JP2007158597A - 焦点検出用信号の生成機能を有する固体撮像装置、および電子カメラ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の固体撮像装置は、マイクロレンズ、色フィルタ、および光電変換域を備える。マイクロレンズは、撮像面の画素単位に配置される。色フィルタは、所定の最小色配列の配色繰り返しに従って、画素単位に配置される。光電変換域は、画素単位に配置されており、マイクロレンズおよび色フィルタを透過した光を光電変換することで、画素信号を生成する。上述の構成において、少なくとも一部の光電変換域は、マイクロレンズの通過光束の中心軸に対して所定の瞳分割方向に偏って配置される。この光電変化域の偏りは、近接する最小色配列の同色画素間において、対称関係をなすことを特徴とする。
【選択図】 図2
Description
また、本発明は、その固体撮像装置を搭載した電子カメラに関する。
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が知られている。特許文献1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。
そこで、本発明は、カラー画像を撮像する固体撮像装置において、良質な焦点検出用信号と、良質なカラー画像信号を生成する技術を提供することを目的とする。
マイクロレンズは、撮像面の画素単位に配置される。
色フィルタは、所定の最小色配列の繰り返しで、画素単位に配置される。
光電変換域は、画素単位に配置されており、マイクロレンズおよび色フィルタを透過した光を光電変換することで、画素信号を生成する。
上述の構成において、少なくとも一部の光電変換域は、マイクロレンズの通過光束の中心軸に対して所定の瞳分割方向に偏って配置される。
この光電変換域の偏りは、近接する最小色配列の同色画素間において、対称関係をなすことを特徴とする。
《2》 なお好ましくは、最小色配列は、縦2画素×横2画素のベイヤ配列である。
《3》 本発明の電子カメラは、固体撮像装置、焦点演算部、および画像処理部とを備える。この固体撮像装置は、上記《1》または上記《2》の固体撮像装置である。
焦点演算部は、この固体撮像装置から、偏って配置されている光電変換域の画素信号を読み出し、同色かつ対称関係にある画素信号の位相差に基づいて焦点検出を行う。
一方、画像処理部は、この固体撮像装置から、光電変換域の画素信号を読み出し、同色かつ対称関係にある画素信号を均等に参照して欠落色情報を補間する機能を有する。
本発明者は、この点に鑑みて、画素区画内の光電変換域を偏らせることで、1つの画素区画から瞳分割信号の片方を得るようにした。この構成では、複数の画素区画を組み合わせて、一組の瞳分割信号を得る。その結果、画素区画内の光電変換域のスペースを大きく確保して、焦点検出用信号の信号レベルやダイナミックレンジを大きくできる。このような本発明の固体撮像装置により、焦点検出精度の高いカメラシステムを構築することが可能になる。
[電子カメラの構成説明]
図1は、本実施形態の電子カメラ10を示すブロック図である。
図1において、電子カメラ10には、撮影レンズ12が装着される。この撮影レンズ12は、レンズ制御部12aによってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ12の像空間には、固体撮像装置11の撮像面が配置される。この固体撮像装置11は、撮像制御部14によって駆動される。固体撮像装置11から出力される画像データは、信号処理部15、およびA/D変換部16を介して処理された後、メモリ17に一時蓄積される。
このメモリ17は、バス18に接続される。このバス18には、レンズ制御部12a、撮像制御部14、マイクロプロセッサ19、焦点演算部20、記録部22、画像圧縮部24および画像処理部25なども接続される。
上記のマイクロプロセッサ19には、レリーズ釦などの操作部19aが接続される。また、上記の記録部22には、記録媒体22aが着脱自在に装着される。
図2は、固体撮像装置11の画素構成を説明する図である。図3は、固体撮像装置11のGR行の画素断面を示す図である。なお、GB行の画素断面は、図3と同様であるため、図示を省略している。
以下、図2および図3を参照しながら、固体撮像装置11の構成を説明する。まず、固体撮像装置11の撮像面には、単位画素31の画素区画が複数設けられる。この単位画素31には、マイクロレンズ32がそれぞれ設けられる。このマイクロレンズ32の下層には、色フィルタ33を介して、光電変換域34が設けられる。
一方、光電変換域34は、マイクロレンズ32の通過光束の中心軸に対して片側にずらすことで偏向配置される。この配置により、光電変換域34は、マイクロレンズ32の通過光束の一部(瞳分割光束)を光電変換する。
なお、瞳分割方向の直交方向に近接する最小色配列C1,C3の同色画素間においても、偏向方向が対称関係をなすことが更に好ましい。
図4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などの周辺回路、および画素部から概略構成される。
以下、この画素部の構成について説明する。画素部には、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。
図5は、焦点検出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および図5を参照しながら、この読み出す動作を説明する。
まず、垂直転送回路3は、電子カメラ10側から指示される焦点検出エリアに該当する画素行(ここではn行目)について、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。
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。なお、n行目のリセットトランジスタQRの導通状態は更に期間T2だけ維持される。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。
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。
この状態で、水平転送回路4は、焦点検出エリアに該当する画素列の制御信号φH1,φH2・・を順次駆動し、真の信号電圧をVoutから順次に読み出す。
また、このような読み出し動作では、行方向に並ぶ光電変換域34において、光電変換の期間を一致させることができる。そのため、時間差なく瞳分割を行うことが可能となり、動体被写体であっても瞳分割像の一致度が損なわれない。その結果、正確かつ確実な焦点検出が可能になる。
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。
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、マイクロレンズ32の通過光束は、撮影レンズ12の射出瞳を出た略コーン状の光束である。マイクロレンズ32は、この通過光束を集光することにより、射出瞳の実像を形成する。マイクロレンズ32は、この像形成によって、射出瞳の半分から入射する光束(図3に示す実線の光束)を実像の片側へ集め、射出瞳のもう半分から入射する光束(図3に示す点線の光束)を実像のもう片側へ集める。この射出瞳の実像の像面近傍には、光電変換域34が偏向配置される。この配置により、光電変換域34は、射出瞳の片側を通過した光束(瞳分割光束)を光電変換する。
焦点演算部20では、この焦点検出信号を、光電変換域34の偏向方向に応じて分配することにより、一組の分割像パターンを求める。焦点演算部20は、この分割像を瞳分割方向にずらしてパターンマッチングを行うことで、分割像の位相差(像ズレ)を検出する。この位相差に基づいて撮影レンズ12の合焦状況やデフォーカス量を検出することができる。
なお、瞳分割方向に並ぶ最小色配列C1,C2間で位相差を検出すれば、被写体の斜めエッジなどに影響されずに正確に焦点検出を行うことが可能になる。
さらに、瞳分割方向に直交して並ぶ最小色配列C1,C3間で位相差を検出すれば、瞳分割方向の近接距離がほぼゼロとなるので、高精度に焦点検出(特に合焦判定)を行うことが可能になる。
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、単位画素31ごとに繰り返すことによって可能となる。この場合、画像処理部25は、偏りが対称な同色同士の画素出力を参照して色補間を実施することにより、偏りの少ない良質なカラー画像信号を生成することが可能になる。
以上説明したように、第1実施形態では、同色同士を組にした焦点検出信号を生成することが可能になる。そのため、分割像の位相差検出が容易かつ正確になる。
また、第1実施形態では、近接する同色画素を対称に偏向配置するため、偏りの少ない良質な色補間を実施できる。
次に、別の実施形態について説明する。
図7は、ベイヤ配列の固体撮像装置11aの画素構成を示す図である。なお、その他のカメラ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。
図7に示すように、最小色配列C1,C2は、縦2画素×横2画素の画素ブロックによって構成される。この最小色配列C1では、Gr画素(GR行のG)およびGb画素(GB行のG)が図面右方向に偏り、R画素およびB画素が図面左方向に偏る。一方、最小色配列C1に近接する最小色配列C2,C3では、Gr画素(GR行のG)およびGb画素(GB行のG)が図面左方向に偏り、R画素およびB画素が図面右方向に偏る。
第2実施形態も、最小色配列C1,C2間および最小色配列C1,C3間において、同色画素の偏りが対称関係を成す。そのため、第2実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
図8は、補色配列の固体撮像装置11bの画素構成を示す図である。なお、その他のカメラ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。
図8に示すように、最小色配列C1,C2,C3は、縦2画素×横2画素の画素ブロックによって構成される。この最小色配列C1では、G画素およびCy画素が図面右方向に偏り、Mg画素およびYe画素が図面左方向に偏る。一方、最小色配列C2,C3では、G画素およびCy画素が図面左方向に偏り、Mg画素およびYe画素が図面右方向に偏る。
第3実施形態も、最小色配列C1,C2間および最小色配列C1,C3間において、同色画素の偏りは対称関係を成す。そのため、第3実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
図9は、ストライプ配列の固体撮像装置11cの画素構成を示す図である。なお、その他のカメラ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。
図9に示すように、最小色配列C1,C2,C3は、3画素×1画素の画素ブロックによって構成される。この最小色配列C1では、G画素が図面右方向に偏り、R画素およびB画素が図面左方向に偏る。一方、最小色配列C2,C3では、G画素が図面左方向に偏り、R画素およびB画素が図面右方向に偏る。
第4実施形態も、最小色配列C1,C2間および最小色配列C1,C3間において、同色画素の偏りは対称関係を成す。そのため、第4実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、上述した実施形態では、上述したような瞳分割を図面横向きに行うケースを説明した。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。撮像面上の光電変換域34には、瞳分割方向を縦/横/斜めなどに変えた複数のバリエーションが存在してもよい。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/斜め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。
Claims (3)
- 撮像面の画素単位に配置されたマイクロレンズと、
所定の最小色配列の繰り返しで、前記画素単位に配置された色フィルタと、
前記画素単位に配置され、前記マイクロレンズおよび前記色フィルタを透過した光を光電変換して画素信号を生成する光電変換域とを備え、
少なくとも一部の前記光電変換域は、前記マイクロレンズの通過光束の中心軸に対して所定の瞳分割方向に偏って配置され、
近接する前記最小色配列の同色画素間において、前記光電変換域の偏りは対称関係をなす
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項1に記載の固体撮像装置において、
前記最小色配列は、縦2画素×横2画素のベイヤ配列であり、
近接する前記縦2画素×横2画素の画素ブロック間において、前記光電変換域の偏りは対称関係をなす
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項1または請求項2に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から、偏って配置された前記光電変換域の画素信号を読み出し、同色かつ対称関係にある画素信号の位相差に基づいて焦点検出を行う焦点演算部と、
前記固体撮像装置から、前記光電変換域の画素信号を読み出し、同色かつ対称関係にある画素信号を均等に参照して欠落色情報を補間する画像処理部と
を備えたことを特徴とする電子カメラ。
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