CN109923670A - 摄像元件、焦点检测装置及电子相机 - Google Patents

摄像元件、焦点检测装置及电子相机 Download PDF

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Abstract

本发明的摄像元件配置有多个像素(10)，所述像素具有：微透镜(44)，其供通过成像光学系统(31)的第一光束(61)及第二光束(62)射入；第一光电转换部(41)，其供透过所述微透镜的所述第一光束及所述第二光束射入；反射部(43)，其将透过所述第一光电转换部的所述第一光束及所述第二光束的任意一方朝向所述第一光电转换部反射；和第二光电转换部(42)，其供透过所述第一光电转换部的所述第一光束及所述第二光束的任意另一方射入，所述像素将来自所述第一光电转换部的信号和来自所述第二光电转换部的信号作为焦点检测信号而输出。

Description

摄像元件、焦点检测装置及电子相机
技术领域
本发明涉及摄像元件、焦点检测装置及电子相机。
背景技术
已知一种摄像装置，其在光电转换部之下设有反射层，并通过该反射层使透过光电转换部的光向光电转换部反射(专利文献1)。在该摄像装置中，无法获得被摄体像的相位差信息。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-177704号公报
发明内容
根据本发明的第一方式，摄像元件配置有多个像素，所述像素具有：微透镜，其供通过成像光学系统的第一光束及第二光束射入；第一光电转换部，其供透过所述微透镜的所述第一光束及所述第二光束射入；反射部，其将透过所述第一光电转换部的所述第一光束及所述第二光束的任意一方朝向所述第一光电转换部反射；和第二光电转换部，其供透过所述第一光电转换部的所述第一光束及所述第二光束的任意另一方射入，所述像素将来自所述第一光电转换部的信号和来自所述第二光电转换部的信号作为焦点检测信号而输出。
根据本发明的第二方式，焦点检测装置具备：第一方式的摄像元件；和焦点检测部，其基于来自所述第一光电转换部的信号和来自所述第二光电转换部的信号进行所述成像光学系统的焦点检测。
根据本发明的第三方式，电子相机具备：第一方式的摄像元件；和修正部，其基于来自所述第二光电转换部的信号对来自所述第一光电转换部的信号进行修正。
附图说明
图1是表示第一实施方式的摄像装置的构成例的图。
图2是表示第一实施方式的摄像元件的像素的配置例的图。
图3是表示第一实施方式的摄像元件的像素的构成例的概念图。
图4是表示向第一实施方式的摄像元件的像素射入的光束的图。
图5是表示第一实施方式的摄像元件的构成例的电路图。
图6是表示第一实施方式的摄像元件的截面构成的一例的图。
图7是表示第一实施方式的摄像元件的构成例的图。
图8是表示第二实施方式的摄像元件的像素的构成例的概念图。
图9是表示变形例1的摄像元件的截面构成的一例的图。
具体实施方式
(第一实施方式)
图1是表示第一实施方式的摄像装置的一例即电子相机1(以下称为相机1)的构成例的图。相机1由相机机身2和交换镜头3构成。交换镜头3经由未图示的安装部而能够装拆地安装于相机机身2上。当交换镜头3安装于相机机身2上时，相机机身2侧的连接部202与交换镜头3侧的连接部302连接，能够实现相机机身2及交换镜头3间的通信。
在图1中，来自被摄体的光朝向图1的Z轴正方向射入。另外，如坐标轴所示，以与Z轴正交的纸面近前方向作为X轴正方向，以与Z轴及X轴正交的下方向作为Y轴正方向。在之后的几张图中，以图1的坐标轴为基准并以明确各图方向的方式表示坐标轴。
交换镜头3具备摄像光学系统(成像光学系统)31、透镜控制部32和透镜存储器33。摄像光学系统31具备包括焦点调节透镜(聚焦镜头)在内的多个透镜和光圈，并将被摄体像成像于相机机身2的摄像元件22的摄像面上。
透镜控制部32基于从相机机身2的机身控制部21输出的信号使焦点调节透镜在光轴L1方向上进退移动来调节摄像光学系统31的焦点位置。从机身控制部21输出的信号中包括表示焦点调节透镜的移动方向和移动量、移动速度等信息。另外，透镜控制部32基于从相机机身2的机身控制部21输出的信号来控制光圈的开口直径。
透镜存储器33例如由非易失性的存储介质等构成。在透镜存储器33内，作为镜头信息而存储有与交换镜头3关联的信息。镜头信息例如包括与摄像光学系统31的出瞳的位置有关的信息。由透镜控制部32进行向透镜存储器33写入镜头信息和从透镜存储器33读取镜头信息。
相机机身2具备机身控制部21、摄像元件22、存储器23、显示部24和操作部25。机身控制部21由CPU、ROM、RAM等构成，基于控制程序来控制相机1的各部分。另外，机身控制部21进行各种信号处理。
摄像元件22例如为CMOS图像传感器或CCD图像传感器。摄像元件22接收从摄像光学系统31的出瞳通过的光束来拍摄被摄体像。在摄像元件22中呈二维状(例如行方向及列方向)配置具有光电转换部的多个像素。光电转换部例如由光电二极管(PD)构成。摄像元件22将所射入的光光电转换而生成信号，并将所生成的信号输出至机身控制部21。虽详见后述，但摄像元件22向机身控制部21输出用于生成图像数据的信号即摄像信号、和用于针对摄像光学系统31的焦点进行相位差式焦点检测的一对焦点检测信号即第一及第二焦点检测信号。如之后详述的那样，该第一及第二焦点检测信号是将基于从摄像光学系统31的出瞳的第一及第二区域分别通过的第一及第二光束所获得的第一及第二像分别进行光电转换所得到的信号。
存储器23例如为存储卡等记录介质。在存储器23内记录有图像数据等。由机身控制部21进行向存储器23内写入数据和从存储器23读取数据。显示部24显示基于图像数据的图像、快门速度和光圈值等与摄影有关的信息、以及菜单画面等。操作部25包括释放按钮、电源开关等各种设定开关等，并将与各个操作相应的操作信号向机身控制部21输出。
机身控制部21具有图像数据生成部21a、修正部21b和焦点检测部21c。图像数据生成部21a对从摄像元件22输出的摄像信号进行各种图像处理来生成图像数据。图像处理例如包括灰度变换处理、色彩插值处理、轮廓增强处理等公知的图像处理。修正部21b对从摄像元件22输出的焦点检测信号进行修正处理。虽详见后述，但修正部21b进行将对于焦点检测处理为噪声的成分从焦点检测信号中除去的处理。
焦点检测部21c进行对于摄像光学系统31的自动焦点调节(AF)所必要的焦点检测处理。具体而言，焦点检测部21c利用由修正部21b修正的焦点检测信号，通过光瞳分割型的相位差检测方式来计算散焦量。更具体而言，焦点检测部21c基于第一及第二焦点检测信号来检测基于从摄像光学系统31的出瞳的第一及第二区域通过的第一及第二光束所获得的第一及第二像的像偏移量，并基于检测到的像偏移量来计算散焦量。
焦点检测部21c判断散焦量是否在容许值以内。若散焦量在容许值以内，则焦点检测部21c判断为合焦。另一方面，焦点检测部21c在散焦量超过容许值的情况下判断为未合焦，并向交换镜头3的透镜控制部32发送散焦量和透镜驱动指示。接收来自焦点检测部21c的指示的透镜控制部32根据散焦量来驱动焦点调节透镜，由此自动进行焦点调节。
图2是表示第一实施方式的摄像元件22的像素的配置例的图。在图2的示例中，图示了5行8列共计40个像素10。此外，配置于摄像元件22中的像素的数量及配置并不限于图示的例子。在摄像元件22中能够设置例如数百万～数亿或更多像素。
在各像素10中设有例如R(红)、G(绿)、B(蓝)的具有不同光谱灵敏度的三个彩色滤光片中的任一个。R彩色滤光片主要让第一波长的光(红色波长区域的光)透过，G彩色滤光片主要让波长比第一波长短的光(绿色波长区域的光)透过，B彩色滤光片主要让波长比第二波长短的光(蓝色波长区域的光)透过。由此，像素10具有根据所配置的彩色滤光片而导致不同的光谱灵敏度特性。
摄像元件22具有像素组401，该像素组401在第一方向、即行方向上交替配置有具有R彩色滤光片的像素(以下称为R像素)10及具有G彩色滤光片的像素(以下称为G像素)10。另外，摄像元件22具有像素组402，该像素组402在第一方向、即行方向上交替配置有G像素10及具有B彩色滤光片的像素(以下称为B像素)10。像素组401与像素组402在作为与第一方向交叉的第二方向、即列方向上交替配置。这样，在本实施方式中，R像素10、G像素10及B像素10按照拜耳阵列配置。
像素10接收经由摄像光学系统31所射入的光，并生成与光接收量相应的信号。虽详见后述，但由各像素10生成的信号被用作摄像信号和第一及第二焦点检测信号。
图3是表示第一实施方式的摄像元件22的像素10的构成例的概念图。在图3中，仅图示了像素组402内的两个G像素10及两个B像素10，但像素组401内的R像素10及G像素10的构成也是同样的。即，R像素10的构成、G像素10的构成和B像素10的构成除了彩色滤光片之外是相同的。
像素10具有第一光电转换部41、第二光电转换部42、反射部43、微透镜44和彩色滤光片45。第一及第二光电转换部41、42彼此层叠，在本实施方式中构成为相同尺寸，且彼此隔离绝缘。反射部43例如为金属的反射膜，设于第一光电转换部41与第二光电转换部42之间。反射部43与第一光电转换部41及第二光电转换部42各自的大致左半部分(光电转换部42的负X侧)的区域对应地配置。另外，在第一光电转换部41与反射部43之间以及第二光电转换部42与反射部43之间分别设有未图示的绝缘膜。此外，也可以将反射部43设为由绝缘膜构成。
在第一光电转换部41的大致右半部分(光电转换部41的正X侧)的区域与第二光电转换部42的大致右半部分(光电转换部42的正X侧)的区域之间设有透明的电气绝缘膜46。这样，第一及第二光电转换部41、42由透明绝缘膜46和上述未图示的绝缘膜隔离绝缘。
微透镜44将在图3中从上方经由成像光学系统3射入的光会聚。微透镜44的功率被决定为，使反射部43的位置与成像光学系统3的出瞳的位置是关于微透镜44而共轭的位置关系。如上所述，像素组402的G像素10与B像素10在X方向、即行方向上交替配置，因此G彩色滤光片45与B彩色滤光片45在X方向上交替配置。
如之后详述的那样，从摄像光学系统3的光瞳的第一及第二光瞳区域分别通过的第一光束61和第二光束62透过微透镜44及彩色滤光片45而向第一光电转换部41射入。第一光电转换部41将射入至第一光电转换部41的第一及第二光束61、62光电转换。另外，透过第一光电转换部41的光中的一部分、即第一光束61由反射部43反射而向第一光电转换部41再次射入。
透过第一光电转换部41的光中的另一部分、即第二光束62透过透明绝缘膜46并向第二光电转换部42射入。这样，透明绝缘膜46作为容许通过第一光电转换部41的第二光束62向第二光电转换部42射入的开口发挥作用。
此外，如之后详述的那样，图1所示的焦点检测部21c在图3中基于从隔着一个像素排列的多个G像素10得到的第一及第二焦点检测信号进行相位差式焦点检测，并基于从隔着一个像素排列的多个B像素10得到的第一及第二焦点检测信号进行相位差式焦点检测。同样地，焦点检测部21c基于从图2的像素组401的隔着一个像素排列的多个R像素10得到的第一及第二焦点检测信号进行相位差式焦点检测，并基于从图2的像素组401的隔着一个像素排列的多个G像素10得到的第一及第二焦点检测信号进行相位差式焦点检测。此外，第一焦点检测信号是将由第一光束61形成的第一像光电转换而得到的，第二焦点检测信号是将由第二光束62形成的第二像光电转换而得到的。
以下，具体说明向像素10射入的光束以及由像素10生成的信号。
图4是表示向第一实施方式的摄像元件22的像素10射入的光束的图。此外，在以下说明中，将由微透镜44投影于摄像光学系统31的出瞳位置上的反射部43的投影像的区域称为摄像光学系统3的出瞳的第一光瞳区域。同样地，将由微透镜44投影于摄像光学系统31的出瞳位置上的透明绝缘膜46的投影像的区域称为摄像光学系统3的出瞳的第二光瞳区域。
在图4中，从图1的摄像光学系统3的第一光瞳区域通过的用虚线表示的第一光束61在透过微透镜44、彩色滤光片45及第一光电转换部41之后由反射部43反射而向第一光电转换部41再次射入。同样地，从摄像光学系统3的第二光瞳区域通过的用实线表示的第二光束62在透过微透镜44、彩色滤光片45及第一光电转换部41之后进一步透过透明绝缘膜46而向第二光电转换部42射入。
这样，由于第一光束61和第二光束62双方经由微透镜44及彩色滤光片45向第一光电转换部41射入，所以第一光电转换部41对第一光束61及第二光束62进行光电转换而生成电荷。另外，由于射入至第一光电转换部41的第一光束61透过第一光电转换部41并由反射部43反射而向第一光电转换部41再次射入，所以第一光电转换部41对被反射的第一光束61进行光电转换而生成电荷。
这样，第一光电转换部41生成对第一光束61及第二光束62进行光电转换而得到的电荷、和对由反射部43反射的第一光束61进行光电转换而得到的电荷。像素10将基于由第一光电转换部41生成的这些电荷所得的信号作为第一光电转换信号S1而输出。
由于第二光束62在从第一光电转换部41通过之后通过透明绝缘膜46并向第二光电转换部42射入，所以第二光电转换部42对第二光束62进行光电转换而生成电荷。像素10将基于由第二光电转换部42生成的电荷所得的信号作为第二光电转换信号S2而输出。
图1所示的焦点检测部21c对基于第一光束61的第一像与基于第二光束62的第二像之间的像偏移进行检测，并将其作为对第一像进行光电转换而得到的第一焦点检测信号与对第二像进行光电转换而得到的第二焦点检测信号之间的相位差。在本实施方式中，在图4中，作为对基于第一光束61的第一像进行光电转换而得到的第一焦点检测信号，使用对由反射部43反射的第一光束61进行光电转换而生成的第一光电转换信号S1。作为对基于第二光束62的第二像进行光电转换而得到的第二焦点检测信号，使用对射入至第二光电转换部42的第二光束62进行光电转换而生成的第二光电转换信号S2。
然而，基于第一光电转换部41所生成的电荷而获得的第一光电转换信号S1是将对上述由反射部43反射的第一光束61进行光电转换而得到的信号、与对射入至第一光电转换部41的第一及第二光束61、62分别进行光电转换而得到的信号加法运算而得到的。因此，需要从第一光电转换信号S1中，作为噪声成分而除去对射入至第一光电转换部41的第一及第二光束61、62分别进行光电转换而生成的光电转换信号。
因此，虽详见后述，但机身控制部21的修正部21b进行从第一光电转换信号S1中排除噪声成分的修正处理。修正部21b对第一光电转换信号S1进行除去噪声成分的修正处理，并作为第一焦点检测信号来生成基于对由反射部43反射而再次射入至第一光电转换部41的第一光束61进行光电转换得到的电荷所获得的信号(修正后的第一光电转换信号S1)。机身控制部21的焦点检测部21c基于由修正后的第一光电转换信号S1构成的第一焦点检测信号、和由第二光电转换信号S2构成的第二焦点检测信号来进行焦点检测，即，对第一及第二焦点检测信号进行相关运算处理来计算散焦量。
接着，为了说明基于修正部21b进行的修正处理，来估算相对于第一及第二光束61、62的第一及第二光电转换信号S1、S2的大小。若将射入至第一光电转换部41的第一光束61的光强度(光量)设为A，将对射入至第一光电转换部41的光束进行光电转换时的转换系数设为k，并将射入至第一光电转换部41的光在第一光电转换部41内被吸收的比例设为α，则对直接射入至第一光电转换部41的第一光束61进行光电转换而得到的光电转换信号成为kαA。另外，经由微透镜44射入至第一光电转换部41并被吸收的第一光束61的光强度成为αA。另外，若透过第一光电转换部41的第一光束61均由反射部43反射而向第一光电转换部41再次射入，则基于对再次射入至第一光电转换部41的光进行光电转换而得到的电荷所得的信号成为k(A－αA)。
另外，若将射入至第一光电转换部41的第二光束62的光强度(光量)设为B，则基于对直接射入至第一光电转换部41的第二光束62进行光电转换而得到的电荷所得的信号成为kαB。因此，基于由第一光电转换部41转换得到的电荷的第一光电转换信号S1能够用下式表示。
S1＝kαA+k(A－αA)+kαB
＝k(1－α)A+kαA+kαB……算式(1)
在算式(1)中，如上所述，k(1－α)A是对由反射部43反射而再次射入至第一光电转换部41的第一光束61进行光电转换而生成的光电转换信号，相当于第一焦点检测信号。另外，在算式(1)中，(kαA+kαB)是噪声成分。为了计算该噪声成分(kαA+kαB)而使用第二光电转换信号S2。第二光电转换信号S2能够如以下那样地估算。
经由微透镜44射入至第一光电转换部41并被吸收的第二光束62的光强度成为αB。另外，将对射入至第二光电转换部42的光束进行光电转换时的转换系数设为与第一光电转换部41的转换系数相同的值k，且透过第一光电转换部41的第二光束62均射入至第二光电转换部42。基于由第二光电转换部42对第二光束62进行光电转换而得到的电荷获得的第二光电转换信号S2能够用下式表示。
S2＝k(B－αB)
＝k(1－α)B……算式(2)
与第一光电转换部41有关的转换系数k及第一光电转换部41的吸收比例α的值是根据第一光电转换部41的量子效率和基板的厚度等而决定的已知值。因此，机身控制部21利用算式(1)及算式(2)来计算第一及第二光束61、62的光强度A、B，并且基于算出的光强度A、B来计算噪声成分(kαA+kαB)。
修正部21b通过从第一光电转换信号S1中减去算出的噪声成分(kαA+kαB)来计算k(1－α)A。即，修正部21b从第一光电转换信号S1中除去噪声成分(kαA+kαB)，并将基于由反射部43反射而再次射入至第一光电转换部41的第一光束61获得的信号成分即k(1－α)A提取，并作为修正后的第一光电转换信号S1。此外，由于与第一及第二光电转换部41、42有关的转换系数k和第一光电转换部41的吸收比例α的值根据第一及第二光电转换部41、42的量子效率和基板的厚度等来决定，所以各个值能够预先计算。转换系数k及吸收比例α的值被记录在机身控制部21内部的存储器等内。
焦点检测部21c将修正后的第一光电转换信号S1作为第一焦点检测信号，将第二光电转换信号S2作为第二焦点检测信号，对第一及第二焦点检测信号进行用于求出摄像光学系统3的合焦位置的相关运算。焦点检测部21c通过该相关运算来计算基于通过第一光瞳区域61的第一光束的像与基于通过第二光瞳区域62的第二光束的像之间的偏移量。然后，焦点检测部21c通过使像的偏移量与规定的转换系数相乘来计算散焦量。由于基于这种光瞳分割型的相位差检测方式的散焦量运算是公知的，所以省略详细说明。
此外，在图3及图4中，反射部43配置于第一光电转换部41及第二光电转换部42各自的大致左半部分的区域内，透明绝缘膜46配置于第一光电转换部41及第二光电转换部42各自的大致右半部分的区域内。也可以取而代之的是，将反射部43配置于第一光电转换部41及第二光电转换部42各自的大致右半部分的区域内，并将透明绝缘膜46配置于第一光电转换部41及第二光电转换部42各自的大致左半部分的区域内。在该情况下，算式(1)及算式(2)中A和B进行交换。
另外，也可以是，像素组402中的隔着一个像素配置的G像素10将其反射部43配置于第一光电转换部41及第二光电转换部42各自的大致左半部分的区域(或右半部分的区域)内，并且像素组402中的隔着一个像素配置的B像素10将其反射部43配置于第一光电转换部41及第二光电转换部42各自的大致右半部分的区域(或左半部分的区域)内。关于像素组401中的隔着一个像素配置的R像素10及G像素10也是同样的。
接着，说明图1所示的机身控制部21的图像数据生成部21a。机身控制部21的图像数据生成部21a将第一光电转换信号S1与第二光电转换信号S2加法运算而生成摄像信号S3。即，摄像信号S3通过将算式(1)的第一光电转换信号S1与算式(2)的第二光电转换信号S2加法运算而由下式(3)表示。
S3＝k(A+B)……算式(3)
这样，摄像信号S3成为与对从摄像光学系统3的第一及第二光瞳区域分别通过的第一及第二光束61、62的光强度A、B进行加法运算的值关联的值。图像数据生成部21a基于摄像信号S3生成图像数据。
此外，本实施方式的光电转换信号S1与以往的摄像元件、即不具有反射部的摄像元件相比，信号电平大幅提高。若详述的话，则当由光电转换部接收第一及第二光束61、62时，来自该光电转换部的光电转换信号变成kα(A+B)。另一方面，本实施方式的光电转换信号如算式(1)所示为k(1－α)A+kαA+kαB。本实施方式的光电转换信号S1比kα(A+B)仅大k(1－α)A。
另外，在以上说明中，摄像信号S3是通过在机身控制部21的图像数据生成部21a中将第一光电转换信号S1与第二光电转换信号S2加法运算而生成的。然而，如用图5及图6在之后详述的那样，第一光电转换信号S1与第二光电转换信号S2的加法运算也可以在摄像元件22内进行。另外，图像数据生成部21a也可以仅将第一光电转换信号S1用作摄像信号。在该情况下也可以是，修正部21b从第一光电转换信号S1中减去算式(1)的k(1－α)A的信号成分。
图5是表示第一实施方式的摄像元件22的构成例的电路图。摄像元件22具备多个像素10和像素垂直驱动部70。像素10具有上述的第一光电转换部41及第二光电转换部42和读取部20。读取部20具有第一传输部11、第二传输部12、第一浮动扩散部(以下称为FD)15、第二FD16、排出部17(重置部)、放大部18、和第一及第二连接部51、52。像素垂直驱动部70向各像素10供给信号TX1、信号TX2、信号RST等控制信号来控制各像素10的动作。此外，在图5的示例中，为了简化说明而仅图示了一个像素。
第一传输部11由信号TX1控制，将由第一光电转换部41被光电转换得到的电荷向第一FD15传输。即，第一传输部11在第一光电转换部41及第一FD15之间形成电荷传输路径。第二传输部12由信号TX2控制，将由第二光电转换部42被光电转换得到的电荷向第二FD16传输。即，第二传输部12在第二光电转换部42及第二FD16之间形成电荷传输路径。虽用图6后述，但第一FD15及第二FD16经由连接部51、52而电连接，并保持(蓄积)电荷。
放大部18将基于保持于第一FD15及第二FD16的电荷所得的信号放大并输出。放大部18与垂直信号线30连接，将未图示的电流源作为负荷电流源来发挥作为一部分源极跟随器电路的功能。排出部17通过信号RST而被控制，排出第一FD15及第二FD16的电荷，并将第一FD15及第二FD16的电位重置成重置电位(基准电位)。第一传输部11、第二传输部12、排出部17及放大部18例如分别由晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、晶体管M4构成。
通过将信号TX1设为高电平并将信号TX2设为低电平，晶体管M1变成接通(ON)状态，晶体管M2变成断开(OFF)状态。由此，向第一FD15及第二FD16传输由第一光电转换部41生成的电荷。读取部20将基于由第一光电转换部41生成的电荷所得的信号即第一光电转换信号S1向垂直信号线30读取。另外，通过将信号TX1设为低电平并将信号TX2设为高电平，晶体管M1变成断开状态，晶体管M2变成接通状态。由此，向第一FD15及第二FD16传输由第二光电转换部42生成的电荷。读取部20将基于由第二光电转换部42蓄积的电荷所得的信号即第二光电转换信号S2向垂直信号线30读取。
再者，通过将信号TX1及信号TX2都设为高电平，向第一FD15及第二FD16同时传输由第一光电转换部41及第二光电转换部42生成的电荷。由此，读取部20将由第一光电转换部41生成的电荷与由第二光电转换部42生成的电荷加法运算而生成的加法信号、即摄像信号S3向垂直信号线30读取。这样，像素垂直驱动部70通过进行第一传输部11及第二传输部12的接通断开控制而能够使第一光电转换信号S1及第二光电转换信号S2依次输出。另外，像素垂直驱动部70能够将由第一光电转换部41生成的电荷与由第二光电转换部42生成的电荷加法运算而输出摄像信号S3。
此外，通过将信号TX1及信号TX2都设为高电平，在读取摄像信号S3的情况下并不一定需要将信号TX1和信号TX2同时设为高电平。即，即使错开将信号TX1设为高电平的时机与将信号TX2设为高电平的时机，也能将由第一光电转换部41生成的电荷与由第二光电转换部42生成的电荷加法运算。
图6是表示第一实施方式的摄像元件22的截面构成一例的图。图7是表示第一实施方式的摄像元件22的构成例的图。摄像元件22具备第一基板111和第二基板112。第一基板111及第二基板112分别由半导体基板构成。在第一基板111上层叠有布线层101，在第二基板112上层叠有布线层102。布线层101及布线层102包括导体膜(金属膜)及绝缘膜，配置有多个布线和过孔、接头等。对导体膜例如使用铜或铝等。绝缘膜例如由氧化膜或氮化膜等构成。如图6及图7所示，在配置有各像素10的像素区域210的周围设有多个贯穿电极201。另外，与贯穿电极201对应设有电极PAD202。此外，在图6中示出了将贯穿电极201及电极PAD202设于第一基板111的例子，但也可以将贯穿电极201及电极PAD202设于第二基板112。
如上所述，在像素10中设有第一光电转换部41、第二光电转换部42、反射部43、微透镜44、彩色滤光片45和读取部20。读取部20的第一FD15及第二FD16经由接头53、54和连接部51、52而电连接。连接部51及连接部52例如为凸块或电极等。
从读取部20向图5所示的垂直信号线30输出的各像素10的信号例如通过设于第一基板111的未图示的运算电路而被进行A/D转换等信号处理。运算电路将信号处理的各像素10的信号经由贯穿电极201及电极PAD202向机身控制部21读取。
接着，说明本实施方式的动作。电子相机1在通过操作部25操作电源开关时，从摄像元件22依次读取第一光电转换信号S1、第二光电转换信号S2、以及第一及第二光电转换信号的加法信号、即摄像信号S3。机身控制部21基于所读取的第一及第二光电转换信号S1、S2和记录于机身控制部21内部的存储器等内的转换系数k及吸收比例α的值来计算噪声成分(kαA+kαB)。
修正部21b从所读取的第一光电转换信号S1中减去噪声成分(kαA+kαB)而生成修正后的第一光电转换信号S1。焦点检测部21c将修正后的第一光电转换信号S1作为第一焦点检测信号，将第二光电转换信号S2作为第二焦点检测信号，并基于第一及第二焦点检测信号进行相位差式焦点检测运算来计算散焦量。透镜控制部32基于该散焦量使摄像光学系统31的焦点调节透镜向合焦位置移动来进行焦点调节。此外，焦点调节也可以是代替移动焦点调节透镜，而在摄像光学系统31的光轴方向上移动摄像元件22。
图像数据生成部21a基于从摄像元件22读取的摄像信号S3分别生成直通图像(through image)用的图像数据及本摄影记录用的图像数据。直通图像用的图像数据显示于显示部24，本摄影记录用的图像数据记录于存储器23。
随着像素的微小化发展，像素的开口变小。因此，当像素的微小化发展时，像素的开口尺寸变得比光的波长小(短)，在为了相位差检测而在光的射入面设有遮光膜的焦点检测用像素中，有可能光不会射入至光电转换部(光电二极管)。红色的波长区域的光由于与其它颜色(绿色、蓝色)的光相比波长较长，所以在使用遮光膜的焦点检测用像素中，容易发生红色的光不会射入至光电转换部的情况。因此，在使用遮光膜的焦点检测用像素中，由光电转换部进行光电转换而得到的电荷减少，利用像素的信号进行光学系统的焦点检测变得困难。尤其难以对长波长的光(红色的光等)进行光电转换来进行焦点检测。
另一方面，在本实施方式中，由于使用设有反射部(反射膜)43的像素，所以与使用遮光膜的焦点检测用像素相比能够增大像素的开口。由此，在本实施方式中，由于长波长的光会射入至光电转换部，所以即使长波长的光也能进行焦点检测。因此，设有反射膜43的像素可以说是对于由摄像元件22光电转换的光的波长区域中的长波长区域适用的焦点检测用像素。例如，在R、G、B像素的一部分中设置反射膜43并使用的情况下，也可以在R像素中设置反射膜43。
根据上述实施方式能够获得如下作用效果。
(1)摄像元件22配置有多个像素10，所述像素10具有：供通过成像光学系统31的第一光束61及第二光束62射入的微透镜44；供透过微透镜44的第一光束61及第二光束62射入的第一光电转换部41；将透过第一光电转换部41的第一光束61及第二光束62的任意一方朝向第一光电转换部41反射的反射部43；和供透过第一光电转换部41的第一光束61及第二光束62的任意另一方射入的第二光电转换部42。像素将来自第一光电转换部41的信号和来自第二光电转换部42的信号作为焦点检测信号而输出。在本实施方式中，第一光电转换部41生成基于由反射部43反射的第一光束61的电荷，第二光电转换部42生成基于第二光束62的第二光电转换信号。因此，通过利用基于第一光电转换部41的电荷所得的第一光电转换信号S1及基于第二光电转换部42的电荷所得的第二光电转换信号S2，能够获得基于第一光束61及第二光束62所得的像的相位差信息。
(2)第一光束61及第二光束62是从成像光学系统31的光瞳的第一区域及第二区域分别通过的光束，反射部43的位置与成像光学系统31的光瞳的位置是关于微透镜44而共轭的位置关系。由此，能够获得基于经由不同光瞳区域射入的一对光束所获得的像的相位差信息。
(3)摄像元件22具备：第一蓄积部(第一FD15)，其蓄积由第一光电转换部41转换得到的电荷；第二蓄积部(第二FD16)，其蓄积由第二光电转换部42转换得到的电荷；和连接部(连接部51、52)，其将第一蓄积部与第二蓄积部连接。由此，能够将由第一光电转换部41转换得到的电荷与由第二光电转换部42转换得到的电荷加法运算。
(4)摄像元件22具备：第一传输部11，其将由第一光电转换部41转换得到的电荷向第一蓄积部(第一FD15)传输；第二传输部12，其将由第二光电转换部42转换得到的电荷向第二蓄积部(第二FD16)传输；和控制部(像素垂直驱动部70)，其控制第一传输部11及第二传输部12进行第一控制和第二控制，第一控制是使基于由第一光电转换部41转换得到的电荷所得的信号、和基于由第二光电转换部42转换得到的电荷所得的信号依次输出，第二控制是使如下信号输出，该信号是基于将由第一光电转换部41转换得到的电荷与由第二光电转换部42转换得到的电荷加法运算的电荷所得的信号。由此，能够依次输出第一光电转换信号S1及第二光电转换信号S2。另外，能够将由第一光电转换部41生成的电荷与由第二光电转换部42生成的电荷加法运算而输出摄像信号S3。因此，能够在用于生成摄像信号的摄像用像素和用于生成焦点检测信号的焦点检测用像素的双方中，使用设于摄像元件22中的所有像素10。其结果是，能够防止各像素10作为摄像用像素成为缺陷像素。
(5)焦点检测装置具备：摄像元件22；和焦点检测部21c，其基于来自第一光电转换部41的信号和来自第二光电转换部42的信号进行成像光学系统31的焦点检测。由此，能够获得基于第一光束61及第二光束62所获得的像的相位差信息，并能进行摄像光学系统31的焦点检测。
(第二实施方式)
参照图8来说明第二实施方式的摄像元件。图8是表示第二实施方式的摄像元件22的像素的构成例的概念图。第二实施方式与第一实施方式的主要区别如下所述。在第一实施方式中，如图3所示，关于像素组402，隔着一个像素配置的G像素10及B像素10的反射部43均配置于第一光电转换部41及第二光电转换部42各自的大致左半部分的区域内。在第二实施方式中，像素组402中的隔着一个像素配置的G像素10的反射部43交替配置于第一光电转换部41及第二光电转换部42各自的大致左半部分的区域及大致右半部分的区域内。像素组402中的隔着一个像素配置的B像素10也同样地将其反射部43交替配置于第一光电转换部41及第二光电转换部42各自的大致左半部分的区域及大致右半部分的区域内。其它构成与第一实施方式相同。以下进行详细说明。
在图8中，G像素10由两种G像素、即第一G像素10G和第二G像素10g构成，第一G像素10G与第二G像素10g以两者之间隔着B像素的方式彼此交替配置。第一G像素10G的反射部43位于第一光电转换部41及第二光电转换部42各自的大致左半部分的区域内，第二G像素10g的反射部43位于第一光电转换部41及第二光电转换部42各自的大致右半部分的区域内。第一及第二G像素10G、10g除了各自的反射部43以外其它构成相同。
B像素10由两种B像素、即第一B像素10B和第二B像素10b构成，第一B像素10B与第二B像素10b以两者之间隔着G像素的方式彼此交替配置。第一B像素10B的反射部43位于第一光电转换部41及第二光电转换部42各自的大致左半部分的区域内，第二B像素10b的反射部43位于第一光电转换部41及第二光电转换部42各自的大致右半部分的区域内。第一及第二G像素10G、10g除了反射部43以外其它构成相同。
像素组401内的R像素10及G像素10也具有与像素组402内的第一及第二B像素10B、10b和第一及第二G像素10G、10g为同样构成的第一R像素和第二R像素以及第一G像素和第二G像素。
接着，说明图8所示的像素组402的第一及第二G像素10G、10g的第一及第二光电转换信号S1、S2、与对基于第一及第二光束61、62的第一及第二像进行光电转换而得到的第一及第二焦点检测信号之间的关系。第一及第二B像素、R像素的第一及第二光电转换信号S1、S2与对基于第一及第二光束61、62的第一及第二像进行光电转换而得到的第一及第二焦点检测信号之间的关系也与第一及第二G像素10G、10g的情况相同。
第一G像素10G与图3所示的第一实施方式的G像素10的情况完全相同，第一光电转换部41输出第一光电转换信号S1G，第二光电转换部42输出第二光电转换信号S2G。该第一G像素10G的第一光电转换信号S1G由上述算式(1)表示，第二光电转换信号S2G由上述算式(2)表示。即，第一及第二光电转换信号S1G、S2G由下式表示。
S1G＝k(1－α)A+kαA+kαB……算式(1G)
S2G＝k(1－α)B……算式(2G)
另一方面，第二G像素10g的第一光电转换部41输出第一光电转换信号S1g，第二光电转换部42输出第二光电转换信号S2g。该第二G像素10g的第一及第二光电转换信号S1g、S2g由在上述算式(1)及算式(2)中替换A和B所得的下述算式(4)及算式(5)表示。
S1g＝k(1－α)B+kαA+kαB……算式(4)
S2g＝k(1－α)A……算式(5)
机身控制部21与图3所示的第一实施方式的G像素10的情况完全相同地，根据算式(1G)及算式(2G)来计算射入至第一G像素10G的第一及第二光束61、62的光强度A、B，并基于算出的光强度A、B来计算第一G像素10G的噪声成分(kαA+kαB)。
另外，机身控制部21根据算式(4)及算式(5)来计算射入至第二G像素10g的第一及第二光束61、62的光强度A、B，并基于算出的光强度A、B来计算第二G像素10g的噪声成分(kαA+kαB)。
修正部21b从第一G像素10G的第一光电转换信号S1G中减去第一G像素10G的噪声成分(kαA+kαB)来计算修正后的第一光电转换信号S1G(＝k(1－α)A)。同样地，修正部21b从第二G像素10g的第一光电转换信号S1g中减去第二G像素10g的噪声成分(kαA+kαB)来计算修正后的第一光电转换信号S1g(＝k(1－α)B)。
这样，关于第一G像素10G，修正后的第一光电转换信号S1G为k(1－α)A，第二光电转换信号S2G为k(1－α)B。另一方面，关于第二G像素10g，修正后的第一光电转换信号S1g为k(1－α)B，第二光电转换信号S2g为k(1－α)A。
因此，第一焦点检测信号由第一G像素10G的修正后的第一光电转换信号S1G(＝k(1－α)A)、和第二G像素10g的第二光电转换信号S2g(＝k(1－α)A)构成。另外，第二焦点检测信号由第一G像素10G的第二光电转换信号S2G(＝k(1－α)B)、和第二G像素10g的修正后的第一光电转换信号S1g(＝k(1－α)B)构成。
图1所示的焦点检测部21c基于第一焦点检测信号和第二焦点检测信号来计算摄像光学系统31的散焦量。即，焦点检测部21c基于第一G像素10G的修正后的第一光电转换信号S1G及第二G像素10g的第二光电转换信号S2g、和第一G像素10G的第二光电转换信号S2G及第二G像素10g的修正后的第一光电转换信号S1g来计算散焦量。
第一G像素10G的摄像信号S3G通过将算式(1G)的第一光电转换信号S1G与算式(2G)的第二光电转换信号S2G加法运算而成为k(A+B)。同样地，第二G像素10g的摄像信号S3g通过将算式(4)的第一光电转换信号S1g与算式(5)的第二光电转换信号S2g加法运算而成为k(A+B)。
图1所示的图像数据生成部21a基于第一及第二G像素、第一及第二B像素、和第一及第二R像素的摄像信号S3，分别生成直通图像用的图像数据及本摄影记录用的图像数据。
第二实施方式的动作由于与上述第一实施方式的动作实质上相同，所以省略说明。
在第二实施方式中，第一G像素10G与第二G像素10g以两者之间隔着B像素的方式彼此交替配置，但并不一定需要彼此交替配置。第一及第二B像素的交替配置与第一及第二R像素的交替配置也是同样的。
根据上述实施方式能够获得如下作用效果。
(1)多个像素10包括在第一方向上配置的第一像素(例如像素10G)及第二像素(例如像素10g)。第一像素10G具有微透镜44、第一光电转换部41、将透过第一光电转换部41的第一光束61朝向第一光电转换部41反射的反射部43、和供透过第一光电转换部41的第二光束62射入的第二光电转换部42。第二像素10g具有微透镜44、第一光电转换部41、将透过第一光电转换部41的第二光束62朝向第一光电转换部41反射的反射部43、和供透过第一光电转换部41的第一光束61射入的第二光电转换部42。因此，通过利用第一像素10G的第一光电转换部41的信号及第二像素10g的第二光电转换部42的信号、和第一像素10G的第二光电转换部42的信号及第二像素10g的第一光电转换部41的信号，能够获得基于第一光束61及第二光束62所得的像的相位差信息。
(2)焦点检测装置具备：摄像元件22；和焦点检测部21c，其基于第一像素10G的第一光电转换部41的信号及第二像素10g的第二光电转换部42的信号、和第一像素10G的第二光电转换部42的信号及第二像素10g的第一光电转换部41的信号进行成像光学系统31的焦点检测。由此，能够获得基于第一光束61及第二光束62所得的像的相位差信息，并能进行摄像光学系统31的焦点检测。
如下变形也在本发明的范围内，也可以将一个或多个变形例与上述实施方式进行组合。
(变形例1)
图9是表示变形例1的摄像元件22的截面构成的一例的图。变形例1的摄像元件与第一实施方式的摄像元件在第一基板111及第二基板112的层叠构成上不同。在第一基板111上层叠有布线层101及布线层103，在第二基板112上层叠有布线层102及布线层104。在布线层103中设有连接部51及接头53，在布线层104中设有连接部52及接头54。
在第一基板111中设有用n型杂质形成的扩散层55，在第二基板112中设有用n型杂质形成的扩散层56。扩散层55及扩散层56分别与第一FD15、第二FD16连接。由此，第一FD15及第二FD16经由扩散层55、56、接头53、54和连接部51、52而电连接。
在第一实施方式中，如图6及图7所示，各像素10的信号被读取至第一基板111与第二基板112之间的布线层101。因此，在第一实施方式中，为了将各像素10的信号向机身控制部21读取而需要设置多个贯穿电极201。在变形例1中，各像素10的信号被读取至第一基板111上方的布线层101。因此，无需设置贯穿电极201就能将各像素10的信号经由电极PAD202向机身控制部21读取。
(变形例2)
上述第一实施方式中，为了使修正部21b从第一光电转换信号S1中除去噪声成分(kαA+kαB)，机身控制部21基于第一光电转换信号S1和第二光电转换信号S2算出噪声成分(kαA+kαB)。变形例2中，摄像元件22的构成不同。变形例2的摄像元件中，在图3及图4所示的像素组401、402各自的周围分散有在微透镜44及彩色滤光片45之下配置有一个光电转换部的摄像像素。在该情况下，机身控制部21基于摄像像素的光电转换信号来计算算式(1)的(kαA+kαB)，修正部21b从算式(1)的第一光电转换信号S1减去(kαA+kαB)来计算修正后的光电转换信号S1、即k(1－α)A。
(变形例3)
在上述实施方式中，如图5所示，说明了由第一光电转换部41及第二光电转换部42共有排出部17及放大部18的构成例。但是，也可以构成为每个光电转换部都具备排出部17及放大部18。
(变形例4)
在上述实施方式及变形例中，说明了使用光电二极管作为光电转换部的例子。但是，也可以使用光电转换膜作为光电转换部。
(变形例5)
通常，在应用于摄像元件22的硅基板等半导体基板中，具有透过率因射入光的波长长度而不同的特性。例如，波长长的光(红色的光)比波长短的光(绿色的光、蓝色的光)更易透过光电转换部。波长短的光(绿色的光、蓝色的光)比波长长的光(红色的光)更难透过光电转换部。即，波长短的光与波长长的光相比在光电转换部中到达的深度较浅。因此，波长短的光在光射入的方向(在图3中为Z轴方向)上在半导体基板的较浅区域、即光电转换部的较浅部分(在图3中为－Z方向侧)进行光电转换。波长长的光在光射入的方向上在半导体基板的较深区域、即光电转换部的较深部分(在图3中为+Z方向侧)进行光电转换。因此，也可以将反射膜43的位置(Z轴方向上的位置)针对每个R、G、B像素改变。例如，也可以是，在B像素中，在比G像素及R像素浅的位置(与G像素及R像素相比－Z方向侧的位置)上配置反射膜；在G像素中，在比B像素深(与B像素相比+Z方向侧的位置)且比R像素浅的位置(与R像素相比－Z方向侧的位置)上配置反射膜；在R像素中，在比G像素及B像素深的位置(与G像素及B像素相比+Z方向侧的位置)上配置反射膜。
(变形例6)
通常，从摄像光学系统31的出瞳通过的光大致垂直地向摄像元件22的摄像面的中央部射入，相对于此，光倾斜地射入至与中央部相比位于外侧的周边部、即摄像面的远离中央的区域。因此，也可以将各像素的反射膜43的面积和位置构成为因摄像元件22中的像素的位置(例如像高)而不同。另外，在摄像元件22的摄像面的中央部和周边部中，摄像光学系统31的出瞳的位置和出瞳距离不同。因此，也可以将各像素的反射膜43的面积和位置构成为因出瞳的位置和出瞳距离而不同。由此，能够增加经由摄像光学系统31向光电转换部射入的光量，并且即使在光倾斜射入的情况下也能在该状态下适当进行光瞳分割。
(变形例7)
在上述实施方式及变形例中所说明的摄像元件22也可以适用于相机、智能手机、平板电脑、PC内置的相机、车载相机、搭载于无人驾驶飞行器(无人驾驶飞机、无线电遥控机等)上的相机等。
在上述中说明了各种实施方式及变形例，但本发明并不限定于这些内容。在本发明的技术思想范围内能够考虑到的其它方式也包含在本发明的范围内。
下述优先权基础申请的公开内容被作为引用文编入于此。
日本专利申请2016年第192250号(2016年9月29日申请)
附图标记说明
2…相机机身、3…交换镜头、21…机身控制部、21a…图像数据生成部、21b…修正部、21c…焦点检测部、22…摄像元件、31…摄像光学系统、41…第一光电转换部、42…第二光电转换部、43…反射部、44…微透镜。

Claims (15)

1.一种摄像元件，其特征在于，配置有多个像素，所述像素具有：
微透镜，其供通过成像光学系统的第一光束及第二光束射入；
第一光电转换部，其供透过所述微透镜的所述第一光束及所述第二光束射入；
反射部，其将透过所述第一光电转换部的所述第一光束及所述第二光束的任意一方朝向所述第一光电转换部反射；和
第二光电转换部，其供透过所述第一光电转换部的所述第一光束及所述第二光束的任意另一方射入，
所述像素将来自所述第一光电转换部的信号和来自所述第二光电转换部的信号作为焦点检测信号而输出。
2.根据权利要求1所述的摄像元件，其特征在于，
所述第一光束及所述第二光束是从所述成像光学系统的光瞳的第一区域及第二区域分别通过的光束，
所述反射部的位置与所述成像光学系统的光瞳的位置是关于所述微透镜而共轭的位置关系。
3.根据权利要求1或2所述的摄像元件，其特征在于，
所述像素具有使透过所述第一光电转换部的所述第一光束及所述第二光束的任意另一方透过的透过部，
所述反射部和所述透过部在所述第一光电转换部与所述第二光电转换部之间设于互不相同的区域内。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的摄像元件，其特征在于，具备：
第一蓄积部，其蓄积由所述第一光电转换部转换得到的电荷；
第二蓄积部，其蓄积由所述第二光电转换部转换得到的电荷；和
连接部，其将所述第一蓄积部与所述第二蓄积部连接。
5.根据权利要求4所述的摄像元件，其特征在于，具备：
第一传输部，其将由所述第一光电转换部转换得到的电荷向所述第一蓄积部传输；
第二传输部，其将由所述第二光电转换部转换得到的电荷向所述第二蓄积部传输；和
控制部，其控制所述第一传输部及所述第二传输部来进行第一控制和第二控制，第一控制是使基于由所述第一光电转换部转换得到的电荷所得的信号和基于由所述第二光电转换部转换得到的电荷所得的信号依次输出，第二控制是使如下信号输出，该信号是基于将由所述第一光电转换部转换得到的电荷与由所述第二光电转换部转换得到的电荷加法运算的电荷所得的信号。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的摄像元件，其特征在于，具备：
设有所述第一光电转换部的第一基板；和
层叠于所述第一基板上且设有所述第二光电转换部的第二基板，
所述反射部设于所述第一光电转换部与所述第二光电转换部之间。
7.根据权利要求2～6中任一项所述的摄像元件，其特征在于，
所述多个像素具有所述微透镜、所述第一光电转换部、将透过所述第一光电转换部的所述第一光束朝向所述第一光电转换部反射的反射部、和供透过所述第一光电转换部的所述第二光束射入的第二光电转换部。
8.根据权利要求2～6中任一项所述的摄像元件，其特征在于，
所述多个像素包括在第一方向上配置的第一像素及第二像素，
所述第一像素具有所述微透镜、所述第一光电转换部、将透过所述第一光电转换部的所述第一光束朝向所述第一光电转换部反射的反射部、和供透过所述第一光电转换部的所述第二光束射入的第二光电转换部，
所述第二像素具有所述微透镜、所述第一光电转换部、将透过所述第一光电转换部的所述第二光束朝向所述第一光电转换部反射的反射部、和供透过所述第一光电转换部的所述第一光束射入的第二光电转换部。
9.一种焦点检测装置，其特征在于，具备：
权利要求1～7中任一项所述的摄像元件；和
焦点检测部，其基于来自所述第一光电转换部的信号和来自所述第二光电转换部的信号进行所述成像光学系统的焦点检测。
10.根据权利要求9所述的焦点检测装置，其特征在于，
所述焦点检测部检测所述多个像素的第一光电转换部的信号与所述多个像素的第二光电转换部的信号之间的相位差。
11.一种焦点检测装置，其特征在于，具备：
权利要求8所述的摄像元件；和
焦点检测部，其基于所述第一像素的第一光电转换部的信号及所述第二像素的第二光电转换部的信号、和所述第一像素的第二光电转换部的信号及所述第二像素的第一光电转换部的信号进行所述成像光学系统的焦点检测。
12.根据权利要求11所述的焦点检测装置，其特征在于，
所述焦点检测部检测所述第一像素的第一光电转换部的信号及所述第二像素的第二光电转换部的信号、与所述第一像素的第二光电转换部的信号及所述第二像素的第一光电转换部的信号之间的相位差。
13.一种电子相机，其特征在于，具备：
权利要求1～8中任一项所述的摄像元件；和
修正部，其基于来自所述第二光电转换部的信号对来自所述第一光电转换部的信号进行修正。
14.一种电子相机，其特征在于，具备：
权利要求1～8中任一项所述的摄像元件；和
图像生成部，其基于所述摄像元件的来自所述第一光电转换部的信号和来自所述第二光电转换部的信号生成图像数据。
15.根据权利要求14所述的电子相机，其特征在于，
所述图像生成部生成将所述摄像元件的来自所述第一光电转换部的信号与来自所述第二光电转换部的信号加法运算得到的加法信号。
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