JP2007150592A - 焦点検出用信号の生成機能を有する固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 焦点検出用信号の生成機能を有する固体撮像装置において、新しい瞳分割技術を提案する。
【解決手段】 本発明の固体撮像装置は、撮像面に撮像用画素および焦点検出用画素を備える。撮像用画素は、画素単位に光電変換することで、画像信号を生成する。焦点検出用画素は、これら撮像用画素の群の中に配置され、光学素子、および光電変換域を有する。この光学素子は、受光光束から特定の入射角度の光を選別する素子である。光電変換域は、光学素子で選別された光を光電変換することで、焦点検出用信号を生成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、画像信号の生成機能と、焦点検出用信号の生成機能とを兼ね備えた固体撮像装置に関する。

従来、焦点検出技術の１つとして瞳分割位相差方式が知られている。この方式では、撮影レンズの通過光束を分割して一対の分割像を形成する。この一対の分割像のパターンズレを検出することで、撮影レンズのデフォーカス量を検出できる。
このような瞳分割位相差方式の原理を適用した固体撮像装置として、特許文献１，２が知られている。特許文献１，２には、マイクロレンズ１つの下方に、光電変換域を２つずつ並べることで瞳分割を行い、焦点検出用信号を生成する。
特開２００２−３１４０６２号公報 特開２００３−２４４７１２号公報

ところで、カメラのピントが大きくずれると、上述した分割像も同時にぼける。この場合、分割像のパターンズレ検出が困難になり、焦点検出が不可能になる。そのため、ピントのずれた状態で焦点検出を実施するためには、瞳分割光束の光束径を小さく制限して、分割像の被写界深度（焦点深度）を深くする必要がある。

しかしながら、上述した特許文献１，２の構造では、瞳分割光束の光束径を小さくするための光学構造（遮光手段や絞りなど）が一切ない。そのため、特許文献１，２の方式では、光電変換域の面積を狭くすることで、瞳分割光束の受光径を制限する必要がある。
このような理由で焦点検出用画素の光電変換域を極端に縮小した場合、光電変換時の電荷飽和レベルが低くなってしまう。そのため、光電変換域で生成される焦点検出用信号のダイナミックレンジ（信号中の山部分と谷部分のレベル差）は必然的に小さくなる。したがって、高照度環境などの好条件下であっても、像パターンの明暗差が小さく、パターンズレの検出精度が低くなってしまう。

そこで、本発明では、上述した問題点に鑑みて、新しい構造の焦点検出用画素を提供することを目的とする。

《１》 本発明の固体撮像装置は、撮像面に撮像用画素および焦点検出用画素を備える。
撮像用画素は、画素単位に光電変換することで、画像信号を生成する。
焦点検出用画素は、これら撮像用画素の群の中に配置され、光学素子、および光電変換域を有する。この光学素子は、受光光束から特定の入射角度の光を選別する素子である。光電変換域は、光学素子で選別された光を光電変換することで、焦点検出用信号を生成する。
《２》 なお好ましくは、光学素子は、特定の入射角度の選別範囲外から侵入する光を遮る光学部材である。
《３》 また好ましくは、光学素子は、黒色フィルタおよび光路を備える。この黒色フィルタは、光を吸収する。光路は、黒色フィルタを貫いて形成され、特定の入射角度の向きに光を通す。
《４》 なお好ましくは、光学素子は、液晶を備えて構成される。この液晶の配向制御によって特定の入射角度の光を選択的に通過させる。
《５》 また好ましくは、光学素子の選別する入射角度が異なる焦点検出用画素を組にして瞳分割を行う。これらの焦点検出用画素の組は、この瞳分割の方向に沿って複数配置される。
《６》 なお好ましくは、焦点検出用画素の一組において、異なる入射角度の設定を、受光光束の中心線に対して略対称にする。
《７》 また好ましくは、瞳分割の方向が異なる焦点検出用画素の組を複数備える。

本発明では、特定の入射角度の光を選別する光学素子を用いて瞳分割を行う。この方式では、特定の入射角度を選別することで、瞳分割光束の光束径を小さくするのと同様の効果が得られる。その結果、分割像の被写界深度（焦点深度）は深くなる。
したがって、本発明ではカメラのピントが大きくずれても分割像自体はぼけにくく、カメラ側において焦点検出（分割像のパターンズレ検出）を確実に行うことが可能になる。

《第１実施形態》
［画素レイアウトの説明］
図１は、固体撮像装置１１の焦点検出エリア（焦点検出用画素３７の配置エリア）を示す図である。このような焦点検出エリアは、撮像面の複数箇所に設けられる。図２［Ａ］は、図１に示すＸ−Ｘ′の断面図である。図２［Ｂ］は、図１に示すＹ−Ｙ′の断面図である。
以下、図１および図２を参照しながら、固体撮像装置１１の画素構成を説明する。まず、固体撮像装置１１の撮像面には、撮像用画素３１の群が配置される。個々の撮像用画素３１には、画素単位に受光光束を光電変換する光電変換域３２が設けられる。この光電変換域３２の上層には、平坦化層を介して、受光光束を光電変換域３２に集光するマイクロレンズ３３が設けられる。

撮像用画素３１の群は、撮影レンズを介して撮像面に投影される被写体像を画素単位に光電変換することによって、画像信号を生成する。
一方、焦点検出エリアでは、撮像用画素３１の群の間を縫うように、焦点検出用画素３７が配置される。
この焦点検出用画素３７には、光学素子３６が設けられる。この光学素子３６は、特定の入射角度以外から侵入する光を遮ることで、特定の入射角度の光のみを通過させる。

例えば、このような光学素子３６は、余分な光を吸収する黒フィルタに対して、特定の入射角度に貫通する光路を所定の数だけ設けて形成することができる。このようなオンチップの黒フィルタとしては、画素間分離などに使用される公知の黒フィルタを使用することが好ましい。
一方、光路は、線状、面状、テーパー状、または逆テーパー状などの間隙によって構成される。この光路は空隙によって構成してもよい。また、黒フィルタの一部を透明にして構成してもよい。

なお、光路幅の設定値によって特定の入射角度の選別範囲をコントロールすることが好ましい。例えば、光路幅を広げることによって入射角度の選別範囲を広げて、入射光量を稼ぐことができる。また、光路幅を狭めることで入射角度の選別範囲を狭めて、分割像の被写界深度を深くすることができる。ちなみに、このように光路幅を狭めた場合には、光路の数を増やすことで、入射光量を稼ぐことが可能である。
このような光学素子３６で選別された光束は、焦点検出用画素３７の光電変換域３４に到達して光電変換が行われる。

この焦点検出用画素３７には、選別する入射角度を変えた複数のバリエーションが存在する。
まず、図２［Ａ］に示す焦点検出用画素３７と、図２［Ｂ］に示す焦点検出用画素３７では、入射角度が、受光光束の中心線（撮影レンズの射出瞳中心に向かう線）に対して略対称となるように設定される。これら２種類の焦点検出用画素３７を組にすることで、射出瞳を点対称に瞳分割することが可能になる。この焦点検出用画素３７の組は、瞳分割の方向に沿って、撮像面上に千鳥状に並ぶように配置される。
なお、撮像面上には、上下に瞳分割を行う焦点検出用画素３７の組（図１中に示すＵタイプとＤタイプ）と、左右に瞳分割を行う焦点検出用画素３７の組（図１中に示すＲタイプとＬタイプ）とが存在する。このように瞳分割方向を多様化することによって、縦エッジ／横エッジのいずれの被写体についても確実な焦点検出が可能になる。

［回路説明］
図３は、固体撮像装置１１の等価回路と半導体パターンを示す図である。
固体撮像装置１１は、垂直転送回路３、水平転送回路４、相関二重サンプリング回路５、および画素から概略構成される。
以下、この画素の構成について説明する。画素には、フローティングデフージョンＦＤが設けられる。このフローティングデフージョンＦＤには、リセットトランジスタＱＲのゲート１３４を介して、リセットドレイン１３８が隣接配置される。このフローティングデフージョンＦＤと光電変換域３２，３４との間には、転送トランジスタＱＴの転送ゲート１３３が配置される。このようなフローティングデフージョンＦＤの電圧は、配線を介して増幅素子ＱＡのゲート１３５に印加される。増幅素子ＱＡのソース１３９は、行選択トランジスタＱＳのゲート１３６をオン制御することにより、垂直読み出し線２に電気的に接続される。

［焦点検出用信号の読み出し動作］
図４は、焦点検出用信号の読み出し動作を説明するタイミングチャートである。
以下、図４を用いて、固体撮像装置１１から焦点検出用信号を読み出す動作を説明する。
まず、垂直転送回路３は、焦点検出用画素３７の存在するｎ行目の制御信号φＲＳ（ｎ）と制御信号φＴＧ（ｎ）を立ち上げる。これにより、ｎ行目の光電変換域３２，３４の不要電荷は、転送トランジスタＱＴ、フローティングデフージョンＦＤ、およびリセットトランジスタＱＲを順に介して、リセットドレイン１３８に排出される。

その後、垂直転送回路３は、ｎ行目の制御信号φＴＧ（ｎ）を立ち下げて、転送トランジスタＱＴを非導通に変化させる。この時点から、ｎ行目の光電変換域３２，３４は信号電荷の蓄積を開始する。
この状態で、垂直転送回路３は、期間Ｔ１の間、制御信号φＬ（ｎ）をハイレベルに設定し、ｎ行目の行選択トランジスタＱＳを導通させる。このとき、ｎ行目のリセットトランジスタＱＲの導通状態を期間Ｔ２だけ維持する。この導通状態の維持によって、ｎ行目のフローティングデフージョンＦＤは、リセットドレイン１３８の電位にリセットされる。

期間Ｔ２の後、リセットトランジスタＱＲが非導通に変化すると、フローティングデフージョンＦＤは、フローティング状態に戻る。フローティングデフージョンＦＤは、このスイッチングの瞬間の電圧（リセット電圧）を保持する。このｎ行目のリセット電圧は、増幅素子ＱＡを介して垂直読み出し線２にソースホロワ出力される。
このように垂直読み出し線２からは、ｎ行目のリセット電圧が列単位に出力される。これらのリセット電圧は、制御信号φＳＨの立ち下げタイミング（期間Ｔ３の終了時点）に同期して、相関二重サンプリング回路５（回路内のコンデンサ群）に保持される。

次に、垂直転送回路３は、制御信号φＴＧ（ｎ）を用いて、ｎ行目の転送トランジスタＱＴを期間Ｔ４だけ導通させる。この導通によって、ｎ行目の光電変換域３２，３４に蓄積された信号電荷が、フローティングデフージョンＦＤに転送される。この転送動作に伴って、フローティングデフージョンＦＤの電圧はリセット電圧から信号電荷の転送分だけ相対変化する。このｎ行目の信号電圧は、増幅素子ＱＡを介して垂直読み出し線２にソースホロワ出力される。

このように垂直読み出し線２を介して列単位に出力されるｎ行目の信号電圧は、相関二重サンプリング回路５に印加される。相関二重サンプリング回路５からは、この信号電圧とリセット電圧の差に相当する真の信号電圧が出力される。
この状態で、水平転送回路４は、焦点検出用画素３７が存在する列の制御信号φＨ２，φＨ４などを用いて、光電変換域３４の真の信号電圧をＶｏｕｔから順次に読み出す。
以上の動作を焦点検出用画素３７に限定して繰り返すことにより、全画素を読み出すことなく、焦点検出用信号を短時間に読み出すことが可能になる。
なお、ここでは電子シャッタ制御（不要電荷の事前排出）を併用する読み出し動作を説明したが、機械シャッタの開閉制御を併用した読み出し動作を行うことも可能である。

［焦点検出の原理について］
続いて、焦点検出用信号を用いた焦点検出の原理を説明する。
まず、撮像面上の各画素に到達する受光光束は、カメラの撮影レンズの射出瞳を出て、各画素に到達する略コーン状の光束である。光学素子３６は、この略コーン状の光束から、特定の入射角度の光を選別することで、撮影レンズの射出瞳の一部を通過した光束（瞳分割光束）を分離することができる。

ところで、合焦被写体の一点（近接点も含む）から出た光束は、撮影レンズの射出瞳のそれぞれ違う位置を通過した後、撮像面に点像を結ぶために再び集束する。そのため、合焦状態にある場合、一組の瞳分割光束から形成される分割像は、その像パターンが略一致して、像パターンの位相差はほぼゼロを示す。
一方、前ピン状態の被写体から出た光束は、撮影レンズの射出瞳の異なる箇所をそれぞれ通過した後、撮像面の手前で交差してずれた画素位置に到達する。そのため、前ピン状態では、一組の分割像は、瞳分割方向にずれた位相差を示す。

逆に、後ピン状態の被写体から出た光束は、撮影レンズの射出瞳の異なる箇所をそれぞれ通過した後、集束不足のまま撮像面のずれた画素位置に到達する。そのため、後ピン状態では、一組の分割像は、前ピン状態と逆方向にずれた位相差を示す。
以上説明したように、撮影レンズの合焦状況に応じて、分割像の位相差が変化する。そこで、カメラ側では、固体撮像装置１１から読み出した焦点検出用信号を分配して、一組の分割像の像パターンを求める。カメラ側では、この分割像の像パターンを、瞳分割方向にずらしながらパターンマッチング処理を行い、像パターンの位相差（像ズレ）を検出する。この位相差に基づいて、カメラ側では撮影レンズの合焦状況やデフォーカス量を検出することができる。

［画像信号の読み出し動作について］
なお、固体撮像装置１１から画像信号を読み出す動作については、上述した焦点検出用信号と同様の読み出し手順を、撮像用画素３１ごとに繰り返すことによって可能となる。この場合、焦点検出用画素３７の配置箇所については、画像信号が欠落する。この画像信号の欠落部分については、周辺の画像信号を用いて補間することが可能である。また、焦点検出用画素３７の光電変換域３４の信号に基づいて、欠落部分の画像信号を生成してもよい。

［第１実施形態の効果など］
本実施形態では、入射角度の選別範囲を適度に狭めることによって、分割像の被写界深度（焦点深度）を深くすることができる。この作用によって、本実施形態では、撮影レンズのピントが大きくずれた状態でも焦点検出が可能になる。

また、この方式では、光電変換域３４を大きくしても、分割像の被写界深度は浅くならない。そのため、ピンぼけ状態での焦点検出性能を落とさずに、光電変換域３４のダイナミックレンジを拡大することができる。このダイナミックレンジの拡大効果により、高照度環境下の焦点検出用信号では、大きな明暗レベル差を得ることができる。そのため、上述した被写界深度の深さと相俟って、高照度環境下におけるパターンズレの検出精度を一段と高めることが可能になる。

さらに、特定の入射角度の光を選別する光学素子を用いる方式では、入射角度の設計が比較的に自在であり、射出瞳の所望箇所の通過光束を抽出できる。
例えば、図５［Ａ］に示すように、大口径レンズの射出瞳に合わせて、射出瞳の周辺寄りの通過光束を抽出することができる。この入射角の設定では、分割像の像ズレを大きくし、焦点検出精度を高めることができる。
また例えば、図５［Ｂ］に示すように、小口径レンズの射出瞳に対応して、射出瞳の中心寄りの通過光束を抽出することもできる。この入射角の設定では、小口径レンズにおいても焦点検出が可能になる。

さらに、大口径レンズ用の焦点検出用画素３７の群と、小口径レンズ用の焦点検出用画素３７の群を撮像面にそれぞれ設けてもよい。この構成では、撮影レンズの開放Ｆ値に応じて、より適切な焦点検出用画素３７を選択使用することが可能になる。

また、本実施形態では、光学素子３６を、黒フィルタに特定の入射角度で貫通する光路を設けて構成する。この光学素子３６では、光路側壁の反射を黒フィルタで吸収できるため、特定の入射角度の光を厳密に選別することが可能になる。

さらに、本実施形態では、図２［Ａ］［Ｂ］に示すような２種類の焦点検出用画素３７を用いて射出瞳を点対称に瞳分割する。その結果、撮影レンズの合焦状況に応じて分割像の像パターンが相互に離れたり近づく位相差変化を示すようになり、パターンズレの検出精度（焦点検出精度）を一段と高めることが可能になる。

また、本実施形態では、複数の焦点検出用画素３７を千鳥配置する。この千鳥配置では、個々の焦点検出用画素３７の上下左右に、撮像用画素３１が必ず存在する。そのため、焦点検出用画素３７によって欠落する画像信号を、周囲の撮像用画素３１を用いて高品質に補間することが可能になる。
次に、別の実施形態について説明する。

《第２実施形態》
図６は、第２実施形態の固体撮像装置１１ａの断面図である。固体撮像装置１１ａの特徴は、光学素子として液晶素子３６ａを使用する点である。なお、その他の構成や動作などについては第１実施形態と同じため、ここでの重複説明を省略する。
固体撮像装置１１ａでは、液晶素子３６ａの液晶分子を配向制御することによって、特定の入射角度の光を選別して透過させることができる。例えば、液晶素子３６ａの上下板の透明電極に印加する電圧を制御することにより、液晶分子の配向角度を可変することができる。

［第２実施形態の効果など］
第２実施形態では、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、第２実施形態では、電圧制御によって液晶素子３６ａの配向角度を変化させることで、焦点検出用画素３７で選別する入射角度をフレキシブルに変更することができる。
そこで、カメラ側の撮影レンズの開放Ｆ値が大きくなるに従って、入射角度の傾きを大きくすることで、なるべく射出瞳の周辺寄りの瞳分割光束を選別することが可能になる。その結果、撮影レンズの開放Ｆ値に合わせて分割像の像ズレをなるべく大きくすることが可能になり、焦点検出精度を高めることが可能になる。

《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態では、光吸収壁を備えた光路を用いて入射角度の選別範囲を限定している。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。特定の入射角度以外から侵入する光を遮る光学部材であればよい。例えば、庇状やついたて状などの遮光部材を焦点検出用画素の前に形成して、特定の入射角度以外から侵入する光を遮ってもよい。

また、上述した実施形態において、撮像用画素にカラーフィルタを配置することで、カラー画像信号を生成してもよい。この場合、焦点検出用画素については、カラーフィルタを省略することで、焦点検出用画素の受光効率を高めることが好ましい。

なお、上述した実施形態では、予め定められた焦点検出エリア内に限って、焦点検出用画素を配置している。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、撮像面の全域にわたって所定ピッチで焦点検出用画素を配置してもよい。この構成によって、所望の領域を柔軟に選択して、その領域から焦点検出用信号を読み出すことが可能になる。

以上説明したように、本発明は、焦点検出用信号の生成機能を有する固体撮像装置に利用可能な技術である。

固体撮像装置１１の焦点検出エリアを示す図である。 固体撮像装置１１の断面図である。 固体撮像装置１１の等価回路と半導体パターンを示す図である。 焦点検出用信号の読み出し動作を説明するタイミングチャートである。 入射角度の設定例を示す図である。 固体撮像装置１１ａの断面図である。

符号の説明

３…垂直転送回路，４…水平転送回路，５…相関二重サンプリング回路，１１…固体撮像装置，１１ａ…固体撮像装置，３１…撮像用画素，３２…光電変換域，３３…マイクロレンズ，３４…光電変換域，３６…光学素子，３６ａ…液晶素子，３７…焦点検出用画素

Claims (7)

1. 撮像面に複数設けられ、画素単位に光電変換して、画像信号を生成する撮像用画素と、
   前記撮像用画素の群の中に設けられた焦点検出用画素とを備え、
   前記焦点検出用画素は、
   受光光束から特定の入射角度の光を選別する光学素子と、
   前記光学素子で選別された光を光電変換して焦点検出用信号を生成する光電変換域とを備えた
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記光学素子は、
   前記特定の入射角度の選別範囲外から侵入する光を遮る光学部材である
   ことを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記光学素子は、
   光を吸収する黒色フィルタと、
   前記黒色フィルタを貫いて前記特定の入射角度の向きに光を通す光路とを備えた
   ことを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記光学素子は、液晶を備えて、前記液晶の配向制御によって前記特定の入射角度の光を選択的に通過させる
   ことを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像装置において、
   前記光学素子の選別する入射角度が異なる前記焦点検出用画素を組にして瞳分割を行い、
   前記瞳分割の方向に沿って前記焦点検出用画素の組を複数配置した
   ことを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項５に記載の固体撮像装置において、
   前記焦点検出用画素の一組は、異なる入射角度の設定を、前記受光光束の中心線に対して略対称にする
   ことを特徴とする固体撮像装置。
7. 請求項５または請求項６に記載の固体撮像装置において、
   前記瞳分割の方向が異なる前記焦点検出用画素の組を複数備える
   ことを特徴とする固体撮像装置。
   

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