专利名称：包括相位差检测像素的成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括相位差检测像素的成像装置，更具体地讲，涉及一种包括被布置为用于检测相位差并捕获图像的相位差检测像素的成像装置。
背景技术：
一些图像捕获装置使用相位差检测像素来执行自动聚焦(AF)。通过在成像像素之间添加相位差检测像素进行相位差检测。从相位差检测像素输出的信号被用于检测由不同相位差检测像素产生的信号之间的相位差。检测的相位差可被用于执行AF。因为相位差检测像素的输出可能与正常的图像捕获像素的输出不同，所以相位差检测像素通常仅被用于检测相位差，而不用于捕获图像。与由不使用相位差检测像素的图像捕获装置捕获的图像相比，这会降低捕获的图像的质量。
另外，用于相位差检测像素的开口较小，使得难以在低亮度下执行AF。发明内容
因此，本领域中需要一种接收由光学系统形成的图像并包括被二维布置为用于执行捕获和检测相位差的多个像素的成像装置，所述成像装置包括第一光电转换像素行； 以及第二光电转换像素行，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得针对用于相位差检测的多个像素中的每个像素而形成的电路相对于光电转换像素的开口彼此相对地布置。所述成像装置的所有像素可输出用于获取相位差的信号。
第一光电转换像素行第二光电转换像素行均可包括形成在多个光电转换像素的每一个中的晶体管电路，其中，所述多个光电转换像素共享晶体管电路中的放大电路或复位电路。
针对用于相位差检测的多个像素中的每个像素而形成的电路可包括从由传输电路、复位电路、放大电路和配线电路构成的组中选择的至少一个。
第一光电转换像素行和第二光电转换像素行可均被布置为使得微透镜形成在多个光电转换像素的每一个上，并且开口形成在微透镜和光电转换单元之间，其中，开口相对于微透镜的光轴被偏心地形成，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行处于彼此相反的方向上。
第一光电转换像素行和第二光电转换像素行可均被布置为使得掩模形成在除了多个光电转换像素被形成的区域之外的区域中。
构成第一光电转换像素行和第二光电转换像素行中的每一个的像素可由滤色器形成，其中，所述像素以Bayer模式被配置以形成Bayer模式像素单元，其中，Bayer模式像素单元构成第一光电转换像素行和第二光电转换像素行中的每一个。
根据本发明的另一方面，提供一种接收由光学系统形成的图像并包括被二维布置为用于执行捕获和检测相位差的多个像素的成像装置，所述成像装置包括第一光电转换像素行；以及第二光电转换像素行，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得以Bayer模式布置的每四个像素形成的电路处于相位差检测方向上。
第一光电转换像素行和第二光电转换像素行可均被布置为使得掩模形成在除了多个光电转换像素被形成的区域之外的区域中。
根据本发明的另一方面，提供一种接收由光学系统形成的图像并包括被二维布置为用于执行捕获和检测相位差的多个像素的成像装置，所述成像装置包括第一光电转换像素行；以及第二光电转换像素行，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得在用于相位差检测的每个像素中形成的电路相对于光电转换像素的开口彼此相对地布置，并且以Bayer模式布置的每四个像素形成的电路处于相位差检测方向上。
第一光电转换像素行和第二光电转换像素行可均被布置为使得掩模形成在除了多个光电转换像素被形成的区域之外的区域中。
根据本发明的另一方面，提供一种接收由光学系统形成的图像并包括被二维布置为用于执行捕获和检测相位差的多个像素的成像装置，所述成像装置包括第一光电转换像素行；以及第二光电转换像素行，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得在用于相位差检测的每个像素中形成的电路相对于光电转换像素的开口彼此相对地布置，并且多个光电转换像素共享在所述多个光电转换像素的每一个中形成的晶体管电路的放大电路或复位电路。
第一光电转换像素行和第二光电转换像素行可均被布置为使得掩模形成在除了所述多个光电转换像素被形成的区域之外的区域中。
根据本发明的另一方面，提供一种接收由光学系统形成的图像并包括被二维布置为用于执行捕获和检测相位差的多个像素的成像装置，所述成像装置包括第一光电转换像素行；以及第二光电转换像素行，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被 布置为使得在用于相位差检测的每个像素中形成的电路相对于用于相位差检测的像素的开口彼此相对地布置，并且在不执行相位差检测的每个像素中形成的电路相对于所述像素的开口沿相同的方向布置。
第一光电转换像素行和第二光电转换像素行可均被布置为使得微透镜形成在所述多个像素的每一个上，并且开口形成在微透镜和光电转换单元之间，其中，开口相对于微透镜的光轴被偏心地形成，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行沿彼此相反的方向。
通过参照附图详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其他特点和优点将变得更加清楚，其中
图1是示出根据本发明实施例的包括成像装置的数字图像处理装置的示例的结构的框图2是根据本发明实 施例的用于解释通过使用图1的成像装置而进行的相位差像素的AF原理的示图3A和图3B是根据本发明实施例的用于解释根据图2的光接收像素的相位差的曲线图4是示出构成普通成像装置的像素的结构的示图5是示出根据本发明实施例的其中掩模被安装在开口中的相位差成像装置的像素的结构的示图6A和图6B是示出根据本发明实施例的图5的成像装置的像素的位置和成像透镜之间的关系的示图
；
图位差像素；
图像素的示例
图置的示例；
图
图7示出了成像装置的普通Bayer模式像素结构；8是示出基于图7的Bayer模式像素结构的用于相位差检测的像素的布置的示 9A和图9B示出了根据本发明实施例的沿水平方向配置的成像装置的示例的相 IOA和图1OB示出了根据本发明实施例的沿垂直方向配置的成像装置的相位差 IIA和图1lB示出了根据本发明实施例的图9A和图9B的相位差像素的垂直配12是示出根据本发明实施例的成像装置的基本像素结构的电路图的示例；13是具体示出根据本发明实施例的在硅基底上布置的图12中示出的像素的光电转换部分的电路图的示例；
图14是示出包括普通晶体管的一个示例的成像装置的像素的结构的示例的电路图15是 示出包括普通晶体管的另一示例的成像装置的像素的结构的示例的电路
例；
的示例。图16是普通成像装置的示例的电路平面图；图17是根据本发明实施例的成像装置的示例的电路平面图；图18是根据本发明另一实施例的成像装置的示例的电路平面19是根据本发明另一实施例的成像装置的示例的电路平面20是根据本发明另一实施例的成像装置的示例的电路平面21示出了根据本发明实施例的配置了多个不同相位差像素的成像装置的示图22示出了根据本发明实施例的配置了普通成像像素和相位差像素的成像装置具体实施方式
由于本发明允许各种改变和许多实施例，因此将在附图中示出特定实施例，并且在书面描述中详细地描述特定实施例。然而，这并非意在将本发明限制到实践的具体模式， 而应被理解为不脱离本发明的精神和技术范围的所有改变、等同物和替代包含在本发明中。在对本发明的描述中，当认为现有技术的特定详细的解释可能不必要地模糊本发明的本质时，省略现有技术的特定详细的解释。
当诸如“第一”、“第二”等术语可能被用于描述各种组件时，这种组件不必限于以上术语。以上术语仅被用于区分一组件与另一组件。
在说明书中使用的术语仅被用于描述具体实施例，并非意在限制本发明。在单数中使用的表达包含复数的表达，除非其在上下文中具有明确不同的含义。在说明书中，应理解，诸如“包括”或“具有”等术语意在指示说明书中公开的特征、数量、步骤、动作、组件、 部分或它们的组合的存在性，并非意在排除可存在或可添加一个或多个其他特征、数量、步骤、动作、组件、部分或它们的组合的可能性。
现在将参照附图更加全面地描述本发明，在附图中示出本发明的实施例。在附图中，相同的参考标号表示相同的元件，因此，其详细描述被提供一次。如在此使用的，术语 “和/或”包括一个或多个相关的列出的项目的任何组合和所有组合。
图1是示出根据本发明实施例的包括成像装置的数字图像处理装置100的结构的示例的框图。
参照图1，透镜可与数字图像处理装置100分离，但成像装置108与数字图像处理装置100以集成的方式被配置。另外，包括成像装置108的数字图像处理装置100可执行相位差自动聚焦(AF)和对比度AF。
数字图像处理装置100包括成像透镜101，成像透镜101包括聚焦透镜102。数字图像处理装置100通过聚焦透镜102的操作具有聚焦检测能力。成像透镜101包括操作聚焦透镜102的透镜操作单元103、检测聚焦透镜102的位置的透镜位置检测单元104和控制聚焦透镜102的透镜控制单元105。透镜控制单元105将关于聚焦检测的信息发送到数字图像处理装置100的CPU106。
数字图像处理装置100包括成像装置108，因此捕获入射到成像透镜101上并透射过成像透镜101的光，从而产生图像信号。成像装置108可包括以矩阵形式布置的多个光电转换单元(未示出)和从光电转换单元传输电荷以读取图像信号的传输路径(未示出)。
成像装置控制单元107产生时序信号，从而控制成像装置108捕获图像。另外，当在多条扫描线的每条扫描线上电荷的积聚终止时，成像装置控制单元107依次读出图像信号。
读出的图像信号经由模拟信号处理单元109通过A/D转换单元110被转换为数字图像信号，并且随后被输入到图像输入控制器111，并在图像输入控制器111中被处理。
输入到图像输入控制器111的数字图像信号经过分别由AWB检测单元116、AF检测单元117和AF检测单元118执行的自动白平衡(AWB)、自动曝光(AE)和AF计算。AF检测单元118在AF期间输出相对于对比度值的检测值，并在相位差AF期间将像素信息输出到CPU 106，从而允许在CPU 106中执行相位差计算。可通过计算多个像素行信号之间的相关性来获得由CPU 106执行的相位差计算。作为相位差计算的结果，可获得焦点的位置或方向。
图像信号还可被存储在同步动态随机存取存储器(SDRAM) 119 (即，暂时存储器) 中。数字信号处理单元112执行诸如伽马校正的一系列图像信号处理操作，以创建可显示的实时取景图像或捕获的图像。当执行图像信号处理时，压缩/解压单元113以JPEG压缩格式或H. 264压缩格式对图像信号进行压缩或者对图像信号进行解压。包括压缩/解压单元113中被压缩的图像信号的图像文件经由媒体控制器121被发送到存储卡122，以被存储在存储卡122中。
用于显示的图像信息被存储在视频RAM(VRAM) 120中，并且图像经由视频编码器 114被显示在IXD 115上。用作控制单元的CPU 106控制数字图像处理装置100的每个单元的总体操作。电可擦除可编程只读存储器(EEPROM) 123存储并保持用于校正成像装置 108的像素的缺陷的信息或关于像素缺陷的调整信息。操纵单元124是输入用户的各种命令以操纵数字图像处理装置100的单元。操纵单元124可包括各种按钮，诸如快门释放按钮(未示出)、主按钮(未示出)、模式拨盘(未示出)、菜单按钮(未示出)等。
图2是根据本发明实施例的用于解释通过使用图1的成像装置108而进行的相位差像素的AF原理的示例的示图。
参照图2，对象的已透射通过成像透镜11的光透射通过微透镜阵列14以入射到光接收像素R(15)和L(16)上。用于限制成像透镜11的光瞳(pupil) 12和13的掩模17和 18或者受限制的开口分别形成在光接收像素R(15)和L(16)的多个部分中。在成像透镜 11的光瞳12和13中，来自位于成像透镜11的光轴10上方的光瞳12的光入射到光接收像素L(16)上，来自位于成像透镜11的光轴10下方的光瞳13的光入射到光接收像素R(15) 上。通过微透镜阵列14反向传输到光瞳12和13的光入射到光接收像素R(15)和L(16) 上，这被称为光瞳划分(pupil division)。
在图3A和图3B中示了出经过微透镜阵列14通过光瞳划分光接收像素R(15)和 L(16)的连续输出的示例。在图3A和图3B中，水平轴表示光接收像素R(15)和L(16)的位置，垂直轴表示光接收像素R(15)和L(16)的输出值。参照图3A和图3B，示出了光接收像素R(15)和L(16)的输出的图表现出相同的形状，但相对于位置表现出不同相位。这是因为来自成像透镜11的偏心地形成的光瞳12和13的光的图像形成位置彼此不同。因此，当来自偏心地形成的光瞳12和13的光的焦点彼此不一致时，如图3A中所示，光接收像素R(15) 和L(16)表现出输出相位差。另一方面，当来自偏心的光瞳12和13的光的焦点彼此一致时，如图3B中所示，图像在相同的位置被形成。另外，可从聚焦差异确定聚焦的方向。焦点前移指示对象处于前聚焦状态并如图3A中所示。参照图3A，光接收像素R(15)的输出的相位比处于聚焦状态时的光接收像素R(15)的输出的相位更向左偏移，光接收像素L(16)的输出的相位比处于聚焦状态时的光接收像素L(16)的输出的相位向右进一步偏移。反之， 焦点后移指示对象处于后聚焦状态。在这种情况下，光接收像素R(15)的输出的相位比处于聚焦状态时的光接收像素R(15)的输出的相位更向右偏移，光接收像素L(16)的输出的相位比聚焦状态中的光接收像素L(16)的输出的相位更向左偏移。光接收像素R(15)和 L (16)的相位之间的偏移量可被转换为焦点之间的偏移量。
图4是示出构成普通成像装置的像素的结构的示例的示图。
参照图4，示出了两个像素。所述两个像素包括微透镜21、表面层22、滤色层23、 布线层24、光电二极管层25和基底层26。所述附图被以简化的方式示出。
来自对象的光经由微透镜21进入每个像素的光电二极管层25，每个像素的光电二极管层25中的光电二极管产生用作像素信息的电荷。产生的电荷通过布线层24被释放。这样的来自对象的入射光是已透射通过成像透镜的出瞳的所有光，并且与像素位置对应，可获得与对象位置对应的亮度信息。通常，滤色层23可以是包括红(R)、绿(G)和蓝(B)的像素的层。此外，滤色层23可包括青(C)、品红(M)和黄(Y)的像素。
图5示出用于获得图2中示出的R和L像素的信号的相位差像素的垂直配置的示例，其中，掩模27和28被安装在图4的成像装置108的开口中。用于相位差检测的R和L 像素分别被称为SI和S2。在图5中，SI和S2分别包括均插入在微透镜21和光电二极管层25之间的用于R像素的掩模27和用于L像素的掩模28。然而，掩模27和28的位置不限于图5中不出的不例。例如，掩模27和28可被插入在微透镜21和光电二极管层25之间的某处。在图5中，微透镜21的光轴均由点划线表示，光从微透镜21入射而通过的路径均由虚线表不。入射到光电二极管层25上的光的量被掩模27和28关于微透镜21的光轴限制了 50%。
图6A和图6B是示出根据本发明实施例的图5的成像装置的像素的位置和成像透镜之间的关系的示例的示图。
图6A示出了成像透镜31、图5的成像装置的R像素(SI) 33、掩模34的俯视图和光瞳32。图6B示出成像透镜36、图5的成像装置的L像素(S2)38、掩模39的俯视图和光瞳37。在这方面，掩模34和39均具有关于成像透镜31和36的光轴50%的孔径比。
图6A和图6B中示出的R像素(SI) 33和L像素(S2) 38可彼此相邻布置，但不是必须的。另外，图6A和图6B示出了布置在成像透镜31和36的光轴附近的像素的配置。如果像素被布置得进一步远离成像透镜31和36的光轴，则为了校正cos4 Θ法则，成像透镜 31和36的光轴的位置以及掩模34和39向屏幕的外部方向偏移。
图7示出了成像装置的普通Bayer模式像素结构的示例。
参照图7，布置了三种颜色(即，红(R)、绿(G)和蓝(B))的滤色器，并将4个像素配置为一个单元。在这方面，在所述单元中布置了两个G像素。在图8中示出基于图7的 Bayer模式像素结构的用于相位差检测的像素的布置。
参照图8，布置了普通的Bayer模式像素BYl和BY2，并且包括用于相位差检测的R 像素(SI)的PHl和包括用于相位差检测的L像素(S2)的PH2被布置在BYl和BY2之间。 传统上，使用G Bayer模式像素来布置相位差像素。但是，难以通过使用G像素来执行针对普通Bayer布置的插值计算，因此，SI和S2像素被视为缺陷像素，使得SI和S2像素没有被有效地使用，并且与使用不具有相位差像素的普通成像装置捕获的图像的质量相比， 使用包括相位差像素的成像装置捕获的图像的质量下降。另外，与普通像素相比，相位差像素需要具有50%或小于50%的孔径比，因此，入射到相位差像素上的光的量是50%或小于 50%。减小的孔径比会使得难以在低亮度下执行AF，这会使得拍摄困难。
因此，在根据本发明实施例的成像装置中，将像素电路配置为使得在像素电路的所有像素中执行相位差检测，由此，获得没有像素缺陷的良好的图像质量，并 且可在所有像素中执行相位差检测。另外，相位差像素的开口区域不用被制作的较小，并且即使在低亮度下也可执行AF。在图9A和图9B中仅示出了成像装置的示例的16个像素的配置。
图9A和图9B示出了根据本发明实施例的沿水平方向配置的成像装置的相位差像素。图9A示出了在R像素(SI)中的R、G和B的滤色器以及在L像素(S2)中的R、G和B 的滤色器的配置，图9B示出了光电转换开口的布置。在图9A中，RLa表示L像素的开口形成在R滤色器中。GLa和BLa分别表示L像素的开口形成在G滤色器和B滤色器中。RRa、 GRa和BRa分别表示R像素的开口形成在R滤色器、G滤色器和B滤色器中。图9B示出均具有关于成像透镜31和36的光轴大约50%的孔径比的R和L像素，R和L像素的每个开口不接触光轴，或者接触但不包括光轴。为便于解释，图9B中示出的开口被称为“A型开口”，因此，水平方向上的相位差像素的配置被称为HA。
在图9A和9B中，L像素被布置在第一行41和第二行42，R像素被布置在第三行 43和第四行44。如图3A和3B所示，获得第一行41和第二行42的像素的像素行信号或第一行41和第二行42的L像素的像素行信号之和(合并输出)以及第三行43和第四行44 的像素的像素行信号或第三行43和第四行44的像素的像素行信号之和(合并输出)，以计算R和L像素之间的相位差。获得像素行信号作为水平方向上的行图像。因此，可检测水平方向上具有对比度改变的图像。HA配置中的像素行由均具有关于成像透镜31和36(见图6A和图6B)的光轴大约50%的孔径比的像素组成，所述像素的每个开口不接触光轴，或者接触但不包括光轴。因此，相邻像素之间不会发生串扰，并且可从关于相位差的信息来获得对象的水平方向上的焦点的位置。
图1OA和图1OB示出了根据本发明实施例的沿垂直方向配置的成像装置的相位差像素。
图1OA示出了 R像素(SI)中的R、G和B滤色器以及L像素(S2)中的R、G和B滤色器的配置的示例，图1OB示出了光电转换开口的布置。在 图1OA中，RLa表示L像素的开口形成在R滤色器中。GLa和BLa分别表示L像素的开口形成在G滤色器和B滤色器中。 RRa、GRa和BRa分别表示R像素的开口形成在R滤色器、G滤色器和B滤色器中。图1OA和图1OB示出了均具有关于成像透镜31和36 (见图6A和图6B)的光轴大约50%的孔径比的 R和L像素，R和L像素的每个开口不接触光轴，或者接触但不包括光轴。垂直方向上的相位差像素的配置被称为VA。
在图1OA和图1OB中，L像素沿第一行51和第二行52布置,R像素沿第三行53和第四行54布置。图1OA中的行被垂直布置，并且为了与其他布置的一致性，其将被称为行， 而不是列。第一行51和第二行52的像素的像素行信号或第一行51和第二行52的L像素的像素行信号之和(合并输出)以及第三行53和第四行54的像素的像素行信号或第三行 53和第四行54的像素的像素行信号之和(合并输出)如图3A和图3B所示被获得，以计算 R和L像素之间的相位差。
像素行信号被获得，作为垂直方向上的行图像。VA配置中的像素行信号可被用于检测在垂直方向上具有对比度改变的图像，因此，可从关于相位差的信息来获得对象的垂直方向上的焦点的位置。
图1IA和图1lB分别示出了根据本发明实施例的图9中示出的HA配置的RLa和 GLa像素以及RRa和GRa像素的各个垂直配置的示例。
参照图1IA和图1IB，RLa和RRa像素中的每一个以及GLa和GRa像素中的每一个包括滤色层23，其中，RLa和RRa像素中的滤色层23是R滤色器，GLa和GRa像素中的滤色层23是G滤色器，并且RLa和GLa像素均包括用于L像素的掩模28，RRa和GRa像素均包括用于R像素的掩模27。当掩模27和28的大小与普通成像装置的像素的大小相同时，掩模27和28与微透镜21之间的位置关系不同于普通成像装置中的掩模和微透镜之间的位置关系。微透镜21的光轴分别从开口的中心被偏心地形成，并且开口接触但不包括光轴。 在图1lA和图1IB中，掩模27和28相对于光轴形成在非开口侧，使得不必要的光不入射在开口上。参照图1lA和图11B，与图5中示出的R和L像素相似，RLa和GLa像素以及RRa 和GRa像素均包括布线层24、光电二极管层25和基底层26 ;然而，与图5的R和L像素不同，图11的像素包括晶体管电路。
图12是示出根据本发明实施例的成像装置的基本像素结构的电路图。
参照图12，成像装置的基本像素结构的示例包括掩埋型光电二极管H)、晶体管 Trl (其源极连接到ro的阳极)、晶体管Tr2 (其源极连接到晶体管Trl的漏极)、晶体管 Tr3(其栅极连接到与晶体管Trl的漏极和晶体管Tr2的源极连接的接入节点)和晶体管 Tr4 (其漏极连接到晶体管Tr3的源极)。直流电压VPS被施加到光电二极管H)的阴极和晶体管Trl至Tr4的背栅极，直流电压(VPD2、VPD)分别被施加到晶体管Tr2和Tr3中的每一个的漏极。ΦΤΧ信号、(tRS信号和Φν信号被分别施加到晶体管Trl、Tr2和Tr4的栅极。 不必要的电荷被晶体管Tr2初始复位，由光电二极管H)产生的电荷被迁移到晶体管Trl的浮置扩散层FD，所述电荷被晶体管Tr3放大，通过晶体管Tr4选择像素，并且所述像素的信号从垂直输出线LV输出。
图13是具体示出根据本发明实施例的在硅基底上布置的图12中示出的像素的光电转换部分的示例的电路图。
参照图13，N型层61掩埋在P型基底或P型阱层60中，P型层62形成在N型层 61上,从而完成掩埋型光电二极管F1D的形成。包括绝缘层63和栅极电极64的传输门TG 形成在与掩埋型光电二极管H)形成的区域相邻的区域的表面上，N型浮置扩散层FD形成在与传输门TG形成的区域相邻的区域的下方，包括绝缘层65和栅极电极66的复位栅极RG 形成在与N型浮置扩散层FD相邻的区域的表面上，N型扩散层D形成在与复位栅极RG形成的区域相邻的区域的下方。掩埋型光电二极管H)被形成，使得高浓度的P型层62形成在N型层61 (N型层61是掩埋型层)的表面上。另外，N型层.61、N型浮置扩散层FD和传输门TG构成晶体管Trl，N型浮置扩散层FD、N型扩散层D和复位栅极RG构成晶体管Tr2。 晶体管Tr3的栅极连接到N型浮置扩散层FD，换言之，多个像素中的每一个包括4个晶体管以及光电转换部分。这被称为4-Tr结构的像素。这样的像素结构在半导体制造处理中需要较大的区域，因此，可用于光电转换的区域受到限制。另外，除了光电转换开口之外，有必要制作各种晶体管和布线电路。因此，在每个像素中电路通常挨着光电转换单元而形成，并且电路的布置在所有的像素中是相同的。也就是说，在所有的像素中，电路沿同一方向挨着光电转换开口而形成。在本发明的实施例中，光电转换开口和电路的布置被优化。
同时，随着近来成像装置的像素的数量增加并因此难以获得开口的区域，存在晶体管形成在像素之间而不是形成在每个像素中来获得开口的区域的许多这样的情形。例如，图14示出了四个像素共享复位晶体管和放大晶体管并且选择晶体管选择传输晶体管的电路的示例。
参照图14，晶体管Trl、Tr2、Tr3和Tr4分别针对光电二极管PD1、PD2、PD3和PD4 而形成，并分别连接到传输时序信号TX1、TX2、TX3和ΤΧ4。另外，复位晶体管Tr5连接到复位信号RS。四个像素共享复位晶体管Tr5和放大晶体管Tr6。在图.14中，四个像素共享6 个晶体管，因此，它们可被称为1.5-Tr结构的像素。对于两个像素共享的情况，例如，可使用2. 5-Tr结构或2-Tr结构。图14示出了沿垂直方向布置的四个像素共享复位晶体管Tr5 和放大晶体管Tr6的情形，但本发明不限于以上示例。例如，图15示出了布置在上侧、下侧、左侧和右侧的四个像素共享复位晶体管Tr5和放大晶体管Tr6的情形。参照图15，电路的组件的数量与图14中的数量相同。通常，以相同的模式沿垂直和水平方向重复地配置这些像素，每个像素按照正方形方式布置，并且沿特定方向布置晶体管的电路。
图16是普通成像装置的电路平面图的示例。参照图16，两个像素共享复位晶体管和放大晶体管。换言之，图16示出了其中光电二极管roil和TO21共享复位晶体管TrRll 和放大晶体管TrAll的两个像素单元。图16仅示出了包括16个像素的8个单元，但成像装置108实际包括更多个重复配置的单元，例如，2千万个像素。包括光电二极管H)11、PD12、 PD21和TO22的四个像素处于Bayer模式下，并且R、G和B滤色器形成在光电二极管上。另外，仅在光电二极管上具有开口的掩模存在于平面视图上。微透镜形成在掩模上。时序信号在每个光电二极管的周围被发送。用于传输时序的信号线TXl和TX2以及用于复位的复位信号线RES沿水平方向布线，像素信号读出线LV1、LV2、LV3和LV4沿垂直方向布线，这样的配置被重复呈现。
参照图16，传输晶体管Trl I和Tr21分别位于光电二极管HHl和TO21的左侧。传输晶体管Trll的一侧通过垂直线连接到光电二极管PD11，传输晶体管Tr21的一侧通过垂直线连接到光电二极管TO21，复位晶体管TrRll位于传输晶体管Trll和Tr21的前面。传输晶体管Trll和Tr21同时连接到放大晶体管TrAll，输出侧连接到像素信号读出线LV1。
光电二极管roil和TO21的输出通过水平信号TXl和TX2的时序被切换。传输晶体管Trll和Tr21选择性地传输光电二极管HHl和PD21的输出，放大晶体管TrAll选择性地放大光电二极管I3Dll和TO21的输出。复位晶体管TrRll将光电二极管HHl和TO21 复位。在示出的示例中，所有的像素、所有的电路和晶体管的线位于光电二极管的左侧，光电二极管在水平方向和垂直方向这两方向上以相等的间隔被周期性地布置。
图17是根据本发明实施例的成像装置的示例的电路平面图。图17示出了图9中示出的HA配置以及两个像素共享复位晶体管和放大晶体管。参照图17，包括光电二极管 RLa41、GLa31、GLa42和BLa32的四个像素表示包括以Bayer模式布置的R、G、G和B像素的单元。Bayer模式像素结构与相位差像素(即，L像素)对应，并构成相位差计算中的第一像素行。包括光电二极管RRa22、GRal2、GRa23和BRal3的四个像素表示包括处于Bayer模式的R、G、G和B像素的单元，Bayer模式像素单元结构与相位差像素(即，R像素)对应， 并构成相位差计算中的第二像素行。
在相位差检测中，包括第一像素行的光电二极管RLa41和GLa31的像素与包括第二像素行的光电二极管RRa22和GRal2的像素对应。类似地，包括第一像素行的光电二极管GLa42和BLa32的像素与包括第二像素行的光电二极管GRa23和BRal3的像素对应。虽然用于第一像素行和第二像素行的读出线彼此不同，但是在相关性计算中利用暂时存储在存储器中的像素信号，因此，这并不重要。
传输晶体管Tr41和Tr31分别位于L像素的光电二极管RLa41和GLa31的左侧。 传输晶体管Tr41和Tr31的输出通过布线彼此连接并连接到复位晶体管TrR31。另外，传输晶体管Tr41和Tr31连接到传输晶体管Tr41和Tr31之间的放大晶体管TrA31。放大晶体管TrA31的输出连接到信号读出线LVl。
传输晶体管Tr21和Trll分别位于R像素的光电二极管GRa21和BRall的右侧。 传输晶体管Tr21和Trll的输出通过配线彼此连接。传输晶体管Tr21和Trll 连接到传输晶体管Tr21和Trll之间的放大晶体管TrAll。放大晶体管TrAll的输出连接到信号读出线LV1。L像素和R像素中的每一个被重复地布置以配置L像素系列和R像素系列。每个晶体管的电路的操作与图16中的相同。
在L像素系列和R像素系列中，传输晶体管、复位晶体管、放大晶体管和线与它们之间的光电二极管位于相对侧。L像素和R像素如上所述被配置，因此，其不具有减小的开口区域。
图18是根据本发明另一实施例的成像装置的示例的电路平面图。图18示出了图 9中示出的HA配置以及垂直布置的四个像素共享复位晶体管和放大晶体管。参照图18， 如图17所示出的，包括光电二极管RLa41、GLa31、GLa42和BLa32的四个像素表示包括以 Bayer模式布置的R、G、G和B像素的单元。Bayer模式像素单元结构与相位差像素(即，L 像素)对应，并构成相位差计算中的第一像素行。包括光电二极管RRa22、GRal2、GRa23和 BRal3的四个像素表示包括处于Bayer模式的R、G、G和B像素的单元，Bayer模式像素单元结构与相位差像素(即，R像素)对应，并构成相位差计算中的第二像素行。在相位差检测中，包括第一像素行的光电二极管RLa41和GLa31的像素与包括第二像素行的光电二极管GRa21和BRall的像素对应。
传输晶体管Tr41和Tr31分别位于L像素的光电二极管RLa41和GLa31的左侧。 传输晶体管Tr41和Tr31的输出通过配线彼此连接。传输晶体管Tr21和Trll分别位于R 像素的光电二极管GRa21和BRall的右侧。传输晶体管Tr21和Trll的输出通过配线彼此连接。传输晶体管Tr21和Trll还连接到L像素的输出线。传输晶体管Tr41、Tr31、Tr21 和Trll分别根据水平信号TX4、TX3、TX2和TXl的时序选择性地传送电荷。传送的电荷经过N型浮置扩散层，像素信号在放大晶体管TrAll中被放大，并且放大的像素信号经过垂直像素读出线LVl以被输出。垂直像素读出线LVl还连接到复位晶体管TrRll，并且光电二极管RLa41、GLa31、GRa21和BRall的输出被RES信号复位。如上所述，在L像素系列中，传输晶体管和放大晶体管位于光电二极管的左侧。另一方面，在R像素系列中，传输晶体管和复位晶体管位于光电二极管的右侧。在L像素系列和R像素系列两者中，传输晶体管和线与它们之间的光电二极管位于相对侧。
图19是根据本发明另一实施例的成像装置的示例的电路平面图。图19示出了图9中示出的HA配置以及在水平方向和垂直方向上布置的四个像素共享复位晶体管和放大晶体管。参照图19，如图17和18中所示出的，包括光电二极管RLa41、GLa31、GLa42和 BLa32的四个像素表示包括以Bayer模式布置的R、G、G和B像素的单元。Bayer模式像素单元结构与相位差像素(即，L像素)对应，并构成相位差计算中的第一像素行。另一方面， 包括光电二极管RRa21、GRal1、GRa22和BRal2的四个像素表示包括处于Bayer模式的R、 G、G和B像素的单元，Bayer模式像素单元结构与相位差像素(即，R像素)对应，并构成相位差计算中的第二像素行。在相位差检测中，包括第一像素行的光电二极管RLa41和GLa31 的像素与包括第二像素行的光电二极管RRa21和GRall的像素对应。
传输晶体管Tr42和 Tr32分别位于L像素的光电二极管GLa42和BLa32的左侧。 传输晶体管Tr42和Tr32的输出通过配线彼此连接。传输晶体管Tr41位于L像素的光电二极管RLa41的下方,传输晶体管Tr31位于L像素的光电二极管GLa31的上方。另外，四个像素(包括光电二极管RLa41、GLa31、GLa42和BLa32)的输出通过配线彼此连接并还连接到放大晶体管TrA31。此外，所述四个像素的输出连接到复位晶体管TrR31。传输晶体管 Tr41、Tr31、Tr42和Tr32根据水平信号TX4、TX3、TX2和TXl的时序选择性地传送电荷。传送的电荷经过N型浮置扩散层，像素信号被放大晶体管TrA31放大，并且放大的像素信号经过垂直像素读出线LVl而被输出。复位晶体管TrR31连接到垂直像素读出线LV1，光电二极管RLa41、GLa31、GLa42和BLa32的输出被RES信号复位。另一方面，传输晶体管Tr21和 Trll分别位于R像素的光电二极管RRa21和GRall的右侧。传输晶体管Tr21和Trll的输出通过配线彼此连接。传输晶体管Tr22位于光电二极管GRa22的下方，传输晶体管Trl2 位于光电二极管BRal2的上方。
四个光电二极管RRa21、GRall、GRa22和BRal2的输出通过配线彼此连接，并连接到放大晶体管TrAll和复位晶体管TrRlI。传输晶体管Tr21、Trll、Tr22和Trl2根据水平信号TX4、TX3、TX2和TXl的时序选择性地传送电荷。如上所述，在L像素系列中，传输晶体管、放大晶体管和复位晶体管主要位于四个光电二极管的左侧，另一方面，在R像素系列中，传输晶体管、放大晶体管和复位晶体管主要位于四个光电二极管的右侧。在L和R像素系列中，晶体管电路和线与它们之间的光电二极管位于相对侧。
图20是根据本发明另一实施例的成像装置的电路平面图。图20示出了图1OA和图1OB中示出的用于检测垂直相位差的VA配置。在图20中，如图19中所示，在水平方向和垂直方向上布置的四个像素共享复位晶体管和放大晶体管。除了在L和R像素系列中晶体管电路和线相对于光电二极管处于同一方向之外，多个像素中的每个像素的结构与图19 中的结构相同。对于将被配置为相位差像素的像素，L像素系列和R像素系列沿平面方向相对于彼此而交替布置，并且多条线路相应于此被布线。在本实施例中，在水平方向和垂直方向上布置的四个像素共享放大晶体管和复位晶体管，因此，对于包括四个像素的每个单元可获得足够的配线间隔。尽管图20中未示出，但是图20的VA配置可在其左侧和右侧重复地布置。换言之，图1OA和图1OB的配置可被重复布置。相同的设计还应用于沿水平方向布置的像素。
图21示出了根据本发明实施例的配置了多个不同的相位差像素的成像装置的示例。实际上，成像装置可以是例如具有水平方向上布置了 4670个像素且垂直方向上布置了 3100个像素的像素配置的14. 6百万像素的成像装置。然而，在本实施例中，为了以图表形式 进行说明布置了较小的像素维数。参照图21，成像装置包括HA和VA。在光轴附近布置可检测水平相位差的像素(例如，具有图19的HA配置的像素)，在布置HA的区域的左侧和右侧布置可检测垂直相位差的像素(例如，具有图20的VA配置的像素)。可针对整个屏幕区域来执行利用相位差的焦点检测。另外，可通过使用像素信息针对整个屏幕区域来执行对比度AF。
图22示出根据本发明实施例的普通成像像素和相位差像素被配置的成像装置的示例。
在本实施例中，为了以图21中示出的图表形式进行说明而布置了较小的像素维数。参照图22，在中心区域周围将具有图17的相位差像素配置的HA布置在三行中，在剩余区域中布置图16的普通成像像素。在这方面，仅在中心区域上布置HA，使得能够根据用于相位差检测的相同条件通过使用具有低F数的镜头来进行相位差检测。与本实施例相似， 除了关于整个屏幕区域的用于相位差检测的配置以外的配置是可行的。在图22的成像装置中，仅改变用于相位差像素的电路布置。
如上所述，根据本发明的一个或多个实施例，可对整个拍摄的屏幕区域来执行相位差检测。另外，包括相位差检测像素的成像装置不具有缺陷像素，因此其可获得良好的图像质量。即使在低亮度下也可执行对象的拍摄和AF。
在实施例中，本发明提供了一种成像装置，所述成像装置对所有的像素保持相同的孔径比，能够通过安装在像素中的电路的布置改变开口的位置来从所有像素检测相位差，并能够在低亮度下捕获对象的图像和执行关于对象的AF。
在此示出和描述的具体实施方式
是本发明的示例性示例，并非意在以任何方式另外限制本发明的范围。为简洁起见，可不详细描述传统的电子产品、控制系统、软件和系统的其他功能方面。另外，所呈现的在各个附图中示出的连接线或连接器意在表示各个元件之间的示例性功能关系和/或物理或逻辑连接。应注意，可在实际装置中呈现许多替代或另外的功能关系、物理连接或逻辑连接。此外，没有项目或组件对本发明的实施是必不可少的，除非该元件被特别描述为“必需的”或“关键的”。
在描述本发明的上下文中(尤其是在权利要求的上下文中)使用的单数术语和相似指示物应被解释为覆盖单数和复数两者。另外，除非这里另有指示，否则这里对值的范围的叙述仅意在用作单独参照落入范围内的每个单独的值的便捷方法，并且每个单独的值就像它在这里被单独叙述一样包含在说明书中。最后，可以以任何适当的顺序来执行在此描述的所有方法的步骤，除非在此另有指示或者通过上下文另有明确相反的指示。在此提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如")的使用仅意在更好地说明本发明，而不是提出对本发明的范围的限制，除非另有声明。此外，本领域普通技术人员应很好地理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围且在其等同物的范围内的情况下，可在设计条件和因素下进行许多修改、调整和改变。
尽管已参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，这里可进行形式和细节上的各种改变。
权利要求
1.一种成像装置，所述成像装置包括 多个像素，被二维布置以捕获图像并检测相位差； 第一光电转换像素行；以及 第二光电转换像素行， 其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得针对用于相位差检测的多个像素中的每个像素而形成的电路相对于光电转换像素的开口彼此相对地布置。
2.如权利要求1所述的成像装置，其中，成像装置的所有像素输出用于获取相位差的信号。
3.如权利要求1所述的成像装置，其中，第一光电转换像素行第二光电转换像素行均包括形成在多个光电转换像素的每一个中的晶体管电路，其中，所述多个光电转换像素共享晶体管电路中的放大电路或复位电路。
4.如权利要求1所述的成像装置，其中，针对用于相位差检测的多个像素中的每个像素而形成的电路包括从由传输电路、复位电路、放大电路和配线电路构成的组中选择的至少一个。
5.如权利要求1所述的成像装置，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得微透镜形成在多个光电转换像素的每一个上，并且开口形成在微透镜和光电转换单元之间，其中，开口相对于微透镜的光轴被偏心地形成，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行处于彼此相反的方向上。
6.如权利要求1所述的成像装置，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得掩模形成在除了多个光电转换像素被形成的区域之外的区域中。
7.如权利要求1所述的成像装置，其中，构成第一光电转换像素行和第二光电转换像素行中的每一个的像素由滤色器形成，其中，所述像素以Bayer模式被配置以形成Bayer模式像素单元，其中，Bayer模式像素单元构成第一光电转换像素行和第二光电转换像素行中的每一个。
8.一种成像装置，所述成像装置包括 多个像素，被二维布置以捕获图像并检测相位差； 第一光电转换像素行；以及 第二光电转换像素行， 其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得以Bayer模式布置的每四个像素形成的电路处于相位差检测方向上。
9.如权利要求8所述的成像装置，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得掩模形成在除了多个光电转换像素被形成的区域之外的区域中。
10.一种成像装置，所述成像装置包括 多个像素，被二维布置以捕获图像并检测相位差； 第一光电转换像素行；以及 第二光电转换像素行， 其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得在用于相位差检测的每个像素中形成的电路相对于光电转换像素的开口彼此相对地布置，并且以Bayer模式布置的每四个像素形成的电路处于相位差检测方向上。
11.如权利要求10所述的成像装置，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得掩模形成在除了多个光电转换像素被形成的区域之外的区域中。
12.—种成像装置，所述成像装置包括 多个像素，被二维地布置以捕获图像并检测相位差； 第一光电转换像素行；以及 第二光电转换像素行， 其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得在用于相位差检测的每个像素中形成的电路相对于光电转换像素的开口彼此相对地布置，并且多个光电转换像素共享在所述多个光电转换像素的每一个中形成的晶体管电路的放大电路或复位电路。
13.如权利要求12所述的成像装置，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得掩模形成在除了所述多个光电转换像素被形成的区域之外的区域中。
14.一种成像装置，所述成像装置包括 多个像素，被二维地布置以捕获图像并检测相位差； 第一光电转换像素行；以及 第二光电转换像素行， 其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得在用于相位差检测的每个像素中形成的电路相对于用于相位差检测的像素的开口彼此相对地布置，并且在不执行相位差检测的每个像素中形成的电路相对于所述像素的开口沿相同的方向布置。
15.如权利要求14所述的成像装置，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得微透镜形成在所述多个像素的每一个上，其中，开口形成在微透镜和光电转换单元之间，其中，开口相对于微透镜的光轴被偏心地形成，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行沿彼此相反的方向。
全文摘要
一种包括相位差检测像素的成像装置，更具体地讲，所述成像装置包括多个像素，被二维地布置以捕获图像并检测相位差；第一光电转换像素行；以及第二光电转换像素行，其中，第一光电转换像素行和第二光电转换像素行均被布置为使得在用于相位差检测的每个像素中形成的电路相对于光电转换像素的开口彼此相对地布置。在所述成像装置中，可对整个拍摄的屏幕区域来执行相位差检测。另外，包括相位差检测像素的成像装置可不具有缺陷像素，因此，获得了改善的图像质量。可在低亮度下执行对象的拍摄和AF。
文档编号H04N5/369GK103037161SQ20121037809
公开日2013年4月10日 申请日期2012年10月8日 优先权日2011年10月7日
发明者浜田正隆 申请人:三星电子株式会社