成像设备和成像系统的制作方法

本发明涉及成像设备和成像系统。

背景技术：

诸如在日本专利特开第2015-228468号中公开的成像设备之类的成像设备是已知的。成像设备包括多个像素，每个像素包括光电转换器和将光引导到光电转换器的光引导路径。日本专利特开第2015-228468号描述了在第一方向和与第一方向正交的第二方向上具有不同长度的光引导路径。

日本专利特开第2015-228468号没有在平面视图中讨论光引导路径的出射表面以及电荷蓄积部分的布局。因此，利用日本专利特开第2015-228468号中公开的技术，难以充分减少光从光引导路径进入电荷蓄积部分。

技术实现要素：

鉴于上述问题而做出了本发明。本发明的一方面提供了包括二维布置的多个像素的成像设备。每个像素包括光电转换器、设置在光电转换器上方并具有入射表面和出射表面的光引导路径、电荷从光电转换器向其传输的电荷蓄积部分、以及电荷从电荷蓄积部分向其传输的浮动扩散部分。多个像素中的第一像素的光电转换器和多个像素中的第二像素的光电转换器沿着第一方向布置。第一像素的电荷蓄积部分的至少一部分设置在第一像素的光电转换器与第二像素的光电转换器之间。第一像素的光引导路径的出射表面在平面视图中与第一方向正交的第二方向上比在第一方向上长。

从以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1图示了根据第一实施例的成像设备的配置。

图2图示了根据第一实施例的像素的电路配置。

图3a是图1和2中所示的像素中的一些的布局的平面视图，并且图3b图示了图3a中所示的像素之一的出射平面的维度。

图4是图3a中所示的像素之一的布局的平面视图。

图5a和5b均图示了图3a中所示的像素之一的截面结构。

图6a和6b是均图示像素的布局的平面视图。

图7a和7b是均图示根据第二实施例的像素的布局的平面视图。

图8a、8d和8e是均图示根据第三实施例的像素的一部分的布局的平面视图，并且图8b和8c是图8a的截面图。

图9图示了根据第四实施例的像素的电路配置。

图10a和10b是均图示根据第四实施例的像素的布局的平面视图。

图11图示了根据第五实施例的像素的电路配置。

图12是图示根据第五实施例的像素的布局的平面视图。

图13图示了根据第六实施例的像素的电路配置。

图14a和14b是均图示根据第六实施例的像素的布局的平面视图。

图15图示了根据第七实施例的成像系统的配置。

图16a和16b图示了根据第八实施例的成像系统的配置。

具体实施方式

在下文中，将描述根据本发明实施例的成像设备，其被配置为充分减少光从光引导路径进入电荷蓄积部分。

贯穿所有附图，相同的部件由相同的标号表示。部件的冗余描述可以省略。下面描述的实施例是为了说明的目的，并且本发明不限于下面描述的实施例。

第一实施例

(成像设备的配置)

图1图示了根据第一实施例的成像设备。本实施例的成像设备包括列信号线10和像素20。在像素阵列100中，像素20被布置成多行和多列。列信号线10被布置成与像素20的相应列对应。成像设备还包括垂直扫描电路101。像素20通过控制线30逐行连接到列信号线10，使得从垂直扫描电路101向每行像素20提供共同信号。垂直扫描电路101是控制像素20的蓄积时段的控制单元。

成像设备还包括列电路单元102、水平扫描电路103和输出电路104。列电路单元102包括多个列电路，每个列电路与多个列信号线10之一对应。多个列电路均被配置为向输出电路104输出通过放大输出到对应列信号线10的信号而获得的信号。

水平扫描电路103被配置为顺序地选择列电路单元102的多个列电路。这使得由多个列电路保持的信号被顺序地输出到输出电路104。输出电路104被配置为将信号输出到成像设备的外部。由输出电路104输出的信号是由成像设备输出的信号。

成像设备还包括控制电路105。控制电路105通过用于供给驱动信号的驱动线连接到垂直扫描电路101、列电路单元102和水平扫描电路103中的每一个。

(像素的配置)

图2详细地图示了像素20的配置。

像素20均包括光电二极管201。光电二极管201是生成与入射光对应的信号的光电转换器。像素20还包括第一传输晶体管204和第二传输晶体管205。像素20还包括电容元件202和浮动扩散(fd)部分203。电容元件202是电荷蓄积部分，其保持由光电二极管201蓄积的信号。用作电荷蓄积部分的电容元件202通过第一传输晶体管204电连接到用作光电转换器的光电二极管201。fd部分203通过第二传输晶体管205电连接到用作电荷蓄积部分的电容元件202。

像素20还包括复位晶体管209，复位晶体管209被供以来自电压源211的电源电压。复位晶体管209电连接到fd部分203。

像素20还包括放大晶体管210和选择晶体管207。fd部分203连接到放大晶体管210的输入节点。

放大晶体管210被供以来自电压源211的电源电压。放大晶体管210通过选择晶体管207电连接到对应的列信号线10。

电流源(未示出)电连接到列信号线10。当选择晶体管207处于导通(on)状态时，放大晶体管210利用从电压源211供给的电源电压和电连接到列信号线10的电流源形成源极跟随器电路。在图2中，输出到列信号线10中的对应一个的信号被表示为信号vout(p)。要注意的是，末尾的(p)指示列号。

像素20还包括pd复位晶体管206，其被供以来自电压源211的电源电压。

如图1中所示，像素20和垂直扫描电路101通过控制线30电连接。信号ptx1(m)被输入到第一传输晶体管204的栅极。在下文中，末尾的(m)指示信号被输入到第m行中的像素20。输入到多行像素20的信号被统一表示而没有(m)。

信号ptx2(m)被输入到第二传输晶体管205的栅极。

信号pofg(m)被输入到pd复位晶体管206的栅极。

输入到多行像素20的信号ptx1同时变成有效电平，并同时变成无效电平。输入到多行像素20的信号pofg同时变成有效电平，并同时变成无效电平。因此，本实施例的成像设备执行全局电子快门操作，其中全部像素20的光电二极管201同时开始信号蓄积并同时结束信号蓄积。

信号pres(m)被输入到复位晶体管209的栅极。

信号psel(m)被输入到选择晶体管207的栅极。

(光引导路径和电荷蓄积部分的布局)

图3a是参考图1和2描述的像素20中的一些的俯视图。图3a图示了三行×两列像素20。

图3a中的标号与图2中所示的标号对应。出射平面302a是通过把将光引导到光电二极管201的光引导路径302的出射表面302x投影到其中具有光电二极管201的半导体基板600(参见图5a)上所获得的平面。可以将出射平面302a视为矩形形状。类似地，入射平面302b是通过把将光引导到光电二极管201的光引导路径302的入射表面302y投影到其中具有光电二极管201的半导体基板600上所获得的平面。出射平面302a在y方向上具有长度len_b，其中y方向是平面视图中的第一方向。出射平面302a还在x方向上具有长度len_a，其中x方向是平面视图中与第一方向正交的第二方向。长度len_b比长度len_a短。由于出射平面302a是通过将出射表面302x投影到半导体基板600上所获得的平面，因此出射表面302x的长度len_b也比其长度len_a短。

在相邻像素20之间形成元件隔离区域400。可以使用硅的局部氧化(locos)技术来形成元件隔离区域400。可以使用浅沟槽隔离(sti)技术来形成元件隔离区域400。可以使用pn结来形成元件隔离区域400，或者可以使用各种其它技术来形成元件隔离区域400。

图4是从上层(入射表面侧)观察时图3a中的像素20之一的平面视图。光电二极管201外部的区域被像素20的遮光部分401遮光。光电二极管201在其不存在遮光部分401的上侧(也参见图5a)设有开口。开口的长边平行于出射平面302a的长边，并且开口的短边平行于出射平面302a的短边。可以使用能够阻挡光的部件(诸如钨构件)作为遮光部分401。

(像素的截面视图)

图5a和5b均示出了图3a中所示的像素20之一的截面结构。

图5a是沿着图3a的线va-va截取的截面视图。

光电二极管201和电容元件202在半导体基板600中形成。

电容元件202和第一传输晶体管204被遮光部分401遮光。

在线402、线403和线404中的相邻线之间形成层间绝缘层(未示出)。折射率为大约1.5的二氧化硅(sio2)膜被用作层间绝缘层。

光引导路径302设置在光电二极管201的上方。光引导路径302具有入射表面302y和出射表面302x。

像素20还包括滤色器500、微透镜501和层间透镜502。透射通过微透镜501、滤色器500和层间透镜502的光进入入射表面302y。

出射表面302x在第一方向上的长度是长度len_b。

图5b是沿着图3a的线vb-vb截取的截面视图。出射表面302x在第二方向上的长度是长度len_a。长度len_b比长度len_a短。

折射率大约为1.8的氮氧化硅(sion)膜被用作光引导路径302。源自光引导路径302的内部并以预定角度入射到光引导路径302与层间绝缘层之间的界面的光被完全反射回光引导路径302的内部。光引导路径302因此可以将进入入射表面302y的光引导至出射表面302x，同时减少光泄漏至层间绝缘层。

利用光引导路径302，进入光电二极管201的光量大于在没有光引导路径302的情况下的光量。这意味着，利用光引导路径302，光电二极管201的灵敏度大于在没有光引导路径302的情况下的灵敏度。

但是，光可以从光引导路径302泄漏到层间绝缘层。如果泄漏的光进入电容元件202，那么在电容元件202中从光新生成电荷。当电容元件202保持由光电二极管201生成的电荷时，在电容元件202中新生成的电荷是在与光电二极管201生成电荷的时间段不同的时间段中生成的电荷。因此，由于与光电二极管201的原始电荷生成时段不同的时间段的信号的混合，电容元件202生成电荷时所获得的图像的质量变得低于原始图像的质量。

为了减少光从光引导路径302进入电容元件202，开发了本实施例的成像设备，其考虑了光引导路径302和电容元件202的布局。

为了减少光从光引导路径302进入电容元件202，期望在像素20的尺寸约束下最大化通过将出射表面302x投影到半导体基板600上所获得的出射平面302a与电容元件202之间的距离。具体而言，电容元件202被设置成使得其重心位于都从出射平面302a的重心延伸的第一条线和第二条线之间的区域中。第一条线将第一方向与第二方向之间的角度划分成两个相等的部分，并且第二条线将和第二方向相反的第三方向与第一方向之间的角度划分成两个相等的部分。

这将参考图3a进行描述。第一条线lz1是在平面视图中从出射平面302a的重心z1延伸并且将第一方向与第二方向之间的角度划分成两个相等的部分的二等分线。第二条线lz2是在平面视图中也从出射平面302a的重心z1延伸并且将和第二方向相反的第三方向与第一方向之间的角度划分成两个相等的部分的二等分线。电容元件202的重心z2位于第一条线lz1与第二条线lz2之间的区域中。

另一方面，电容元件202被设置为相比出射平面302a的短边315更靠近出射平面302a的长边310，其中出射平面302a是通过将光引导路径302的出射表面302x投影到半导体基板600上所获得的。更具体而言，电容元件202被设置在出射平面302a的长边310与元件隔离区域400之间，元件隔离区域400是在长边310和第一方向与其相邻的像素20之间形成的。出射平面302a的长边310具有在第二方向上延伸的长度并且比出射平面302a的短边315长。

将描述当出射表面302x不是矩形时(例如，当矩形的每个角具有曲率时)定义出射表面302x的每一边的长度的方法。在这种情况下，如图3b中所示，出射表面302x(出射平面302a)的第一边和在与第一边相交的方向上延伸的出射表面302x的第二边都延伸超过具有曲率的对应角。类似地，第三边和在与第三边相交的方向上延伸的第四边都延伸超过具有曲率的对应角。因此两个相邻的交点之间的距离可以被视为每一边的长度。

另一方面，第一像素的光电二极管201和第二像素的光电二极管201沿着第一方向布置。第一像素的电容元件202被设置在第一像素的光电二极管201与第二像素的光电二极管201之间。第一像素的光引导路径302的出射表面302x在平面视图中在与第一方向正交的第二方向上的长度len_a大于第一方向上的长度len_b。

第二方向可以不与出射表面302x的长边的方向重合。在这种情况下，出射表面302x在第二方向上的最大长度可以被定义为长边的长度。类似地，第一方向可以不与出射表面302x的短边的方向重合。在这种情况下，出射表面302x在第一方向上的最大长度可以被定义为短边的长度。

图6a和6b是均图示光电二极管201、电容元件202和出射平面302a的布局的平面视图。

图6a图示了一个示例，其中如图3a中一样，电容元件202的重心z2位于第一条线lz1与第二条线lz2之间的区域中。另一方面，图6b图示了一个示例，其中电容元件202的重心z2不位于第一条线lz1与第二条线lz2之间的区域中。

另一方面，图6a图示了一个示例，其中电容元件202被设置在长边310与在第一方向上相邻的像素20之间形成的元件隔离区域400之间。另一方面，图6b图示了一个示例，其中电容元件202被设置在短边315与在第二方向上相邻的像素20之间形成的元件隔离区域400之间。

在图6a中，电容元件202与出射平面302a之间的距离被表示为距离a。在图6b中，电容元件202与出射平面302a之间的距离被表示为距离b。距离a大于距离b。

在图6a中，电容元件202被设置成使得其重心z2位于第一条线lz1与第二条线lz2之间的区域中。因此，与其中电容元件202的重心z2位于第一条线lz1与第二条线lz2之间的区域之外的图6b的布局的情况相比，电容元件202可以设置得更远离光引导路径302的出射表面302x。

另一方面，当电容元件202被设置在长边310与在第一方向上相邻的像素20之间形成的元件隔离区域400之间时，可以使电容元件202比在图6b中所示的布局中更远离光引导路径302的出射表面302x。

这可以减少从光引导路径302进入电容元件202的光量。因此，与电容元件202被设置得更靠近出射平面302a的短边315的情况相比，可以减少光从光引导路径302进入电容元件202所造成的图像质量降级。

为了增加进入光电二极管201的光量，即，为了增加光电二极管201的灵敏度，期望增加出射表面302x的面积。但是，增加出射表面302x的面积导致进入电容元件202的光量增加。利用本实施例的上述布局，其中电容元件202远离出射表面302x，可以既实现改进的灵敏度又实现降低的图像质量降级。

虽然在本实施例中像素20沿着出射平面302a的第一方向和第二方向两者布置，但是像素20的布置不限于此。像素20可以沿着包括与第一方向对应的方向和与第二方向对应的方向的任何方向布置。例如，与第一方向对应的方向是相比第二方向更靠近第一方向的方向，并且通常与第一方向形成在正负10度的范围内的角度。

电容元件202的结构不限于本实施例的结构。例如，电容元件202可以是由其间具有绝缘层的多个多晶硅层形成的多晶硅-绝缘体-多晶硅(pip)电容器。

第二实施例

将主要关于与第一实施例的差异来描述根据第二实施例的成像设备。

图7a图示了一个示例，其中参考图3a描述的出射平面302a是作为多边形的示例的六边形。图7b图示了一个示例，其中出射平面302a是椭圆形。入射平面302b在几何形状上与出射平面302a相似，并且尺寸大于出射平面302a。

在图7a中，长度len_a表示均连接六边形的两个不相邻顶点的对角线中的最长对角线的长度，并且长度len_b表示与六边形的最长对角线正交的对角线的长度。长度len_b比长度len_a短。

在图7a中，电容元件202的重心z2也位于第一条线lz1与第二条线lz2之间的区域中。

另一方面，在图7a的示例中，电容元件202被设置于在第二方向上延伸的出射平面302a的最长对角线与在与第二方向对应的方向上延伸的元件隔离区域400(参见第一实施例)之间。

另一方面，第一像素的光电二极管201和第二像素的光电二极管201沿着第一方向布置。第一像素的电容元件202被设置在第一像素的光电二极管201与第二像素的光电二极管201之间。在第一像素的光引导路径302的出射表面302x中，第二方向上的最长对角线的长度比与最长对角线正交的第一方向上的对角线的长度长。第二方向可以不与出射表面302x的对角线的方向重合。在这种情况下，出射表面302x在第二方向上的最大长度可以被定义为对角线的长度。类似地，第一方向可以不与出射表面302x的对角线的方向重合。在这种情况下，出射表面302x在第一方向上的最大长度可以被定义为对角线的长度。

因此，如第一实施例中那样，可以既实现改进的灵敏度又实现降低的图像质量降级。

在图7b中，长度len_a和长度len_b分别表示具有椭圆形状的出射平面302a的长轴和短轴的长度。长度len_b比长度len_a短。

在图7b中，电容元件202的重心z2也位于第一条线lz1与第二条线lz2之间的区域中。

另一方面，在图7b的示例中，电容元件202被设置于在第二方向上延伸的出射平面302a的长轴和在与第二方向对应的方向上延伸的元件隔离区域400(参见第一实施例)之间。

另一方面，第一像素的光电二极管201和第二像素的光电二极管201沿着第一方向布置。第一像素的电容元件202被设置在第一像素的光电二极管201与第二像素的光电二极管201之间。在第一像素的光引导路径302的出射表面302x中，在平面视图中与第一方向正交的第二方向上的长轴的长度比第一方向上的短轴的长度长。第二方向可以不与出射表面302x的长轴的方向重合。在这种情况下，出射表面302x在第二方向上的最大长度可以被定义为出射表面302x在第二方向上的长度。类似地，第一方向可以不与出射表面302x的短轴的方向重合。在这种情况下，出射表面302x在第一方向上的最大长度可以被定义为出射表面302x在第一方向上的长度。

因此，如第一实施例中那样，可以既实现改进的灵敏度又实现降低的图像质量降级。

第三实施例

将主要关于与第二实施例的差异来描述根据第三实施例的成像设备。

在第二实施例的成像设备中，入射平面302b在几何形状上类似于出射平面302a。在本实施例的成像设备中，入射平面302b和出射平面302a在几何形状上不相似。

图8a图示了其中入射平面302b的形状为方形而出射平面302a的形状为矩形的示例。

图8b是沿着图8a的线viiib-viiib截取的截面视图，并且示出了平行于x方向(第二方向)的平面。图8c是沿着图8a的线viiic-viiic截取的截面视图，并且示出了平行于y方向(第一方向)的平面。图8b与图8c之间的比较示出图8b中的光引导路径302的锥角比图8c中的锥角陡峭。即，光引导路径302在平行于第二方向的平面内的锥角比光引导路径302在平行于第一方向的平面内的锥角陡峭。随着锥角变陡峭，从光引导路径302的侧面向层间绝缘层的光泄漏减少。本实施例的成像设备被配置为使得光引导路径302的锥角在具有电容元件202的一侧比没有电容元件202的一侧陡峭。因此，在本实施例的成像设备中，可以使得从光引导路径302的侧面到电容元件202中的光进入少于入射平面302b在几何形状上与出射平面302a相似的情况下的光进入。

图8d图示了具有规则多边形形状的入射平面302b和具有多边形形状的出射平面302a。图8e图示了具有正圆形状的入射平面302b和具有椭圆形状的出射平面302a。在图8d和8e两个图中，光引导路径302的锥角在具有电容元件202的一侧比在没有电容元件202的一侧陡峭。因此，在包括具有图8d或者图8e的形状的光引导路径302的成像设备中，可以使得从光引导路径302的侧面到电容元件202中的光进入少于入射平面302b在几何形状上与出射平面302a相似的情况下的光进入。

第四实施例

图9是根据第四实施例的成像设备的像素20的电路图。根据本实施例的成像设备的像素20均包括通过晶体管204-1连接到光电二极管201的电容元件202-1和通过晶体管204-2连接到光电二极管201的电容元件202-2。电容元件202-1通过晶体管205-1连接到fd部分203。电容元件202-2通过晶体管205-2连接到fd部分203。

晶体管250连接到fd部分203。当输入到晶体管250的栅极的信号padd变成有效电平时，晶体管250接通。然后，由晶体管250的电容和fd部分203的电容形成的组合电容器连接到放大晶体管210。即，连接到放大晶体管210的电容器可以通过接通和关断晶体管而改变。因此，本实施例的每个像素20可以改变用来将传输到fd部分203的电荷转换成放大晶体管210的栅极电压的电荷到电压转换系数。

图10a和10b均图示了电容元件202-1、电容元件202-2和出射平面302a的布局。图10a和10b中所示的标号与图9中的标号对应。在图10a中，电容元件202-1和电容元件202-2沿着第二方向布置。在图10a中，电容元件202-1的重心z2-1和电容元件202-2的重心z2-2都位于第一条线lz1和第二条线lz2之间的区域中。

另一方面，在图10a的示例中，电容元件202-1和电容元件202-2被设置在出射平面302a在第二方向上延伸的长边310与在对应于第二方向的方向上延伸的元件隔离区域400(参见第一实施例)之间。

因此，包括图10a的像素20的成像设备(包括两个电容元件202-1和202-2)也可以既实现改进的灵敏度又实现降低的图像质量降级。

在图10b中，电容元件202-1和电容元件202-2沿着第一方向布置。电容元件202-1的重心z2-1位于第一条线lz1与第二条线lz2之间的区域中。

第三条线lz3是将与第一方向相反的第四方向和与第二方向相反的第三方向之间的角度划分为两个相等的部分的二等分线。第四条线lz4是将与第一方向相反的第四方向和第二方向之间的角度划分为两个相等的部分的二等分线。电容元件202-2的重心z2-2位于第三条线lz3与第四条线lz4之间的区域中。

另一方面，在图10b的示例中，电容元件202-1被设置在元件隔离区域400(参见第一实施例)与出射平面302a在第二方向上延伸的长边310-1之间，所述元件隔离区域400是在第一方向上相邻并在对应于第二方向的方向上延伸的像素20之间形成的。类似地，电容元件202-2被设置在元件隔离区域400(参见第一实施例)与出射平面302a在第二方向上延伸的长边310-2之间，所述元件隔离区域400是在第四方向上相邻并在对应于第二方向的方向上延伸的像素20之间形成的。长边310-1和长边310-2是相对的边。

另一方面，如图3a中所示的那样，均包括本实施例的光引导路径302的像素20也可以是二维布置的。第一像素的光电二极管201和第二像素的光电二极管201沿着第一方向布置。在图10a的示例中，第一像素的电容元件202-1和电容元件202-2被设置在第一像素的光电二极管201与第二像素的光电二极管201之间。

在图10b的示例中，第一像素的光电二极管201和第三像素的光电二极管201沿着与第一方向相反的第四方向布置。第一像素的电容元件202-2设置在第一像素的光电二极管201与第三像素的光电二极管201之间。第一像素的电容元件202-1设置在第一像素的光电二极管201与第二像素的光电二极管201之间。

因此，包括图10b的像素20的成像设备(包括两个电容元件202-1和202-2)也可以既实现改进的灵敏度又实现降低的图像质量降级。

本实施例的成像设备包括电容元件202-1和电容元件202-2。成像设备能够执行以下操作：在用于第n帧的电荷蓄积时段期间由光电二极管201蓄积的电荷由电容元件202-1保持，并且在用于第(n+1)帧的电荷蓄积时段期间由光电二极管201蓄积的电荷由电容元件202-2保持。因此，在像素20的所有行的第n帧的信号输出完成之前，由光电二极管201在第(n+1)帧中蓄积的电荷可以被输出到电容元件202-2。因此，可以在第n帧与第(n+1)帧之间消除光电二极管201不蓄积电荷的时段。而且，利用像素20的电容元件202-2，在第(n+1)帧的时段期间由光电二极管201蓄积电荷时，光电二极管201可以在将电荷传输到电容元件202-2的同时生成电荷。这允许超过光电二极管201的饱和电容的电荷被保持在电容元件202-2中。通过重复从光电二极管201到电容元件202-2的电荷的传输，可以在电容元件202-2中保持在第(n+1)帧的电荷蓄积时段期间由光电二极管201蓄积的电荷。通过重复地使信号ptx2依次从无效电平转变到有效电平、然后到无效电平，可以重复该传输操作。因此，即使仅在光电二极管201中蓄积电荷的情况下饱和的高亮度光进入光电二极管201时，也可以在电容元件202-2中保持与亮度对应的电荷。也可以使信号ptx1依次从无效电平转变到有效电平、然后到无效电平。因此，超过光电二极管201的饱和电容的电荷也可以保持在电容元件202-1中。

第五实施例

将主要关于与第四实施例的差异来描述根据第五实施例的成像设备。在本实施例的成像设备中，每个像素包括多个光电二极管。多个光电二极管被布置成允许透射通过一个微透镜的光的进入。透射通过具有不同出射光瞳的区域的光进入多个光电二极管。从基于由多个光电二极管中的一个生成的电荷的信号和基于由多个光电二极管中的另一个生成的电荷的信号来检测相位差。根据检测到的相位差，可以执行自动对焦操作，其中使得光进入成像设备的光学系统的焦点被调整到对象。

图11是本实施例的像素20-2的电路图。像素20-2均包括光电二极管201-1和光电二极管201-2。光电二极管201-1和光电二极管201-2被布置成允许透射通过一个微透镜的光的进入。

传输晶体管204-3和pd复位晶体管206-1连接到光电二极管201-1。电容元件202-3通过传输晶体管204-3连接到光电二极管201-1。电容元件202-3通过传输晶体管205-3连接到fd部分203。

传输晶体管204-4和pd复位晶体管206-2连接到光电二极管201-2。电容元件202-4通过传输晶体管204-4连接到光电二极管201-2。电容元件202-4通过传输晶体管205-4连接到fd部分203。

图12图示了图11所示的像素20-2的光电二极管201-1、光电二极管201-2、传输晶体管204-3、传输晶体管204-4、电容元件202-3、电容元件202-4以及出射平面302a。

电容元件202-3的重心z2-3和电容元件202-4的重心z2-4位于都从出射平面302a的重心z1延伸的第一条线lz1与第二条线lz2之间的区域中。

电容元件202-3和电容元件202-4被设置在出射平面302a的长边310与在对应于第二方向的方向上延伸的元件隔离区域400(参见第一实施例)之间。

因此，如第四实施例的成像设备中那样，本实施例的成像设备可以既实现改进的灵敏度又实现降低的图像质量降级。在本实施例的成像设备中，为一个微透镜提供多个光电二极管。因此，本实施例的成像设备可以执行涉及检测相位差的自动对焦操作。

第六实施例

将主要关于与第五实施例的差异来描述第六实施例。本实施例的成像设备也包括均包含用于一个微透镜的多个光电二极管的像素。根据本实施例的成像设备的像素与第五实施例的成像设备的像素的不同之处在于，多个电容元件连接到多个光电二极管中的每一个。

图13是根据本实施例的成像设备的像素的电路图。每个像素20-3包括光电二极管201-3和光电二极管201-4。光电二极管201-3和光电二极管201-4被布置成允许透射通过一个微透镜的光的进入。透射通过具有不同出射光瞳的区域的光进入光电二极管201-3和光电二极管201-4。从基于由光电二极管201-3和光电二极管201-4之一生成的电荷的信号和基于由光电二极管201-3和光电二极管201-4中的另一个生成的电荷的信号来检测相位差。根据检测到的相位差，可以执行自动对焦操作，其中使得光进入成像设备的光学系统的焦点被调整到对象。

光电二极管201-3通过传输晶体管204-5连接到电容元件202-5。光电二极管201-3通过传输晶体管204-6连接到电容元件202-6。光电二极管201-3连接到pd复位晶体管206-3。

电容元件202-5通过传输晶体管205-5连接到fd部分203-1。电容元件202-6通过传输晶体管205-6连接到fd部分203-1。

fd部分203-1连接到放大晶体管210-1的栅极。放大晶体管210-1通过选择晶体管207-1连接到列信号线10-1。

光电二极管201-4通过传输晶体管204-7连接到电容元件202-7。光电二极管201-4通过传输晶体管204-8连接到电容元件202-8。光电二极管201-4连接到pd复位晶体管206-4。

电容元件202-7通过传输晶体管205-7连接到fd部分203-2。电容元件202-8通过传输晶体管205-8连接到fd部分203-2。

fd部分203-2连接到放大晶体管210-2的栅极。放大晶体管210-2通过选择晶体管207-2连接到列信号线10-2。

图14a和14b均图示了图13中所示的像素20-3的光电二极管201-3和201-4、传输晶体管204-5、204-6、204-7和204-8、电容元件202-5、202-6、202-7和202-8以及出射平面302a。图14a和14b中所示的标号与图13中的标号对应。

图14a中所示的像素20-3包括具有矩形形状的光电二极管201-3和201-4。电容元件202-5的重心z2-5和电容元件202-7的重心z2-6位于都从出射平面302a的重心z1延伸的第一条线lz1与第二条线lz2之间的区域中。类似地，电容元件202-6的重心z2-7和电容元件202-8的重心z2-8位于都从出射平面302a的重心z1延伸的第三条线lz3与第四条线lz4之间的区域中。第三条线lz3是将第三方向与第四方向之间的角度划分成两个相等的部分的二等分线。第四条线lz4是将第二方向与第四方向之间的角度划分为两个相等的部分的二等分线。

电容元件202-5和电容元件202-7设置在元件隔离区域400(参见第一实施例)与出射平面302a的长边310-1之间，所述元件隔离区域400是在第一方向上相邻并在对应于第二方向的方向上延伸的像素20-3之间形成的。类似地，电容元件202-6和电容元件202-8被设置在元件隔离区域400与出射平面302a的长边310-2之间，所述元件隔离区域400是在第四方向上相邻并且在对应于第二方向的方向上延伸的像素20-3之间形成的。

图14b图示了图13所示的像素20-3之一的另一种布局。电容元件202-5、202-6、202-7和202-8均包括在第二方向上延伸的部分和在第一或第四方向上从其延伸的另一个部分。再次，电容元件202-5的重心z2-5和电容元件202-7的重心z2-6位于第一条线lz1与第二条线lz2之间的区域中。而且，电容元件202-6的重心z2-7和电容元件202-8的重心z2-8位于第三条线lz3与第四条线lz4之间的区域中。

电容元件202-5和电容元件202-7被设置在元件隔离区域400(参见第一实施例)与出射平面302a的长边310-1之间，所述元件隔离区域400是在第一方向上相邻并在对应于第二方向的方向上延伸的像素20-3之间形成的。类似地，电容元件202-6和电容元件202-8被设置在元件隔离区域400与出射平面302a的长边310-2之间，所述元件隔离区域400是在第四方向上相邻并在对应于第二方向的方向上延伸的像素20-3之间形成的。

另一方面，如图3a中所示的那样，均包括本实施例的光引导路径302的像素20-3也可以二维布置。第一像素的一对光电二极管201-3和201-4以及第二像素的一对光电二极管201-3和201-4沿着第一方向布置。在图14a和14b的示例中，第一像素的电容元件202-5和202-7被设置在第一像素的一对光电二极管201-3和201-4与第二像素的一对光电二极管201-3和201-4之间。第一像素的一对光电二极管201-3和201-4以及第三像素的一对光电二极管201-3和201-4沿着与第一方向相反的第四方向布置。第一像素的电容元件202-6和202-8被设置在第一像素的一对光电二极管201-3和201-4与第三像素的一对光电二极管201-3和201-4之间。

利用图14a或者14b的布局，本实施例的成像设备也可以既实现改进的灵敏度又实现降低的图像质量降级。

第七实施例

现在将描述根据本发明的成像系统的实施例。成像系统的示例包括数码相机、数码摄像机、摄像头、复印机、传真机、移动电话、车载相机和观察卫星。图15是用作成像系统的示例的数码相机的框图。

本实施例涉及一种成像系统，该成像系统包括成像设备1504的形式的根据上述任何实施例的成像设备。

图15中所示的成像系统包括用于透镜保护的挡板1501、在成像设备1504上形成对象的光学图像的透镜1502以及用于改变穿过透镜1502的光量的光圈1503。透镜1502和光圈1503形成将光聚集到成像设备1504上的光学系统。图15中所示的成像系统还包括对来自成像设备1504的输出信号进行处理的输出信号处理单元1505。输出信号处理单元1505根据需要执行各种类型的校正和压缩，并输出信号。而且，输出信号处理单元1505使用从成像设备1504输出的信号来生成图像。

图15中所示的成像系统还包括用于临时存储图像数据的缓冲存储器单元1506和用于与外部计算机等进行通信的外部接口(i/f)单元1507。成像系统还包括用于记录或读取所拍摄的图像数据的诸如半导体存储器之类的可移除记录介质1509、以及用于在记录介质1509上记录数据或从记录介质1509读取数据的记录介质控制接口(i/f)单元1508。成像系统还包括控制数码相机的各种计算和总体操作的总体控制/计算单元1510、以及将各种定时信号输出到成像设备1504和输出信号处理单元1505的定时发生器1511。定时信号等可以从外部输入。成像系统可以具有任何配置，只要它至少包括成像设备1504和对来自成像设备1504的输出信号进行处理的输出信号处理单元1505即可。

如在第五和第六实施例中所述，像素20可以均包括用于一个微透镜的多个光电二极管。在这种情况下，输出信号处理单元1505处理基于由像素20的光电二极管之一生成的电荷的信号和基于由像素20的另一个光电二极管生成的电荷的信号。输出信号处理单元1505因此可以获取与从成像设备1504到对象的距离有关的距离信息。像素20可以均包括用于一个微透镜的更多个光电转换器。即，输出信号处理单元1505使用基于由与一个微透镜对应的多个光电转换器(例如，光电二极管)中的一部分生成的电荷的信号和基于由多个光电转换器中的另一部分生成的电荷的信号。即，输出信号处理单元1505可以被配置为使用这两个信号来获取与从成像设备1504到对象的距离有关的距离信息。在这种情况下，基于由多个光电转换器中的另一部分生成的电荷的信号可以通过从基于由多个光电转换器生成的电荷之和的信号减去基于由光电转换器中的一部分生成的电荷的信号来获得。

输出信号处理单元1505被设置在第二半导体基板上，第二半导体基板与其上具有成像设备1504的第一半导体基板不同。第一半导体基板和第二半导体基板可以作为单独的芯片提供，或者可以被堆叠在一起以形成单个芯片。

如上所述，本实施例的成像系统能够使用成像设备1504执行成像操作。

第八实施例

图16a图示了与车载相机相关的成像系统。成像系统1000是包括成像设备1010的形式的根据上述任何实施例的成像设备的成像系统。成像系统1000包括图像处理单元1030和视差获取单元1040，其中图像处理单元1030对由成像设备1010获取的多条图像数据执行图像处理，并且视差获取单元1040从由成像系统1000获取的多条图像数据获取视差(即，视差图像之间的相位差)。

如果成像系统1000是包括多个成像设备1010的立体相机，那么可以使用从多个成像设备1010输出的信号来获取视差。成像系统1000可以包括成像设备1010，成像设备1010包括用于一个微透镜的多个光电转换器。在这种情况下，视差获取单元1040通过处理基于由多个光电转换器中的一部分生成的电荷的信号和基于由多个光电转换器中的另一部分生成的电荷的信号来获取视差。即，视差获取单元1040可以使用基于由与一个微透镜对应的多个光电转换器中的一部分生成的电荷的信号和基于由多个光电转换器中的另一部分生成的电荷的信号来获取视差。在这种情况下，基于由多个光电转换器中的另一部分生成的电荷的信号可以通过从基于由多个光电转换器生成的电荷之和的信号减去基于由多个光电转换器中的一部分生成的电荷的信号来获得。

成像系统1000包括距离获取单元1050和碰撞确定单元1060，其中距离获取单元1050基于获取的视差获取到物体的距离，并且碰撞确定单元1060基于获取的距离确定碰撞的可能性。视差获取单元1040和距离获取单元1050是获取与到物体的距离有关的距离信息的距离信息获取单元的示例。即，距离信息是关于视差、散焦量、到物体的距离等的信息。碰撞确定单元1060可以使用上述的任何距离信息来确定碰撞的可能性。距离信息获取单元可以通过专门设计的硬件、软件模块或两者的结合来实现。距离信息获取单元可以由现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)或两者的结合来实现。

成像系统1000连接到车辆信息获取设备1310，并且可以获取车辆信息，诸如车辆速度、横摆率和舵角。成像系统1000还连接到作为控制单元的控制ecu1410，控制ecu1410基于由碰撞确定单元1060做出的确定将用于生成制动力的控制信号输出到车辆。成像系统1000还连接到基于由碰撞确定单元1060做出的确定向车辆驾驶员发出警报的警报设备1420。例如，如果碰撞确定单元1060确定碰撞的可能性高，那么控制ecu1410执行车辆控制以通过施加制动、释放加速器或抑制引擎输出来避免碰撞或减少损坏。警报设备1420例如通过发出声音警报、在汽车导航系统的屏幕上显示警报信息或者振动安全带或方向盘来向用户发出警报。

在本实施例中，成像系统1000捕获车辆周围的图像，诸如车辆的前方或后方。

图16b图示了进行操作以捕获车辆前方的图像的成像系统1000。虽然已经描述了用于避免与其它车辆的碰撞的控制操作，但是相同的配置也适用于用于跟在其它车辆后面的自动驾驶控制操作以及用于不从车道驶出的自动驾驶控制操作。上述成像系统不仅适用于车辆(诸如其上安装有成像系统的车辆)，而且还适用于移动体(移动设备)(诸如船舶、飞行器和工业机器人)。成像系统不仅适用于移动体，而且还广泛适用于使用物体识别技术的设备(诸如智能交通系统(its))。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应当被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。