像素阵列、影像感测装置、影像感测器及相关控制方法与流程

1.本申请是有关于一种像素阵列，尤其涉及一种应用在影像感测装置中能够辅助自动对焦的像素阵列。


背景技术：

2.在拍照时，为了能够得到清晰的图像，通常会对欲拍摄的主体进行对焦，以使镜头移至合焦位置，让拍摄主体的像距能够落到感光组件上。相位对焦(phase difference auto focus，pdaf)可以在感光组件的光路上增加遮挡，使得多个感光组件分别会接收到来自左方及右方的光线，最终形成具有不同相位的左右两张图像。通过计算左右两张图像的相位差，便可进一步计算出镜头的合焦位置，以完成对焦。
3.一般来说，相位对焦所使用到的像素数据越多，就能够越精准地计算出相位差，并得到准确的合焦位置。然而，在现有技术中，用于相位对焦的像素因为在光路上有遮挡，因此灵敏度会比一般正常的像素低，而无法在正常撷取图像时直接提供对应的图像信息。也就是说，在全分辨率的图像中，用于相位对焦的像素会被视为坏点，而需要另外进行补偿或修正。此外，若是为了提高对焦的准确度，而使用了较多具有遮挡的像素来计算相位差，也将导致相位对焦的运算时间过长，而增加使用者的不便。由于相位对焦的精准度、速度以及拍照图像质量三者间常需要互相取舍，因此如何同时保持对焦的精准度及速度，同时也能够维持拍照的图像质量，就成为了本领域有待解决的问题。


技术实现要素：

4.本申请的目的之一在于公开一种能够应用在影像感测装置中的像素阵列、影像感测装置、影像感测器及相关控制方法，来解决上述问题。
5.本申请的一实施例提供一种像素阵列。像素阵列包括多个像素。多个像素包括多个一般像素及多个对焦像素。每一一般像素包括微透镜及感光区。每一对焦像素包括微透镜、屏蔽结构及感光区，所述屏蔽结构设置在每一对焦像素的所述微透镜与所述感光区之间，用以遮挡每一对焦像素的所述感光区的第一半部。其中所述多个对焦像素的多个感光区的第一半部是位在所述多个感光区的同一侧。
6.本申请的另一实施例提供一种影像感测装置，影像感测装置包括所述的像素阵列及透镜。透镜用以导引入射至所述像素阵列的光线。
7.本申请的另一实施例提供一种影像感测器，影像感测器包括所述像素阵列及控制器。控制器用以依据所述多个对焦像素所撷取到的第一图像及所述多个一般像素中对应于所述多个对焦像素的多个辅助对焦像素所撷取到的第二图像得出所述第一图像及所述第二图像之间的相位差，及依据所述相位差得出对焦信息。
8.本申请的另一实施例提供一种控制方法，用于控制所述的影像感测装置。控制方法包括利用所述多个对焦像素撷取第一图像，利用所述多个一般像素中，对应于所述多个对焦像素的多个辅助对焦像素撷取第二图像，依据所述第一图像及所述第二图像得出所述
第一图像及所述第二图像之间的相位差，及依据所述相位差得出对焦信息。
9.本申请的像素阵列、影像感测装置、影像感测器及相关控制方法能够利用对焦像素及一般像素进行对焦操作，因此可以同时维持对焦精准度及拍照图像质量。
附图说明
10.图1是本揭露一实施例的影像感测装置的示意图。
11.图2是图1中一般像素及对焦像素的示意图。
12.图3是控制方法的流程图。
13.图4、图5及图6分别为第一图像及第二图像在不同对焦情况下的相位差示意图。
14.图7是本揭露一实施例的像素阵列的示意图。
15.图8是本揭露一实施例的像素阵列的示意图。
具体实施方式
16.以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。
17.再者，在此处使用空间上相对的词汇，譬如「之下」、「下方」、「低于」、「之上」、「上方」及与其相似者，可能是为了方便说明图中所绘示的一组件或特征相对于另一或多个组件或特征之间的关系。这些空间上相对的词汇其本意除了图中所绘示的方位之外，还涵盖了装置在使用或操作中所处的多种不同方位。可能将所述设备放置于其他方位(如，旋转90度或处于其他方位)，而这些空间上相对的描述词汇就应该做相应的解释。
18.虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。
19.图1是本揭露一实施例的影像感测装置100的示意图。影像感测装置100可包括像素阵列110及透镜120。透镜120可导引入射至像素阵列110的光线，使得像素阵列110能够撷
取到外部物体的图像。依据所欲拍摄的物体的位置远近不同，影像感测装置100便需要执行对焦操作以对应地调整透镜120的位置，使得物体的像距能够落在像素阵列110上，以撷取到物体的清晰图像。
20.像素阵列110包括多个像素，多个像素包括一般像素112及对焦像素114。图2是一般像素112及对焦像素114的示意图。在图2中，一般像素112可包括微透镜ls及感光区sa，而每一对焦像素114可包括微透镜ls、感光区sa及屏蔽结构sld。此外，一般像素112及对焦像素114可各包含对应颜色的彩色滤光片cf。
21.屏蔽结构sld可设置在焦像素114的微透镜ls与感光区sa之间，并可用以遮挡对焦像素114的感光区sa的第一半部。在像素阵列110中，多个对焦像素114的感光区sa的第一半部都是位在其感光区sa的同一侧。举例来说，屏蔽结构sld可以设置在对焦像素114的感光区sa的左侧，因此位于对焦像素114的感光区sa左侧的第一半部将被屏蔽结构sld遮挡，而不会有光线入射，然而，位于对焦像素114的感光区sa右侧的第二半部则仍会有光线入射。
22.在此实施例中，对焦像素114可以撷取到右侧视角的第一图像img1，而为了计算出不同视角图像的相位差以进行相位对焦，影像感测装置100还可将一般像素112中，邻近于对焦像素114的一般像素作为辅助对焦像素112a，并可通过辅助对焦像素112a来撷取另一视角的第二图像img2。
23.也就是说，影像感测装置100可以利用对焦像素114取得特定视角的第一图像img1，并可将一般像素112中与对焦像素114相对应的一般像素112作为辅助对焦像素112a，再通过辅助对焦像素112a取得另一视角的第二图像img2，以执行对焦操作。由于辅助对焦像素112a是属于一般像素112，因此内部并未设置屏蔽结构sld。如此一来，在后续正式拍照的操作中，辅助对焦像素112a所撷取到的图像信息仍然可以直接被系统采用，而无须另外进行补偿或修补，因此可以在不增加对焦像素114的数量的情况下，维持对焦操作的精准度，同时也可提升影像感测装置100所撷取到的图像质量。
24.图3是控制方法200的流程图。在有些实施例中，方法200可以应用于影像感测装置100以使影像感测装置100自动对焦。方法200可包含步骤s210至s270。
25.s210：控制对焦像素114撷取第一图像img1；
26.s220：控制多个一般像素112中，邻近对焦像素114的辅助对焦像素112a撷取第二图像img2；
27.s230：对第一图像img1或第二图像img2进行标准化；
28.s240：依据第一图像img1及第二图像img2得出第一图像img1及第二图像img2之间的相位差；
29.s250：依据相位差得出对焦信息；
30.s260：依据对焦信息控制驱动马达140将透镜120移至合焦位置；s270：在将透镜120移至合焦位置后，控制多个一般像素112来撷取影像。
31.在方法200中，步骤s210可控制对焦像素114撷取第一图像img1，接着在步骤s220中，控制邻近于对焦像素114的辅助对焦像素112a撷取与第一图像img1相对应的第二图像img2。然而，在有些实施例中，步骤s210及s220的执行顺序可以对调，或是步骤s210及s220同步执行。
32.图4、图5及图6分别为第一图像img1及第二图像img2在不同对焦情况下的相位差
示意图。
33.在图4中，由于透镜120的位置太过靠近拍摄物体o1，导致焦点前移，此时物体o1的像距会落在像素阵列110前方，而在对焦像素114所撷取到的第一图像img1中，物体o1的位置会偏向右方。此外，在辅助对焦像素112a所撷取到的第二图像img2中，物体o1的位置虽然不会偏移，但由于透镜120失焦，因此物体o1的边界较为模糊。再者，由于辅助对焦像素112a中没有屏蔽结构sld，因此整体上，第二图像img2的亮度会大于第一图像img1的亮度。
34.在图5中，由于透镜120的位置太过远离拍摄物体o1，导致焦点后移，此时物体o1的像距会落在像素阵列110后方，此时在第一图像img1中，物体o1的位置会偏向左方，而在第二图像img2中，物体o1的位置仍保持不变。
35.在图6中，由于透镜120处在合焦位置，此时物体o1的像距刚好落在像素阵列110，因此在第一图像img1中，物体o1的位置不会偏移，而在第二图像img2中，物体o1的位置也保持不变。
36.从图4、图5及图6中可以观察到，透镜120的位置会与物体o1在第一图像img1及第二图像img2中物体的相位差有对应关系，因此在步骤s240中可先依据第一图像img1及第二图像img2取得两者之间相位差的大小及方向，而在步骤s250中，便可依据相位差得知透镜120目前的对焦情况，并且可以推算出透镜120与合焦位置的距离大小及偏离的方向等对焦信息。如此一来，在步骤s260中，即可依据对焦信息控制驱动马达140将透镜120移至合焦位置，而在步骤s270中，便可在透镜120移至合焦位置后，控制一般像素112来撷取影像以进行一般的拍照操作。
37.在有些实施例中，为了确保对焦像素114及辅助对焦像素112a所撷取到的图像能够互相对应，像素阵列110中，对焦像素114与对应的辅助对焦像素112a会以相邻的方式设置，举例来说，对焦像素114与对应的辅助对焦像素112a之间的距离可小于或等于相邻接的两个像素之间的距离的两倍。图7是本揭露一实施例的像素阵列110的示意图。在图7中，像素阵列110中的像素可分别用以感测红光、绿光及蓝光。为方便读者理解像素的排列方式，图7是在一般像素112及对焦像素114中，另外以r、g及b标记，以说明该一般像素112及该对焦像素114是感测红光的红色像素r、感测绿光的绿色像素g或感测蓝光的蓝色像素b。
38.在此实施例中，像素阵列110以2x2拜尔阵列排列，感测红光的红色像素r会与感测绿光的绿色像素g相邻接，感测蓝光的蓝色像素b会感测绿光的绿色像素g相邻接，且感测绿光的绿色像素g会与用以感测蓝光的蓝色像素b及感测红光的红色像素r相邻接。由于像素阵列110中的绿色像素g较多，因此在本实施例中，可以选择绿色像素作为对焦像素114，而为使第一图像img1及第二图像img2的取样内容能够对应，也可同样选择绿色像素作为辅助对焦像素112a。在此情况下，辅助对焦像素112a可以是与对焦像素114距离最近的四个绿色像素之一。
39.相对地，为了提高空间上的采样率，不同的对焦像素114可以均匀地设置在一般像素112之间，使彼此间尽量分散。举例来说，两个对焦像素114之间的距离可大于或等于相邻接的两个像素之间的距离的两倍。如此一来，就可以通过数量较少的对焦像素114采样到较为完整的第一图像img1，从而提升对焦操作的准确度。
40.图8是本揭露另一实施例的像素阵列310的示意图。在有些实施例中，像素阵列310可以应用在影像感测装置100中并取代像素阵列110。在图8中，像素阵列310以4x4拜尔阵列
排列，包括感测红光的多组红色像素sr、感测绿光的多组绿色像素sg及感测蓝光的多组蓝色像素sb，每一组红色像素sr可包括排列成方阵的四个红色像素r，每一组绿色像素sg包括排列成方阵的四个绿色像素g，而每一组蓝色像素sb包括排列成方阵的四个蓝色像素b。在此实施例中，每一组红色像素sr可与四组绿色像素sg相邻接，每一组蓝色像素sb可与四组绿色像素sg相邻接，而每一组绿色像素sg是与两组红色像素sr及两组蓝色像素sb相邻接。
41.在图8中，每一组绿色像素sg至多可包括两个对焦像素314，而辅助对焦像素312a则可以是与对焦像素314同一组绿色像素sg中的其他一般像素。如此一来，就可以确保对焦像素314与对应的辅助对焦像素312a能够邻近设置，因此两者所撷取到的图像也能够互相对应。此外，在图8中，每一个对焦像素314可与一般像素312相邻，且至多只会与另一对焦像素314相邻，以维持较高的空间采样率。
42.图7及图8呈现了两种不同像素阵列的像素排列方式，然而本揭露的像素阵列并不限于须以图7及图8的方式排列，而可能依据系统的需求改以其他方式设置。也就是说，不论像素阵列中，不同颜色的像素如何排列，只要能够利用对焦像素114撷取第一图像img1，并适当地选择与对焦像素114距离相近的一般像素112作为焦辅助像素112a来撷取第二图像img2，就可依据两张图像的相位差来推算出对焦的信息。
43.此外，由于对焦像素114的感光区sa有一半会被屏蔽结构sld遮挡，而辅助对焦像素112a的感光区sa则未被遮挡，因此第二图像img2中物体o1的边缘可能会比较模糊且亮度较高。为了避免第一图像img1及第二图像img2的不匹配影响到相位差的计算，在此实施例中，方法200可在步骤s230中，对第一图像img1或第二图像img2进行标准化，以使后续在计算第一图像img1及第二图像img2之间的相位差时能够得到较为精准的结果，然而本揭露并不以此为限。在有些实施例中，在可接受误差的情况下，也可将步骤s230省略。
44.再者，在本实施例中，对焦像素114的数量可与辅助对焦像素112a的数量相同，使得第一图像img1及第二图像img2的内容能够更加直接地互相对应，从而有助于在步骤s240中得出第一图像img1及第二图像img2之间的相位差。
45.在图1中，影像感测装置100还可包括控制器130及驱动马达140。在此情况下，控制器130可用来执行方法200。
46.此外，在先前技术中，对焦操作必须完全利用感光区被遮挡的对焦像素来完成，因此在采样等量数据的情况下，先前技术的像素阵列的对焦像素数量会是像素阵列110中对焦像素数量的两倍以上。在此情况下，先前技术的像素阵列在拍照操作中所撷取到的图像会具有较多的坏点，导致质量较差，而本揭露所提供的影像感测装置100则可撷取到坏点较少的图像，因此品质较佳。
47.再者，在先前技术中，对焦像素是以两个一组，分别遮挡各自感光区的左右半部，以依据左右两张图像计算相位差并得出对焦信息。因此，在先前技术中，两个一组的对焦像素必须彼此相邻，以在相近的位置上进行取样。然而，在影像感测装置100中，由于一般像素112也可以用来辅助对焦像素114进行对焦操作，因此在对焦像素数量与先前技术相同的情况下，像素阵列110中的对焦像素114可以分散设置，以各自在不同的空间位置上进行取样。也就是说，相较于先前技术，像素阵列110可具有更高的空间采样率，并且可以在不影响拍照图像质量的情况下，使影像感测装置100取得更精准的对焦信息。此外，在环境亮度较低的情况下，先前技术的对焦精确度会明显降低，然而由于像素阵列110可提供较高的空间采
样率，因此影像感测装置100仍可维持较好的对焦精确度。
48.由于影像感测装置100可以分别利用对焦像素114及一般像素112中的辅助对焦像素112a来撷取图像以执行相位对焦，因此可以在不损失对焦操作的精准度的情况下，利用较少的对焦像素114来执行对焦操作，使得影像感测装置100在像素排列的设置上更具有弹性，同时也可以提升影像感测装置100在拍照操作中所撷取到的图像质量。在有些实施例中，对焦像素114的总数量可小于像素阵列110中像素总数量的3％，例如为1.5％或0.75％。
49.在图1的实施例中，影像感测装置100可包括像素阵列110、透镜120、控制器130及驱动马达140，其中由于像素阵列110及控制器130的操作需要彼此密切地搭配，因此可能会设置在影像感测器11中，并可由相同的厂商设计及/或制造，也就是说，影像感测装置100可包括影像感测器11，而影像感测器11可包括像素阵列110及控制器130。然而本揭露并不以此为限，在有些实施例中，控制器130也可以设置在影像感测器11或影像感测装置100的外部，在此情况下，控制器130可在外部接收像素阵列110所撷取到的图像数据，并在外部完成运算之后，再将对焦信息传送至驱动马达140，或依据所述对焦信息产生控制信号控制驱动马达140，以完成对焦操作。在本实施例中，影像感测器11以半导体芯片实现，其中像素阵列110和控制器130可以设置于相同的晶粒或不同的晶粒中，控制器130可以包含计算单元。影像感测装置100可以是手持装置，可为例如智能型手机、个人数字助理、手持式计算机系统或平板计算机等任何手持式电子装置，但本申请不以此为限。
50.综上所述，本揭露的实施例所提供的影像感测装置及相关的控制方法可以利用对焦像素及一般像素中与对焦像素相对应的辅助对焦像素来撷取图像以执行相位对焦，因此可以在不损失对焦操作的精准度的情况下，利用较少的对焦像素来执行对焦操作。如此一来，像素阵列在像素的排列及设置上可具有更多的弹性，同时也可以提升影像感测装置在拍照操作中所撷取到的图像质量。
51.上文的叙述简要地提出了本申请某些实施例之特征，而使得本申请所属技术领域具有通常知识者能够更全面地理解本揭示内容的多种态样。本申请所属技术领域具有通常知识者当可明了，其可轻易地利用本揭示内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处所述之实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本申请所属技术领域具有通常知识者应当明白，这些均等的实施方式仍属于本揭示内容之精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本揭示内容之精神与范围。