数量为四个，而 这四个致动器设置为在以多个光学系统或多个成像区域为中心的周 围，在基本上同一平面内以90度间隔设置。由此，可以在平行和域 垂直于各个光学系统光轴的两个正交方向，稳定地改变多个光学系统 和多个成像区域的相对位置。
优选的是，在不同时刻多次采集图像，而在垂直于光学系统光轴 的方向，以相邻像素之间中心到中心间隔的一半，改变多个光学系统 和多个成像区域的相对位置，将在每个采集操作由多个成像区域采集 的多幅图像结合，以产生一一对应于多个采集操作的多个第一结合图
像，并将该多个第一结合图像进一步结合以产生第二结合图像。由此， 可以得到放大的图片。
在此情况下，优选的是由多个成像区域采集的多幅图像的每个是 绿色图像、红色图像或蓝色图像，而多个第一结合图像是彩色图像。 由此，可以得到清晰的彩色放大图片，其中校正了视差。
或者，优选的是，在不同时刻多次采集图像，而在垂直于光学系 统光轴的方向，以相邻像素之间中心到中心间隔的一半，改变多个光 学系统和多个成像区域的相对位置，将在不同时刻由相同成像区域采 集的多幅图像结合，以产生一一对应于多个成像区域的多个第一结合 图像，而将该多1^第一结合图像进一步结合以产生第二结合图像。由 此，可以得到放大的图片。
在此情况下，优选的是该多个第一结合图像的每个是绿色图像、 红色图像或蓝色图像，而多个第二结合图像是彩色图像。由此，可以 得到清晰的彩色放大图片，其中校正了视差。
在本发明的第一成像装置中，优选的是多个光学系统中的每个都 包括单透镜。由此，可以将光学系统做成较薄，使得可以将成像装置 做成较薄。
在此情况下，优选在单透镜的至少一侧设置衍射光栅。由此，可 以改善采集图像的质量。
在本发明的第一成像装置中，优选的是多个成像区域中的每个都 包括独立的成像传感器。由此，可以获得快速的信号处理。
或者，在本发明第一成像装置中，优选该多个成像区域中的至少 两个共享一个共同成像传感器。由此，成像装置的组装可以较简单。
下面，生产本发明第一成像装置的方法，包括以一一对应的基础 在各个光学系统光轴之上设置具有多个像素的多个成像区域，探测每
个成像区域的原点，并使用原点作为基准，指定包括在每个成像区域 中的多个像素的位置。
由此，可以在成像装置组装之后探测每个成像区域的原点，并指 定每个成像区域中包括的像素位置。由此，在组装中，不必以高精度 确定每个光学系统的光轴和相应成像区域原点之间的位置关系，使得 组装成像装置很容易。
在用于本发明第一成像装置的方法中，优选的是，使用多个光学 系统和多个成像区域采集的物体多幅图像用于探测每个成像区域的 原点。由此，可以简便的探测原点。
在此情况下，优选物体基本上是白色的，在基本上无限远的位置 设置基本上的点光源。这提高了探测原点的精度。
在此情况下，优选原点探测装置在成像区域包括的多个像素中探 测具有接收光的最大光强的像素位置作为原点。这进一步提高了探测 原点的精度。
或者，优选原点探测装置根据成像区域包括的多个像素所接收光 的光强，在相邻像素之间插值光强，以探测具有最大光强的像素位置 作为原点。这进一步提高了探测原点的精度。
本发明的成像传感器包括多个像素，高折射率光学材料设置在多 个像素中每个的光接收部分的光入射部分上，且低折射率光学材料设 置在高折射率光学材料周围。
由此，以广角倾斜入射的光可以有效接收，使得焦距较短以及较 薄的成像装置。
在本发明的成像装置中，优选该高折射率光学材料具有1.8或更 高的折射率，而该低折射率光学材料具有1.8或更低的折射率。由此， 可以更有效的接收以广角倾斜入射的光。
此外，在本发明的成像装置中，优选靠近该光接收部分的高折射 率光学材料的直径小于在其光入射一侧的高折射率光学材料的直径。 由此，可以更有效的接收以广角倾斜入射的光。
本发明第二成像装置包括本发明的成像传感器以及至少一个光
学系统。由此，可以获得较薄的成像装置。
生产本发明的成像传感器的方法包括在多个像素的光接收部分 上形成第一层低折射率光学材料，在第一层的光接收部分上的位置形 成第一孔，将高折射率光学材料注入第一孔中，在注入到第一孔中的 高折射率光学材料和第一层上形成第二层低折射率光学材料，在面对 第二层的光接收部分的位置形成第二孔，并将高折射率光学材料注入 第二孔中。
由此，可以有效地生产成像传感器，这种传感器可以有效的接收 以广角倾斜入射的光。
在用于生产本发明成像传感器的方法中，优选高折射率光学材料 具有1.8或更高折射率，而该低折射率光学材料具有1.8或更低的折 射率。由此，可以获得能有效接收以广角倾斜入射光的成像传感器。
此外，在用于生产本发明成像传感器的方法中，优选第一孔的开 口直径小于第二孔的开口直径。由此，可以获得能更有效接收以广角 倾斜入射光的成像传感器。
下面，本发明的第三成像装置包括至少一个光学系统、成像传感 器、以及驱动装置，其用于在平行于或者垂直于该至少一个光学系统 光轴的方向上，改变该至少一个光学系统和成像传感器的相对位置， 其中该驱动装置包括至少一个致动器，该致动器包括一个振荡器，该 振荡器包括弹性材料以及附加在该弹性材料至少一侧上的压电元件， 以及连接在该振荡器上的弹簧部分，且在致动器上振荡器一侧的边缘 固定，且在其弹簧部分一侧的边缘支撑至少一个光学系统或成像传感 器。
由此，可以提供一种特定的驱动装置，其可以在平行于或者垂直 于该至少一个光学系统光轴的方向上，改变该至少一个光学系统和成 像传感器的相对位置。结果，可以获得聚焦控制功能，放大图片功能
和近摄图片(close up picture)功能。在本发明第三成像装置中，优选压电元件附加在弹性材料的两 侧，而在两侧的该压电元件使用彼此独立的信号驱动。由此，就可以 在平行于和/或垂直于该至少一个光学系统光轴的方向上，独立的改 变该至少一个光学系统和成像传感器的相对位置。
优选在驱动装置中包括的该致动器的数目为两个，且这两个致动 器设置为越过至少一个光学系统和成像传感器彼此相对。由此，可以 在平行于和/或垂直于该至少一个光学系统光轴的方向上，稳定地改 变该至少一个光学系统和成像传感器的相对位置。
或者，优选在驱动装置中包括的该致动器的数目为四个，而这四 个致动器设置为在至少一个光学系统或成像传感器为中心的周围，以 卯度为间距设置基本在同一平面上。由此，可以在两个平行于和域 垂直于该至少一个光学系统光轴的两个正交方向上，稳定地改变该至 少一个光学系统和成像传感器的相对位置。
此后，本发明将利用优选实施例详细描述。
(实施例1)
将描述根据本发明实施例1的成像装置。
图1是本发明实施例1的成像装置的示意图。图2是本发明实施 例1的成像装置的截面图。图3是从透镜一侧观察的本发明实施例1 的成像装置的平面图。
在图1中，实施例1的成像装置具有四个单透镜101, 102， 103， 和104，以及与其一一对应的四个成像传感器105， 106， 107和108。 如图1所示，单透镜101， 102， 103，和104的光轴109， 110， 111 和112的方向表示为Z轴，垂直于Z轴的方向表示为X轴，而垂直 于X轴和Z轴的方向表示为Y轴。X轴、Y轴、Z轴的正方向由图1 中的箭头表示。四个单透镜101， 102， 103，和104在基本上相同平 面(平行于XY平面的平面)上设置在矩阵中。此外，四个成像传感器
105， 106， 107和108在基本上相同平面(平行于XY平面的平面)上 设置在矩阵中。四个单透镜101， 102， 103，和104和四个成像传感 器105， 106， 107和108以这样一种方式设置，使得各个单透镜IOI， 102， 103，和104的光轴109， 110， 111和112基本上穿过各个成像 传感器105， 106， 107和108的中心。
在图2中，四个单透镜IOI, 102， 103,和104的每个都是非球 面透镜，其在至少一侧具有非球面表面，且结合为一体。例如，四个 单透镜101， 102， 103，和104可以由玻璃或塑料整体形成。在每个 单透镜和相应成像传感器之间设置滤色片。201表示设置在单透镜 101和成像传感器105之间的滤色片，202表示设置在单透镜102和 成像传感器106之间的滤色片，203表示设置在单透镜103和成像元 件107之间的滤色片，且204表示设置在单透镜104和成像元件108 之间的滤色片。每个滤色片使得在红色波段、绿色波段或蓝色波段的 光透过。205表示遮光片，使得每个成像传感器仅仅接收一个波段的 光，并阻止从滤色片反射的波段的光进入其他滤色片。206表示包括 诸如数字信号处理器(DSP)等计算装置的衬底，在其上设置有四个成 像传感器105， 106， 107和108。 207表示用于成像装置的壳体，其 以这样一种方式保持四个单透镜IOI， 102， 103和104，四个滤色片 201， 202， 203和204，四个成像传感器105， 106， 107和108，和 衬底206，使得四个单透镜的光轴穿过各个相应成像传感器。
在图2中，成像传感器105， 106， 107和108以及衬底206看似 飘浮在空气中，然而，实际上它们是通过致动器(在别的地方进行说 明)由壳体207支撑的。可以使用致动器在平行于和/或垂直于单透镜 光轴的方向上，改变该四个单透镜IOI， 102, 103， 104和四个成像 传感器105， 106， 107， 108的相对位置。
在图3中，101， 102， 103和104表明单透镜，201， 202， 203， 和204表明滤色片，205表示遮光片，而207表示壳体。"R"， "G"，
和"B"表示可以透过相应于各个单透镜101， 102， 103和104设置的 滤色片201， 202， 203和204的光的波段。即"R"， "G"，和"B，，分别 表明红色波段，绿色波段和蓝色波段。因此，图3中实施例1的成像 装置具有一个红色波段透射滤波片201，两个绿色波段透射滤波片 202和203，以及一个蓝色波段透射滤波片204，其中两个绿色波段 透射滤波片202和203设置在对角线上。
在图1， 2和3的本发明实施例1中，从物体入射单透镜101的 红色波段光透过滤色片201进入成像传感器105。从物体入射单透镜 102的绿色波段光分别透过滤色片202和203进入成像传感器106和 107。从物体入射单透镜104的蓝色波段光透过滤色片204进入成像 传感器108。因此，将来自物体的光分成红色波段的光，绿色波段的 光和蓝色波段的光，这些光轮流由成像传感器105， 106， 107和108 采集。结果，可以减少对色差的要求，由此甚至是用于获得图像的单 透镜在红色、蓝色和绿色波段中的每个具有较小色差。不需使用由多 个透镜组成的复合透镜，可以获得对每个波段中的光的较薄光学系 统，由此使得可以获得较薄的成像装置。在本发明实施例1中，使用 了一个非球面透镜。
在本发明实施例1中，将由四个成像传感器105， 106， 107和 108采集的四幅图像结合，以获得彩色图像。由包括计算装置的衬底 206执行图像结合，计算装置诸如DSP等。每个成像传感器包括多个 像素。为了结合由多个成像传感器获得的图像，必须为每个成像传感 器中包括的每个像素位置指定坐标。为每个像素指定的坐标需要原点 作为基准。
下面，对于实施例1的成像装置描述每个成像传感器的原点坐标 指定以及多个像素的坐标确定。
图4是高度准确示出本发明实施例1中成像装置的四个单透镜和
四个成像传感器之间位置关系的示意图。图5是示出本发明实施例1 中成像装置的四个单透镜和四个成像传感器之间 一般位置关系的示 意图。在图4和图5中，与图1至3中同样的部件用同样的附图标记 表示并不再说明。
在图4中，105， 106， 107和108表示成像传感器，且在每个成 像传感器中由网格线分开的单个方形表示像素。在图4中，为了简便， 只示出了9行xl3列像素，尽管成像传感器实际上包括更多像素。位 于单透镜IOI， 102， 103和104中每个的光轴以及成像传感器105, 106， 107和108中相应一个的交点上的像素用阴影标出。在图4的 配置中，单透镜IOI， 102， 103和104的光轴穿过各个相对应成像传 感器105， 106， 107和108的中心。在此情况下，位于每个成像传感 器中心的像素可以用作原点。每个成像传感器的像素使用原点作为基 准指派坐标。例如，在成像传感器105中，单透镜101的光轴穿过的 中心像素指派为坐标(O， 0)。成像装置105的像素在X方向具有从(一 6)到(+6)的范围，且在Y方向具有从(—4)到(+4)的范围的坐标。由 此，可以指定总共117个像素中每个的位置。类似的，在成像传感器 106， 107和108中，各个单透镜102， 103， 104的光轴穿过的中心 像素指定为坐标(O， 0)，并且该像素可以分别指派坐标。
例如图4的配置中，其中四个单透镜的光轴穿过相应四个成像传 感器中各个中心，需要相当高的组装准确度。传统技术中，已经提出 了使用四个透镜和四个成像传感器将四幅图像结合成一幅彩色图像。 例如，JP 2001-078213A， JP 2002-204462A和JP 2002-209226A根据
假设透镜光轴和成像传感器中心非常准确的位置关系，描述了一种成 像装置。
然而，每个像素具有2至3拜的边，因此，很难获得如图4所 示一致高精度的配置。总之，当将四个单透镜，四个成像传感器和其 他部件(例如滤色片等)装配在一起，四个单透镜的光轴不必穿过各个
成像传感器的中心像素。
在图5中，四个成像传感器105， 106， 107和108的配置相对于 图4中的配置偏移，且四个单透镜IOI， 102， 103，和104的配置相 对于图4中的配置轻微的旋转。在常规装配精度的情况下，每个透镜 系统的光轴不必穿过相应成像传感器的中心。将参照图5作为例子描 述本发明实施例l。在成像传感器105， 106， 107和108每个中，由 网格线隔开的每个单独方块表示像素。在图5中，为了简便，只示出 了9行xl3列像素，尽管成像传感器实际上具有更多的像素。位于每 个单透镜IOI， 102， 103和104的光轴以及成像传感器105， 106， 107和108中相应一个的交点上的像素用阴影标出。光轴上的像素可 以用作每个成像传感器的原点。使用原点作为基准，可以指定每个成 像传感器的像素的坐标。例如，在成像传感器105中，单透镜101的 光轴穿过的像素被指派为坐标(O， 0)。成像装置105的像素在X方向 具有从(一7)到(+5)的范围，且在Y方向具有从(一4)到(+4)的范围的 坐标。在成像传感器106中，单透镜102的光轴穿过的像素被指派为 坐标(O， 0)。成像传感器106的像素在X方向具有从(一6)到(+6)的 范围，且在Y方向具有从(一3)到(+5)的范围的坐标。类似的，使用 坐标(O， O)作为基准，在成像传感器107中的像素在X方向具有从(一 6)到(+6)的范围的坐标，且在Y方向具有从(一4)到(+4)的范围的坐 标。使用坐标(O， O)作为基准，在成像传感器108中的像素在X方向 具有从(—5)到(+7)的范围的坐标，且在Y方向具有从(—3)到(+5) 的范围的坐标。
当组装实施例1的成像装置时，单透镜的光轴和成像传感器之间 的位置关系并非是特别指定的。在将四个单透镜，四个成像传感器以 及其他部件(例如滤色片等)固定在壳体上之后，探测每个成像传感器 的原点(每个透镜的光轴上的像素)，将原点上像素的坐标指定为(O， 0)，并且指定其他大量像素的坐标。在装配之后，通过获得某物体的
图像并使用成像传感器采集的图像就可以探测每个成像传感器的原 点。例如，考虑了一种方法，其中获得远处物体的图像并在采集的图 像中将对应于特征点图像的像素指定为原点。
下面，描述实施例1中成像装置的原点探测方法。
图6A是示出探测实施例1成像装置中每个成像传感器的原点的 方法的示意图。图6B是示出本发明实施例1成像装置中每个成像传 感器的原点的附近的光强分布的示意图。
在图6A中，601表示组装后的成像装置，而602表示具有基本 白色的基本上的点光源。由每个成像传感器获得放置在基本上无穷远 的距离(g卩10m的距离)的基本上为白光源(例如縮小的灯泡)602的图 像。由于基本上的白光源发射绿色、红色以及蓝色光，所以所有的四 个成像传感器都获得光源的图像。
不仅是一个像素获得基本上在无穷远距离的基本上的白光源的 图像。例如，来自基本上在无穷远距离的基本上的白光源的光在每个 成像传感器的光接收表面具有图6B所示的光强度分布。在此情况下， 在接收来自光源的光的像素611、 612、和613中，接收最大光强的 像素612指定为成像传感器的原点。以此方式，可以探测每个成像传 感器的原点。例如，这些原点是图5中阴影表示的像素，即位于单透 镜的光轴和各个相应成像传感器的交点位置的像素。
优选以虚拟像素插值像素。在插值中，例如像素间的间隔分成两 份，三份或四份(或更多)。将虚拟的像素(多个像素)插入像素之间的 空隙。根据围绕虚拟像素的实际像素的光强估算虚拟像素的光强。结 果，可以更加准确的探测来自基本上无穷远距离的基本上的白光源的 光的光强分布，由此使得可以更准确的探测原点位置。
因此，在组装之后通过探测成像传感器的原点，不需要相当高精 度的组装，由此使得生产成像装置较简便。
此后，逐步描述实施例1的成像装置的生产方法。
(1) 四个单透镜IOI， 102， 103和104集成一体，制备四个成像装 置105， 106， 107和108，包括计算装置等的衬底206，诸如滤色片 201， 202， 203和204等的其他部件，以及壳体207。
(2) 四个单透镜集成一体，四个成像传感器，包括计算装置等的衬 底206，以及诸如滤色片等的其他部件附加到壳体上。在此情况下， 四个成像传感器设置在同一平面上的矩阵中，且集成一体的四个单透 镜设置为尽可能与该平面平行。然而，对于每个成像传感器对相应单 透镜的光轴的相对位置，不需要组装的高度精确。
(3) 这样组装的成像装置用于获得远距离处基本上白光源的图像。 在每个成像传感器中，探测具有接收光的最大光强的像素(或在像素 之间插值光强后，具有接收光最大光强的位置)，作为成像传感器的 原点。对于白光源，使用可以当作点光源的光源，诸如缩小的灯泡等。
(4) 将每个成像传感器的原点用作基准，以指定每个成像传感器中 其他许多像素的位置的坐标。
下面，描述实施例1成像装置的图像结合。
图13是示出本发明实施例1的成像装置的图像处理程序的流程图。
如图13所示，当开始图像处理程序时，在步骤S21，图9的视 差量化程序量化由于视差造成绿色辅助图像相对于绿色基准图像的 位移，作为G方向视差矢量(视差量化步骤)。在步骤S22，校正了绿 色辅助图像的R方向和B方向视差。在步骤S23中，校正蓝色图像 的B方向视差。在步骤S24，校正红色图像的R方向视差。
步骤S22至S24将使用图11中一个像素的视差的情况进行具体 描述。如上所述，G方向基本上与对角线方向一样，B方向基本上与 X方向一样，而R方向基本上与Y方向一样。因此，当视差为一个 像素大小的时候，G方向的视差校正基本上与对角线方向的校正一 样，B方向的视差校正基本上与X方向的视差校正一样，而R方向 的视差校正基本上与Y方向的视差校正一样。通过将绿色辅助图像 向与B方向相对的方向(一X方向)移动一个像素，并向与R方向相对 的方向(一Y方向)移动一个像素，就校正了绿色辅助图像的视差。艮P, 将绿色辅助图像中成像传感器106在坐标(m， n)的像素数据替换在坐 标(m—l， n—l)的像素数据。此外，通过将蓝色图像向与B方向相对 的方向(一X方向)移动一个像素，校正了蓝色图像的视差。即，将蓝
色图像中成像传感器108在坐标(m， n)的像素数据替换在坐标(m-l, n)的像素数据。此外，通过将红色图像向与R方向相对的方向(一Y 方向)移动一个像素，校正了红色图像的视差。即，将红色图像中成 像传感器105在坐标(m， n)的像素数据替换在坐标(m， n—l)的像素
他/, m数据。
然而，当物体接近于成像装置，使得视差较大时，就需要考虑B 方向和X方向间的微小区别，R方向和Y方向间的微小区别，以及 G方向和对角线方向间的微小区别。例如，当B方向相对于X方向 倾斜5度时，当X方向需要校正11或12个像素时，同时，Y方向需 要校正一个像素。
结果，绿色辅助图像、红色图像和蓝色图像的视差显著减小或消 除。在步骤S25中，结合绿色基准图像和校正的绿色辅助图像、校正 的蓝色图像和校正的红色图像。由于校正了图像的像素数据，使得绿 色辅助图像、蓝色图像和红色图像中每个的视差减小或消除，获得清 晰的彩色图像。
或者，由于绿色基准图像和绿色辅助图像基本上是同样的图像， 将绿色基准图像和校正的蓝色图像和校正的红色图像结合，以获得基 本上一样的清晰彩色结合图像，而不使用校正的绿色辅助图像。
对于安装在移动电话等上的成像装置，也需要诸如聚焦控制、防 止操作者抖动、放大图片(变焦图片)、近摄图片(近拍图片(macro picture))等的功能。为了获得这些功能，需要在垂直或平行于透镜系 统光轴的方向上改变透镜系统和成像传感器的相对位置。实施例1的 成像装置具有三维驱动装置，其可以在图1的Z、 X和Y方向上分别 精密地移动成像传感器。三维驱动装置的功能和结构将参照图14至 图19进行描述。
图14是示出本发明实施例1的成像装置的三维驱动装置的透视 图。图15是示出构成本发明实施例1的成像装置中三维驱动装置的 致动器的截面图。图16和图17是示出本发明实施例1的成像装置的 致动器驱动方法的示意图。图18和图19是示出本发明实施例1的成 像装置的致动器的操作的示意图。图20是示出本发明实施例1的成 像装置的另一致动器的截面图。在图14至20中，与图1至13相同 的部件使用同样的附图标记表示并不再进行说明。
在图14中，206表示包括计算装置的衬底，其上设置有成像传 感器105， 106, 107和108。 310和320表示第一致动器和第二致动 器，其在X方向上跨过衬底206设置。330和340表示第三致动器和 第四致动器，其在Y方向上跨过衬底206设置。第一到第四致动器 310， 320， 330和340在衬底206的中心周围以90度间隔设置在平 行于XY平面的平面上。
第一到第四致动器310， 320, 330和340具有同样的结构。第一、 第二、第三和第四致动器310， 320， 330和340包括振荡器311， 321， 331，和341以及分别彼此相连的弹簧部分312， 322， 332和342。 第一、第二、第三和第四致动器310， 320， 330和340中振荡器311， 321， 331，和341—侧的边缘固定在支撑部分300上。第一、第二、 第三和第四致动器310， 320, 330和340中弹簧部分312， 322， 332 和342 —侧的边缘连接到衬底206。支撑部分300可以是图2或3中 壳体207的一部分。
在图15中，振荡器311包括由传导弹性材料制成的弹性垫片材 料314，在其两侧附加有压电元件313a和313b。弹性垫片材料314 在支撑部分300和衬底206之间延伸。弹性垫片材料314的一部分形 成弹簧部分312，该部分从振荡器311向衬底206突出。类似的，振 荡器321包括由传导弹性材料制成的弹性垫片材料324，在其两恻附 加有压电元件323a和323b。弹性垫片材料324在支撑部分300和衬
底206之间延伸。弹性垫片材料324的一部分形成弹簧部分322，该 部分从振荡器321向衬底206突出。
压电元件313a、 313b、 323a和323b施加有在厚度方向(Z方向) 的极化，且电极(未示出)形成在其表面的上下。此后，将压电元件 313a、 313b、 323a和323b使用粘合剂等附加在弹性垫片材料314和 324上。考虑到极化和所施加电信号的关系，可以确定极化的方向。 在此实施例中，极化的方向与朝向作为中性面的弹性垫片材料314和 324的方向一致。因此， 一对压电元件附加在弹性垫片材料314和324 的表面的顶部和底部，其中该对压电元件具有彼此相对的极化方向。
弹簧部分312和322分别通过使弹性垫片材茅斗314和324成波浪 状而形成。尽管在此使得弹簧部分312和322成波浪状，但是线圈形 式的弹簧也可提供类似效果。或者，可以例如通过蚀刻掉其中一部分， 以产生较窄部分或较薄部分，从而将弹性垫片材料314和324成型， 由此使其具有弹簧特性。在此情况下，可以预期类似效果。
第一和第二致动器310和320的振荡器311和321侧的边缘固定 在支撑部分300上，其固定方式使得压电元件不插在支撑部件300之 间，并且只有弹性垫片材料314和324插在支撑部件300之间。其原 因如下所述。如果压电元件由支撑部分300直接保持，就会在振荡器 311和321震动的时候，在支撑部件300振荡器311和321 —侧的边 缘部分中插入的压电元件显著地产生较大压力，有可能使得压力轻易 超过压电元件的破坏点。使用支撑部分300，通过保持弹性垫片材料 314和324没有附加压电元件的一部分，就可以阻止在震动过程中压 电元件的折断，由此显著改善装置的可靠性。
下面，描述成像装置的操作。给压电元件313a和313b以这样一 种方式施加极性，使得获得以下效果。当图16(a)中所示信号施加在 压电元件313a和313b的外表面上的电极时，其中该压电元件313a 和313b贴在第一致动器310的振荡器311和弹性垫片材料314的顶
面和底面上(在压电元件313a和313b的弹性垫片材料314 —侧上的 电极贴在弹性垫片材料314上，使得可以与弹性垫片材料314相传 导)，压电元件313a和313b都取决于信号的电位而延伸。因此，如 图18所示，振荡器311变形以增加其长度。另外，对压电元件323a 和323b以这样一种方式施加极性，使得获得以下效果。当图16(b) 中所示信号施加在压电元件323a和323b的外表面上的电极时，其中 该压电元件323a和323b贴在第二致动器320的振荡器321和弹性垫 片材料324的顶面和底面上，压电元件323a和323b都取决于信号的 电位而收縮。因此，如图18所示，振荡器321变形以减少其长度。 振荡器311和321的上述变形使得在X方向介于振荡器311和321 之间的衬底206、和设置在其上的成像传感器105、 106、 107和108 在图18中箭头351表示的方向(X轴正方向)移动，显现出图16(c)示 出的位移行为。在图16(c)存在的振铃(ringing)现象由振荡器311和321 的共振导致，并且可以通过减少施加在压电元件上的电压的上升率而 减小。此外，通过对压电元件施加与上述极性的相反极性的驱动信号， 就可以在图18的箭头351所示的相反方向上移动衬底206和成像传 感器。
此外，图17(a)中所示信号施加在压电元件313a的外表面上的电 极和弹性垫片材料314之间，其中该压电元件313a在第一致动器310 的振荡器311中，而图17(b)中所示信号施加在压电元件313b外表面 的电极和弹性垫片材料314之间。在此情况下，压电元件313a延伸 而压电元件313b收缩。因此，振荡器311弯曲并如图19所示那样变 形。此外，图17(a)中所示信号施加在压电元件323a的外表面上的电 极和弹性垫片材料324之间，其中该压电元件323a在第二致动器320 的振荡器321中，而图17(b)中所示信号施加在压电元件323b的外表 面上的电极和弹性垫片材料324之间。在此情况下，压电元件323a 延伸而压电元件323b收縮。因此，振荡器321弯曲并与如图19所示
振荡器311的变形方向一样的方向变形。弹簧部分312、 322的效果 使得介于振荡器311和321之间的衬底206、和设置在其上的成像传 感器105、 106、 107和108在图19中箭头352表示的方向(Z轴正方 向)移动，显现出图17(c)示出的位移行为，同时保持水平状态。在图 17(c)存在的振铃现象由振荡器311和321的共振导致，并且可以通过 减少施加在压电元件上的电压的上升率而减小。此外，通过施加具有 对压电元件所施加上述极性的相反极性的驱动信号，就可以在图19 的箭头352所示的相反方向上移动衬底206和成像传感器。
因此，在X方向环绕衬底206的第一和第二致动器310和320 可以用于在垂直于透镜系统光轴的方向(X方向)，以及平行于透镜系 统光轴的方向(Z方向)上移动成像传感器105、 106、 107和108。
因此，如图14所示，通过使用第一到第四致动器310、 320、 330、 和340保持衬底206,就可以在平行于透镜系统光轴的方向上(Z方向) 以及垂直于透镜系统光轴的方向且彼此垂直的两个方向上(X和Y方 向)移动成像传感器105、 106、 107和108，其中第一到第四致动器 310、 320、 330和340设置在XY平面上并以衬底206为中心以90 度间隔环绕。结果，可以使得成像装置具有各种功能。
取决于震动的程度或频率，可以在支撑部分300中插入压电元 件。图20示出此例子。
在上述说明中，在一对第一和第二致动器310和320以及一对第 三和第四致动器330和340之中的任何一对可以省略，使得成像传感 器105、 106、 107和108在平行于透镜系统光轴的方向(Z方向)和垂 直于透镜系统光轴的方向上(X和Y方向)移动。
或者，单透镜IOI、 102、 103和104可以使用上述致动器保持， 使得单透镜IOI、 102、 103和104相对于壳体207移动，取代成像传 感器105、 106、 107和108的移动。
首先，将在实施例1中成像装置的多个功能之中，描述其聚焦控 制功能。
当物体位于远离成像装置时，设置在每个单透镜焦点位置的成像 传感器可以用于获得聚焦图像。在物体靠近成像装置时，成像传感器
需要从每个单透镜的聚焦位置移动。包括图14和15(或图20)的第一 至第四致动器310、 320、 330和340的三维驱动装置可以用于使成像 传感器在Z方向移动，如图19所示，由此获得聚焦的图像。
下面，描述实施例1成像装置的防止操作者抖动功能。 图21是示出本发明实施例1的成像装置的防止操作者抖动方法 的视图。
在实施例1的成像装置中，防止操作者抖动不需要图14至20的 上述三维驱动装置，而是使用电子防抖方法。假定每秒钟可以采集 30帧。就需要0.033秒采集一幅图像。在明亮环境中，在此采集时间 内可以充分获得清晰的图像。然而，在黑暗环境中，约0.033秒的采 集时间就不够，并需要更长的采集时间。在此情形下，在此采集时间 内很可能发生操作者抖动，导致可能未获得清晰图像。为了避免这种 情形，使用了下述成像方法。在黑暗环境中，每0.033秒采集一幅图 像(多次)。将成像传感器105、 106、 H)7和108在每次采集的四幅图 像结合，以获得多个彩色图像，该彩色图像与成像操作一一对应。多 次中每次的彩色图像可以使用参照图8至13所述的图像结合而获得。 下面，比较多次获得的彩色图像，并以这样一种方式叠加，使得每幅 图像之间的相匹配部分彼此重叠。结果，获得没有操作者抖动的清晰 彩色图像。
将参照图21描述照相机防抖。将成像传感器105、 106、 107和
108在第一成像操作(t-O秒)采集的四幅图像结合，以产生第一结合 彩色图像(A)。在经过约0.033秒后，将成像传感器105、 106、 107 和108在第二成像操作(t-0.033秒)采集的四幅图像结合，以产生第 二结合彩色图像(B)。在经过另一个约0.033秒后，将成像传感器105、 106、 107和108在第三成像操作(t二0.066秒)采集的四幅图像结合， 以产生第三结合彩色图像(C)。在经过另一个约0.033秒后，将成像传 感器105、 106、 107和108在第四成像操作(t-0.099秒)采集的四幅 图像结合，以产生第四结合彩色图像(D)。由于操作者抖动，第一到 第四结合四彩色图像(A)到(D)中的物体位置不同。比较第一到第四结 合四彩色图像(A)到(D)，并将其移动以进一步这样一种方式结合，使 得每个图像中的匹配部分彼此重叠。结果，甚至在物体从第一到第四 成像操作大约移动0.132秒时，获得如(F)所示的清晰彩色图像。这些 信号处理由包括计算装置如数字信号处理器(DSP)等的衬底206进 行。为了比较，(E)示出通过简单叠加获得的图像，所叠加的图像是 在四次没有防止操作者抖动的情况下采集的。由于操作者抖动，使得 图像(E)的物体不清楚。
或者,可以使用下面的成像方法。每隔约0.033秒采集图像(多次)。 将成像传感器105、 106、 107和108中每个在多次采集的多幅图像进 行比较，并将其移动以近一步结合，该结合的方法使得每个图像之间 匹配部分彼此重叠。结果，获得与四个成像传感器一一相应的四幅防 抖单色图像。下面，使用四幅单色进行参照图8至13所述的图像结 合，由此获得防抖的彩色图像。在此情^L下，将使用同一成像传感器 在不同时间采集的多幅图像叠加，以获得防抖单色图像时，在每个成 像传感器中的坐标关系需要匹配。为了获得此目的，例如使用第一采 集时间作为对四个成像传感器共同的基准时间。移动在第二和随后采 集时间采集的图像，以匹配第一图像，同时保持第一采集图像的坐标， 由此连续在第一图像上叠加图像。结果，在保持四个成像传感器中坐
标关系在第一时间的坐标上的时候，可以进行视差探测、视差校正、 以及视差校正图像的结合。不必多说,基准时间不限于第一采集时间,
并且可以是其他采集时间。如下参照图21描述防止操作者抖动的方 法。图像(A)到(D)是在第一到第四采集时间对于四个成像传感器中任 意一个所采集的图像，且图像(F)是通过结合图像(A)到(D)获得的防抖 单色图像，结合的方式使得图像(A)到(D)间的匹配部分彼此重叠，同 时保持第一采集图像(A)的坐标。
在上面的描述中，使用在不同时间(四次)采集的图像作为例子进 行防止操作者抖动。所采集图像的次数不限于四次。不必说，可以使 用在诸如两次，三次或五次或更多不同时间(多次)所采集的图像进行 防止操作者抖动。
这里，将示出实施例1成像装置的具体形状和大小。 图23A是根据本发明实施例1成像装置的例子的成像传感器和透 镜系统的顶视图。图23B是根据本发明实施例1成像装置例子的截 面图。在图23A和图23B中，与图l至22相同的部件使用同样的附 图标记表示并不再说明。
在图23A和图23B中，101、 102、 103和104的每个表示非球面 单透镜，该非球面单透镜为整体成形的。207表示用于成像装置的壳 体，整体成形的透镜系统和滤色片201、 202、 203和204固定在该壳 体上。遮光片205设置在相邻滤色片间的边界上，以阻止不同波段的 光混合。此外，壳体207保持第一到第四致动器310、 320、 330和 340中每个的一个边缘，致动器包括振荡器和弹簧部分(图23B中， 只示出第一和第二致动器310、 320)。第一到第四致动器310、 320、 330和340中每个的另一边缘由包括计算装置的衬底206支持。在衬 底206上，设置有成像传感器105、 106、 107和108。每个成像传感 器具有830行xl200列的像素(约一百万像素)。每个像素为具有2拜 边的方形。因此，每个成像传感器是具有X方向尺寸2.4mm、 Y方 向1.66mm的矩形。每个成像传感器的对角线长度为2.9mm。在例子 的成像装置中，相邻单透镜光轴之间的距离D和每个单透镜的焦距f
都是2.9mm。
当物体位于无限远距离时，在成像传感器设置在各个相应单透镜 的聚焦位置时获得物体的图像。当物体靠近成像装置时，在平行于其 光轴的方向，成像传感器远离各个单透镜移动。成像传感器的移动通 过图19所示的弯折第一至第四致动器的振荡器311、 321、 331和341 而实现。例如，当从成像装置到物体的距离A为20cm，由于每个单 个透镜的焦距为2.9mm，所以每个^;像传感器从其聚焦位置移动约 43nm。
通过对于由四个成像传感器采集的图像实施如图9至13所示的 图像结合(视差探测、视差校正，以及视差校正图像结合)，就获得清 晰的彩色图像。具体的说，估算视差的量。根据A-Dx(f/A)计算视 差A。当物体距离成像装置2.9m或更多时(A〉2.9m)，视差△为3拜 或更少，即1.5个像素的尺寸或更少。在此情况下，不需要视差校正， 而将由成像传感器105、 106、 107和108采集的图像简单结合。当物 体距离成像装置1.7m至2.9m时，视差△为3至5nm，艮卩1.5至2.5 个像素的尺寸。在此情况下，在执行一个像素的视差校正之后将图像 结合。对于一般的人物图片，可以通过一个像素的视差校正获得清晰 的彩色图像。对于远景，不需要视差校正。
在振荡器311、 321、 331和341中，如图18所示，越过衬底206 彼此相对的一对振荡器延伸/收缩，而如图22A和22B所示，成像传 感器在垂直于各个单透镜的光轴的方向上一起移动。移动量为l拜， 这是像素间距的一半。如图22A和22B所示，每个成像传感器中的 像素数目看上去是四百万，即，可以获得四次折叠的放大图像而没有 分辨率恶化。
在上述实施例1的成像装置中，用于采集绿色基准图像和绿色辅 助图像的一对成像传感器设置在对角线上以探测视差。本发明不限于 此。用于采集红色基准图像和红色辅助图像的一对成像传感器可以设
置在对角线上以探测视差。用于采集蓝色基准图像和蓝色辅助图像的 一对成像传感器可以设置在对角线上以探测视差。
尽管实施例1的成像装置包括四个成像单元，其中每个成像单元 包括一个光学系统和一个成像传感器，但该成像单元的数量不限于四 个。然而，该成像单元的数量为二个时，来自物体的光不可以分成三 原色，即红、绿和蓝波段，使得不能获得清晰的彩色图像。该成像单 元的数量为三个时，来自物体的光可以分成红、绿和蓝波段。然而， 对于红、绿和蓝波段的每个仅获得一幅图像。在此情况下，因此很难 使用上述实施例中的方法，其中将在同一波段的两幅图像进行比较以 探测视差，即，很难获得清晰的彩色图像。当成像单元的数目为五个 或更多时，设置这些单元的区域较大而且该结构是多余的，即，这不 是有效率的。
在上述实施例1的成像装置中，使用了四个独立的成像传感器。 成像传感器从物体接收光，并累积由于光电效应的信号。累积的信号 转移到计算装置等，在其中使得信号轮流经受信号处理，诸如图像结 合。总之，累积信号的转移速度随像素数目的增加而减少。通过使用 独立的成像传感器，可以将每个成像传感器的累积《言号独立地转移， 使得可以实现高速信号处理。
(实施例2)
将描述衍射光栅形成在透镜表面上的衍射光栅透镜。闪耀衍射光 栅在改进的效率方面是优选的。然而，相对于某个波段优化的闪耀光 栅(例如，绿色)具有相对于该波段的高衍射效率，但是对于其他波段 的效率较差(例如，红色或蓝色)，就造成不必要的光。成像系统需要 对绿色、红色和蓝色波段都具有高效率。因此，在成像系统中衍射光 栅的使用具有限制。
然而，实施例2的成像装置中，多个透镜系统和同样数量的成像
传感器以这样的方式设置，使得以与实施例1中一样的方式将成像传 感器设置在各个透镜系统的光轴上。每个透镜系统仅对应于一个红 色、绿色或蓝色波段。因此，可以使用对于每个波段优化的闪耀衍射
兀微o
图24是本发明实施例2的成像装置的截面图。与图1至23中一 样的部件使用同样的标号描述并不再说明。
在图24中，801、 802、 803和804表示衍射光栅透镜，其中每 个的衍射光栅形成在单透镜的表面上。其他部件与图23B的实施例1 中的部件一样，即具有同样功能。
总之，衍射光栅透镜比非球面透镜可以更好改善焦平面的变形。 具体的说，当使用衍射光栅时，甚至在成像传感器的边缘，都可以釆 集具有高分辨率的图像，就导致清晰的图像。此外，衍射光栅透镜可 以做得比非球面透镜更薄，由此可以减少成像装置的厚度。因此，携 带该成像装置的诸如移动电话等的便携装置可以做得较薄。
(实施例3)
尽管在实施例1中使用四个成像传感器，但可以使用分成四个成 像区域的单个成像传感器。
下面将描述本发明实施例3的成像装置的结构。
图25是根据本发明实施例3的成像装置的示意图。图26是示出 本发明实施例3的成像装置中的透镜系统和成像传感器的顶视图。图 27是本发明实施例3的成像装置的截面图。在图25至27中，与图1 至24相同的部件使用同样的附图标记表示并不再描述。
在图25中，成像装置具有四个单透镜101、 102、 103和104， 以及单个成像传感器900。与图1类似，单透镜101、 102、 103和104 的光轴109、 110、 111和112的方向称作Z轴，垂直于Z轴的方向称 作X轴，垂直于Z轴和X轴的方向称作Y轴。四个单透镜IOI、 102、103和104整体构造，例如，为玻璃或塑料整体形成。在实施例3中， 与在实施例1一样使用非球面透镜。或者，可以使用在实施例2中描 述的衍射光栅透镜801、 802、 803和804。
在图26中，单个成像传感器900分成四个成像区域卯1、卯2、 卯3和904。在图26中，在每个区域中只示出了9行xl3列的像素， 尽管成像传感器实际上包括更多像素。总之，在每个成像区域间还有 像素，这些像素没有使用或没有在实施例3中示出。四个单透镜101、 102、 103和104和成像传感器卯0以这样一种方式设置，使得单透 镜IOI、 102、 103和104的光轴109、 110、 111和112穿过各个相对 应成像区域901、 902、卯3和904中心的附近。在每个成像区域中， 单透镜IOI、 102、 103和104相应一个的光轴穿过的像素标出阴影。 如实施例1所示，光轴上的像素用作原点以指定在各个相应成像区域 中像素的坐标。可以使用图6A和6B中所示的方法探测原点。如图3 所示的实施例1中，实施例3的成像装置具有一个红色波段透射滤波 片，两个绿色波段透射滤波片，以及一个蓝色波段透射滤波片。
在图27中，在每个单透镜和对应成像区域之间设置滤色片。201 表示设置在单透镜101和成像区域901之间的红色波段透射滤波片。 202表示设置在单透镜102和成像区域902之间的绿色波段透射滤波 片。203表示设置在单透镜103和成像区域卯3之间的绿色波段透射 滤波片。204表示设置在单透镜104和成像区域904之间的蓝色波段 透射滤波片。205表示遮光片，其使得每个成像区域仅接收一个波段 的光，并阻止从滤色片反射的波段的光散射到其他滤色片中。206表 示包括诸如数字信号处理器(DSP)等计算装置的衬底，在该衬底上设 置有成像传感器900。 207表示用于该成像装置的壳体。
在图27中，衬底206和成像装置900示出为似乎在空中漂浮。 实际上，他们由在图14至20中描述的三维驱动装置支撑。四个单透 镜101、 102、 103和104和成像传感器900的相对位置可以在垂直和/或平行于各个单透镜光轴的方向上，使用三维驱动装置而改变。
在实施例3中的成像装置中，将四个成像区域901、 902、 903和 904所采集的四幅图像结合，以获得彩色图像。可使用图9至13所 示的方法而实现视差探测、视差校正以及结合视差校正的图像。此外， 可以使用实施例1中所示的方法实现聚焦控希lj、防止操作者抖动、放 大图片(变焦图片)成像等。在此情况下，成像区域901、卯2、 903和 卯4分别用作实施例1中的成像传感器105、 106、 107和108。上述 图像结合由包括例如DSP等计算装置的衬底206实施。
通过使用并将单个成像传感器分割成实施例3中的多个成像区 域，就不需要多个成像传感器的位置，使得装配简便且低价。
在实施例3中，将单个成像传感器分割成四个成像区域。或者， 可以使用两个成像传感器，且每个成像传感器可以分割成两个成像区 域，使得总共可以使用四个成像区域。
(实施例4)
在实施例1至3中，使用多个透镜系统且每个透镜系统仅对应于 绿色、红色和蓝色波长区域。因此，对于色差的要求可以减小，使得 可以縮短每个透镜系统的焦距。在实施例2中，通过在透镜表面上形 成衍射光栅以改善焦平面的变形，使得焦距可以进一步变得更短。
图28A至28B是示出透镜系统焦距和到成像传感器的光的入射 角之间的关系的视图。
图28A示出具有相对较长焦距的透镜911汇聚光到成像传感器 920边缘的状态。图28B示出具有相对较短焦距的透镜912汇聚光到 成像传感器920边缘的状态。从两幅图中可以看出，透镜的焦距越短， 到成像装置920的光的入射角越大。因此，为了生产较薄的成像装置， 改变透镜焦距以减小其焦距是有效的，此外，必须改变成像传感器使 得其可以接收具有较大入射角的光。
下面，描述可以接收具有较大入射角的成像传感器的结构。
图29为本发明实施例4的成像装置使用的成像传感器的截面图。
在图29中，1001表示微透镜，1002表示具有较高折射率的光学 材料(此后称作"高折射率材料")，1003表示具有较低折射率的光学材 料(此后称作"低折射率材料")，1004表示遮光部分，1005表示光接收 部分，1006表示硅衬底，而1007表示配线部分。在一个像素中，设 置有一个微透镜1001， 一个高折射率材料1002和一个光接收部分 1005。图29示出每个像素的截面。光倾向于被限制在具有高折射率 的部分中。来自物体的光，入射到微透镜1001上，透射通过高折射 率材料1002，到达光接收部分1005。在图29中，也由具有与高折射 率材料1002相同的高折射率的光学材料形成微透镜1001。如光路 1008所示，上述井(well)波导结构可以引导具有较大入射角的光到光 接收部分1005上。总之，高折射率材料1002优选具有1.8或更高的 折射率，而低折射率材料1003优选具有1.8或更少的折射率。
具有井波导结构的成像传感器，例如图29所示的，不仅对于实 施例1至4的具有多个透镜系统和多个成像区域的成像装置有效，还 对图33中的常规成像装置有效。
将描述诸如图29所示具有井波导结构的成像传感器的生产过程。
图30A至30L是示出本发明实施例4的成像4专感器的生产过程。 在图30A至30L中，与图29中同样的部件用同样的附图标记表示并 不再描述。
如图30A所示，首先与用于通常成像传感器的过程一样，光接收 部分1005,配线部分1007和遮光部分1004形成在硅衬底1006以及 在得到的结构上，形成一层低折射率材料1003(第一层)。作为低折射 率材料1003，例如可以使用折射率约为1.5的氧化硅。
下面，如图30B所示，使用镍等在低折射率材料1003上形成蚀
刻图案1009。蚀刻图案1009覆盖低折射率材料1003的顶面，除了 圆形或四边形开口 1010。开口 1010形成在对应于光接收部分1005 的位置上。
下面，如图30C所示，低折射率材料1003通过蚀刻去除，直到 到达开口 1010中的光接收部分1005,留下蚀刻图案1009。
下面，如图30D所示，去除剩余蚀刻图案1009，以形成圆形或 四边形的第一孔1011。
下面，如图30E所示，在第一孔1011中填充高折射率材料1002。 作为高折射率材料，可以使用仔!l如具有约2.0折射率的氮化硅。作为 填充过程，例如可以使用CVD法。
下面，如图30F所示，将得到的结构的顶面变平。作为变平的过 程，例如可以使用蚀刻或打磨。
下面，如图30G所示，在得到的结构的表面上形成低折射率材料 1003(第二层)。
下面，如图30B —样形成蚀刻图案，如图30C中一样以形成低 折射率材料1003中的第二孔1012。如在图30D中一样，去除蚀刻图 案以在低折射率材料1003中形成圆形或四边形第二孔1012，如图 30H所示。第二孔1012形成在对应于光接收部分1005和对应于第一 孔1011的位置，并具有直径大于第一孔1011直径的开口。
下面，如图30I所示，将高折射率材料1002按图30E所示填充 入第二孔1012中，且将得到的结构的顶面按图30F所示变平。
下面，如图30J中所示，在高折射率材料1002上形成光致抗蚀 剂层1013。
下面，如图30K所示，将光致抗蚀剂层1013用高温烘烤，以使 其顶面成为圆形。
下面，如图30L所示，光致抗蚀剂层10n、高折射率材料1002 和低折射率材料1003同时从顶上蚀刻掉。适当选择这些材料的蚀刻
率，以形成由高折射率材料1002形成的微透镜1001 。 因此，可以生产具有图29的结构的成像传感器。
形成如图29所示的井波导结构时，如果该孔的纵横比(孔深度/孔直径) 较大，则很难在没有空位置时而填充高折射率材料1002到该孔中。 根据本实施例的上述方法，高折射率材料1002的填充如图30E和301 所示的两步。因此，待在一个步骤中填充的孔的纵横比可以做的较小， 而高折射率材料1002可以充分填充在整个孔中。
当高折射率材l斗1002以两步填充时，在每个步骤中填充的孔的 直径，即上述实施例中第一孔1011和第二孔1012的直径，可以做成 彼此不同。因此，如上述实施例中，远离光接收部分1005的第二孔 1012的直径可以大于靠近光接收部分的第一孔1011的直径。以此结 构，外部光入射的区域可以比光接收部分1005的光接收区域更大。 因此，如图29中光路1008所示，倾斜入射微透镜1001的光可以有 效引导到光接收部分1005中，同时限制在高折射率材料1002之内。
(实施例5)
将描述移动电话，作为包括本发明成像装置的便携设备的例子。 图31A是包括本发明成像装置实施例的移动电话的正面图。图 31B是其侧面图。
在图31A和图31B中，1100表示移动电话，且1101表示在本发 明实施例1至4中任一所示的成像装置。由于本发明实施例1至4的 成像装置较薄，因此包括该成像装置的移动电话1100也可以较薄。 此外，本发明的成像装置具有焦距控制功能，该功能使得可以在不改 变透镜系统的情况下，获得从远景图片到近摄图片，并可以电子地执 行防止操作者抖动，并且可以进一步电子地获得放大的图片而没有分 辨率恶化。因此，可以提供具有多功能成像装置1101的较薄的移动
电话1100。
在防止操作者抖动中，如图21所示，多次采集图像，且得到的 多幅图像以这样一种方式结合，使得每幅图像之间的匹配部分彼此重 叠，导致清晰的物体图像。为了获得电子防抖功能，需要以高速率执 行图像处理，诸如从多幅图像等中识别出匹配的部分。
在图31A中，1012A和1012B为角速度传感器，其设置在成像 装置1101附近。该角速度传感器与通过机械运动透镜系统一部分而 实施常规防抖功能的光学系统中所使用的角速度传感器一样。角速度 传感器用于探测由于操作者抖动造成的成像装置微小运动。计算在采 集的图像中物体的运动量，并根据计算的结果，确定用于图像结合的 图像的运动量。或者，计算结果用于协助用于图像结合的图像的运动 量。结果，与只有采集的图像用于防抖的情况相比，可以获得快速的 防抖功能。
(实施例6)
参照图14至20描述的三维驱动装置不仅可以用于诸如实施例1 至3中所述的具有多个成像系统和多个成像区域的成像装置，还可以 用于在单光轴上装配复合透镜系统的成像装置。
图32是根据本发明实施例6的成像装置的截面图。在图32中， 与图1至31和图33的相同部件使用同样的附图标记标出并不再说 明。
在图32中，2001和2002的每个表示单透镜，2003表示滤波片， 2004成像传感器，而2005表示包括诸如数字信号处理器(DSP)等计 算装置的衬底。单透镜2001和2002、滤波片2003、成像装置2004 和衬底2005以这样一种方式设置在壳体2007中，使得透镜系统的光 轴2006基本上穿过成像装置2004的中心。来自物体的光通过壳体 2007的开口 2007a并进入壳体2007，通过透镜2001和2002汇聚到 成像传感器2004上。在此情况下，单透镜2001和2002以这样一种 方式适当结合，使得来自物体的光中所包含的红色波段光、蓝色波段 光和绿色波段光以同样的图像放大因子汇聚到同样的成像位置，由此 防止由于色差造成的采集图像的恶化。汇聚到成像传感器2004上的 光由该成像传感器2004转换为电信号，且该电信号通过衬底2005中 包括的计算装置处理。
为了获得远景图片和近摄图片，需要聚焦控制，以在平行于透镜 系统光轴2006的方向移动透镜系统和成像传感器的相对位置。此外， 在常规成像装置中，如图33所示，如果透镜系统和成像传感器的相 对位置可以如图22A和22B所示在平行于透镜系统光轴2006的方向 移动，就可以没有分辨率恶化而电子获得放大的图片(变焦图片)。在 图32中，使用实施例1中所述驱动装置改变透镜系统和成像传感器 的相对位置(见图14至20)，该驱动装置在平行于和垂直于光轴2006 的方向移动成像传感器。包括振荡器以及弹簧部分的两个致动器设置 为越过成像传感器2004彼此相对，或者可选的，四个致动器以成像 传感器2004为中心在其周围以卯度的间隔设置。致动器如图18和 19所示一样操作。通过使用驱动装置，可以使得具有常规复合透镜 的成像装置获得聚焦控制功能和电子放大图片功能。
除了成像装置2004，构成透镜系统的单透镜2001和2002的全 部或部分可以使用实施例1所述的驱动装置(见图14至20)在平行于 和垂直于光轴2006的方向移动。
实施例1至6在各个方面都应视作是示意性而不是限制性的。本 发明的范围由所附权利要求表示而非上述说明表示。在所附权利要求 的相等物的含义和范围内的所有变化都应包括其中。
本发明成像装置的应用领域没有特定限制。具体的，由于该成像 装置可以具有聚焦控制功能，防止操作者抖动功能以及放大图片功 能，本发明可以用于诸如移动电话等便携装置包括的成像装置。此外，
本发明可以应用于诸如监控摄像机，车内摄像机等等应用
权利要求
1.一种成像传感器包括多个像素；高折射率光学材料，设置在该多个像素中每个的光接收部分的光入射部分中；以及低折射率光学材料，设置在该高折射率光学材料周围，更靠近该光接收部分的高折射率光学材料的直径比在其光入射一侧上的高折射率光学材料的直径更小。
2. 根据权利要求1的成像传感器，其中该高折射率光学材料具 有1.8或更高的折射率，而该低折射率光学材料具有1.8或更低的折 射率。
3. —种成像装置，包括根据权利要求1的成像传感器和至少一 个光学系统。
4. 一种生产成像传感器的方法，包括在多个像素的光接收部分上形成低折射率光学材料的第一层； 在该第一层的光接收部分上的位置形成第一孔； 将高折射率光学材料填充入该第一孔中；在该第一孔中填充的高折射率光学材料上和该第一层上形成低 折射率光学材料的第二层；在面对该第二层的光接收部分的位置，形成第二孔；以及 将高折射率光学材料填充入该第二孔中。
5. 根据权利要求4的方法，其中该高折射率光学材料具有1.8或 更高的折射率，而该低折射率光学材料具有1.8或更低的折射率。
6.根据权利要求4的方法，其中该第一孔的开口直径小于该第 二孔的开口直径。
全文摘要
多个成像区域(105-108)，与多个光学系统(101-104)一一对应地设置，并且设置在各个光学系统的光轴上。每个成像区域(105-108)具有多个像素。该成像装置还包括原点探测装置，用于探测每个成像区域(105-108)的原点，像素位置指定装置，用于使用该原点作为基准指定每个成像区域(105-108)中包括的多个像素的位置，以及结合装置，用于结合由该各个成像区域(105-108)采集的多幅图像。由此，可以获得容易组装的较薄的成像装置。
文档编号H01L27/146GK101102410SQ20071014371
公开日2008年1月9日 申请日期2004年9月30日 优先权日2003年10月22日
发明者今田胜巳, 永岛道芳, 西胁青儿 申请人:松下电器产业株式会社