CN102387320A - 光电转换装置、焦点检测装置和图像拾取系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电转换装置、焦点检测装置和图像拾取系统。光电转换装置包括多个单位像素，每个单位像素包括第一光电转换单元、第二光电转换单元和被第一光电转换单元和第二光电转换单元共享的像素输出单元。单位像素沿第一方向布置，第一光电转换单元和第二光电转换单元沿与第一方向不同的第二方向布置。

Description

光电转换装置、焦点检测装置和图像拾取系统

技术领域

本发明涉及一种光电转换装置，更具体涉及一种用于实现基于相位差检测的自动聚焦的光电转换装置。

背景技术

自动聚焦中所使用的传感器之一被配置为：包括用于检测被摄体(object)的位置信息的光电传感器元件，并且还包括检测光强度以控制光电传感器元件的蓄积时间(accumulation time)的监测传感器。日本专利公开No.2000-031507公开了这样一种技术，在该技术中，分别提供传输路径，以使得来自用于检测位置信息的光电传感器元件的信号通过一个路径传送，来自监测传感器的信号通过不同的路径传送。此外，在日本专利公开No.2000-031507中所公开的这种技术中，为用于检测位置信息的多个光电传感器元件中的每个提供一个监测传感器。

在日本专利公开No.2000-031507中所公开的配置中，从用于检测位置信息的光电传感器元件输出的信号和从监测传感器输出的信号被不同的检测电路处理，因此，检测电路之间的差异可对AF特性引起不利的影响。此外，多个用于检测位置信息的光电传感器元件共享一个监测传感器可使得难以实现高监测精度。

发明内容

在一方面，本发明提供一种光电转换装置，包括：多个单位像素，每个单位像素包括第一光电转换单元、第二光电转换单元、像素输出单元、第一传输单元，所述像素输出单元用于输出基于由第一光电转换单元和第二光电转换单元中的至少一个产生的电荷的信号，第一传输单元用于将由第一光电转换单元产生的电荷传输到所述像素输出单元；以及，监测器单元，所述监测器单元用于基于从所述像素输出单元输出的信号以及由第二光电转换单元产生的电荷来控制第一光电转换单元的电荷蓄积操作，其中，所述多个单位像素沿第一方向布置，第一光电转换单元和第二光电转换单元沿第二方向布置。

从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清楚。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的用在AF(自动聚焦)中的光电转换装置的主要元件的示图。

图2是示出根据本发明实施例的线传感器单元的主要元件的示图。

图3是根据本发明实施例的单位像素的等效电路。

图4A和4B是示出根据本发明实施例的操作的定时图。

图5是根据本发明实施例的单位像素的平面布局图。

图6是根据本发明实施例的单位像素的等效电路。

图7是示出根据本发明实施例的操作的定时图。

图8是根据本发明实施例的单位像素的平面布局图。

图9A、9B和9C是示出根据本发明实施例的线传感器单元的主要元件的示图。

图10是示出根据本发明实施例的操作的定时图。

图11是根据本发明实施例的单位像素的平面布局图。

图12是根据本发明实施例的单位像素的平面布局图。

图13是根据本发明实施例的单位像素的平面布局图。

图14是根据本发明实施例的单位像素的平面布局图。

图15是根据本发明实施例的单位像素的平面布局图。

图16是根据本发明实施例的单位像素的平面布局图。

图17是示出根据本发明实施例的用在AF(自动聚焦)中的光电转换装置的主要元件的示图。

图18是示出根据本发明实施例的线传感器单元的主要元件的示图。

图19是示出根据本发明实施例的图像拾取系统的配置的示例的框图。

具体实施方式

第一实施例

以下对本发明的第一实施例进行描述。在该实施例中，光电转换装置应用于基于相位差检测的自动聚焦(AF)。

图1示意性地示出根据本实施例的用在相位差AF中的光电转换装置的主要元件。光电转换装置1包括线传感器单元对L1A和L1B、L2A和L2B、......、LNA和LNB。每对线传感器单元被用于测量被摄体在成像平面的特定区域中的散焦。通过设置多个线传感器单元对来提供多个焦点测量点，由此变得可改善AF精度。每个线传感器单元包括单位像素11A、12A、......，每个单位像素包括用于检测相位差信息的AF光电转换单元和用于检测光强度的监测器光电转换单元。各个线传感器单元L1A、L2A、......、LNA中的单位像素和各个线传感器单元L1B、L2B、......、LNB中的单位像素通过公共的信号输出单元21A、22A、......和信号输出单元21B、22B等将信号输出到监测器单元30等。

图2示出线传感器单元L1A的细节。单位像素11A包括光电转换单元100A和信号输出单元21A，信号输出单元21A包括最大值检测单元102-1A和最小值检测单元102-2A。从光电转换单元100A输出的信号被供给到最大值检测单元102-1A和最小值检测单元102-2A。最大值检测单元102-1A和最小值检测单元102-2A可各自使用例如源极跟随器放大器来实现。为了提高信号检测精度，可提供降噪电路。其它单位像素的结构与单位像素11A类似。线传感器单元L2A、L3A、...、L1B、L2B、...等具有与线传感器单元L1A相同的结构，因此，省略其说明。

从每个单位像素的最大值检测单元和最小值检测单元输出的信号经由信号保持单元301被供给到监测器单元30。信号保持单元301包括用以临时保持从最大值检测单元输出的信号的保持元件，并具有下述路径，该路径使得它可直接将从最大值检测单元和最小值检测单元输出的信号传输到监测器单元30而不保持它们。在执行监测操作(以后描述)的时间段中，直接将信号传输到监测器单元30而不保持信号，从而使得可实时地监测光强度。另一方面，当从每个单位像素读取信号时，信号保持单元301临时保持该信号，以使得蓄积时间变为对线传感器单元内的所有单位像素相等，扫描电路(未显示)顺序地将保持的信号传输到输出缓冲器Buf。

单位像素的最大值检测单元的输出端子在信号保持单元301的后级连接在一起，并输入到监测器单元。最小值检测单元的输出端子也以类似的方式连接在一起，并输入到监测器单元。这种配置使得监测器单元可对从线传感器单元L1A输出的信号的最大值和最小值进行实时检测。如果指示最大值与最小值之间的差值的信号(以下，简单称为P-B信号)超过预先确定的阈值，则监测器单元30将输出用于命令光电转换单元结束电荷蓄积操作的信号。可根据使用条件改变阈值。监测器单元30包括可变增益放大器，其使得当P-B信号不提供足够高的对比度时能够以更大的增益放大信号。

虽然在本实施例中，最大值检测单元被用于分别从各单位像素读取信号，但是可使用最小值检测单元来代替最大值检测单元。

图3是示出光电转换/检测单元101的细节的等效电路图。

在图3中，PDA表示用于检测相位差信息的光电二极管，PDM表示用于监测光强度的光电二极管。光电二极管PDA的阳极通过传输晶体管TX连接至放大器Amp的输入节点，光电二极管PDM的阳极通过传输晶体管MON连接至放大器Amp的输入节点。Cpd表示与光电二极管PDA和传输晶体管TX相关联的寄生电容，Cmon表示与光电二极管PDM和传输晶体管MON相关联的寄生电容。放大器Amp的输入节点还连接至FD电容Cfd和重置晶体管RES，FD电容Cfd是浮置扩散元件的电容。当信号PTX变成高电平时，传输晶体管TX导通，存储在电容Cpd中的电荷传输到FD电容Cfd。另一方面，当信号PMON变成高电平时，传输晶体管MON导通，存储在电容Cmon中的电荷传输到FD电容Cfd。当信号PRES变成高电平时，重置晶体管RES导通，放大器Amp的输入节点根据电源电压VRES被重置。信号PTX、PMON、PRES和PSELx例如由定时发生器(未显示)给出。注意，PDA对应于第一光电转换单元，PDM对应于第二光电转换单元，TX对应于第一传输单元，MON对应于第二传输单元，放大器Amp对应于像素输出单元，重置晶体管RES对应于重置单元。

以下对光电二极管PDA和PDM与电源电压VRES之间的关系进行说明。

用于检测相位差信息的光电二极管PDA和用于监测光强度的光电二极管PDM都被重置晶体管RES重置为反向偏压状态。在反向偏压状态下，光电二极管PDA耗尽(deplete)，但是光电二极管PDM没有耗尽。通过将光电二极管PDA设置为耗尽状态，可使光电二极管PDA的电容Cpd减小到可以忽略的小的水平。另一方面，电容Cmon的主要分量是光感测部分在非耗尽状态下的寄生电容。FD元件的电容Cfd包括与传输轮换器(transfer turn)TX和MON、重置开关RES以及放大器Amp的输入节点相关联的电容，并且还包括相关联的布线(wiring)的电容。通常，相对的电容值使得Cmon＞Cfd＞Cpd。

以下参照图4A对根据本实施例的光电转换装置的操作(第一操作模式)进行描述。这种操作模式对于具有低亮度的被摄体是有用的。图4A示出信号PRES、PTX和PMON，并且还示出放大器Amp的输入节点处的电势(在图4A中用FD电势表示)。虽然在图4A中没有显示信号PSELx，但是假设信号PSELx在图4A所示的整个时间段期间为高电平。注意，控制线传感器单元，以使得每对线传感器单元同时操作。

当信号PRES、PTX和PMON在时间t0切换到高电平时，重置晶体管RES及传输晶体管TX和MON响应于信号PRES、PTX和PMON的由低到高的转变而导通。结果，光电二极管PDA和PDM及放大器Amp的输入节点被电源电压VRES重置。

当信号PTX在时间t1变成低电平时，传输晶体管TX截止，因此，光电二极管PDA变成可蓄积电荷的状态。此刻，重置晶体管RES处于导通状态，因此，FD电势没有发生变化。

当信号PRES在时间t2变成低电平时，重置晶体管RES截止，因此，光电二极管PDM从重置状态释放出来。此刻，由于光电二极管PDM中所产生的电荷，而导致FD电势开始变化。

在时间t2之后，如果由监测器单元30检测的P-B信号在时间t3超过预先确定的阈值，则信号PRES变成高电平，信号PMON变成低电平。结果，光电二极管PDM与放大器Amp的输入节点断开，并且FD电势被电源电压VRES重置。

PTX在时间t4变成高电平，并在接着的直到时间t5为止的时间段期间保持为高电平。在这个时间段期间，用于检测相位差信息的光电二极管PDA中所蓄积的电荷被传输到FD电容Cfd。在此刻，完成控制用于检测相位差信息的光电二极管PDA的蓄积时间的处理。

在起始于时间t6的时间段中，扫描电路(未显示)将从各最大值检测单元输出的信号顺序地传送到输出缓冲器Buf。因此，获得来自各单位像素的信号。

在上述操作中，在传输晶体管MON在时间t3截止之后，光电二极管PDA中所蓄积的电荷被传输到FD电容Cfd。结果，当检测相位差信息时，FD电容Cfd仅由与放大器Amp的输入节点相关联的电容给出，这使得可实现大的电荷到电压转换因数。换句话讲，即使当光电二极管PDA中所产生的电荷的量小时，也可将电荷检测为电压信号。这使得即使当被摄体的亮度低时，也可对该被摄体实现对焦状态。

接下来，以下参照图4B对根据本实施例的光电转换装置的操作进行描述。这种操作模式对于具有高亮度的被摄体是有用的。该操作与以上参照图4A所述的操作的不同之处在于在从时间t4到时间t5的时间段期间，信号PMON为高电平，并且用于监测光强度的光电二极管PDM电连接至FD元件。

在这种操作中，当光电二极管PDA中所蓄积的电荷被传输到FD电容Cfd时，与放大器Amp的输入节点相关联的电容由FD电容Cfd和光电二极管PDM的电容Cmon之和给出。这导致电荷到电压转换因数的减小，这使得能够扩展即使对于具有高亮度的被摄体电荷也可被检测为电压信号而不饱和的范围。

在本实施例中，当执行重置时，光电二极管PDA耗尽，而光电二极管PDM没有完全耗尽。因此，对于低亮度，电容Cpd的小的值使得可实现大的电荷到电压转换因数，而对于高亮度，大的电容Cmon的相加使得可减小电荷到电压转换因数。因此，可处理宽范围的亮度。具体地讲，在低亮度范围中，光电二极管PDA的小的电容可导致灵敏度的提高。

通过根据被摄体的亮度在以上参照图4A描述的第一模式与以上参照图4B描述的第二模式之间切换操作，可扩展能够进行高精度检测的动态范围。

接下来，以下给出关于下述电平的描述，在所述电平处，根据由监测器单元30执行的确定，结束每个单位像素的电荷蓄积操作。

设G表示在从单位像素输出的信号被输入到监测器单元30之前对该信号获得的增益。此外，设Vhigh表示当该增益高时(即，当亮度低时)输入到监测器单元30的信号，设Vlow表示当增益低时(即，当亮度高时)输入到监测器单元30的信号，则如下给出这些信号：

对于低亮度：

$\mathrm{Vhigh}=G\×\frac{\mathrm{Qpd}}{\mathrm{Cfd}+\mathrm{Cpd}}---\left(1\right)$

对于高亮度：

$\mathrm{Vlow}=G\×\frac{\mathrm{Qpd}+\mathrm{Qmon}}{\mathrm{Cmon}+\mathrm{Cfd}+\mathrm{Cpd}}---\left(2\right)$

其中，Qpd表示光电二极管PDA中所产生的电荷量，Qmon表示光电二极管PDM中所产生的电荷量。

如从方程(1)和(2)可见，信号的幅值根据亮度是高还是低而变化。然而，无论被摄体的条件如何，都可方便地将输入到监测器单元30的信号的幅值保持在预先确定的范围内。如果将目标值表示为Vtarget，并且如果将在时间t输入到监测器单元30的信号表示为Vagc(t)，则如下给出Vtarget：

对于低亮度：

$\mathrm{Vt}\arg \mathrm{et}\×\frac{\mathrm{Vhigh}}{\mathrm{Vagc}}=\frac{\mathrm{Qpd}}{\mathrm{Qmon}}\×\frac{\mathrm{Cmon}+\mathrm{Cfd}}{\mathrm{Cfd}+\mathrm{Cpd}}---\left(3\right)$

对于高亮度：

$\mathrm{Vt}\arg \mathrm{et}\×\frac{\mathrm{Vlow}}{\mathrm{Vagc}}=\frac{\mathrm{Qpd}+\mathrm{Qmon}}{\mathrm{Qmon}}\×\frac{\mathrm{Cmon}+\mathrm{Cfd}}{\mathrm{Cmon}+\mathrm{Cfd}+\mathrm{Cpd}}---\left(4\right)$

图5示出根据本实施例的形成在半导体衬底上的单位像素的布局的示例。在图5所示的布局中，作为示例，通过使用运算放大器的电压跟随器来实现放大器Amp。

在图5中，单位像素11A、12A、......沿第一方向布置，而光电二极管PDA和光电二极管PDM沿与第一方向垂直的第二方向布置。在AF光电转换装置中，如果单位像素中的光电二极管PDA和光电二极管PDM沿第一方向布置，则难以实现小的像素节矩。此外，由于基于入射在单位像素中沿第一方向偏移的位置处的光执行监测，所以存在发生监测精度降低的可能性。

在图5所示的布局中，为了避免上述问题，可基于入射在没有沿第一方向偏移的位置处的光执行监测。这使得可实现像素节矩的减小和监测精度的提高。

光电二极管PDA可被配置为具有比光电二极管PDM的光接收面积小的光接收面积，以使得光电二极管PDA可产生更大量的电荷，相位差信息是通过所述电荷提供的。

第二实施例

以下对本发明的第二实施例进行描述。在该实施例中，光电转换装置被应用于基于相位差检测的自动聚焦(AF)。第二实施例与第一实施例的不同之处在于在用于监测光强度的光电二极管PDM与FD元件之间没有传输开关MON。本实施例与上述第一实施的类似之处在于当执行通过电源电压VRES的重置时，光电二极管PDA耗尽，但是光电二极管PDM没有完全耗尽。

图6是根据本发明的本实施例的单位像素的等效电路。在图6中，与图3中的元件类似的元件用类似的标号表示。图7是示出根据本发明的本实施例的操作的定时图。虽然在图7中没有示出信号PSELx，但是假设信号PSELx在图7所示的整个时间段上为高电平。注意，控制线传感器单元，以使得每对线传感器单元同时操作。

当信号PRES和PTX在时间t0切换到高电平时，重置晶体管RES和传输晶体管TX响应于信号PRES和PTX由低到高的转变而导通。结果，光电二极管PDA和PDM及放大器Amp的输入节点被电源电压VRES重置。

当信号PTX在时间t1变成低电平时，重置晶体管RES截止，因此，光电二极管PDA变成可蓄积电荷的状态。此刻，重置晶体管RES处于导通状态，因此，FD电势和光电二极管PDM的电势没有发生变化。

当信号PRES在时间t2变成低电平时，重置晶体管RES截止，因此，光电二极管PDM从重置状态释放出来。此刻，由于光电二极管PDM中所产生的电荷，FD电势开始变化。

在时间t2之后，如果由监测器单元30检测的P-B信号在时间t3超过预先确定的阈值，则信号PRES变成高电平，这使得放大器Amp的输入节点和光电二极管PDM被电源电压VRES重置。

信号PRES在时间t4变成低电平。在相同的定时，信号PTX切换到高电平，并保持为高电平，直到时间t5为止。结果，用于检测相位差信息的光电二极管PDA中所蓄积的电荷被传输到FD电容Cfd。在此刻，完成控制用于检测相位差信息的光电二极管PDA的蓄积时间的处理。

在起始于时间t6的时间段中，扫描电路(未显示)将从各最大值检测单元输出的信号顺序地传输到输出缓冲器。因此，获得来自各单位像素的信号。

在本实施例中，FD元件总是电连接至光电二极管PDM。因此，除了电容Cfd之外，电容Cmon也参与电荷到电压转换操作。

如上所述，在蓄积时间段期间，通过传输晶体管使用于检测相位差信息的光电二极管PDA与FD电容电绝缘，因此，在蓄积时间段期间在FD电容中出现的暗电流对光电二极管PDA没有影响，这使得可在读取信息时实现高精度。此外，传输开关MON的移除使得光电传感器元件可具有更大的面积，这使得可实现灵敏度的改善。此外，变得更容易控制单位像素。

图8示出根据本实施例的形成在半导体衬底上的单位像素的布局的示例。

在图8中，单位像素11A、12A、...沿第一方向布置，而光电二极管PDA和光电二极管PDM沿与第一方向垂直的第二方向布置。图8所示的布局使得可基于入射在没有沿第一方向偏移的位置处的光来执行监测。这使得可实现像素节矩的减小和监测精度的提高。

第三实施例

以下对第三实施例进行描述。

第二实施例公开了这样一种配置，该配置除了根据上述第一实施例的配置中所包括的元件之外，还包括用作降噪电路的偏移消除电路。图9A是示意性地示出线传感器单元L1A的电路图。注意，虽然在该图中仅显示了一个像素，但是线传感器单元L1A可包括更多数量的像素。为了简化图示，省略了图3所示的单位像素中的选择开关SEL。定时发生器19输出用以控制光电转换装置的操作的信号PTX、PMON、PRES、PSEL、PAGC等。

在图9A中，第一偏移消除电路200A用于最小值检测单元，而第二偏移消除电路200B用于最大值检测单元。

每个最小值检测单元包括差分放大器BA和开关32，并被配置为使得差分放大器BA的输出被反馈给第一偏移消除电路200A。多个最小值检测单元的输出共同连接至信号线9，以使得从端子BOUT输出的信号被供给到监测器单元30。各个最小值检测单元的开关由公共信号PAGC控制。

图9B示出最小值检测单元中的差分放大器BA的配置的示例。差分放大器BA包括差分放大器部分和源极跟随器输出级。从外部给出信号BP2，以控制流过差分输入级的电流。信号BP3控制源极跟随器输出级的恒流源。

连接至信号线9的晶体管11操作为：当最小值检测单元的开关响应于信号PAGC导通时，晶体管11用作源极跟随器输出级的恒流源。

图9C示出最大值检测单元中的差分放大器PA的配置的示例。差分放大器PA与差分放大器BA类似，除了源极跟随器输出级的极性相反之外。

每个最大值检测单元包括差分放大器PA和开关42，并被配置为差分放大器PA的输出被反馈给第二偏移消除电路200B。多个最大值检测单元的输出共同连接至信号线10，以使得从端子POUT输出的信号被供给到监测器单元30。从外部给出信号BP1，以控制流过差分输入级的电流。信号BN1控制源极跟随器输出级的恒流源。

最大值检测单元的开关由公共信号PAGC控制，也可由从扫描电路输出的信号PH1、PH2、......控制，以使得从各单位像素输出的信号分别被读取。

连接至信号线10的晶体管12操作为：当最大值检测单元的开关响应于信号PAGC导通时，晶体管12用作源极跟随器输出级的恒流源。

监测器单元30包括差分放大器15和比较器17。连接差分放大器15，以使得信号线9连接至反相输入端子，信号线10连接至非反相输入端子。也就是说，当最小值检测单元和最大值检测单元响应于信号PAGC同时连接至对应的信号线时，从线传感器单元L1A输出的信号的最大值与最小值之间的差值被作为P-B信号输出。当P-B信号相对于参考信号VREF的比较结果反转时，定时发生器19控制各单位像素的电荷蓄积操作结束。

接着，以下参照图10对根据本实施例的光电转换装置的操作进行描述。在描述中，不对与根据第一实施例的操作类似的操作进行进一步说明。

在从时间T0到时间T10的PD重置时间段期间，以与上述第一实施例中的方式类似的方式执行重置光电二极管的操作。在这个时间段期间，与第一偏移消除电路200A和第二偏移消除电路200B相关联的信号PN1、PN2、PS1、PS2、PGR和PAGC为低电平。

偏移消除(OC)时间段#1在用于检测相位差信息的光电二极管PDA蓄积电荷的时间段中。当信号PN1、PN2和PGR在时间T11切换到高电平时，开关21、23和25导通。结果，从单位像素输出的信号经由开关21施加于差分放大器BA，从差分放大器BA输出的信号经由开关23被供给到箝位电容器24的一个端子。该信号包括差分放大器BA的偏移。

信号PN2在时间T12变成低电平，然后信号PN1变成低电平。因此，开关23和开关21截止。

当信号PS2在时间T14变成高电平时，开关28导通。结果，差分放大器BA的非反相输入端子的节点被箝位电压VGP重置。

当信号PGR在时间T15变成低电平时，箝位电容器24的另一个端子(即，差分放大器BA的非反相输入端子的节点)进入电浮置状态。结果，箝位电容器在其上保持的电压等于从单位像素输出的信号的电压加上差分放大器BA的偏移电压减去箝位电压。

在起始于时间T20的AGC时间段期间，信号PS1和PAGC切换到高电平。作为响应，从单位像素输出的信号经由开关22被供给到箝位电容器24的一个端子。也就是说，只有与相对于在时间T15箝位的电压电平的电压变化对应的电压被传输到差分放大器BA。该信号反馈给差分放大器BA的结果是，从差分放大器BA输出的信号不包括差分放大器BA的偏移。

在时间T20之后，如果从监测器单元30输出的信号COMP 18的逻辑电平在时间T30反转，则AGC时间段结束。在时间T30之后的FD重置时间段期间，响应于信号COMP 18的反转，监测器单元30将信号PRES变成高电平，以重置FD电容Cfd，并将信号PMON变成低电平，以使用于监测光强度的光电二极管PDM与FD电容Cfd电断开。另外，信号PS1、PS2和PAGC切换到低电平。

当信号PRES在时间T40变成低电平时，放大器Amp的输入节点从重置状态释放出来。在从时间T40到时间T50的OC时间段#2期间执行的操作与在OC时间段#1期间的操作类似，除了信号PMON为低电平之外。也就是说，在这个时间段期间，在用于监测光强度的光电二极管PDM与放大器Amp的输入节点电断开的状态下执行偏移消除操作。

在时间T50，AF信号传输时间段开始，并且信号PTX切换到高电平，以将用于检测相位差信息的光电二极管PDA中所蓄积的电荷传输到FD电容Cfd。信号PS1和信号PS2为高电平，因此，从差分放大器BA输出下述信号，该信号包括单位像素中所产生的减小的噪声，并包括差分放大器BA的减小的偏移。第二偏移消除电路200B和最大值检测单元以类似的方式操作。

在起始于时间T60的读取时间段期间，从扫描电路顺序地输出信号PH1、PH2、PH3、......。作为响应，从输出端子POUT顺序地输出基于在用于检测相位差信息的光电二极管PDA中所蓄积的电荷的信号。

除了在上述第一实施例中实现的优点之外，第二实施例还提供下述优点，即，单位像素中所产生的噪声及最大值检测单元和最小值检测单元中所发生的偏移被抑制，因此，变得能够以更高的精度检测信号。

第四实施例

图11示出根据本实施例的形成在半导体衬底上的单位像素的布局的示例。

在本实施例中，用于监测光强度的光电二极管PDM直接连接至FD元件。图11所示的根据本实施例的配置与图8所示的配置的不同之处在于用于监测光强度的光电二极管PDM位置更靠近FD元件。

在本实施例中，光电二极管PDM通过连续扩散层连接至FD元件。可替换地，光电二极管PDM和FD元件可形成在不同的扩散层中，并且它们可通过布线连接。与图8所示的布局相比，根据本实施例的布局使得可缩短布线的长度，这使得可减小与FD元件相关联的电容。因此，可实现灵敏度的改善。

第五实施例

图12示出根据本实施例的形成在半导体衬底上的单位像素的布局的示例。

在本实施例中，用于监测光强度的光电二极管PDMA和PDMB直接连接至FD元件。

在图8所示的配置或者图11所示的配置中，用于监测光强度的光电二极管仅沿第二方向如所看到的那样设置在光电二极管PDA的一侧。在本实施例中，用于监测光强度的光电二极管具有沿第二方向布置的两个光电转换区，以使得光电二极管PDA位于这两个光电转换区之间。这种配置使得可进行高精度的监测操作，因此，变得即使在亮度分布沿第二方向延伸的情况下，也可精确地控制蓄积时间。

第六实施例

图13示出根据第六实施例的形成在半导体衬底上的单位像素的布局的示例。

在根据本实施例的布局中，光电二极管PDM比在图5所示的布局中位置更靠近FD元件，这使得可减少光电二极管PDM与FD元件之间的互连部分。这导致与放大器Amp的输入节点相关联的电容的减小，因此，可实现灵敏度的改善。

第七实施例

图14示出根据第七实施例的形成在半导体衬底上的单位像素的布局的示例。

在本实施例中，与以上参照图12所描述的配置一样，用于监测光强度的光电二极管包括沿第二方向布置的两个光电转换区，以使得光电二极管PDA位于这两个光电转换区之间。

这种配置使得如在上述第五实施例中那样，即使在亮度分布沿第二方向延伸的情况下，也可精确地控制蓄积时间。此外，由于用于监测光强度的光电二极管的光电转换区经由开关连接至FD元件，所以可如第一实施例中那样，根据被摄体的亮度切换电荷到电压转换因数。

第八实施例

图15示出根据第八实施例的形成在半导体衬底上的单位像素的布局的示例。

在该实施例中，用于检测相位差信息的光电二极管包括两个光电转换区PDA1和PDA2，这两个光电转换区被布置为使得用于监测光强度的光电二极管PDM位于两个光电转换区PDA1和PDA2之间。在这种配置中，位于两个光电转换区PDA1和PDA2之间的用于监测光强度的光电二极管使得，即使在被摄体的亮度在光电二极管的光电转换区PDA1和PDA2之间大大地变化的状态下，也可精确地控制蓄积时间。

第九实施例

图16示出根据第九实施例的形成在半导体衬底上的单位像素的布局的示例。

在该实施例中，用于检测相位差信息的光电二极管包括两个光电转换区PDA1和PDA2，这两个光电转换区PDA1和PDA2被布置为使得用于监测光强度的光电二极管PDM位于两个光电转换区PDA1和PDA2之间。在这种配置中，位于两个光电转换区PDA1和PDA2之间的用于监测光强度的光电二极管使得，即使在被摄体的亮度在光电二极管的光电转换区PDA1和PDA2之间大大地变化的状态下，也可精确地控制蓄积时间。

第十实施例

图17示意性地示出根据本发明的第十实施例的用于相位差AF的光电转换装置的主要元件。以下描述将集中于与上述根据第一实施例的光电转换装置的差别。

在该实施例中，光电转换装置1’包括线传感器单元对L1A和L1B、L2A和L2B、......、LNA和LNB。每对线传感器单元被用于测量被摄体在成像平面的特定区域中的散焦。通过设置多个线传感器单元对来提供多个焦点测量点，由此变得可实现AF精度的改善。每个线传感器单位包括单位像素11A、12A、......，每个单位像素包括用于检测相位差信息的AF光电转换单元和用于检测光强度的监测器光电转换单元。线传感器单元L1A、L2A、......、LNA和线传感器单元L1B、L2B、......、LNB的单位像素分别包括信号输出单元21A、22A、......和21B、22B等，由此信号经由信号输出单元21A、22A、......和21B、22B等输出到MUX(多路复用器)31。MUX 31选择所述信号之一，并将所选择的信号输出到监测器单元30。

图18示出线传感器单元L1A的细节。单位像素11A包括光电转换单元100A，信号输出单元21A包括最大值检测单元102-1A和最小值检测单元102-2A。从光电转换单元100A输出的信号经由信号保持单元被供给到最大值检测单元102-1A和最小值检测单元102-2A。最大值检测单元102-1A和最小值检测单元102-2A可各自使用例如源极跟随器放大器来实现。为了提高信号检测精度，可提供降噪电路。其它单位像素的结构与单位像素11A类似。线传感器单元L2A、L3A、......、L1B、L2B、......等的结构与线传感器单元L1A类似，因此，省略其说明。

根据本实施例的以上述方式配置的光电转换装置提供与前面的实施例所实现的优点类似的优点。

第十一实施例

图19是示出根据本发明的第十一实施例的图像拾取系统的配置的示例的框图。

在图19中，标号901表示以下将描述的用于保护透镜的挡板。标号902表示在固态图像拾取装置904上形成被摄体的光学图像的透镜。标号903表示用于调整在光穿过透镜之后的光量的光圈。固态图像拾取装置904产生与由透镜形成的光学图像对应的图像信号。标号905表示使用根据以上所述的前面的实施例之一的光电转换装置的AF传感器。

标号906表示对从固态图像拾取装置904输出的信号和从AF传感器905输出的信号进行处理的模拟信号处理装置。标号907表示对从信号处理装置906输出的信号执行模拟-数字转换的模拟-数字转换器。标号908表示对从模拟-数字转换器907输出的图像数据执行各种类型的处理的数字信号处理单元。所述处理可包括校正处理、数据压缩处理等。

标号909表示用于临时存储图像数据的存储器。标号910表示用于与外部计算机等通过接口连接的外部设备I/F电路。标号911表示将各种定时信号输出到数字信号处理单元908和其它单元的定时发生器。标号912表示执行各种计算并控制整个照相机的总体控制/运算单元。标号913表示存储介质控制I/F单元。标号914表示用于存储和读取获取的图像数据的可移动存储介质，例如半导体存储器。标号915表示外部计算机。

当拍摄图像时，图像拾取系统如下操作。当挡板901打开并且从AF传感器905输出信号时，总体控制/运算单元912基于相位差检测来计算到被摄体的距离。随后，基于计算结果，总体控制/运算单元912驱动透镜902，以试图实现聚焦。然后确定是否实现了对焦状态。如果确定还没有实现聚焦，则再次驱动透镜902，直到实现聚焦为止。在已实现聚焦之后，固态图像拾取装置904开始电荷蓄积操作。如果固态图像拾取装置904的电荷蓄积操作完成了，则从固态图像拾取装置904输出图像信号，并且模拟-数字转换器907将该图像信号从模拟形式转换为数字形式。得出的数字数据被数字信号处理单元908处理，并且在总体控制/运算单元912的控制下被写入存储器909中。然后在总体控制/运算单元912的控制下经由存储介质控制I/F单元910将存储在存储器909中的数据存储在存储介质914中。可经由外部设备I/F单元910将存储在存储器909中的数据直接输入到计算机等。

尽管已参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是将理解本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应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。

Claims (20)

1.一种光电转换装置，包括：

多个单位像素，每个单位像素包括第一光电转换单元、第二光电转换单元、像素输出单元、第一传输单元，所述像素输出单元用于输出基于由第一光电转换单元和第二光电转换单元中的至少一个产生的电荷的信号，第一传输单元用于将由第一光电转换单元产生的电荷传输到所述像素输出单元；和

监测器单元，所述监测器单元用于基于从所述像素输出单元输出的信号来控制第一光电转换单元的电荷蓄积操作，所述信号是从由第二光电转换单元产生的电荷得到的；

其中，所述多个单位像素沿第一方向布置，第一光电转换单元和第二光电转换单元沿与第一方向不同的第二方向布置。

2.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，所述监测器单元基于从所述多个像素输出单元输出的信号的最大值与最小值之间的差值控制第一光电转换单元的电荷蓄积操作。

3.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，

第一光电转换单元包括至少两个光电转换区，以及

第二光电转换单元设置在所述两个光电转换区之间。

4.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，

第二光电转换单元包括至少两个光电转换区，以及

第一光电转换单元设置在所述两个光电转换区之间。

5.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，

所述像素输出单元包括作为输入的浮置扩散元件，以及

第二光电转换单元经由布线连接至所述浮置扩散元件。

6.根据权利要求1所述的光电转换装置，还包括第二传输单元，第二传输单元用于将由第二光电转换单元产生的电荷传输到所述像素输出单元。

7.根据权利要求6所述的光电转换装置，其中，

所述像素输出单元包括作为输入的浮置扩散元件，以及

第二光电转换单元经由第二传输单元连接至所述浮置扩散元件。

8.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，第二方向与第一方向垂直。

9.根据权利要求8所述的光电转换装置，其中，所述光电转换装置是包括沿一条线布置的第一光电转换单元和第二光电转换单元的线传感器。

10.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，第一光电转换单元具有比第二光电转换单元的光接收面积大的光接收面积。

11.一种焦点检测装置，所述焦点检测装置包括根据权利要求1所述的光电转换装置。

12.根据权利要求11所述的焦点检测装置，其中，所述光电转换装置的监测器单元基于从多个像素输出单元输出的信号的最大值与最小值之间的差值控制第一光电转换单元的电荷蓄积操作。

13.根据权利要求11所述的焦点检测装置，其中，

第一光电转换单元包括至少两个光电转换区，以及

第二光电转换单元设置在所述两个光电转换区之间。

14.根据权利要求11所述的焦点检测装置，其中，

第二光电转换单元包括至少两个光电转换区，以及

第一光电转换单元设置在所述两个光电转换区之间。

15.根据权利要求11所述的焦点检测装置，其中，

像素输出单元包括作为输入的浮置扩散元件，以及

第二光电转换元件经由布线连接至所述浮置扩散元件。

16.根据权利要求11所述的焦点检测装置，还包括第二传输单元，第二传输单元用于将由第二光电转换单元产生的电荷传输到像素输出单元。

17.根据权利要求11所述的焦点检测装置，其中，第一光电转换单元具有比第二光电转换单元的光接收面积大的光接收面积。

18.一种图像拾取系统，所述图像拾取系统包括根据权利要求11所述的焦点检测装置。

19.根据权利要求18所述的图像拾取系统，其中，光电转换装置的监测器单元基于从多个像素输出单元输出的信号的最大值与最小值之间的差值控制第一光电转换单元的电荷蓄积操作。

20.根据权利要求18所述的图像拾取系统，其中，第一光电转换单元具有比第二光电转换单元的光接收面积大的光接收面积。

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