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公開番号2025044130
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-01
出願番号2024115292
出願日2024-07-18
発明の名称位相検出オートフォーカスピクセル
出願人ジーピクセルエヌブイ
代理人弁理士法人太陽国際特許事務所
主分類G02B 7/34 20210101AFI20250325BHJP(光学)
要約【課題】カメラレンズの合焦のための位相検出オートフォーカスピクセルの良好な使用を提供する。
【解決手段】位相検出オートフォーカスピクセル1であって、フォトダイオード2と、光をフォトダイオード上に集中させるための複数のマイクロレンズ3であって、光は、マイクロレンズの各々に入射する、マイクロレンズと、マイクロレンズごとに、マイクロレンズによってフォトダイオードに向かって透過された光の一部を遮断するために、マイクロレンズに関連付けられた光シールド4であって、光シールドは、光シールドの関連付けられたマイクロレンズの光軸31から同じオフセット方向Xにオフセットされている、光シールドと、を備える、位相検出オートフォーカスピクセル。
【選択図】図6
特許請求の範囲【請求項１】
位相検出オートフォーカスピクセル（１）であって、
フォトダイオード（２）と、
光を前記フォトダイオード（２）上に集中させるための複数のマイクロレンズ（３）であって、前記光は、前記マイクロレンズ（３）の各々に入射する、マイクロレンズ（３）と、
マイクロレンズ（３）ごとに、前記マイクロレンズ（３）によって前記フォトダイオード（２）に向かって透過された前記光の一部を遮断するために、前記マイクロレンズ（３）に関連付けられた光シールド（４）であって、前記光シールド（４）は、前記光シールド（４）の関連付けられたマイクロレンズ（３）の光軸（３１）から同じオフセット方向（Ｘ）にオフセットされている、光シールド（４）と、を備える、位相検出オートフォーカスピクセル（１）。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
前記複数のマイクロレンズ（３）が、正方形のアレイに編成されている、請求項１に記載の位相検出オートフォーカスピクセル（１）。
【請求項３】
前記マイクロレンズ（３）の正方形アレイが、マイクロレンズの行及び列を含み、各行（３２）及び列（３３）は、少なくとも２つのマイクロレンズ（３）を含む、請求項２に記載の位相検出オートフォーカスピクセル（１）。
【請求項４】
前記複数のマイクロレンズ（３）が、形状及びサイズが実質的に均一である、請求項１に記載の位相検出オートフォーカスピクセル（１）。
【請求項５】
マイクロレンズ（３）に関連付けられた前記光シールド（４）が、前記マイクロレンズ（３）の不在下では前記オフセット方向（Ｘ）の前記光軸（３１）の側で前記フォトダイオード（２）によって収集される、前記関連付けられたマイクロレンズ（３）によって透過される実質的に全ての光を遮断する、請求項１に記載の位相検出オートフォーカスピクセル（１）。
【請求項６】
各光シールド（４）が、金属から形成されている、請求項１に記載の位相検出オートフォーカスピクセル（１）。
【請求項７】
前記光シールド（４）が、実質的に同じ寸法を有し、前記光シールド（４）が、前記光シールド（４）の関連付けられたマイクロレンズ（３）の前記光軸（３１）から実質的に同じ距離だけオフセットされている、請求項１に記載の位相検出オートフォーカスピクセル（１）。
【請求項８】
位相検出オートフォーカスピクセル（１、１０）の対を備える画像センサ（６）であって、
請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の第１の位相検出オートフォーカスピクセル（１）であって、前記第１の位相検出オートフォーカスピクセル（１）の光シールド（４）が、前記光シールド（４）の関連付けられたマイクロレンズ（３）の光軸（３１）から第１のオフセット方向（Ｘ）に各々オフセットされている、第１の位相検出オートフォーカスピクセル（１）と、
先行する請求項のいずれかに記載の第２の位相検出オートフォーカスピクセル（１０）であって、前記第２の位相検出オートフォーカスピクセル（１０）の光シールド（４０）が、前記光シールド（４０）の関連付けられたマイクロレンズ（３０）の光軸（３１０）から、前記第１のオフセット方向（Ｘ）とは実質的に反対の第２のオフセット方向（－Ｘ）に各々オフセットされている、第２の位相検出オートフォーカスピクセル（１０）と、を備える、画像センサ（６）。
【請求項９】
前記第１の位相検出オートフォーカスピクセル（１）のフォトダイオード（２）によって生成された信号を、前記第２の位相検出オートフォーカスピクセル（１０）のフォトダイオード（２０）によって生成された信号と比較するように構成されたデバイス（６０）を備える、請求項８に記載の画像センサ（６）。
【請求項１０】
請求項９に記載の画像センサ（６）を備えるカメラ（８）であって、前記カメラ（８）は、カメラレンズ（５）を更に備えており、
前記カメラが、前記第１の位相検出オートフォーカスピクセル（１）の前記フォトダイオード（２）によって生成された信号と、前記第２の位相検出オートフォーカスピクセル（１０）の前記フォトダイオード（２０）によって生成された信号との前記比較に基づいて、前記カメラレンズ（５）の光軸（５０）に沿って前記カメラレンズ（５）を移動させるように構成されている、カメラ（８）。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相検出オートフォーカスピクセルの分野に関する。
続きを表示（約 3,900 文字）【背景技術】
【０００２】
位相検出オートフォーカス（ＰＤＡＦ）ピクセルは、ＣＭＯＳ画像センサ（ＣＩＳ）で一般的に使用される。ＰＤＡＦピクセルは、焦点（焦点ぼけ）の量を直接測定することを可能にし、焦点ぼけの場合には、焦点ぼけの方向（フロントフォーカス、リアフォーカス）を直接測定することを可能にする。したがって、カメラのレンズをすばやく調整して、画像に合焦することができる。ＰＤＡＦピクセルは、例えば、コントラストオートフォーカスが適用されるときよりもはるかに高速な合焦を可能にする。
【０００３】
複数のＰＤＡＦピクセル９を備えるカメラの画像センサ６１を示す、ＵＳ６８２９００８Ｂ１の図１７に対応する図１Ａを参照する。当技術分野において、各ＰＤＡＦピクセル９は、単一のマイクロレンズ９３を含む。例示の目的のために、この例では、各ＰＤＡＦピクセル９は、第１のフォトダイオードＳ１及び第２のフォトダイオードＳ２を含み、第１のフォトダイオードＳ１及び第２のフォトダイオードＳ２は、ＰＤＡＦピクセル９のマイクロレンズ９３の光軸９５に関して、反対方向、すなわち、それぞれ方向－Ｘ及びＸにオフセットされている。カメラは、カメラレンズ５を更に備える。
【０００４】
以下では、カメラが合焦されているかどうかを判定するために、ＰＤＡＦピクセル９をどのように使用することができるかについて説明する。本明細書では、マイクロレンズの限られた合焦能力を無視して、ＰＤＡＦピクセル９の理想化された機能が想定され、これは後で説明される。
【０００５】
カメラレンズ５によって収集された被写体（被写体は示されていない）上の各特定の点からの光は、第１の光ビームＬ１及び第２の光ビームＬ２に分割されると想定され得る。簡潔にするために、図１Ａには、被写体上の単一の特定の点のみからカメラレンズ５によって収集された光が示されている。第１の光ビームＬ１は、カメラレンズ５の第１の半体を通って伝播し、次いで、ＰＤＡＦピクセル９のうちの１つのマイクロレンズ９３を通って伝播し、そのＰＤＡＦピクセル９の第１のフォトダイオードＳ１に入射する。第２の光ビームＬ２は、カメラレンズ５の第２の半体を通って伝播し、次いで、ＰＤＡＦピクセル９のうちの１つのマイクロレンズ９３を通って伝播し、そのＰＤＡＦピクセル９の第２のフォトダイオードＳ２に入射する。
【０００６】
図１Ａの場合のように、カメラが被写体に合焦すると、カメラレンズ５は、被写体上の各点からの光を画像センサ６１のマイクロレンズ９３に合焦させ、それによりマイクロレンズ９３の平面内に被写体の画像を生成する。このように、カメラが合焦されているとき、被写体上の各特定の点からの２つの光ビームＬ１及びＬ２は、単一のＰＤＡＦピクセル９のマイクロレンズ９３上の単一の点に合焦される。結果として、合焦すると、被写体上の特定の点からの第１の光ビームＬ１を検出する第１のフォトダイオードＳ１は、被写体上の特定の点からの第２の光ビームＬ２を検出する第２のフォトダイオードＳ２と同じＰＤＡＦピクセル９に位置する。その結果、合焦すると、画像センサ６１の第１のフォトダイオードＳ１によって検出されたＬ１光ビームによって形成された被写体の第１の画像と、画像センサ６１の第２のフォトダイオードＳ２によって検出されたＬ２光ビームによって形成された被写体の第２の画像とが同じピクセル上で一致する。
【０００７】
図２は、ＵＳ６８２９００８Ｂ１の図１７に対応し、カメラが、合焦していない、より具体的には、フロントフォーカスの状況を示す。図２に示されるように、合焦していないとき、被写体上の各特定の点からの第１の光ビームＬ１及び第２の光ビームＬ２は、マイクロレンズ９３の平面から離れた位置で互いに交差する。したがって、合焦していないとき、被写体上の各特定の点からの光ビームＬ１及びＬ２について、第１の光ビームＬ１を検出する第１のフォトダイオードＳ１が第２の光ビームＬ２を検出する第２のフォトダイオードＳ２とは異なるＰＤＡＦピクセル９に位置するように、第１の光ビームＬ１及び第２の光ビームＬ２は、異なるマイクロレンズ９３に入射する。結果として、ＵＳ６８２９００８Ｂ１の図１９に対応する図３で観察され得るように、合焦していないときに、画像センサ６１の第１のフォトダイオードＳ１によって検出された被写体の第１の画像（「Ｓ１画像」）は、画像センサ６１の第２のフォトダイオードＳ２によって検出された被写体の第２の画像（「Ｓ２画像」）に関してシフトされる。ＵＳ６８２９００８Ｂ１で更に説明されるように、このシフトの大きさは、被写体上の特定の点からの第１の光ビームＬ１及び第２の光ビームＬ２が交差する点とマイクロレンズ９３の平面との間の距離に直接関連することができ、カメラレンズ５が被写体と合焦するためにカメラレンズ５の光軸５０に沿って並進されなければならない距離を判定するための直接的な方法を提供する。
【０００８】
図１Ｂを参照する。上記では、例示の目的のために、各ＰＤＡＦピクセルは、２つのフォトダイオード（すなわち、第１のフォトダイオードＳ１及び第２のフォトダイオードＳ２）を含んだが、実際には、単一のピクセル９１、９１０は、典型的には、単一のフォトダイオード９２、９２０のみを含む。したがって、実際には、単一のＰＤＡＦピクセル９１、９１０は、第１の光ビームＬ１及び第２の光ビームＬ２を互いに独立して検出することができない。この問題は、ＰＤＡＦピクセル９１及び９１０の対を使用することによって当技術分野で解決されている。各対は、マイクロレンズ９３及び光シールド９４を含む第１の光ビームＬ１を検出するための第１のＰＤＡＦピクセル９１を含み、第１のＰＤＡＦピクセル９１は、マイクロレンズ９３の光軸９５に関して第１のオフセット方向Ｘにオフセットされ、第２の光ビームＬ２を遮断するために、第１のオフセット方向Ｘの光軸９５の側において第１のＰＤＡＦピクセル９１のフォトダイオード９２の半分が覆われている。各対は、マイクロレンズ９３０及び光シールド９４０を含む第２の光ビームＬ２を検出するための第２のＰＤＡＦピクセル９１０を更に含み、第２のＰＤＡＦピクセル９１０は、マイクロレンズ９３０の光軸９５０に関して第１のオフセット方向Ｘと反対の第２のオフセット方向－Ｘにオフセットされ、第１の光ビームＬ１を遮断するために、第２のオフセット方向－Ｘの光軸９５０の側において第２のＰＤＡＦピクセル９１０のフォトダイオード９２０の半分が覆われている。それにより、画像センサ６２の第１のＰＤＡＦピクセル９１は、図１Ａ及び図２の例示的な例で第１のフォトダイオードＳ１によって対応して測定された第１の画像（すなわち、図３の「Ｓ１画像」）を実質的に検出し、一方、画像センサ６２の第２のＰＤＡＦピクセル９１０は、図１Ａ及び図２の例示的な例で第２のフォトダイオードＳ２によって対応して測定された第２の画像（すなわち、図３の「Ｓ２画像」）を実質的に検出する。当然ながら、被写体上の各特定の点について、第１の光ビームＬ１又は第２の光ビームＬ２のみが測定されると、画像の解像度がわずかに低下する。
【０００９】
同じ特定の入射角αを有する異なる光ビーム（被写体上の異なる隣接場所からの第１の光ビームＬ１に対応し、カメラレンズの第１の半体を通って伝播する）が入射する第１のＰＤＡＦピクセル９１及び第２のＰＤＡＦピクセル９１０を示す図４Ａを参照する。左側のプロットは、マイクロレンズ９３、９３０に入射する光の入射角αの向きを示す。ここで、入射角αは、マイクロレンズ９３、９３０の光軸９５、９５０に平行で、かつＸ軸（これに沿って、光シールド９４、９４０が、それぞれのＰＤＡＦピクセル９１、９１０の光軸９５、９５０からずれている）に平行である平面内にあり、マイクロレンズ９３、９３０の光軸９５、９５０に沿った法線入射に関するものである。ここで、Ｘの方向を指すＸ成分を有する入射光の方向は、負の入射角αを有し、－Ｘの方向を指すＸ成分を有する入射光の方向は、正の入射角αを有する。
【００１０】
ピクセル内クロストークのない、ＰＤＡＦピクセル９１、９１０の上述した理想化された機能は、第１の光ビームＬ１に向かう第１のＰＤＡＦピクセル９１及び第２の光ビームＬ２に向かう第２のＰＤＡＦピクセルの完璧な選択性を意味する。これは、第１のＰＤＡＦピクセル９１が正の入射角αを有する全ての光ビーム（すなわち、第１の光ビームＬ１）を検出する一方で、その光シールド９４が負の入射角αを有する全ての光（すなわち、第２の光ビームＬ２）を遮断し、第２のＰＤＡＦピクセル９１０が負の入射角αを有する全ての光ビームを検出する一方で、その光シールド９４０が正の入射角αを有する全ての光を遮断するときに達成される。そのような良好な選択性は、とりわけ、各マイクロレンズ９３、９３０が、図４Ａに示されるように、光シールド９４、９４０の平面内の各入射角αからの光をしっかりと合焦させ、各マイクロレンズ９３、９３０によって収集され、かつ負又は正の入射角αを有する光が、それぞれ、光軸９５、９５０に関して、第１の方向Ｘ又は第２の方向－Ｘにそれぞれ、光を合焦させるときに達成され得る。
（【００１１】以降は省略されています）

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