JP2007065324A - 焦点検出用固体撮像装置及び、同装置を用いたカメラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 位相差検出型の多点オートフォーカスを行うエリア型焦点検出用固体撮像装置は、広い領域における多点の高速高精度オートフォーカスに用いられる反面、チップ面積の増大によるコストアップが問題となる。
【解決手段】 本発明によれば、エリアセンサ内の特定画素の受光面積を、同一エリアセンサ内の他画素の受光面積より大きくする。それにより、センサ感度が向上し、かつチップ面積の増大も最小限に抑えられるため、安価で高精度なＡＦセンサが実現できた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、位相差検出型オートフォーカスを行う固体撮像装置に関する。特に本発明は、デジタルカメラもしくはアナログ（銀塩）カメラ等に用いられる焦点検出（以下ＡＦとも表現する）用固体撮像装置（ＡＦセンサー）に関するものである。

従来におけるエリア型の位相差検出型オートフォーカスを行う焦点検出用固体撮像装置のレイアウトを図２に示す。このエリア型の位相差検出型ＡＦセンサは本出願人により特許文献１、および、特許文献２で開示されたものである。

同図において、チップはＣＭＯＳプロセス等によって同一半導体基板上に形成されており、２０１のセンサ回路ブロック及び２０２のアナログ回路ブロック及び２０３のデジタル回路ブロックから構成されている。エリアセンサ２０４、２０５、２０６、２０７の画素はフォトダイオード等の光電変換素子を有し、これらを２次元状に配列することで被写体を撮像する撮像領域を形成している。位相差検出型のＡＦセンサは２つの被写体の位相差を検出して焦点検出を行うためＡ像（基準部）とＢ像（参照部）の撮像領域が必要となる。

２０４のエリアセンサ１のＡ像に対して、Ｂ像としての２０５のエリアセンサ１’が光学中心２１４（センサ中心ともいう）を通る垂直線に対して対称に配置されている。また、２０６のエリアセンサ２のＡ像に対して、Ｂ像としての２０７のエリアセンサ２’が光学中心２１４を通る水平線に対して対称に配置されている。エリアセンサ１及びエリアセンサ１’の画素数と画素サイズは同一である。画素サイズは１３．６ｕｍ×１０１．６ｕｍであり、画素数は５６個×１８行配列されている。エリアセンサ２及びエリアセンサ２’の画素数と画素サイズは同一である。画素サイズは、１３．６ｕｍ×７３．６ｕｍであり、画素数は１４５個×４２列配列されている。また、アナログ回路ブロックにおける２０８はＡＦセンサの蓄積時間によって信号出力回路のゲインを自動コントロールするためのＡＧＣ回路、２０９はＡＦセンサの光電変換信号を増幅して出力するための信号増幅回路である。更に、２１０はセンサ駆動に必要な基準電圧を発生させる電源回路である。また、デジタル回路ブロックにおける２１１はＡＦセンサの蓄積時間情報やゲイン設定値等を保持するためのＳＲＡＭ、２１２はアナログ信号を選択してモニタ出力するためのマルチプレクサ回路、２１３はタイミングジェネレータ及びＩ／Ｏである。
特開平１１−１９１８６７号公報 特開２００５−１０９３７０号公報

上記の位相差検出型オートフォーカスを行う焦点検出用固体撮像装置は広い領域における多検出点の高速高精度オートフォーカスに用いられる反面、チップ面積の増大によるコストアップが問題となる。これは、画素数が少なく画素面積を増大させた場合において配列が比較的自由であるライン型のＡＦセンサにはなかったエリア型ＡＦセンサ特有の課題である。例えば図２において輝度が低い（暗い）条件下でのオートフォーカス性能を上げる場合を考える。その場合は、感度を向上させる目的でエリアセンサ１及びエリアセンサ１’のフォトダイオード面積を一様に大きくすると、現状のチップには収まらず、チップ面積が増大してしまう。そのためコストアップしてしまい実用化できなかった。

上記課題を解決するために本発明では、同一画素領域内で異なる受光面積を有する画素を設けることを特徴としている。具体的には、ある特定の列の画素の受光面積を他の列の画素の受光面積よりも大きくする。受光面積が大きい画素は、位相差検出を行う対を形成することによって、チップ面積の増大を最小限に抑えながら感度を向上させるものである。また、本発明では垂直及び水平方向への転送回路等の周辺回路の相対精度をレイアウトの観点から良くするために横方向の画素ピッチは共通として、縦方向にのみ画素面積を増大させることを特徴としている。さらに本発明では最も使用頻度が高い光学中心を通る直線に接する１列または複数列の画素面積を増大させることを特徴としている。言い換えれば、複数の焦点検出点の中で、空間的に最も中央に位置している点の焦点検出を行う画素を、前記受光面積が大きい画素とすることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によればエリアセンサの同一領域内で、ある特定列の画素の受光面積を他の列のそれより増大させる。そして、受光面積が大きい画素は、位相差検出を行う対を形成することでセンサ感度が向上し、かつチップ面積の増大も最小限に抑えられるため、安価で高精度なＡＦセンサが実現できた。

以下、本発明における実施の形態について図面を用いて詳しく説明する。

なお、以下に述べる実施の形態は、それぞれ、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の技術的範囲はこれらの形態に限られるものではない。

（第１の実施形態）
図１は本発明における実施例を説明するための模式図であり、ＣＭＯＳプロセス等によって同一半導体基板上に形成されている。１０１は焦点検出を行うためのＡＦセンサ回路ブロック、１０２はアナログ回路ブロック、１０３はデジタル回路ブロックである。エリアセンサ１０４、１０５、１０６、１０７の画素はフォトダイオード等の光電変換素子を有し、これらを２次元状に配列することで被写体を撮像する撮像領域を形成している。上記２次元状に画素配列された撮像領域対は、その中の各ラインセンサ対毎に、そのセンサ対が結ぶ中央の位置に光学的に結像された像の焦点検出を行う。従って、本発明は複数の点の焦点検出を行うことができる。位相差検出型のＡＦセンサは２つの被写体の位相差を検出して測距を行うためＡ像（基準部）とＢ像（参照部）の撮像領域が必要となる。１０４のエリアセンサ１のＡ像に対して、Ｂ像としての１０５のエリアセンサ１’が光学中心１１４を通る垂直線に対して対称に配置されている。また、１０６のエリアセンサ２のＡ像に対して、Ｂ像としての１０７のエリアセンサ２’が光学中心１１４を通る水平線に対して対称に配置されている。エリアセンサ１及びエリアセンサ１’の画素数は、それぞれ２４９個×１８行配列されているが、うち１６行は画素サイズが同一で約１３ｕｍ×９３ｕｍである。エリアセンサ１及びエリアセンサ１’において光学中心１１４を通る水平線に接する２行は、受光面積が大きい画素を有する。その２行の画素のサイズは約１３ｕｍ×１４０ｕｍであり、他の１６行に設けられた画素と横方向のピッチは同じにする。その結果、光学中心１１４を通る水平線に接する２行に設けられた画素は、他の１６行の画素サイズに対して約１．５倍のフォトダイオード面積を有している。

言い換えれば、複数の焦点検出点の中で、空間的に最も中央に位置する点の焦点検出を行う画素の受光面積を大きくすることとなる。したがって、最も使用頻度が高い画素の感度を大きくすることで、全体として高精度なオートフォーカスを実現することができる。

エリアセンサ２及びエリアセンサ２’の画素サイズは同一で約１３ｕｍ×６９ｕｍである。画素数は１４９個×４２列配列されている。本実施形態ではエリアセンサ２及びエリアセンサ２’の全ての画素サイズを同一にしている。しかしながら、エリアセンサ１及びエリアセンサ１’のように光学中心１１４を通る垂直線に接する２列を受光面積を増大させた画素列としてもよい。

また、アナログ回路ブロックにおける１０８はＡＦセンサの蓄積時間によって信号出力回路のゲインを自動コントロールするためのＡＧＣ回路、１０９はＡＦセンサの光電変換信号を増幅して出力するための信号増幅回路である。続いて、１１０はセンサ駆動に必要な基準電圧を発生させる電源回路、１１５は蓄積打ち切り電圧を外部より設定するためのデジタル・アナログ変換器、１１６はチップの温度を測るための温度計回路である。また、デジタル回路ブロックにおける１１１はＡＦセンサの蓄積情報やゲイン設定値等を保持するためのＳＲＡＭ、１１２はアナログ信号を選択してモニタ出力するためのマルチプレクサ回路である。続いて、１１３はタイミングジェネレータ及びＩ／Ｏである。

１０１のＡＦセンサ回路ブロックは位相差検出方式によるオートフォーカスを行うために、例えばエリアセンサ１（Ａ像）とエリアセンサ１’（Ｂ像）のようにエリアセンサブロックが一対で配置されている。それぞれのエリアセンサ上には結像レンズが設けられ、被写体像はそれぞれのエリアセンサ上に結像される。エリアセンサ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できる。

本実施形態において、横目に配置されたエリアセンサ１及びエリアセンサ１’の中央２行の受光面積を約１．５倍にすることによって感度も約１．５倍に向上した。したがって、低輝度条件下での中央行におけるオートフォーカス性能が向上した。また、チップ面積も従来とほぼ同等の大きさであるため低コスト化できた。また、横方向の画素ピッチは他の行の画素と同じくすることによって、他の行に対する出力信号の相対精度も良く、高精度のオートフォーカスセンサが実現した。

（第２の実施形態）
図３は本発明を用いるＴＴＬ−ＳＩＲ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｌｅｎｓ―２次結像位相差検出）型オートフォーカスシステムを搭載した一眼レフカメラの光学系概略図を示している。同図において、４０は被写体像をフィルム上やイメージセンサ上に一時結像させるための撮影レンズ、４１はファインダースクリーン４２へ光を反射させるためのクイックリターンミラーであり、光を数１０％透過するハーフミラーとなっている。４３はＡＦ系へ光を導くためのサブミラー、４４は本発明の焦点検出用固体撮像装置、４５はＡＦセンサ上に被写体像を再結像させるための二次結像レンズ（メガネレンズ）、４６はＡＦセンサ４４へ光を導く反射ミラーである。続いて、４７はフォーカルプレーンシャッター、４８はフィルム又はイメージセンサ、４９は光線の主軸を示している。

本実施形態において、第１の実施形態に記載の焦点検出用固体撮像装置を用いることで、従来以上の低輝度限界を達成し、且つ低コストな一眼レフカメラの実現が可能となった。

本実施例はアナログカメラ、デジタルカメラを問わず、ＴＴＬ−ＳＩＲ型ＡＦカメラであれば、本発明が適用できることは明らかである。

本発明の第１の実施形態を示す代表的な図である。 従来の例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態を示す代表的な図である。

符号の説明

４０ 撮像レンズ
４１ クイックリターンミラー
４２ ファインダースクリーン
４３ サブミラー
４４ 焦点検出用固体撮像装置
４５ 二次結像レンズ
４６ 反射ミラー
４７ フォーカルプレーンシャッター
４８ フィルム又はイメージセンサ
４９ 光軸
１０１、２０１ センサ回路ブロック
１０２、２０２ アナログ回路ブロック
１０３、２０３ デジタル回路ブロック
１０４、２０４ エリアセンサ１
１０５、２０５ エリアセンサ１´
１０６、２０６ エリアセンサ２
１０７、２０７ エリアセンサ２´
１０８、２０８ ＡＧＣ回路
１０９、２０９ 信号増幅回路
１１０、２１０ 電源回路
１１１、２１１ ＳＲＡＭ
１１２、２１２ マルチプレクサ回路
１１３、２１３ ＴＧ及びＩ／Ｏ
１１４、２１４ 光学中心
１１５ ＤＡ変換器
１１６ 温度計回路

Claims (5)

1. 光電変換を行う光電変換素子を有する画素を２次元状に配列した画素領域を、少なくとも一対有する、位相差検出型の焦点検出用固体撮像装置において、
   前記一対の画素領域は、それぞれ同じ画素領域内の他の画素と比べて受光面積が大きい複数の画素を有し、前記受光面積が大きい複数の画素は、位相差検出を行う対を形成していることを特徴とする位相差検出型の焦点検出用固体撮像装置。
2. 前記受光面積が大きい複数の画素は、列又は行状に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出用固体撮像装置。
3. 前記受光面積が大きい複数の画素は、前記画素領域対を形成する方向において、前記同じ画素領域内の他の画素と画素ピッチが同じであることを特徴とする請求項２に記載の焦点検出用固体撮像装置。
4. 複数の焦点検出点の中で、空間的に最も中央に位置している点の焦点検出を行う画素は、前記受光面積が大きい画素であることを特徴とする請求項２に記載の焦点検出用固体撮像装置。
5. 請求項１〜４の何れかに１項に記載の固体撮像装置を具備することを特徴としたカメラシステム。
   

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