JP2004264451A

JP2004264451A - Solid-state imaging device for photometric range finding

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Publication number: JP2004264451A
Application number: JP2003053468A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Takahashi; 秀和高橋
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-24
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: JP4072450B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a solid-state imaging device for range finding which is mounted with a spot light metering function suitable for a microcomputer with a built-in AD converter (ADC), has its photometric precision and operating speed improved, and is mounted with a small-chip-size and low-cost spot light metering function. <P>SOLUTION: The solid-state imaging device for range finding is constituted by forming on the same semiconductor substrate 100 an AF circuit block 101 having a photodiode array for finding a range and a driving circuit, a detecting circuit, and a shift register outputting an AF signal corresponding to the amount of charges accumulated in the photodiode array to an AD converter 112 of the microcomputer 109 through a multiplexer (MPX) 104 and an AE circuit block 102 which includes a photodiode for light metering and outputs an AE signal photoelectrically converted by it to the ADC 112 of the microcomputer 109 through the MPX 104; and a monitor signal (maximum value signal) of the AF circuit block 101 is outputted as a spot AE signal to the ADC 112 of the microcomputer 109 through the MPX 1. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測光測距用固体撮像装置に係り、とくに測光機能を有したオートフォーカス用固体撮像装置において、コンパクトカメラに用いられる外測方式のオートフォーカスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、測光機能（ＡＥ：ＡｕｔｏＥｘｐｏｓｕｒｅ）を搭載した測距（ＡＦ：ＡｕｔｏＦｏｃｕｓ）センサとして、撮像装置用自動測光装置（例えば、特許文献１参照）が知られている。この装置の回路構成図を図１４に示す。
【０００３】
図１４において、３０はＡＥ回路、３１は基準部ＣＣＤ、３２は参照部ＣＣＤ、３３は光電変換回路、３４は積分時間制御回路、３５と３６は比較回路、３７はＡＦカウンタ回路、３８はＡＥカウンタ回路、４２と４３は出力選択回路、４４と４５はアンプ、４６は相関演算回路、４７はＡＤコンバータ、４８は主制御回路、４９はマイコンである。
【０００４】
この装置において、１つの半導体チップ上に所定距離を隔てて配置され、ＡＦを行うのに適した一対のリニアセンサ（基準部ＣＣＤ３１、参照部ＣＣＤ３２）と、該一対のリニアセンサに蓄積された電荷量を検出し、光入射による電荷蓄積を制御するための積分制御信号を発生するための積分時間制御手段（積分時間制御回路３４）と、積分制御手段から入射光の強度を算出する第１の露出量検出手段（ＡＦカウンタ回路３７、主制御回路４８、マイコン４９）と、同じ半導体チップ上に配置された光電変換素子を含み、入射光量検出を行うための第２の露出量検出手段（光電変換回路３３、比較回路３６、ＡＥカウンタ回路３８、主制御回路４８、マイコン４９）を用いて露出量を決定することを特徴としている。
【０００５】
上記装置によれば、一対のリニアセンサ（基準部ＣＣＤ３１、参照部ＣＣＤ３２）でＡＦを行うと共に、主要被写体に対する露出データを得、同一半導体チップに形成された光電変換素子（光電変換回路３３）を用いて背景を含む視野全体に対する露出データを得ることができる。その両露出データを用いることにより、きめの細かい露出情報が得られる。例えば、主要被写体に対する露出データと、視野全体に対する露出データを合わせて用いることにより、日中シンクロやスローシンクロを可能とすると共に、逆光時の主要被写体に対しても適正な露出量を選択可能となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−１５８１０７号公報
【特許文献２】
特開２０００−１８０７０６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
最近、マイコンの高性能化、多機能化、低価格化により、ＡＤコンバータ内蔵のマイコンがコンパクトカメラにおいても主流となっている。そのため、ＡＦセンサとＡＥセンサにオンチップされたＡＤコンバータがあると、チップサイズが小型にできない、コストが下げられない等の不具合が発生する。
【０００８】
しかしながら上記従来例は、以前のＡＤコンバータが内蔵されていないマイコンに適した測光測距用センサであり、最近のＡＤコンバータ内蔵のマイコンには適さなくなっている。また、カウンタ回路３７、３８や相関演算回路４６も必要とするため、チップサイズを縮小できないという大きな欠点も有していた。
【０００９】
さらに上記従来例では、積分時間制御手段からの積分制御信号を用いるため、被写体の輝度により露出制御時間が異なることになる。そのため、光量が非常に微弱な場合には、積分制御手段のコンパレータが反転するのに時間がかかってしまうため、露出が決まるまでの時間が非常に長くなってしまう欠点を有していた。これはカメラのレスポンスを著しく悪化させるため、結果としては撮影者にとって非常に使い勝手の悪いカメラになってしまっていた。
【００１０】
その他にも、測距用のリニアセンサとしてＣＣＤを用いているため、ＣＭＯＳディジタル回路との整合性が良くないため、製造プロセスが複雑となり、製造コストが高くなるという欠点も有していた。
【００１１】
本発明は、以上の問題を考慮してなされたもので、ＡＤコンバータ内蔵のマイコンに適したスポット測光機能を搭載した測距用固体撮像装置を実現することを第１の目的とする。
【００１２】
また本発明は、測光測距用固体撮像装置における測光精度と動作速度を向上させることを第２の目的とする。
【００１３】
さらに本発明は、チップサイズが小さく、かつ、低コストのスポット測光機能を搭載した測距用固体撮像装置を実現することを第３の目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る測光測距用固体撮像装置は、測距を行うための測距用光電変換素子列と、前記測距用光電変換素子列に蓄積された電荷量に応じた電圧信号を出力する電圧モニタ手段と、測光を行うための測光用光電変換素子を含み且つ該測光用光電変換素子にて光電変換された信号を第１の露出量検出用信号として出力する第１の露出量検出手段とが同一半導体基板上に形成されており、前記測距用光電変換素子列のモニタ信号を第２の露出量検出用信号として出力する第２の露出量検出手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、前記測距用光電変換素子列、前記電圧モニタ手段、および前記第２の露出量検出手段は、測距のためのＡＦセンサに搭載され、前記測光用光電変換素子及び前記第１の露出量検出手段は、撮影領域のほぼ全域の測光を行うためのＡＥセンサ（以下、必要に応じ「ワイドＡＥセンサ」と呼ぶ）に搭載される。この場合、前記第２の露出量検出用信号は、ＡＦセンサのＡＧＣ（オートゲインコントロール）出力を兼用するスポットＡＥ信号（主要被写体に対する露出量検出用信号）であり、前記第１の露出量検出用信号は、ワイドＡＥセンサのワイドＡＥ信号（主要被写体を含む視野全体に対する露出量検出用信号）であることが好適である。この構成においては、例えば以下の態様が可能である。
【００１６】
第１の態様は、測距のためのＡＦセンサと、撮影領域のほぼ全域の測光を行うための専用のワイドＡＥセンサとを同一の半導体基板上に設け、ＡＦセンサの蓄積期間中におけるフォトダイオードの電圧モニタ信号をスポット測光用のＡＥ信号として、マイコンのＡＤコンバータへの出力を可能とすることを特徴とする。これによれば、ＡＤコンバータ内蔵のマイコンに適したスポット測光が行える測光測距用固体撮像装置が実現できる。また、従来において一般的であった専用のスポット測光センサを別チップで必要としないため、システムとしての小型化と低消費電力化も実現できる。
【００１７】
第２の態様は、非破壊読み出しが可能である増幅型光電変換素子をＡＦセンサとして用いることにより、リアルタイムＡＧＣとスポットＡＥが同時に行えることが可能なことを特徴とする。これによれば、蓄積時間制御とスポットＡＥ出力動作が同時に行えるため、高速駆動に対応した測光測距用固体撮像装置が可能となる。
【００１８】
第３の態様は、ワイド測光用のＡＥセンサとスポット測光を行うためのＡＦセンサの分光感度特性が同じであることを特徴とする。ここで「同じ」というのは、ＡＥセンサからの露出値とＡＦセンサからの露出値の差が、０．３ＥＶ（ＥｘｐｏｓｕｒｅＶａｌｕｅ：露出指標）以内となることを意味する。これによれば、スポット測光とワイド測光の色温度依存性を低減できるため、露出精度の向上が可能となる。
【００１９】
第４の態様は、全体測光用のＡＥセンサは光電流の対数圧縮出力、スポット測光用のＡＧＣ信号は線形出力であることを特徴とする。これによれば、光電流の対数圧縮によるダイナミックレンジの拡大により、測光範囲を拡大した測光測距用固体撮像装置が可能となる。
【００２０】
第５の態様は、ＣＭＯＳプロセスで製造可能なＡＦセンサとＡＥセンサであることを特徴とする。これによれば、ＣＭＯＳプロセスによるマスク枚数の削減と製造工程の簡略化により、低コストの測光測距用固体撮像装置が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る測光測距用固体撮像装置の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、本実施形態の測光測距用固体撮像装置の概略回路ブロック図で、本発明の特徴を最もよく表す図面である。また図２は、本装置を成す後述のＡＦセンサブロック、ＡＥセンサブロック、アナログ系回路、及びディジタルブロックの各配置を説明する概略平面レイアウト図である。
【００２３】
図１及び図２において、１００はＳｉ半導体基板、１０１は半導体基板１００上に形成されるＡＦセンサブロック（本発明の測距用光電変換素子列、電圧モニタ手段、および第２の露出量検出手段の要部を成す）、１０２は同一半導体基板１００上に形成されるＡＥセンサブロック（本発明の測光用光電変換素子を含む第１の露出量検出手段の要部を成す）である。
【００２４】
また、１０４はマルチプレクサ（ＭＰＸ）、１０７はロジック回路であり、両者が半導体基板１００上に形成されるディジタルブロックを成す。さらに、１０３は温度計回路、１０５はオートゲインコントロール（ＡＧＣ）回路、１０６は電源回路、１０８は信号増幅回路であり、これら各回路が半導体基板１００上に形成されるアナログ系回路を成す。
【００２５】
また、１０９はＡＤコンバータ（ＡＤＣ）内蔵のマイコン（１１２はＡＤＣ）で、Ｓｉ半導体基板１００上のロジック回路１０７との間で各種制御信号等のディジタル信号を双方向にやり取りすると共に、Ｓｉ半導体基板１００上のＭＰＸ１０４を介して送られてくる後述のＡＦ信号、ＡＥ信号（本発明の第１の露出量検出用信号に相当するワイドＡＥ信号：主要被写体を含む視野全体に対する露出量検出用信号）、最大値信号（本発明の第２の露出量用検出信号（本例のスポットＡＥ信号：主要被写体に対するスポット露出量検出用信号）として用いる電圧モニタ信号）等のアナログ信号をＡＤＣ１１２にてデジタル信号に変換して入力可能となっている。
【００２６】
以下、ＡＦセンサブロック１０１（以下、必要に応じて「ＡＦセンサ」と呼ぶ）、ＡＥセンサブロック１０２（以下、必要に応じて「ＡＥセンサ」又は「ワイドＡＥセンサ」と呼ぶ）、アナログ系回路、ディジタルブロックの順にその内部構成を説明する。
（ＡＦセンサブロック）
ＡＦセンサブロック１０１には、三角測距による外測式のオートフォーカスを行うために、図１に示すように、位相差検出型ＡＦセンサ回路１１０を成すリニアセンサ回路のペア、すなわち一対の基準部ＡＦ回路１１０Ａと参照部ＡＦ回路１１０Ｂとが半導体基板１００上で所定の距離隔てて配置される。一対の基準部ＡＦ回路１１０Ａと参照部ＡＦ回路１１０Ｂには、本発明の測距用光電変換子列を成すフォトダイオードと、本発明の電圧モニタ手段及び第２の露出量検出手段を兼用する駆動回路、検出回路、及びシフトレジスタとが含まれる。図１及び図２の例では、このリニアセンサ回路のペアは、それぞれ３列配置されている（図２の例では、基準部ＡＦ回路の列１Ａ、２Ａ、３Ａ（図中の左側）と、参照部ＡＦ回路の列１Ｂ、２Ｂ、２Ｃ（図中の右側）とがそれぞれペアを成す）。
【００２７】
各リニアセンサ回路（基準部ＡＦ回路１１０Ａ、参照部ＡＦ回路１１０Ｂ）のフォトダイオード上には、ＡＦ用結像レンズ（後述の図１３参照）が設けられ、被写体像は、それぞれのＡＦ用結像レンズを介して各リニアセンサ回路のフォトダイオード上に結像される。その各リニアセンサ回路のフォトダイオード上の結像位置と結像レンズの焦点距離と結像レンズの間隔（基線長）により被写体までの距離が算出される。
【００２８】
図３は、上記リニアセンサ回路１１０Ａ、１１０Ｂの一例を示す。本例は、以前に本出願人により提案したＣＭＯＳリニア型のＡＦセンサ（例えば、特許文献２等参照）の回路を適用したものである。
【００２９】
図３において、１は光電変換を行うｐｎ接合フォトダイオード、２はそのフォトダイオード１の電位を基準電位（ＶＲＥＳ）にリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタ（φＲＥＳはリセット用制御信号）、３は差動増幅器（センサアンプ）であり、１〜３によって増幅型光電変換素子を構成する。この増幅型光電変換素子の差動増幅器３の出力側には、最小値検出回路と最大値検出回路が並列に接続される。
【００３０】
上記最小値検出回路と最大値検出回路において、４はクランプ容量、５はクランプ電位（ＶＧＲ）を入力するためのＭＯＳスイッチ（φＧＲはオンオフ制御信号）であり、４と５でクランプ回路（フィードバック型のノイズ除去回路）を構成している。また、６〜９はスイッチ用ＭＯＳトランジスタ（φＧＲ、φＳ１、φＮ１、φＮ２、φＳ２はオンオフ制御信号）、１０は最小値検出用差動増幅器、１１は最大値検出用差動増幅器であり、それぞれの差動増幅器１０、１１は電圧フォロワ回路を構成している。１２は最小値出力用ＭＯＳスイッチ（φＢＴＭはオンオフ制御信号）、１３は最大値出力用ＭＯＳスイッチ（φＰＥＡＫはオンオフ制御信号）である。上記１〜１３で構成されるＡＦセンサユニットがフォトダイオード１毎に複数配置される。
【００３１】
また、１４はＯＲ回路、１５は走査回路、１６、１７は定電流用ＭＯＳトランジスタ（φＲＥＦ１、φＲＥＦ２はオンオフ制御信号）である。最小値検出回路用には、最終段がＮＭＯＳのソースフォロワ回路、最大値検出回路用には、最終段がＰＭＯＳのソースフォロワ回路となっている。１８は画素からの信号が出力される共通出力線である。
【００３２】
本回路構成において、最大値検出回路と最小値検出回路の前段にフィードバック型のノイズクランプ回路（ノイズ除去回路）を設けることにより、フォトダイオードで発生するリセットノイズと、センサアンプ、最大値検出回路、最小値検出回路で発生するＦＰＮ（ＦｉｘｅｄＰａｔｔｅｒｎＮｏｉｓｅ）の除去が可能となっている。
【００３３】
また、最終出力段がソースフォロワ形式である電圧フォロワ回路を画素毎に構成し、最小値出力時には、各電圧フォロワ回路の出力段の定電流源をオフにして、定電流源に接続された出力線に共通接続することにより、映像信号の最大値を得ることができる。さらに、映像信号出力時には、各電圧フォロワ回路の出力段の定電流源をオンにして、各電圧フォロワ回路を順次、出力線に接続させることにより、シリアルな映像信号を得ることができる。この動作により、最大値検出回路と信号出力回路が兼用となるため、チップの小型化が可能となる。
【００３４】
上記最大値検出回路で兼用される信号出力回路にて得られたＡＦ信号は、信号増幅回路１０８にて増幅され、ＭＰＸ１０４を介してマイコン１０９のＡＤＣ１１２に出力される。また最大値検出回路で検出された最大値信号は、ＡＧＣ用の電圧モニタ信号として、ＡＧＣ回路１０５に出力されると共に、測光時のスポットＡＥ信号として、ＭＰＸ１０４を介してマイコン１０９のＡＤＣ１１２に出力される。
（ＡＥ回路ブロック）
ＡＥ回路ブロック１０２は、図１に示すように、ＡＥ回路１２１（本発明の測光用光電変換素子を成すＰＮ接合フォトダイオードと、本発明の第１の露出量検出手段の要部を成す対数圧縮型電流電圧変換回路）、Ｉ_Ｓ補償回路１２２、及び信号増幅回路１２３から成る。このうち、図４にＡＥ回路１２２におけるをＰＮ接合フォトダイオードと対数圧縮型電流電圧変換回路を示す回路図を示す。
【００３５】
図４において、２０はＣＭＯＳ差動増幅器、２１はＰＮ接合フォトダイオード（ＰＤ）、２２はＰＮ接合ダイオード、２３は出力用ＭＯＳスイッチ（φＨ_ＡＥはオンオフ用制御信号）である。図４に示すように、ＰＮ接合フォトダイオード２１両端の電位は基準電位（Ｖｃ）になるため、両端間の電位はゼロバイアス状態となる。従って、空乏層の広がりが抑えられるため、空乏層からの暗電流の発生が抑えられる。フォトダイオード２１で発生した光電流がＰＮ接合ダイオード２２を流れることにより、電流電圧変換される。このとき、ダイオードの電流電圧特性により、次式に従う対数変換出力（Ｖ_ｏｕｔ）が行われる。
【００３６】
【数１】

ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは素電荷量、Ｉ_Ｐは光電流、Ｉ_Ｓはダイオードの逆方向飽和電流である。この式により、Ｉ_ＳがばらつくとＡＥ特性もばらつくことが理解できる。従って、ＡＥ特性のばらつきを抑えるためには、Ｉ_Ｓ補償回路１２２が必須となる。
【００３７】
上記ＡＥ回路１２１の出力（Ｖ_ｏｕｔ）は、出力用ＭＯＳスイッチ２３を介して所定タイミングで出力され、Ｉ_Ｓ補償回路１２２にてそのＩ_Ｓが補償され、信号増幅回路１２３にて増幅され、ＡＥ信号（ワイドＡＥ信号）として、ＭＰＸ１０４を介して外部のマイコン１０９のＡＤＣ１１２に送られる。
（アナログ系回路）
アナログ系回路は、ＡＦ回路ブロック１０１のＡＦセンサ回路１１０（基準部ＡＦ回路１１０Ａ、参照部ＡＦ回路１１０Ｂ）の蓄積時間を制御するためのオートゲインコントロール（ＡＧＣ）回路１０５と、基準電位を発生するためのバンドギャップ回路、センサ回路に必要な中間電位（基準電位ＶＲＥＳ、Ｖｃ、クランプ電位ＶＧＲ等）を発生するための電源回路１０６と、ＡＦ回路ブロック１０１からのＡＦ信号を増幅して外部に出力するための信号増幅回路１０８と、半導体基板１００の温度を監視するための温度計回路１０３とから成る。
【００３８】
ここで、図５（ａ）にＡＧＣ回路１０５の回路図、図５（ｂ）にその動作説明図をそれぞれ示す。図５（ａ）において、２５はバッファアンプ、２６はコンパレータである。
【００３９】
ＡＧＣ回路１０５の動作を説明する。まず、前述したようにＡＦセンサ回路１１０のフォトダイオードに光が照射されると、フォトダイオードに電子が蓄積される。従って、ＡＧＣ回路１０５のバッファアンプ２５に入力される信号として、出力電圧が小さい方がＰＥＡＫ信号（モニタ信号）となる。このＰＥＡＫ信号が時間経過に従いコンパレータ２６のコンパレート電位（ＶＲＥＦ）より小さくなると、図５（ｂ）に示すように、ロジック回路１０７へのコンパレータ出力である蓄積判定信号が論理ＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに反転し、この時点でＡＦセンサ回路１１０の蓄積動作が終了する。この一連の蓄積動作に関する制御は、ロジック回路１０７からＡＦセンサ回路１１０へ出力される蓄積制御パルス（φＣＨ）により行われる。
（ディジタルブロック）
ディジタルブロックは、ＡＦ回路ブロック１０２（ＡＦセンサ回路１１０）、ＡＥ回路ブロック１０２、デジタルブロック、アナログ系回路を所定タイミングで駆動するための駆動パルス（図１中のシフトレジスタ駆動パルスφＨｓ、φＨ、蓄積制御パルスφＣＨ等）を発生するタイミング発生回路（Ｔ／Ｇ）と、外部マイコン１０９との通信を行うための通信回路（Ｉ／Ｏ）とからなるロジック回路１０７と、各信号を選択してマイコン１０９に内蔵されたＡＤコンバータ１１２へ出力するためのマルチプレクサ（ＭＰＸ）１０４とから成る。
【００４０】
上記構成によれば、ロジック回路１０７からの制御信号に基づいて、ＭＰＸ１０４により、複数のアナログ信号、すなわちＡＦ回路ブロック１０２からのＡＧＣ用の電圧モニタ信号であるスポット測光（ＡＥ）信号（最大値信号）、ＡＥ回路ブロック１０２からの全体測光信号（ワイドＡＥ信号）、ＡＦ回路ブロック１０２からのＡＦ信号、温度計回路１０３からの温度信号を一線出力で読み出すことが可能となる。
【００４１】
次に、図６の動作フローチャートを用いて、本実施形態の測光測距用固体撮像装置の動作を説明する。本動作は、マイコン１０９からの動作制御に関する制御信号（ディジタル信号）に基づいて、ロジック回路１０７の処理により制御される。
【００４２】
図６において、電源を投入して各回路の初期化を行った後（ステップＳｔ１、Ｓｔ２）、ＡＦセンサ（ＡＦ回路ブロック１０１）による光電荷の蓄積を開始する（ステップＳｔ３）。このＡＦセンサによる光電荷の蓄積開始と同時にワイドＡＥセンサ（ＡＥ回路ブロック１０２）の動作（ワイドＡＥ信号読み出し）を開始する（ステップＳｔ４）。
【００４３】
ＡＦセンサの蓄積期間中は、そのフォトダイオードの最大電位をリアルタイムでモニタする。所定の蓄積時間が経過後、各ＡＦセンサのＡＧＣ用のモニタ信号である最大値信号をスポットＡＥ信号として、ＭＰＸ１０４により順次、マイコン１０９のＡＤコンバータ１１２へ出力させる（ステップＳｔ５）。ここで、所定の蓄積時間とは、高輝度（ＥＶ１８程度）の明るさでＡＦセンサが飽和しない値で設定されていることが望ましい。
【００４４】
上記スポットＡＥ信号の読み出し後も、ＡＦセンサ回路１１０によるリアルタイムモニタリングは継続される。これは、本実施形態において非破壊読み出しが可能であるＣＭＯＳ型増幅センサをＡＦセンサに用いたことにより可能となったものである。蓄積動作は、先に説明したＡＦセンサ回路１１０の最大値モニタ信号がＡＧＣ回路１０５のリファレンス電位を越す（図５のコンパレータ２６からのコンパレート信号（蓄積判定信号）が反転する。）までか、システムで設定された最大蓄積時間に到達するまで続けられる（ステップＳｔ６、Ｓｔ７）。
【００４５】
そして、蓄積動作終了後、従来と同様にＡＦ信号の読み出しを行う（ステップＳｔ８、９）。ＡＦセンサの読み出しが終了した後は、消費電力低減のためにＡＦセンサのバイアスを切断して回路を非動作状態にすることが好ましい。
【００４６】
その後、ＡＥ回路ブロック１０２（ワイドＡＥセンサ）からの対数圧縮信号（ワイドＡＥ信号）の出力を行う。そして最後にＡＦセンサ信号の暗電流ばらつき補正とＡＥセンサ信号のゲイン補正のための温度信号出力を行う（ステップＳｔ１０）。
【００４７】
以上の測光、測距、温度検出の一連の動作（ステップＳｔ１〜Ｓｔ１０）を行った後、電源をオフにしてセンサ動作を終了させる（ステップＳｔ１１）。ここで温度信号は必ずしも毎回読み出す必要がないため、任意のタイミングで読み出してもよい。また、温度信号はＡＦ信号の出力の前に読み出しても良い。
【００４８】
本実施形態の回路形式と動作シーケンスにより、多分割ＡＥセンサを必要とせずに、スポット測光とワイド測光を行うことが可能となった。すなわち、本実施形態によれば、ＣＭＯＳ型ＡＦセンサの非破壊読み出しを利用したＡＧＣ動作を行い、そのＡＧＣ出力をスポットＡＥ信号として兼用すると共に、ワイド測光用の対数圧縮ＡＥセンサを同一基板上に設け、そのワイドＡＥ信号とスポットＡＥ信号との比較で逆光探知を行うため、多分割ＡＥを必要とせずに逆光検知可能なＡＥ搭載ＡＦセンサを実現することが可能になった。
【００４９】
また、ＡＦセンサのＡＧＣ用のモニタ信号をスポットＡＥ信号として兼用することにより、従来例において問題となった回路規模の増大と動作速度の低下を防ぐことが可能となった。すなわち、上記効果に加え、レスポンスが良く、高ダイナミックレンジである測光機能も同時に実現させることが可能となった。
【００５０】
図７に本実施形態における測光測距用固体撮像装置の概略的な断面構造図を示す。図７において、７１はＮ型Ｓｉ基板、７２はＮ⁻型エピタキシャル（Ｅｐｉ）層、７３はＰＷＬ（Ｐウェル）、７４はＮＷＬ（Ｎウェル）、７５はＮ^＋型不純物層（Ｎ^＋拡散層）であり、ＰＷＬ７３とＮ^＋型不純物層７５でＰＮ接合フォトダイオードを形成する。
【００５１】
また、７６はゲート酸化膜、７７は素子分離領域である厚い酸化膜（ＬＯＣＯＳ）、７８はＭＯＳトランジスタのゲートを兼ねるＰＯＬ配線、７９は層間絶縁膜（層間膜）、８０はＡＬ配線、８２は遮光膜であるＡＬ膜（遮光層）、８３は表面保護膜であるＳｉＯＮ膜（表面保護層）である。
【００５２】
ここでＰＷＬ７３の不純物濃度は１×１０^１６〜１０^１７ｃｍ^−３、その接合深さは１〜２μｍであり、Ｎ^＋型不純物層７５の不純物濃度は１×１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３、その接合深さは０．２〜０．３μｍである。
【００５３】
本実施形態のようにＡＥセンサとＡＦセンサのフォトダイオードを同じ構造にすることにより、露出値の差が０．３ＥＶ以内になるような分光感度特性にすることが可能となる。
【００５４】
本実施形態におけるセンサの分光感度特性はＰＷＬの接合深さでほぼ決まるため、ＡＥセンサのフォトダイオードのＰＷＬ電位とＡＦセンサのフォトダイオードのＰＷＬ電位は必ずしも同じにする必要はなく、回路の動作点を最適にするために別電位としても良い。例えば、本実施形態の固体撮像装置において、ＡＦセンサのＰＷＬ電位はＧＮＤレベル、ＡＥセンサのＰＷＬ電位は基準電位Ｖｃと設定している。これはオペアンプの入力電位をＧＮＤでなくＶｃとすることで、オペアンプの良好な動作領域で動作させる上で有効なことである。
【００５５】
図８に本実施形態におけるＡＦセンサとＡＥセンサの分光感度特性を示す。両センサは、ウェル電位を異ならせているため、若干の分光感度の差はあるが、露出誤差０．３ＥＶに対しては十分実現できる特性となっている。このようにＡＥセンサとＡＦセンサを同一の分光感度特性とすることで露出誤差を低減することが可能になった。
【００５６】
本実施形態において、それぞれのＡＥセンサとＡＦセンサはＣＭＯＳ回路のみの構成であるため、各種のＣＭＯＳ回路（アナログ、ディジタル）のオンチップ化との整合性も良く、各種周辺回路オンチップによるインテリジェント化も同時に可能である。また、マスク枚数と製造工数も少ないため、低コスト化に対しても有利である。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態によれば、高速、高性能、低コストとなる測光測距用固体撮像装置が実現できた。なお、本発明はＣＭＯＳセンサのみならず、例えばＣＣＤ、ＢＡＳＩＳ（ＢａｓｅＳｔｏｒｅｄＩｍａｇｅＳｅｎｓｏｒ）、ＳＩＴ（ＳｔａｔｉｃＩｎｄｕｃｅｄＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＣＭＤ（ＣｈａｒｇｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ）、ＡＭＩ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＭＯＳＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＩｍａｇｅｒ）等にも応用可能である。
【００５８】
［第２実施形態］
図９に、本実施形態の測光測距用固体撮像装置の動作を説明するフローチャートを示す。第１実施形態においては、図６に示すように、スポットＡＥ信号出力後にＡＦ信号を読み出していた（図６中のステップＳｔ５、Ｓｔ９参照）。これに対し、本実施形態では、図９に示すように、ＡＦ信号出力後にスポットＡＥ信号を読み出していることを特徴とする（図９中のステップＳｔ５、Ｓｔ９参照）。その他の各ステップＳｔ１〜Ｓｔ１１の処理手順及びその処理内容は、第１実施形態（図６）と同様であるので、その説明を省略する。
【００５９】
本実施形態によれば、全ての測距点のスポットＡＥ信号を読み出すのではなく、先に出力されたＡＦ信号をもとに合焦した測距点のみのスポットＡＥ信号を読み出すことができるため、更なる動作の簡略化と高速化が可能となる。
【００６０】
［第３実施形態］
図１０に本実施形態の測光測距用固体撮像装置の概略回路ブロック図を示す。図１０に示す測光測距用固体撮像装置は、上記実施形態（図１参照）と同様の構成、すなわちＳｉ半導体基板１００上に形成されたＡＦセンサブロック１０１（位相差検出型ＡＦセンサ回路１１０を成す一対の基準部ＡＦ回路１１０Ａ及び参照部ＡＦ回路１１０Ｂ）、ＡＥセンサブロック１０２（ＡＥ回路１２１、Ｉｓ補償回路１２２、信号増幅回路１２３）、アナログ系の回路（温度計回路１０３、ＡＧＣ回路１０５、電源回路１０６、信号増幅回路１０８）、及びディジタルブロック（ＭＰＸ１０４、ロジック回路１０７）を備え、ＡＤＣ１１２内蔵のマイコン１０９に接続されている。
【００６１】
上記第１及び第２実施形態において、スポットＡＥ信号としてＡＦセンサブロック１０１のフォトダイオードの最大値信号を用いているが、本実施形態では、最大値信号以外に、図１０に示すように、最小値信号も用いることを特徴とする。これによれば、最大値信号と最小値信号の両方を用いることで、更にきめ細かい露出制御が可能となる。
【００６２】
［第４実施形態］
図１１に本実施形態の測光測距用固体撮像装置の概略回路ブロック図、図１２にその概略平面レイアウト図をそれぞれ示す。
【００６３】
図１１及び図１２に示す測光測距用固体撮像装置は、上記実施形態（図１参照）と同様の構成、すなわちＳｉ半導体基板１００上に形成されたＡＦセンサブロック１０１（位相差検出型ＡＦセンサ回路１１０を成す一対の基準部ＡＦ回路１１０Ａ及び参照部ＡＦ回路１１０Ｂ）、ＡＥセンサブロック１０２（ＡＥ回路１２１、Ｉｓ補償回路１２２、信号増幅回路１２３）、アナログ系の回路（温度計回路１０３、ＡＧＣ回路１０５、電源回路１０６、信号増幅回路１０８）、及びディジタルブロック（ＭＰＸ１０４、ロジック回路１０７）を備え、ＡＤＣ１１２内蔵のマイコン１０９に接続されている。
【００６４】
図１２において、９１は広角系フォトダイオード、９２は望遠系フォトダイオードである。このように２分割されたフォトダイオード領域に対応して、ＡＥ回路ブロック１０２には、図１１に示すように、２分割されたＡＥ回路１２１、１２１が設けられる。
【００６５】
すなわち、本実施形態は、ワイドＡＥセンサを成すＡＥ回路ブロック１０２のＡＥ回路１２１（フォトダイオード領域）を複数に分割したことを特徴とする。このようにＡＥセンサのフォトダイオード領域を広角系フォトダイオード９１と望遠系フォトダイオード９２の２つに分割することにより、使用するズームレンズの領域に応じたＡＥセンサを用いることが可能となり、その結果、より正確な測光が可能となる。例えば、広角ズーム領域においては全てのＡＥセンサを用い、望遠ズーム領域においては中心のＡＥセンサのみを用いればよい。また、２分割以上の複数に分割しても同様の効果が得ることができる。
【００６６】
［第５実施形態］
本実施形態は、上記第１〜第４実施形態のＡＦ回路ブロック及びＡＥ回路ブロックを有する測光測距用固体撮像装置を用いた撮像装置（カメラ）に関する。
【００６７】
図１３は、上記測光測距用固体撮像装置をレンズシャッタディジタルコンパクトカメラ（撮像装置）に用いた場合の一実施形態を示す概略ブロック図である。図１３において、２０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、２０２は被写体の光学像を固体撮像素子２０４に結像するレンズ、２０３はレンズ２０２を通った光量を可変するための絞り、２０４はレンズ２０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子である。
【００６８】
また、２０５は上記第１〜第４実施形態で説明した測光測距用固体撮像装置である。ここでは、例えば、上記第１実施形態（図１等参照）と同様のものを用いる。２２０は、測光測距用固体撮像装置２０５を搭載したＡＥＡＦ光学モジュールである。２２１は、ＡＥＡＦ光学モジュール２２０に搭載される一対のＡＦ用結像レンズであり、測光測距用固体撮像装置２０５のＡＦ回路ブロックの一対のリニアセンサ回路（基準部ＡＦ回路、参照部ＡＦ回路）のそれぞれのフォトダイオード上に入射光を集光させる。２２２は、ＡＥＡＦ光学モジュール２２０に搭載されるＡＥ用集光レンズであり、測光測距用固体撮像装置２０５のＡＥ回路ブロックのフォトダイオード上に入射光を集光させる。
【００６９】
また、２０６は固体撮像素子２０４や固体撮像装置２０５から出力される画像信号、測光信号、測距信号をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器、２０８はＡ／Ｄ変換器２０７より出力された画像データに各種の補正やデータを圧縮する信号処理部、２０９は固体撮像素子２０４、撮像信号処理回路２０６、Ａ／Ｄ変換器２０７、信号処理部２０８等に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、２１０は各種演算とカメラ全体を制御する全体制御・演算部、２１１は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部である。
【００７０】
さらに、２１２は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、２１３は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、２１４は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。
【００７１】
次に、このようなレンズシャッタディジタルコンパクトカメラの撮影時の動作について説明する。バリア２０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器２０７等の撮像系回路の電源がオンされる。
【００７２】
固体撮像装置２０５のＡＦ回路ブロックから出力された信号（ＡＦ信号）をもとに三角測距法により被写体までの距離の演算を全体制御・演算部２１０で行う。その後、レンズ２０２の繰り出し量を算出し、レンズ２０２を所定の位置まで駆動して合焦させる。
【００７３】
次いで、露光量を制御するために、固体撮像装置２０５のＡＥ回路ブロックから出力された信号（ワイドＡＥ信号）をＡ／Ｄ変換器２０７で変換した後、信号処理部２０８に入力する。このとき、逆光検知等、必要に応じて、前述したＡＦ回路ブロックから出力されたスポットＡＥ信号としてのモニタ信号（最大値信号のみ、又は最大値信号と最小値信号）をＡ／Ｄ変換器２０７で変換した後、信号処理部２０８に入力する。これらのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部２１０で行う。この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部２１０は絞り２０３とシャッタスピードを調節する。
【００７４】
その後、露光条件が整った後に固体撮像素子２０４での本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子２０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器２０７でＡ−Ｄ変換され、信号処理部２０８を通り全体制御・演算部２１０によりメモリ部２１１に書き込まれる。その後、メモリ部２１１に蓄積されたデータは全体制御・演算部２１０の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部２１２を通り着脱可能な記録媒体２１３に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部２１４を通り直接コンピュータ等に入力してもよい。
【００７５】
なお、本実施形態の測光測距用固体撮像装置は、ディジタルコンパクトカメラだけでなく、銀塩カメラ等にも使用できる。また、一眼レフカメラに用いても同様の効果が得られる。
【００７６】
以上本発明の各実施形態について説明したが、本発明の好適な実施の態様を以下のとおり列挙する。
［実施態様１］測距を行うための測距用光電変換素子列と、前記測距用光電変換素子列に蓄積された電荷量に応じた電圧信号を出力する電圧モニタ手段と、測光を行うための測光用光電変換素子を含み且つ該測光用光電変換素子にて光電変換された信号を第１の露出量検出用信号として出力する第１の露出量検出手段とが同一半導体基板上に形成されており、前記測距用光電変換素子列のモニタ信号を第２の露出量検出用信号として出力する第２の露出量検出手段を備えたことを特徴とする測光測距用固体撮像装置。
［実施態様２］前記測距用光電変換素子列は複数であり、それぞれが所定の距離を隔てて配置されていることを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様３］前記モニタ信号は、非破壊読み出しによりリアルタイムで出力されることを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様４］前記測距用光電変換素子からの光電荷の増幅読み出しを行う電荷増幅手段をさらに備えたことを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様５］前記電圧モニタ手段は、前記測距用光電変換素子列の最大値信号をリアルタイムモニタ信号として出力し、前記第２の露出量検出手段は、前記最大値信号を前記第２の露出量検出用信号として出力することを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様６］前記電圧モニタ手段は、前記測距用光電変換素子列の最大値信号と最小値信号の２つをリアルタイムモニタ信号として出力し、前記第２の露出量検出手段は、前記最大値信号と前記最小値信号を前記第２の露出量検出用信号として出力することを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様７］前記測距用光電変換素子と前記測光用光電変換素子がＰＮ接合フォトダイオードであり、該フォトダイオードを成すＰ型不純物層とそのＮ型不純物層が同一の不純物濃度と接合深さであることを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様８］前記測距用光電変換素子と前記測光用光電変換素子は、分光感度特性が露出指標で０．３ＥＶ以内の露出量になることを特徴とする実施態様７に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様９］多点測距を行うための複数の測距用光電変換素子列と、広い視野の測光を行うための測光用光電変換素子とを同一半導体基板上に形成した固体撮像装置において、前記測光用光電変換素子にて光電変換された信号を第１の露出量検出用信号として出力する第１の露出量検出手段と、選択された測距点に対応した前記測距用光電変換素子列からのモニタ信号のみを選択して第２の露出量検出用信号として出力する第２の露出量検出手段とを備えたことを特徴とする測光測距用固体撮像装置。
［実施態様１０］複数の前記各信号を順次出力させるためのタイミング発生回路とマルチプレクサ回路が同一半導体基板上に形成されていることを特徴とする実施態様１乃至９のいずれか１項に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様１１］実施態様１乃至１０のいずれか１項に記載の測光測距用固体撮像装置と、該測光測距用固体撮像装置により出力される前記第１の露出量検出用信号及び前記第２の露出量検出用信号を元に露光条件を制御する制御手段とを有することを特徴とするカメラ。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＡＤコンバータ内蔵のマイコンに適したスポット測光機能を搭載し、測光精度と動作速度を向上させ、チップサイズが小さく、かつ、低コストのスポット測光機能を搭載した測距用固体撮像装置を実現できる。すなわち、高性能な測光性能と測距性能を有する固体撮像装置が１チップで実現可能となる。このため、本発明を用いたレンズシャッタコンパクトカメラにおいて、カメラの小型化、高性能化、低価格化を実現できる。同様の効果は、コンパクトアナログ（銀塩）カメラのみならず、コンパクトディジタルカメラ等の撮像装置でも期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の回路ブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の平面レイアウト図である。
【図３】本発明の第１実施形態のＡＦ回路を示す回路図である。
【図４】本発明の第１実施形態のＡＥ回路を示す回路図である。
【図５】本発明の第１実施形態のＡＧＣ回路を示す回路図である。
【図６】本発明の第１実施形態の測光測距用固体撮像装置の動作を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の第１実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す断面構造図である。
【図８】本発明の第１実施形態のＡＦセンサとＡＥセンサの分光感度特性を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態の測光測距用固体撮像装置の動作を説明するフローチャートである。
【図１０】本発明の第３実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の回路ブロック図である。
【図１１】
本発明の第４実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の回路ブロック図である。
【図１２】本発明の第４実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の平面レイアウト図である。
【図１３】本発明の第５実施形態の測光測距用固体撮像装置を用いたカメラシステムを示す概略ブロック図である。
【図１４】従来例の撮像装置用自動測光装置を示す回路ブロック図である。
【符号の説明】
１、２１ｐｎフォトダイオード
２リセットＭＯＳトランジスタ
３、２０ＣＭＯＳ差動増幅器
４クランプ容量
５〜９ＭＯＳスイッチ
１０最小値検出用差動増幅器
１１最大値検出用差動増幅器
１２、１３ＭＯＳスイッチ
１４ＯＲ回路
１５走査回路
１６、１７定電流ＭＯＳトランジスタ
１８共通出力線
２２ｐｎダイオード
２５バッファアンプ
２６コンパレータ
３０ＡＥ回路
３１、３２ＣＣＤアレイ
３３光電変換回路
３４積分回路
３５、３６比較回路
３７ＡＦ用カウンタ回路
３８ＡＥ用カウンタ回路
４２、４３出力選択回路
４４、４５バッファ
４６相関演算回路
４７ＡＤコンバータ
４８主制御回路
４９ＡＤなしマイコン
７１、１００Ｎ型Ｓｉ基板
７２Ｎ型エピタキシャル層
７３ＰＷＬ
７４ＮＷＬ
７５Ｎ^＋不純物層
７６薄い酸化膜
７７ＬＯＣＯＳ
７８ＰＯＬ配線
７９層間絶縁膜
８０ＡＬ配線
８２遮光膜
８３保護膜
９１広角系フォトダイオード
９２望遠系フォトダイオード
１０１ＡＦ回路ブロック
１０２ＡＥ回路ブロック
１０３温度計回路
１０４マルチプレクサ
１０５ＡＧＣ回路
１０６電源回路
１０７ロジック回路
１０８信号増幅回路
１０９ＡＤ内蔵マイコン
１１０位相差検出型ＡＦセンサ回路
１１０Ａ基準部ＡＦ回路
１１０Ｂ参照部ＡＦ回路
１１２ＡＤＣ（ＡＤコンバータ）
１２１ＡＥ回路
１２２Ｉｓ補償回路
１２３信号増幅回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device for photometry and distance measurement, and particularly to an external measurement type autofocus sensor used for a compact camera in an autofocus solid-state imaging device having a photometry function.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a distance measuring (AF: Auto Focus) sensor equipped with a photometric function (AE: Auto Exposure), an automatic photometric device for an imaging device (for example, see Patent Document 1). FIG. 14 shows a circuit configuration diagram of this device.
[0003]
14, reference numeral 30 denotes an AE circuit, 31 denotes a reference unit CCD, 32 denotes a reference unit CCD, 33 denotes a photoelectric conversion circuit, 34 denotes an integration time control circuit, 35 and 36 denote comparison circuits, 37 denotes an AF counter circuit, and 38 denotes an AE. A counter circuit, 42 and 43 are output selection circuits, 44 and 45 are amplifiers, 46 is a correlation operation circuit, 47 is an AD converter, 48 is a main control circuit, and 49 is a microcomputer.
[0004]
In this device, a pair of linear sensors (a reference unit CCD 31 and a reference unit CCD 32) which are arranged at a predetermined distance on one semiconductor chip and are suitable for performing AF, and electric charges stored in the pair of linear sensors Integration time control means (integration time control circuit 34) for detecting an amount and generating an integration control signal for controlling charge accumulation due to light incidence; and a first method for calculating the intensity of incident light from the integration control means. The exposure amount detecting means (the AF counter circuit 37, the main control circuit 48, the microcomputer 49) and the second exposure amount detecting means (photoelectric conversion device) for detecting the amount of incident light, including a photoelectric conversion element arranged on the same semiconductor chip. The exposure amount is determined using the conversion circuit 33, the comparison circuit 36, the AE counter circuit 38, the main control circuit 48, and the microcomputer 49).
[0005]
According to the above-described apparatus, AF is performed by a pair of linear sensors (a reference unit CCD 31 and a reference unit CCD 32), exposure data for a main subject is obtained, and a photoelectric conversion element (a photoelectric conversion circuit 33) formed on the same semiconductor chip is used. To obtain exposure data for the entire field of view, including the background. By using the both exposure data, fine exposure information can be obtained. For example, by using the exposure data for the main subject and the exposure data for the entire field of view together, it is possible to perform daytime synchro and slow synchro, and it is also possible to select an appropriate exposure amount for the main subject in backlight. Become.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-5-158107
[Patent Document 2]
JP 2000-180706 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Recently, microcomputers with built-in A / D converters have become mainstream in compact cameras due to high performance, multifunctionality, and low price of microcomputers. Therefore, if there is an AD converter on-chip in the AF sensor and the AE sensor, problems such as a reduction in chip size and a reduction in cost occur.
[0008]
However, the above-mentioned conventional example is a photometric distance measuring sensor suitable for a microcomputer without a built-in AD converter, and is no longer suitable for a microcomputer with a built-in AD converter. Further, since the

counter circuits

37 and 38 and the correlation operation circuit 46 are also required, there is a large disadvantage that the chip size cannot be reduced.
[0009]
Further, in the above conventional example, since the integration control signal from the integration time control means is used, the exposure control time differs depending on the luminance of the subject. Therefore, when the amount of light is very weak, it takes time for the comparator of the integration control means to invert, so that the time until the exposure is determined becomes very long. This significantly degraded the response of the camera, resulting in a camera that was very inconvenient for the photographer.
[0010]
In addition, since the CCD is used as the linear sensor for distance measurement, the matching with the CMOS digital circuit is not good, so that the manufacturing process is complicated and the manufacturing cost is increased.
[0011]
The present invention has been made in consideration of the above problems, and has as its first object to realize a solid-state imaging device for distance measurement equipped with a spot photometry function suitable for a microcomputer having a built-in AD converter.
[0012]
A second object of the present invention is to improve photometric accuracy and operation speed in a solid-state imaging device for photometric distance measurement.
[0013]
A third object of the present invention is to realize a solid-state imaging device for distance measurement having a small chip size and a low-cost spot photometry function.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to the present invention includes a photoelectric conversion element array for distance measurement, and a charge amount stored in the photoelectric conversion element array for distance measurement. A voltage monitoring means for outputting a corresponding voltage signal; and a photometric photoelectric conversion element for performing photometry, and outputs a signal photoelectrically converted by the photometric photoelectric conversion element as a first exposure amount detection signal. The first exposure amount detecting means is formed on the same semiconductor substrate as the first exposure amount detecting means, and the second exposure amount detecting means for outputting the monitor signal of the distance measuring photoelectric conversion element array as a second exposure amount detecting signal. It is characterized by having.
[0015]
Preferably, the distance measuring photoelectric conversion element array, the voltage monitoring means, and the second exposure amount detecting means are mounted on an AF sensor for distance measurement, and the photometric photoelectric conversion element and the first exposure amount detecting means are arranged on an AF sensor. The exposure amount detection means is mounted on an AE sensor (hereinafter, referred to as a “wide AE sensor” as necessary) for performing photometry of substantially the entire photographing area. In this case, the second exposure amount detection signal is a spot AE signal (exposure amount detection signal for a main subject) that also serves as an AGC (auto gain control) output of the AF sensor, and the first exposure amount detection signal is used. The use signal is preferably a wide AE signal of the wide AE sensor (a signal for detecting the amount of exposure for the entire field of view including the main subject). In this configuration, for example, the following modes are possible.
[0016]
According to a first aspect, an AF sensor for distance measurement and a dedicated wide AE sensor for performing photometry of substantially the entire photographing area are provided on the same semiconductor substrate, and a photodiode during the accumulation period of the AF sensor is provided. Is output as an AE signal for spot metering to the AD converter of the microcomputer. According to this, a solid-state imaging device for photometric distance measurement that can perform spot photometry suitable for a microcomputer with a built-in AD converter can be realized. Further, since a dedicated spot photometric sensor, which has been generally used in the related art, is not required on a separate chip, miniaturization and low power consumption of the system can be realized.
[0017]
The second aspect is characterized in that real-time AGC and spot AE can be performed simultaneously by using an amplifying photoelectric conversion element capable of nondestructive reading as an AF sensor. According to this, since the accumulation time control and the spot AE output operation can be performed at the same time, a solid-state imaging device for photometric distance measurement corresponding to high-speed driving can be realized.
[0018]
The third aspect is characterized in that the spectral sensitivity characteristics of the AE sensor for wide photometry and the AF sensor for performing spot photometry are the same. Here, “same” means that the difference between the exposure value from the AE sensor and the exposure value from the AF sensor is within 0.3 EV (Exposure Value: exposure index). According to this, the color temperature dependence of spot photometry and wide photometry can be reduced, so that exposure accuracy can be improved.
[0019]
The fourth mode is characterized in that the AE sensor for overall photometry has a logarithmic compressed output of the photocurrent and the AGC signal for spot photometry has a linear output. According to this, the dynamic range is expanded by the logarithmic compression of the photocurrent, so that a solid-state imaging device for photometric distance measurement in which the photometric range is expanded becomes possible.
[0020]
A fifth aspect is an AF sensor and an AE sensor that can be manufactured by a CMOS process. According to this, a low-cost solid-state imaging device for photometric distance measurement can be realized by reducing the number of masks by the CMOS process and simplifying the manufacturing process.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a solid-state imaging device for photometric distance measurement according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0022]
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic circuit block diagram of a solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to the present embodiment, and is a drawing that best illustrates the features of the present invention. FIG. 2 is a schematic plan layout diagram for explaining the arrangement of an AF sensor block, an AE sensor block, an analog circuit, and a digital block, which will be described later.
[0023]
1 and 2, reference numeral 100 denotes a Si semiconductor substrate, and 101 denotes an AF sensor block formed on the semiconductor substrate 100 (a photoelectric conversion element array for distance measurement, a voltage monitor, and a second exposure amount detector according to the present invention). Reference numeral 102 denotes an AE sensor block formed on the same semiconductor substrate 100 (which forms an essential part of the first exposure amount detecting means including the photometric photoelectric conversion element of the present invention).
[0024]
Reference numeral 104 denotes a multiplexer (MPX), and reference numeral 107 denotes a logic circuit, both of which constitute a digital block formed on the semiconductor substrate 100. Further, reference numeral 103 denotes a thermometer circuit, 105 denotes an automatic gain control (AGC) circuit, 106 denotes a power supply circuit, and 108 denotes a signal amplifying circuit. These circuits constitute an analog circuit formed on the semiconductor substrate 100.
[0025]
Reference numeral 109 denotes a microcomputer (112 is an ADC) with a built-in AD converter (ADC), which bidirectionally exchanges digital signals such as various control signals with the logic circuit 107 on the Si semiconductor substrate 100, AF signal and AE signal (to be described later, which are transmitted via the MPX 104 on the 100) (a wide AE signal corresponding to the first exposure amount detection signal of the present invention: an exposure amount detection signal for the entire field of view including the main subject) , An analog signal such as a maximum value signal (a voltage monitor signal used as a second exposure amount detection signal of the present invention (a spot AE signal of this example: a spot exposure amount detection signal for a main subject)) and the like. Can be converted and input.
[0026]
Hereinafter, the AF sensor block 101 (hereinafter, referred to as “AF sensor” as necessary), the AE sensor block 102 (hereinafter, referred to as “AE sensor” or “wide AE sensor” as necessary), analog circuits, The internal configuration will be described in the order of digital blocks.
(AF sensor block)
As shown in FIG. 1, the AF sensor block 101 includes a pair of linear sensor circuits constituting a phase difference detection type AF sensor circuit 110, that is, a pair of reference portions, in order to perform external measurement type autofocus by triangulation. The AF circuit 110A and the reference unit AF circuit 110B are arranged on the semiconductor substrate 100 at a predetermined distance. A pair of the reference unit AF circuit 110A and the reference unit AF circuit 110B are provided with a photodiode that forms the distance measuring photoelectric transducer array of the present invention, and a drive that also serves as the voltage monitoring unit and the second exposure amount detecting unit of the present invention. A circuit, a detection circuit, and a shift register. In the examples of FIGS. 1 and 2, the pairs of linear sensor circuits are respectively arranged in three rows (in the example of FIG. 2,

columns

1A, 2A, and 3A of the reference unit AF circuit (left side in the figure); The columns 1B, 2B, and 2C of the reference unit AF circuit (the right side in the drawing) form a pair).
[0027]
An AF imaging lens (see FIG. 13 described later) is provided on the photodiode of each linear sensor circuit (reference unit AF circuit 110A and reference unit AF circuit 110B), and the subject image is formed by the respective AF imaging. An image is formed on a photodiode of each linear sensor circuit via a lens. The distance to the subject is calculated from the imaging position on the photodiode of each linear sensor circuit, the focal length of the imaging lens, and the distance (base line length) between the imaging lenses.
[0028]
FIG. 3 shows an example of the

linear sensor circuits

110A and 110B. In this example, a circuit of a CMOS linear AF sensor previously proposed by the present applicant (for example, see Patent Document 2) is applied.
[0029]
In FIG. 3, 1 is a pn junction photodiode for performing photoelectric conversion, 2 is a reset MOS transistor (φRES is a reset control signal) for resetting the potential of the photodiode 1 to a reference potential (VRES), and 3 is a differential amplifier. (A sensor amplifier), and an amplification type photoelectric conversion element is constituted by 1 to 3. A minimum value detection circuit and a maximum value detection circuit are connected in parallel to the output side of the differential amplifier 3 of the amplification type photoelectric conversion element.
[0030]
In the minimum value detection circuit and the maximum value detection circuit, 4 is a clamp capacitor, 5 is a MOS switch (φGR is an on / off control signal) for inputting a clamp potential (VGR), and 4 and 5 are clamp circuits (feedback type). Noise removal circuit). 6 to 9 are switching MOS transistors (φGR, φS1, φN1, φN2, and φS2 are on / off control signals), 10 is a minimum value detection differential amplifier, and 11 is a maximum value detection differential amplifier. The

differential amplifiers

10 and 11 constitute a voltage follower circuit. Reference numeral 12 denotes a minimum value output MOS switch (φBTM is an on / off control signal), and reference numeral 13 denotes a maximum value output MOS switch (φPEAK is an on / off control signal). A plurality of AF sensor units 1 to 13 are arranged for each photodiode 1.
[0031]
14 is an OR circuit, 15 is a scanning circuit, and 16 and 17 are constant current MOS transistors (φREF1 and φREF2 are on / off control signals). For the minimum value detection circuit, the final stage is an NMOS source follower circuit, and for the maximum value detection circuit, the final stage is a PMOS source follower circuit. A common output line 18 outputs a signal from a pixel.
[0032]
In this circuit configuration, by providing a feedback-type noise clamp circuit (noise removal circuit) in front of the maximum value detection circuit and the minimum value detection circuit, reset noise generated by the photodiode, sensor amplifier, maximum value detection circuit, It is possible to remove FPN (Fixed Pattern Noise) generated in the minimum value detection circuit.
[0033]
In addition, a voltage follower circuit in which the final output stage is a source follower type is configured for each pixel, and at the time of minimum value output, the constant current source of the output stage of each voltage follower circuit is turned off, and the output connected to the constant current source is turned off. By connecting the lines in common, the maximum value of the video signal can be obtained. Further, when outputting a video signal, a serial video signal can be obtained by turning on the constant current source at the output stage of each voltage follower circuit and sequentially connecting each voltage follower circuit to an output line. With this operation, the maximum value detection circuit and the signal output circuit are shared, so that the size of the chip can be reduced.
[0034]
The AF signal obtained by the signal output circuit also used as the maximum value detection circuit is amplified by the signal amplification circuit 108 and output to the ADC 112 of the microcomputer 109 via the MPX 104. The maximum value signal detected by the maximum value detection circuit is output to the AGC circuit 105 as a voltage monitor signal for AGC, and is output to the ADC 112 of the microcomputer 109 via the MPX 104 as a spot AE signal at the time of photometry. You.
(AE circuit block)
As shown in FIG. 1, the AE circuit block 102 includes an AE circuit 121 (a PN junction photodiode forming a photometric photoelectric conversion element of the present invention and a logarithmic compression forming a main part of a first exposure amount detecting means of the present invention). Type current-voltage conversion circuit), I _S It comprises a compensation circuit 122 and a signal amplification circuit 123. FIG. 4 is a circuit diagram showing a PN junction photodiode and a logarithm compression type current / voltage conversion circuit in the AE circuit 122.
[0035]
In FIG. 4, reference numeral 20 denotes a CMOS differential amplifier, 21 denotes a PN junction photodiode (PD), 22 denotes a PN junction diode, and 23 denotes an output MOS switch (φH _AE Is an on / off control signal). As shown in FIG. 4, since the potential at both ends of the PN junction photodiode 21 becomes the reference potential (Vc), the potential between both ends is in a zero bias state. Therefore, since the spread of the depletion layer is suppressed, generation of dark current from the depletion layer is suppressed. The photocurrent generated by the photodiode 21 flows through the PN junction diode 22 to be converted into a current-voltage. At this time, the logarithmic conversion output (V _out ) Is performed.
[0036]
(Equation 1)

Here, k is Boltzmann's constant, T is absolute temperature, q is elementary charge, I _P Is the photocurrent, I _S Is the reverse saturation current of the diode. From this equation, I _S It can be understood that the AE characteristics also vary when the values vary. Therefore, in order to suppress variation in AE characteristics, _S The compensation circuit 122 is indispensable.
[0037]
The output of the AE circuit 121 (V _out ) Is output at a predetermined timing via the output MOS switch 23, _S In compensation circuit 122, _S Is amplified by the signal amplifying circuit 123 and sent to the ADC 112 of the external microcomputer 109 via the MPX 104 as an AE signal (wide AE signal).
(Analog circuit)
The analog circuit generates an auto gain control (AGC) circuit 105 for controlling the accumulation time of the AF sensor circuit 110 (the reference unit AF circuit 110A and the reference unit AF circuit 110B) of the AF circuit block 101, and generates a reference potential. Circuit 106 for generating intermediate potentials (reference potentials VRES, Vc, clamp potential VGR, etc.) necessary for the band gap circuit and the sensor circuit, and amplifies the AF signal from the AF circuit block 101 and outputs the amplified signal to the outside. And a thermometer circuit 103 for monitoring the temperature of the semiconductor substrate 100.
[0038]
Here, FIG. 5A shows a circuit diagram of the AGC circuit 105, and FIG. 5B shows an operation explanatory diagram thereof. In FIG. 5A, 25 is a buffer amplifier, and 26 is a comparator.
[0039]
The operation of the AGC circuit 105 will be described. First, when light is applied to the photodiode of the AF sensor circuit 110 as described above, electrons are accumulated in the photodiode. Therefore, as a signal input to the buffer amplifier 25 of the AGC circuit 105, a signal having a smaller output voltage is a PEAK signal (monitor signal). When the PEAK signal becomes smaller than the comparator potential (VREF) of the comparator 26 with the passage of time, as shown in FIG. 5B, the accumulation determination signal, which is the comparator output to the logic circuit 107, changes from a logic low level to a high level. The storage operation of the AF sensor circuit 110 ends at this point. The control regarding the series of accumulation operations is performed by an accumulation control pulse (φCH) output from the logic circuit 107 to the AF sensor circuit 110.
(Digital block)
The digital block includes drive pulses for driving the AF circuit block 102 (AF sensor circuit 110), the AE circuit block 102, the digital block, and the analog circuit at a predetermined timing (shift register drive pulses φHs and φH in FIG. A logic circuit 107 including a timing generation circuit (T / G) for generating a control pulse φCH), a communication circuit (I / O) for communicating with the external microcomputer 109, and a microcomputer for selecting each signal. And a multiplexer (MPX) 104 for outputting to an AD converter 112 built in 109.
[0040]
According to the above configuration, based on the control signal from the logic circuit 107, the MPX 104 causes a plurality of analog signals, that is, a spot photometry (AE) signal (a maximum value signal) that is an AGC voltage monitor signal from the AF circuit block 102. ), The entire photometric signal (wide AE signal) from the AE circuit block 102, the AF signal from the AF circuit block 102, and the temperature signal from the thermometer circuit 103 can be read out in one line output.
[0041]
Next, the operation of the solid-state imaging device for photometric distance measurement according to the present embodiment will be described with reference to the operation flowchart of FIG. This operation is controlled by processing of the logic circuit 107 based on a control signal (digital signal) related to operation control from the microcomputer 109.
[0042]
In FIG. 6, after power is turned on and each circuit is initialized (Steps St1 and St2), accumulation of photocharge by the AF sensor (AF circuit block 101) is started (Step St3). The operation (reading of the wide AE signal) of the wide AE sensor (the AE circuit block 102) is started simultaneously with the start of the accumulation of the photoelectric charge by the AF sensor (Step St4).
[0043]
During the accumulation period of the AF sensor, the maximum potential of the photodiode is monitored in real time. After the predetermined accumulation time has elapsed, the MPX 104 sequentially outputs the maximum value signal, which is the monitor signal for AGC of each AF sensor, as the spot AE signal to the AD converter 112 of the microcomputer 109 (step St5). Here, it is desirable that the predetermined accumulation time is set to a value that does not saturate the AF sensor at high brightness (about EV18).
[0044]
Even after the reading of the spot AE signal, the real-time monitoring by the AF sensor circuit 110 is continued. This is made possible by using a CMOS amplification sensor capable of nondestructive reading in the present embodiment for the AF sensor. The accumulation operation is performed until the above-described maximum value monitor signal of the AF sensor circuit 110 exceeds the reference potential of the AGC circuit 105 (the comparator signal (accumulation determination signal) from the comparator 26 in FIG. 5 is inverted). The process is continued until the maximum storage time set in the system is reached (Steps St6 and St7).
[0045]
After the accumulation operation is completed, the AF signal is read out in the same manner as in the related art (Steps St8 and St9). After the reading of the AF sensor is completed, it is preferable that the bias of the AF sensor be cut off to make the circuit inoperative to reduce power consumption.
[0046]
After that, a logarithmically compressed signal (wide AE signal) is output from the AE circuit block 102 (wide AE sensor). Finally, a temperature signal output for correcting the dark current variation of the AF sensor signal and the gain of the AE sensor signal is performed (Step St10).
[0047]
After performing a series of operations (Steps St1 to St10) of the photometry, the distance measurement, and the temperature detection, the power is turned off to end the sensor operation (Step St11). Here, since the temperature signal does not always need to be read every time, it may be read at an arbitrary timing. Further, the temperature signal may be read before outputting the AF signal.
[0048]
With the circuit form and the operation sequence of the present embodiment, spot photometry and wide photometry can be performed without the need for a multi-segment AE sensor. That is, according to this embodiment, the AGC operation using the nondestructive readout of the CMOS AF sensor is performed, the AGC output is also used as the spot AE signal, and the logarithmically compressed AE sensor for wide photometry is mounted on the same substrate. Since the backlight detection is performed by comparing the wide AE signal and the spot AE signal, it is possible to realize an AE-mounted AF sensor capable of detecting the backlight without requiring the multi-split AE.
[0049]
Also, by using the monitor signal for AGC of the AF sensor as the spot AE signal, it is possible to prevent an increase in circuit scale and a decrease in operation speed, which are problems in the conventional example. That is, in addition to the above-described effects, it is possible to simultaneously realize a photometric function having a good response and a high dynamic range.
[0050]
FIG. 7 is a schematic cross-sectional structural view of the solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to the present embodiment. In FIG. 7, reference numeral 71 denotes an N-type Si substrate; ⁻ Type epitaxial (Epi) layer, 73 is PWL (P well), 74 is NWL (N well), 75 is N ⁺ Type impurity layer (N ⁺ PWL73 and N ⁺ A PN junction photodiode is formed by the type impurity layer 75.
[0051]
76 is a gate oxide film, 77 is a thick oxide film (LOCOS) as an element isolation region, 78 is a POL wiring also serving as a gate of a MOS transistor, 79 is an interlayer insulating film (interlayer film), 80 is an AL wiring, and 82 is an AL wiring. An AL film (light-shielding layer) as a light-shielding film, and an SiON film (surface protective layer) 83 as a surface-protective film
[0052]
Here, the impurity concentration of the PWL 73 is 1 × 10 ¹⁶ -10 ¹⁷ cm ^-3 , Its junction depth is 1-2 μm, and N ⁺ Type impurity layer 75 has an impurity concentration of 1 × 10 ¹⁸ -10 ²⁰ cm ^-3 , And its junction depth is 0.2 to 0.3 μm.
[0053]
When the photodiodes of the AE sensor and the AF sensor have the same structure as in the present embodiment, it is possible to obtain spectral sensitivity characteristics such that the difference between the exposure values is within 0.3 EV.
[0054]
Since the spectral sensitivity characteristic of the sensor in this embodiment is substantially determined by the junction depth of the PWL, the PWL potential of the photodiode of the AE sensor and the PWL potential of the photodiode of the AF sensor do not necessarily need to be the same, and the operating point of the circuit May be set to another potential in order to optimize. For example, in the solid-state imaging device according to the present embodiment, the PWL potential of the AF sensor is set to the GND level, and the PWL potential of the AE sensor is set to the reference potential Vc. This is effective for operating the operational amplifier in a favorable operation region by setting the input potential of the operational amplifier to Vc instead of GND.
[0055]
FIG. 8 shows the spectral sensitivity characteristics of the AF sensor and the AE sensor in the present embodiment. Since both sensors have different well potentials, there is a slight difference in spectral sensitivity, but the characteristics can be sufficiently realized with an exposure error of 0.3 EV. By setting the AE sensor and the AF sensor to have the same spectral sensitivity characteristics in this manner, it is possible to reduce the exposure error.
[0056]
In the present embodiment, since each of the AE sensor and the AF sensor is composed of only a CMOS circuit, it has good consistency with various CMOS circuits (analog and digital) on-chip, and has various types of peripheral circuits on-chip. Is also possible at the same time. Further, the number of masks and the number of manufacturing steps are small, which is advantageous for cost reduction.
[0057]
As described above, according to the present embodiment, a high-speed, high-performance, low-cost solid-state imaging device for photometric distance measurement can be realized. The present invention can be applied not only to CMOS sensors but also to CCDs, Base Stored Image Sensors (SSISs), Static Induced Transistors (SITs), Charge Modulation Devices (CMDs), and AMIs (Amplified MOSs). .
[0058]
[Second embodiment]
FIG. 9 is a flowchart for explaining the operation of the solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to the present embodiment. In the first embodiment, as shown in FIG. 6, the AF signal is read after the spot AE signal is output (see Steps St5 and St9 in FIG. 6). On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 9, the spot AE signal is read after the AF signal is output (see steps St5 and St9 in FIG. 9). The other steps St1 to St11 are the same as those in the first embodiment (FIG. 6), and the description thereof is omitted.
[0059]
According to the present embodiment, it is possible to read out the spot AE signals of only the focus detection points based on the previously output AF signal, instead of reading out the spot AE signals of all the focus detection points. Further, the operation can be further simplified and speeded up.
[0060]
[Third embodiment]
FIG. 10 is a schematic circuit block diagram of the solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to the present embodiment. The solid-state imaging device for photometric distance measurement shown in FIG. 10 has the same configuration as that of the above-described embodiment (see FIG. 1), that is, an AF sensor block 101 (phase difference detection type AF sensor circuit 110) formed on a Si semiconductor substrate 100. A pair of the reference unit AF circuit 110A and the reference unit AF circuit 110B), the AE sensor block 102 (the AE circuit 121, the Is compensation circuit 122, and the signal amplification circuit 123), and analog circuits (the thermometer circuit 103, the AGC circuit 105, A power supply circuit 106, a signal amplifying circuit 108) and a digital block (MPX 104, logic circuit 107) are provided, and are connected to a microcomputer 109 having a built-in ADC 112.
[0061]
In the first and second embodiments, the maximum value signal of the photodiode of the AF sensor block 101 is used as the spot AE signal. However, in the present embodiment, in addition to the maximum value signal, as shown in FIG. It is characterized in that a value signal is also used. According to this, more detailed exposure control can be performed by using both the maximum value signal and the minimum value signal.
[0062]
[Fourth embodiment]
FIG. 11 is a schematic circuit block diagram of the solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to the present embodiment, and FIG. 12 is a schematic plan layout diagram thereof.
[0063]
The solid-state imaging device for photometry and distance measurement shown in FIGS. 11 and 12 has the same configuration as that of the above-described embodiment (see FIG. 1), that is, an AF sensor block 101 (phase difference detection type AF sensor) formed on a Si semiconductor substrate 100. A pair of reference unit AF circuit 110A and reference unit AF circuit 110B constituting circuit 110), AE sensor block 102 (AE circuit 121, Is compensation circuit 122, signal amplification circuit 123), analog circuits (thermometer circuit 103, AGC) A circuit 105, a power supply circuit 106, a signal amplification circuit 108) and a digital block (MPX 104, logic circuit 107) are provided, and are connected to a microcomputer 109 having a built-in ADC 112.
[0064]
In FIG. 12, reference numeral 91 denotes a wide-angle photodiode and 92 denotes a telephoto photodiode. As shown in FIG. 11, the AE circuit block 102 is provided with two

AE circuits

121, 121 corresponding to the two divided photodiode regions.
[0065]
That is, the present embodiment is characterized in that the AE circuit 121 (photodiode area) of the AE circuit block 102 forming the wide AE sensor is divided into a plurality. By dividing the photodiode area of the AE sensor into the wide-angle photodiode 91 and the telephoto photodiode 92 in this manner, it becomes possible to use an AE sensor corresponding to the area of the zoom lens to be used. , More accurate photometry becomes possible. For example, all AE sensors may be used in the wide-angle zoom region, and only the central AE sensor may be used in the telephoto zoom region. The same effect can be obtained by dividing into two or more parts.
[0066]
[Fifth Embodiment]
The present embodiment relates to an imaging device (camera) using the solid-state imaging device for photometric distance measurement having the AF circuit block and the AE circuit block of the first to fourth embodiments.
[0067]
FIG. 13 is a schematic block diagram showing an embodiment in which the above-mentioned solid-state imaging device for photometric distance measurement is used for a lens shutter digital compact camera (imaging device). In FIG. 13, reference numeral 201 denotes a barrier that serves both as protection of the lens and as a main switch; 202, a lens that forms an optical image of a subject on the solid-state imaging device 204; 203, an aperture for changing the amount of light passing through the lens 202; This is a solid-state imaging device for capturing a subject formed by the lens 202 as an image signal.
[0068]
Reference numeral 205 denotes the solid-state imaging device for photometric distance measurement described in the first to fourth embodiments. Here, for example, the same one as in the first embodiment (see FIG. 1 and the like) is used. Reference numeral 220 denotes an AEAF optical module on which the solid-state imaging device 205 for photometry and distance measurement is mounted. Reference numeral 221 denotes a pair of AF imaging lenses mounted on the AEAF optical module 220, and a pair of linear sensor circuits (a reference unit AF circuit and a reference unit AF circuit) of the AF circuit block of the solid-state imaging device 205 for photometry and distance measurement. The incident light is condensed on the respective photodiodes. An AE condensing lens 222 mounted on the AEAF optical module 220 condenses incident light on a photodiode of an AE circuit block of the solid-state imaging device 205 for photometry and distance measurement.
[0069]
Reference numeral 206 denotes an A / D converter for analog-to-digital conversion of an image signal, a photometric signal, and a ranging signal output from the solid-state imaging device 204 or the solid-

state imaging device

205, and 208 an output from the A / D converter 207. A signal processing unit 209 for performing various corrections and data compression on image data, and a timing generation unit 209 for outputting various timing signals to the solid-state imaging device 204, the imaging signal processing circuit 206, the A / D converter 207, the signal processing unit 208, and the like. , 210 is an overall control / arithmetic unit for controlling various operations and the entire camera, and 211 is a memory unit for temporarily storing image data.
[0070]
Further, reference numeral 212 denotes an interface unit for recording or reading on a recording medium, reference numeral 213 denotes a detachable recording medium such as a semiconductor memory for recording or reading image data, and reference numeral 214 denotes an interface for communicating with an external computer or the like. Department.
[0071]
Next, the operation of such a lens shutter digital compact camera during shooting will be described. When the barrier 201 is opened, the main power is turned on, the power of the control system is turned on, and the power of the imaging system circuit such as the A / D converter 207 is also turned on.
[0072]
Based on the signal (AF signal) output from the AF circuit block of the solid-state imaging device 205, the overall control / arithmetic unit 210 calculates the distance to the subject by triangulation. Thereafter, the amount of extension of the lens 202 is calculated, and the lens 202 is driven to a predetermined position to focus.
[0073]
Next, in order to control the exposure amount, the signal (wide AE signal) output from the AE circuit block of the solid-state imaging device 205 is converted by the A / D converter 207 and then input to the signal processing unit 208. At this time, the monitor signal (only the maximum value signal or the maximum value signal and the minimum value signal) as the spot AE signal output from the AF circuit block is output to the A / D converter 207 as necessary, such as backlight detection. , And then input to the signal processing unit 208. Exposure calculation is performed by the overall control / calculation unit 210 based on these data. The brightness is determined based on the result of the photometry, and the overall control / calculation unit 210 adjusts the aperture 203 and the shutter speed according to the result.
[0074]
Thereafter, after the exposure conditions are adjusted, the main exposure in the solid-state imaging device 204 starts. When the exposure is completed, the image signal output from the solid-state imaging device 204 is A / D converted by an A / D converter 207, passed through a signal processing unit 208, and written into a memory unit 211 by a general control / arithmetic unit 210. Thereafter, the data stored in the memory unit 211 is recorded on the removable recording medium 213 through the recording medium control I / F unit 212 under the control of the overall control / arithmetic unit 210. Further, the data may be directly input to a computer or the like through the external I / F unit 214.
[0075]
The solid-state imaging device for photometric distance measurement according to the present embodiment can be used not only for a digital compact camera but also for a silver halide camera and the like. Similar effects can be obtained even when used in a single-lens reflex camera.
[0076]
The embodiments of the present invention have been described above. Preferred embodiments of the present invention are listed below.
[Embodiment 1] A photoelectric conversion element array for distance measurement for performing distance measurement, voltage monitoring means for outputting a voltage signal corresponding to the amount of charge accumulated in the photoelectric conversion element array for distance measurement, and photometry And a first exposure amount detecting means for outputting a signal photoelectrically converted by the photometric photoelectric conversion device as a first exposure amount detection signal on the same semiconductor substrate. And a second exposure detecting means for outputting a monitor signal of the distance measuring photoelectric conversion element array as a second exposure detecting signal.
[Embodiment 2] The solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to Embodiment 1, wherein a plurality of the photoelectric conversion element arrays for distance measurement are provided, each of which is arranged at a predetermined distance.
[Embodiment 3] The solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to Embodiment 1, wherein the monitor signal is output in real time by nondestructive readout.
[Embodiment 4] The solid-state imaging device for photometric distance measurement according to Embodiment 1, further comprising a charge amplifying unit that amplifies and reads out a photoelectric charge from the photoelectric conversion element for distance measurement.
[Embodiment 5] The voltage monitoring means outputs a maximum value signal of the ranging photoelectric conversion element array as a real-time monitoring signal, and the second exposure amount detection means outputs the maximum value signal to the second signal. The solid-state imaging device for photometric distance measurement according to the first embodiment, which outputs the signal as an exposure amount detection signal.
[Embodiment 6] The voltage monitoring means outputs two signals of a maximum value signal and a minimum value signal of the distance measuring photoelectric conversion element row as a real-time monitoring signal, and the second exposure amount detecting means outputs the maximum exposure signal. The solid-state imaging device for photometric distance measurement according to claim 1, wherein a value signal and the minimum value signal are output as the second exposure amount detection signal.
[Embodiment 7] The photoelectric conversion element for distance measurement and the photoelectric conversion element for photometry are PN junction photodiodes, and the P-type impurity layer and the N-type impurity layer forming the photodiode have the same impurity concentration and junction depth. 2. The solid-state imaging device for photometric distance measurement according to the first embodiment.
[Eighth Embodiment] The photometric measurement according to the seventh embodiment, wherein the photoelectric conversion element for distance measurement and the photoelectric conversion element for photometry have an exposure index within 0.3 EV as an exposure index. Solid-state imaging device for distance.
[Embodiment 9] In a solid-state imaging device in which a plurality of distance-measuring photoelectric conversion elements for performing multi-point ranging and a photometric photoelectric conversion element for performing light measurement in a wide field of view are formed on the same semiconductor substrate. First exposure amount detecting means for outputting a signal photoelectrically converted by the photometric photoelectric conversion element as a first exposure amount detection signal, and the distance-measuring photoelectric conversion corresponding to a selected distance measuring point A second exposure amount detecting means for selecting only a monitor signal from the element array and outputting the selected signal as a second exposure amount detection signal.
[Embodiment 10] The semiconductor device according to any one of Embodiments 1 to 9, wherein a timing generation circuit and a multiplexer circuit for sequentially outputting a plurality of the respective signals are formed on the same semiconductor substrate. Solid-state imaging device for photometric ranging.
[Embodiment 11] The solid-state imaging device for photometric distance measurement according to any one of Embodiments 1 to 10, and the first exposure amount detection signal output by the solid-state imaging device for photometric distance measurement and the solid-state imaging device A camera having control means for controlling exposure conditions based on the second exposure amount detection signal.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the spot metering function suitable for the microcomputer having the built-in AD converter is mounted, the light metering accuracy and operation speed are improved, the chip size is small, and a low-cost spot metering function is provided. A mounted solid-state imaging device for distance measurement can be realized. That is, a solid-state imaging device having high-performance photometric performance and ranging performance can be realized with one chip. Therefore, in the lens shutter compact camera using the present invention, downsizing, high performance, and low cost of the camera can be realized. Similar effects can be expected not only with compact analog (silver salt) cameras but also with imaging devices such as compact digital cameras.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic circuit block diagram illustrating a solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan layout diagram illustrating a solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an AF circuit according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram illustrating an AE circuit according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating an AGC circuit according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart illustrating an operation of the solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional structural view showing a solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing spectral sensitivity characteristics of the AF sensor and the AE sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a flowchart illustrating an operation of the solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic circuit block diagram illustrating a solid-state imaging device for photometric distance measurement according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11
FIG. 11 is a schematic circuit block diagram illustrating a solid-state imaging device for photometric distance measurement according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic plan layout diagram illustrating a solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic block diagram showing a camera system using a solid-state imaging device for photometry and distance measurement according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a circuit block diagram showing a conventional automatic photometric device for an imaging device.
[Explanation of symbols]
1,21 pn photodiode
2 Reset MOS transistor
3,20 CMOS differential amplifier
4 Clamp capacity
5-9 MOS switch
10. Differential amplifier for minimum value detection
11 Maximum value detection differential amplifier
12,13 MOS switch
14 OR circuit
15 Scanning circuit
16, 17 Constant current MOS transistor
18 Common output line
22 pn diode
25 Buffer amplifier
26 Comparator
30 AE circuit
31, 32 CCD array
33 photoelectric conversion circuit
34 Integrator
35, 36 Comparison circuit
37 AF counter circuit
38 AE counter circuit
42, 43 output selection circuit
44, 45 buffer
46 Correlation arithmetic circuit
47 AD converter
48 Main control circuit
49 Microcomputer without AD
71,100 N-type Si substrate
72 N-type epitaxial layer
73 PWL
74 NWL
75 N ⁺ Impurity layer
76 Thin oxide film
77 LOCOS
78 POL wiring
79 Interlayer insulation film
80 AL wiring
82 Shading film
83 Protective film
91 Wide-angle photodiode
92 Telephoto photodiode
101 AF circuit block
102 AE circuit block
103 thermometer circuit
104 multiplexer
105 AGC circuit
106 power supply circuit
107 logic circuit
108 signal amplification circuit
109 AD built-in microcomputer
110 Phase difference detection type AF sensor circuit
110A Reference unit AF circuit
110B Reference unit AF circuit
112 ADC (AD converter)
121 AE circuit
122 Is compensation circuit
123 signal amplification circuit

Claims

A distance-measuring photoelectric conversion element array for performing distance measurement, voltage monitoring means for outputting a voltage signal corresponding to the amount of charge accumulated in the distance-measuring photoelectric conversion element array, and a photometric photoelectric element for performing photometry A first exposure amount detecting means including a conversion element and outputting a signal photoelectrically converted by the photometric photoelectric conversion element as a first exposure amount detection signal, is formed on the same semiconductor substrate; A solid-state imaging device for photometric distance measurement, comprising: second exposure amount detection means for outputting a monitor signal of a distance measuring photoelectric conversion element array as a second exposure amount detection signal.