JP2005300756A - 固体撮像装置及び固体撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、ＩＲ（赤外）フィルタをオンチップしたオートゲインコントロール制御が可能な蓄積型リニアセンサを測距用センサに隣接して配置し、高精度の赤外検出機能を有した測距センサの実現をすることを目的とする。
【解決手段】 位相差検出によってオートフォーカスを行うＡＦリニアセンサ１００と、色温度を検出する色温度リニアセンサ１０１とを備え、各リニアセンサは隣接して配置され、非破壊読み出しによる自動利得制御によって、電荷を蓄積する時間である蓄積時間と信号の利得とを制御することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一眼レフカメラなどに用いられるオートフォーカス用の固体撮像装置及び固体撮像システムに関し、特に、色温度検出機能を搭載した固体撮像装置及び固体撮像システムに関する。

図１１は従来の一眼レフカメラにおける２次結像位相差検出型の焦点検出装置を示すブロック図である。

図１１において、被写体２０８から撮影レンズ２００に入射した光束２０１は、仮想フィルム面２０３、コンデンサレンズ２０４、絞りマスク２０５及び２次結像レンズ２０６をこの順で通り光電変換素子を一次元に複数並べたリニアセンサ２０９上に結像する。

同様に撮影レンズ２００に入射した光束２０２は、仮想フィルム面２０３、コンデンサレンズ２０４及び２次結像レンズ２０７をこの順で通り、リニアセンサ２０９と同様の構成のリニアセンサ２１０上に結像する。

これらのリニアセンサ２０９及び２１０上に結像した一対の光像は、撮像レンズの焦点調節状態が仮想フィルム面より後に結ぶいわゆる後ピンの時は互いに近づき、仮想フィルム面に被写体の像が結んだときに被写体への焦点が合っているいわゆる合焦状態になる。

このような焦点検出装置において、結像状態を検出するリニアセンサつまり光電変換部の多くはｐｎ接合型フォトダイオードであり、その分光感度は可視領域から近赤外領域までである。このため高精度の合焦精度を得るには、受光装置に入射する可視光と赤外光の割合を検出し、赤外成分による補正値を算出する必要がある。

従来、色温度検出機能を搭載したＡＦ（Automatic Focus）センサとして、特許文献１に開示された焦点検出装置では、図１２に示すように、焦点検出用リニアセンサアレイ２０９、２１０の近傍に、分光エネルギー分布検出用フォトセンサ２１１、２１２が配置されている。このフォトセンサ２１１、２１２の出力信号から入射光量の赤外光の割合を求め、リニアセンサアレイ２０９、２１０の出力から求めた焦点検出結果を補正して、赤外収差による影響を抑制している。

この分光エネルギー分布検出用のフォトセンサは、ＰＮ接合構造のフォトダイオードで発生した光電流に比例した出力信号を得ている。
特開昭６２−１７４７１０号公報 特開２０００−１８０７０６号公報

しかしながら、上記の従来技術では、焦点検出用近傍の赤外光を検出する機能を有しているということのみであり、高速動作や精度向上等の性能向上のための技術が述べられていない。

また、赤外光検出機能として、以下の二点の問題点を有している。
複数の分光特性を得るために、ＰＮ接合デバイス構造を変えることはプロセス工程増加につながる。
フォトセンサの光量に比例した信号成分では、低輝度時に出力振幅がとれず、精度が悪い。

そこで、本発明は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、ＩＲ（赤外）フィルタをオンチップしたオートゲインコントロール制御が可能な蓄積型リニアセンサを測距用センサに隣接して配置し、高精度の赤外検出機能を有した測距センサの実現をすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、位相差検出によってオートフォーカスを行う第１のリニアセンサと、色温度を検出する第２のリニアセンサとを備え、当該各リニアセンサは隣接して配置され、非破壊読み出しによる自動利得制御によって、電荷を蓄積する時間である蓄積時間と、信号の利得とを制御することを特徴とする。

また、本発明は、前記信号は、前記第１のリニアセンサ及び前記第２のリニアセンサから得られる信号であることを特徴とする。

また、本発明は、前記第２のリニアセンサは、可視光と赤外光とを検出することを特徴とする。

さらに、本発明は、前記第２のリニアセンサは、赤、青、緑の３原色を検出することを特徴とする。

さらにまた、本発明は、前記第２のリニアセンサは、光学中心に対して点対象に配置することを特徴とする。

また、本発明は、前記第１のリニアセンサと前記第２のリニアセンサとが、ＣＭＯＳ型トランジスタを備えることを特徴とする。

また、本発明によれば、上記固体撮像装置を備えることを特徴とする固体撮像システムを提供する。

本発明によれば、高性能な色温度検出センサがＡＦセンサと並列での処理が可能なため、高精度、高速駆動の色温度検出センサ搭載ＡＦセンサが実現可能となるため、さまざまな光源下において最適な焦点検出が行える一眼レフカメラが実現する。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。

［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態のＡＦ用固体撮像装置を示す平面図、図２は本実施の形態のＡＦリニアセンサと色温度検出センサを示す図、図３は図２の各フィルタの波長と分光透過率の関係を示すグラフ、図４は本実施の形態のＡＦ用固体撮像装置を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施の形態は、ＡＦ（Automatic Focus）リニアセンサ１００と、色温度リニアセンサ１０１と、光学中心１０２とを備えている。

図２に示すように、本実施の形態の色温度リニアセンサ１０１は、赤フィルタ画素１０５と、緑フィルタ画素１０６と、青フィルタ画素１０７と、赤外フィルタ画素１０８とを備えている。

ＡＦリニアセンサ１００は、多点測距を実現させるために、Ｌ１〜Ｌ８までの八つのリニアセンサを設けたものである。

図５はＡＦリニアセンサ１００の回路ブロックを示し、図６はＡＦリニアセンサ１００の具体的な回路図を示す。図５及び図６に示したＣＭＯＳリニアセンサ型ＡＦセンサは、特許文献２で提案された回路である。本実施の形態においては、ＡＦセンサＬ１ＡとＬ１Ｂ（又は、Ｌ２ＡとＬ２Ｂ〜Ｌ８ＡとＬ８Ｂ）の対により位相差検出によって距離を測定する。

図６に示すように、本実施の形態のＡＦ用固体撮像装置は、一つの画素２１が、光電変換を行うｐｎ接合フォトダイオード１１と、フォトダイオード１１の電位をＶＲＥＳにリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタ１２、差動増幅器１３とを備えている。

また、クランプ回路２２は、クランプ容量１４と、クランプ電位を入力するためのＭＯＳスイッチ１５とを備えている。

また、電圧フォロア回路２３は、スイッチ用ＭＯＳトランジスタ１９と、最大値検出用差動増幅器３０と、最小値検出用差動増幅器３１とを備えている。

また、上記以外にも本実施の形態の固体撮像装置は、最大値出力用ＭＯＳスイッチ３２と、最小値出力用ＭＯＳスイッチ３３と、ＯＲゲート３４と、走査回路３５と、定電流用ＭＯＳトランジスタ３６と、定電流用ＭＯＳトランジスタ３７と、を備えている。

最大値検出回路用には最終段がｎＭＯＳトランジスタのソースフォロア回路で、最小値検出回路用には最終段がｐＭＯＳトランジスタのソースフォロア回路となっている。

画素からの信号が出力される共通出力線４０である。本回路構成において、最大値検出回路、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、最大値検出回路及び最小値検出回路で発生するノイズとの除去が可能となっている。

また、最終出力段がソースフォロア形式である電圧フォロア回路を画素ごとに構成し、最小値出力時には各電圧フォロア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を共通接続することにより、画像信号の最小値を得ることができる。

また、画像信号出力時には、各電圧フォロアの出力段の定電流源をオンにして、各電圧フォロア回路を順次、出力線に接続させることにより、シリアルな画像信号を得ることができる。この動作により、最小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。

本実施の形態においては、色温度センサは、回路構成について図３と図４のＣＭＯＳ型リニアセンサを適用することにより、上記ＡＦセンサと同等の機能を有している。この色温度センサを、図１に示すような水平方向のＡＦリニアセンサのリニアセンサ対に対し隣接した位置に、少なくとも一つ配置することにより、ＡＦリニアセンサに入射する近傍の光を検出することが可能となる。

ＡＦセンサに隣接した箇所に配置した色温度検出センサは、赤、緑、青及び赤外のフィルタをオンチップで設けている。これにより、赤、緑、青の３原色の検出が可能となり、赤外フィルタ画素との出力を比較すれば、入射光中の赤外成分の割合を検出することが可能となる。

また、ＡＦセンサと同じく色温度検出センサもリニアセンサ構成であるので、前ピンもしくは後ピンの状態であっても、被写体補足能力はＡＦセンサとほぼ同等の性能が得ることができる。

アナログブロック１０９は、各ＡＦセンサ及び色温度検出センサ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、基準電位を発生するための電源回路、信号を増幅して外部に出力するための信号増幅回路と有している。ＡＦセンサと同様に、色温度検出センサについても、ＡＧＣ回路を有していることにより、低輝度時においても、広いダイナミックレンジによる高精度の赤外検出が可能となる。

デジタル回路ブロック１１０は、センサを駆動するためのタイミング発生回路（ＴＧ）、外部のマイコンと通信を行うためのＩ／Ｏ（Input/Output）回路、各ＡＦ信号や色温度信号を選択して出力するためのマルチプレクサ（ＭＰＸ）から成る。各ＡＦセンサ及び色温度検出センサは、処理回路がそれぞれ独立しているので並列で蓄積制御を行い、ＭＰＸにより順次、各信号を出力することにより、処理時間の高速化が可能となる。

本実施の形態において、ＡＦセンサと色温度検出センサとともに、ＣＭＯＳリニアセンサ構成を用いていることにより、非破壊読み出しによるＡＧＣが並列処理で可能となり、高精度かつ高速な色温度検出を搭載したＡＦセンサが実現した。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態を示す平面図である。第１の実施の形態では、水平方向のＡＦリニアセンサ対に対し少なくとも一つの色検出センサを配置したが、本実施の形態では、水平、垂直の両方向において、少なくとも一つの色検出センサを配置した。

なお、本実施の形態の色温度リニアセンサ１０１のフィルタの構成は、第１の実施の形態のものと同様である。

これにより、水平方向コントラストだけでなく、垂直方向コントラスト又はカメラを縦方向にして使う場合においても、色温度検出センサにより赤外光成分の検出が可能となる。

［第３の実施の形態］
図８は、本発明の第３の実施の形態を示す平面図である。第２の実施の形態では、複数のセンサ対に対し、水平、垂直方向の両方向において少なくとも一つの色検出センサを配置したが、本実施の形態では、水平、垂直方向のすべてのＡＦセンサに対し、色温度検出センサを配置した。

これにより、全ての測距点において赤外光成分の検出が可能となる。

図９は、本発明の第３の実施の形態のＡＦリニアセンサと色温度検出センサを示す図である。

第１の実施の形態では、色温度検出センサ、赤、緑、青、赤外のフィルタを積層する構成であったが、本実施の形態では、赤外フィルタ１０８の代わりに赤と青が積層されたフィルタである赤青積層フィルタ１１２を積層することにより、赤外フィルタの代わりをさせている。

これにより、赤、緑、青の３種類のフィルタで、赤外検出が可能な色温度検出センサができた。

［第４の実施の形態］
以下、上記の実施の形態で説明したＡＦ用固体撮像装置を用いたデジタルカメラについて説明する。

図１０は上記の実施の形態のＡＦ用固体撮像装置を用いたデジタルカメラのブロック図である。

図１０に示すように、本実施の形態のデジタルカメラは、後記するレンズ３０２のプロテクトとメインスイッチとを兼ねるバリア３０１と、被写体の光学像を固体撮像素子３０４に結像するレンズ３０２と、レンズ３０２を通過した光量を調節するための絞り３０３と、レンズ３０２で結像された被写体を画像信号として取り込む固体撮像素子３０４と、固体撮像素子３０４や後記するＡＥ（automatic exposure）ＡＦ用固体撮像装置３０５から出力される画像信号、ＡＥ信号及びＡＦ信号を信号処理する撮像信号処理回路３０６と、撮像信号処理回路３０６から出力された信号をアナログ−デジタル変換するＡ／Ｄ変換器３０７と、Ａ／Ｄ変換器３０７より出力された画像データに対して各種の補正をしたりデータを圧縮する信号処理部３０８と、固体撮像素子３０４、撮像信号処理回路３０６、Ａ／Ｄ変換器３０７及び信号処理部３０８等に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部３０９と、各種演算とカメラ全体を制御する全体制御・演算部３１０と、画像データを一時記憶するためのメモリ部３１１と、記録媒体に記録し又は読み出し行うためのインターフェース部３１２と、画像データの記録し又は読み出しを行うための半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体３１３と、外部コンピュータなどと通信するためのインターフェース部３１４と、を備えている。

また、このデジタルカメラは、上記の実施の形態で説明したＡＦ用固体撮像装置を含むＡＥＡＦ用固体撮像装置３０５も備えている。本実施の形態では、ＡＥ用固体撮像装置を含めて説明している。

次に、上記のデジタルカメラの撮影時の動作について説明する。バリア３０１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され、さらにＡ／Ｄ変換器３０７などの撮像系回路の電源がオンされる。

次いで、露光量を制御するために全体制御・演算部３１０は絞り３０３を開放にし、ＡＥＡＦ用固体撮像装置３０５のＡＥセンサから出力された信号がＡ／Ｄ変換器３０７で変換された後、信号処理部３０８に入力され、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部３１０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３１０は絞り３０３を調節する。また、ＡＥＡＦ用固体撮像装置３０５のＡＦセンサから出力された信号をもとに、全体制御・演算部３１０は前記したような位相差検出により被写体までの距離を演算する。その後、レンズ３０２を駆動して合焦しているか否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズ３０２を駆動して測距を行い、オートフォーカス制御を行う。

次いで、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像装置３０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器３０７でアナログ−デジタル変換され、信号処理部３０８を通り全体制御・演算３１０によりメモリ部３１１に書き込まれる。

その後、メモリ部３１１に蓄積されたデータは全体制御・演算部３１０の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部３１２を通り着脱可能な記録媒体３１３に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部３１４を通り直接コンピュータなどに入力してもよい。

本発明の第１の実施の形態のＡＦ用固体撮像装置を示す平面図である。 第１の実施の形態のＡＦリニアセンサと色温度検出センサを示す図である。 図２の各フィルタの波長と分光透過率の関係を示すグラフである。 第１の実施の形態のＡＦ用固体撮像装置を示すブロック図である。 ＡＦリニアセンサ１００の回路ブロックである。 ＡＦリニアセンサ１００の具体的な回路図である。 本発明の第２の実施の形態を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態のＡＦリニアセンサと色温度検出センサを示す図である。 第４の実施の形態としてのＡＦ用固体撮像装置を用いたデジタルカメラのブロック図である。 従来の一眼レフカメラにおける２次結像位相差検出型の焦点検出装置を示すブロック図である。 従来の焦点検出用リニアセンサアレイと分光エネルギー分布検出用フォトセンサの配置関係を示す平面図である。

符号の説明

１００ ＡＦリニアセンサ
１０１ 色温度リニアセンサ
１０２ 光学中心
１０３ ＡＦリニアセンサ画素アレイ
１０４ 色温度リニアセンサ画素アレイ
１０５ 赤色フィルタ画素
１０６ 緑フィルタ画素
１０７ 青フィルタ画素
１０８ 赤外フィルタ画素
１０９ アナログ回路ブロック
１１０ デジタル回路ブロック

Claims (7)

1. 位相差検出によってオートフォーカスを行う第１のリニアセンサと、色温度を検出する第２のリニアセンサとを備え、
   当該各リニアセンサは、隣接して配置され、非破壊読み出しによる自動利得制御によって、電荷を蓄積する時間である蓄積時間と、信号の利得とを制御することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記信号は、前記第１のリニアセンサ及び前記第２のリニアセンサから得られる信号であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第２のリニアセンサは、可視光と赤外光とを検出することを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記第２のリニアセンサは、赤、青、緑の３原色を検出することを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記第２のリニアセンサは、光学中心に対して点対象に配置することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記第１のリニアセンサと前記第２のリニアセンサとが、ＣＭＯＳ型トランジスタを備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備えることを特徴とする固体撮像システム。