JP2007158692A - 固体撮像素子及びこれを用いた電子カメラ - Google Patents

Abstract

【課題】
単位画素内の画像用の光電変換部を焦点検出用に分割して使用する従来技術は、単位画素中心部に入射する光が受光されないために、画像用の信号が弱くなり、固体撮像素子の感度が低くなってしまうという課題があった。
【解決手段】
本発明の固体撮像素子は、焦点制御手段を有する電子カメラに使用され、被写体からの光を電気信号に変換する画像用光電変換部を有する複数の単位画素がマトリクス状に配置された固体撮像素子において、前記複数の単位画素の少なくとも一部の単位画素に、被写体からの光を電気信号に変換する第２の光電変換部を設け、前記第２の光電変換部は、前記電子カメラの前記焦点制御手段に、焦点検出用の電気信号を出力することを特徴とする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、焦点検出が可能な固体撮像素子及びこれを用いた電子カメラに関する。

近年、ＣＣＤ（Ｃharge Ｃoupld Ｄevice)型やＣＭＯＳ（Ｃomplementary Ｍetal Ｏxide Ｓemiconductor)型（或いは増幅型と呼ばれる）などの固体撮像素子を用いたビデオカメラや電子カメラが広く一般に普及している。固体撮像素子は複数の単位画素が二次元アレイ状に配置され、単位画素は受ける光を電気信号に変換する光電変換部や光電変換部の電気信号を読み取るための信号線などで構成されている。また、光電変換部の光が入射する側にマイクロレンズが形成されると共に、カラー画像を得るために、マトリクス状に配置された単位画素毎に、ＲＧＢ（赤緑青）などのカラーフィルタが設けられている。

一方、一般的なカメラシステムは、自動的にカメラレンズの焦点を合わせる機能を有しており、焦点検出するための専用の焦点検出素子が使用されているが、専用素子を設けることは、カメラのコスト低減や小型化の障害となるため、固体撮像素子で焦点検出を行う瞳分割位相差方式などが提案されている。
例えば、特許文献１，２および３において、瞳分割位相差方式に関する技術が開示されており、２つの光電変換部をペアとして焦点位置を検出するものである。特に、特許文献１においては、画像用の信号と焦点検出用の信号とを時分割で出力するようになっている。また、特許文献２においては、焦点検出用の信号を同時に出力するようになっている。さらに、特許文献３においては、焦点検出の際に２つの画素がペアになるように、光学要素アレイを固体撮像素子の前面に挿入する技術が開示されている。
特開２００２−３１４０６２号公報 特開２００３−２４４７１２号公報 特開２００４−１９１８９３号公報

しかしながら、従来の技術では、下記のような課題があった。特許文献１または２に記載されている構成では、瞳分割するために、フォトダイオードが単位画素を中心として２分割されているので、単位画素の中心部がちょうど分割部分に当たってしまい、この部分の光は受光されない。また、分割されたフォトダイオードから、その分割された信号を加算して、本来の画像信号に戻す場合に、単位画素中心部に入射する光が受光されないために、画像信号自体が小さくなり、結果として、固体撮像素子の感度が低くなってしまう。

また、特許文献１に記載されているような全ての単位画素で画像用の信号と焦点検出用の信号を形成する構成のものは、単位画素にカラーフィルタが配置されているため、そのカラーフィルタの光の吸収によって、焦点検出用の信号出力が小さくなってしまうという課題もある。この課題を解決するために、特許文献２に記載されているように、焦点検出用の画素のカラーフィルタを削除すれば、信号の出力は上がるが、カラーフィルタが無いので、その部分の単位画素を画像信号として使用できなくなり、画素欠陥となって、画質が劣化する。特許文献３に記載されている構成では、画質の劣化は生じないが、挿入する光学部品と光電変換部との光軸がずれた場合、焦点検出の精度が悪化する恐れがある。さらに、焦点検出の高速化にも課題がある。

上記に鑑み、本発明の目的は、画像用の信号出力の損失が少なく、感度の高い焦点検出用の専用画素を構成し、画質の劣化なく、精度の高い高速な焦点検出が可能な固体撮像素子及びこれを用いた電子カメラを提供することである。

本発明の固体撮像素子は、焦点制御手段を有する電子カメラに使用され、被写体からの光を電気信号に変換する画像用光電変換部を有する複数の単位画素がマトリクス状に配置された固体撮像素子において、前記複数の単位画素の少なくとも一部の単位画素に、被写体からの光を電気信号に変換する第２の光電変換部を設け、前記第２の光電変換部は、前記電子カメラの前記焦点制御手段に、焦点検出用の電気信号を出力することを特徴とする。

特に、前記第２の光電変換部を第３の光電変換部と第４の光電変換部とに分けて構成し、前記第３の光電変換部と前記第４の光電変換部とを、前記画像用光電変換部と同一の単位画素内に、前記画像用光電変換部を中心とした対称的な位置に配置し、前記第３の光電変換部と前記第４の光電変換部とは、前記電子カメラの前記焦点制御手段に、前記第３の光電変換部と前記第４の光電変換部とをペアとする焦点検出用の電気信号を出力することを特徴とする。

或いは、前記第３の光電変換部を第１の単位画素内の前記画像用光電変換部を中心とした周辺位置に配置し、前記第４の光電変換部を第１の単位画素とは異なる第２の単位画素内の前記画像用光電変換部を中心とした周辺位置に配置し、前記第３の光電変換部と前記第４の光電変換部とは、前記電子カメラの前記焦点制御手段に、前記第３の光電変換部と前記第４の光電変換部とをペアとする焦点検出用の電気信号を出力することを特徴とする。

特に、前記第１の単位画素内の前記第３の光電変換部と、前記第２の単位画素内の前記第４の光電変換部とを、第１の単位画素と第２の単位画素との間に挟まれた１つ以上の単位画素を中心に対称的な位置に配置したことを特徴とする。
また、前記対称的な位置が、前記固体撮像素子の撮像面に対して左右方向あるいは上下方向あるいは４５度斜め方向の少なくとも１つの方向に対して対称的な位置であることを特徴とする。

特に、前記固体撮像素子の撮像面上で焦点検出を行う瞳分割方向に第３の光電変換部と第４の光電変換部とを配置したことを特徴とする。
また、前記画像用光電変換部の上にはカラーフィルタを設け、前記第２の光電変換部の上にはカラーフィルタを設けないことを特徴とする。
さらに、前記画像用光電変換部から電気信号を読み出すための第１の駆動回路と、前記第２の光電変換部から電気信号を読み出すための第２の駆動回路とを設け、前記第１の駆動回路と前記第２の駆動回路とは、独立して動作することを特徴とする。

また、本発明の電子カメラは、カメラレンズと、前記カメラレンズを介して入射する被写体からの光を電気信号に変換する画像用光電変換部を有する複数の単位画素がマトリクス状に配置された固体撮像素子と、前記画像用光電変換部から電気信号を読み出すための第１の駆動回路と、前記カメラレンズの焦点を焦点検出用の電気信号に従って制御する焦点制御手段とを少なくとも有する電子カメラにおいて、前記複数の単位画素の少なくとも一部の単位画素に、被写体からの光を電気信号に変換する第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部から電気信号を読み出すための第２の駆動回路とを設け、前記第２の駆動回路は、前記第２の光電変換部から読み出した電気信号を前記焦点制御手段に出力し、前記焦点検出手段は、前記第２の駆動回路が出力する焦点検出用の電気信号に従って、前記カメラレンズの焦点を制御することを特徴とする。

本発明によれば、焦点検出用の光電変換部は、単位画素の中央部に配置された画像用の光電変換部の周辺部に配置されるので、画像用の信号出力の損失が少なく、固体撮像素子の感度を高くすることができる。さらに、焦点検出用の信号だけを読み出せるので、高速に焦点検出を行うことが可能となる。

以下、本発明による固体撮像素子および電子カメラの実施形態について説明するが、最初に本発明の電子カメラ全体について、図１を用いて説明する。図１は電子カメラのブロック図で、１０１は電子カメラ、１０２はカメラレンズ、１０３はハーフミラー、１０４はファインダ用プリズム、１０５はファインダ、１０６は固体撮像素子、１０７はＪＰＥＧ（Ｊoint Ｐhotographic Ｅxperts Ｇroupの略で画像圧縮方式の一つ）などの画像圧縮を行う画像処理部、１０８はカメラシステム制御部、１０９は記憶部、１１０はメモリカード、１１１はシャッターボタンやフラッシュ設定などの操作を行う操作パネル、１１２は撮影中の画像や撮影済みの画像を表示する液晶表示部、１１３は焦点検出部、１１４はレンズ制御部をそれぞれ示している。尚、本電子カメラ１０１は、ＡＦ（Ａuto Ｆocus）用の専用モジュールを搭載せずに、固体撮像素子１０６からの信号によって焦点検出を行う電子カメラである。また、固体撮像素子１０６は、増幅型固体撮像素子の１つであるＣＭＯＳ型の固体撮像素子を用いている。ＣＭＯＳ型の固体撮像素子の特徴は、任意の単位画素の信号を読み出すことができ、焦点検出を行う視野内の特定の単位画素の信号を読み出せるので高速化が可能である。

図１において、被写体からの光はカメラレンズ１０２を介してハーフミラー１０３に入り、一部はファインダ用プリズム１０４へ反射され、透過した光は固体撮像素子１０６に結像される。固体撮像素子１０６上に結像された光は電気信号に変換されて画像信号として画像処理部１０７に出力される。画像処理部１０７は色補正や画像圧縮など適切な画像処理を行ってカメラシステム制御部１０８に画像信号を出力する。カメラシステム制御部１０８は受け取った画像信号を記憶部１０９に出力し、一時的に画像信号を記憶すると共に、必要に応じてメモリカード１１０に画像信号を保存する。また、カメラシステム制御部１０８は、操作パネル１１１の操作に従って、記憶部１０９に一時的に記憶された画像信号を読み出して、液晶表示部１１２に画像を表示する。ここで、カメラシステム制御部１０８はソフトウェアによってプログラムされ、電子カメラ１０１全体の制御を行うようになっている。尚、ハーフミラー１０３は半透過型のミラーではなく、高級カメラなどで使われているような、撮影時にミラーを跳ね上げる方式のものでも構わない。

一方、焦点検出部１１３は固体撮像素子１０６から焦点検出用の信号を読み出して、焦点位置を検出し、カメラシステム制御部１０８に出力する。カメラシステム制御部１０８は焦点検出部１１３から受け取った焦点位置にカメラレンズ１０２を駆動し、焦点を合わせるようレンズ制御部１１４に指示する。カメラレンズ１０２が焦点位置に来ると、固体撮像素子１０６に結像された画像信号が画像処理部１０７によって読み出され、カメラシステム制御部１０８は記憶部１０９に画像信号を記録すると共に、液晶表示部１１２に撮影した画像を表示する。

次に、電子カメラ１０１に搭載される固体撮像素子１０６の第１の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図２は、４×４画素に簡略化して描いた固体撮像素子１０６の回路図で、６０１は画像用フォトダイオード、６０２は画像用転送トランジスタ、６０３は増幅用トランジスタ、６０４は行選択用トランジスタ、６０５はリセット用トランジスタ、６０６は焦点検出用フォトダイオード、６０７は焦点検出用転送トランジスタ、６１０は水平走査回路、６１１は垂直走査回路、６１２は１行１列目の単位画素、６１３および６１４は単位画素６１２と同じ回路構成で３行１列目および４行１列目の単位画素、６１５は２行１列目の単位画素、６１６は相関二重サンプリング回路をそれぞれ示している。また、１列目の各単位画素６１２，６１５，６１３、６１４は、２列目および４列目にも同じように構成されている。

また、図２において、φで始まる信号名は駆動信号を表し、駆動信号のφＲ₁，φＲ₂，φＲ₃およびφＲ₄は、それぞれ順番に１行目，２行目，３行目および４行目のリセット用の駆動信号を示している。同様に、駆動信号のφＳ₁，φＳ₂，φＳ₃およびφＳ₄は、それぞれ順番に１行目，２行目，３行目および４行目の信号を垂直信号線に読み出す時の選択用の駆動信号を示し、駆動信号のφＴＧ₁，φＴＧ₂₁，φＴＧ₃およびφＴＧ₄は、それぞれ順番に１行目，２行目，３行目および４行目の各列の画像用フォトダイオードの電荷を各増幅用トランジスタに転送するための転送用の駆動信号を示している。また、２行目の駆動信号φＴＧ₂₂は、２行目の各列の焦点検出用フォトダイオードの電荷を各増幅用トランジスタに転送するための転送用の駆動信号を示している。φＣは相関二重サンプリング回路６１６にリセットノイズ電圧をクランプする駆動信号、φＲＨは水平読み出し線リセット用の駆動信号、φＲＶは垂直信号線リセット用の駆動信号、φＨ₁，φＨ₂，φＨ₃およびφＨ₄は、それぞれ１列目，２列目，３列目および４列目の水平読み出し用の駆動信号をそれぞれ示している。尚、ＶＲＥＳはリセット電圧、ＶＣＳは電流源に加えられる電源、ＶＤＤは各単位画素に供給される電源電圧をそれぞれ示している。

ここで、単位画素６１５は、単位画素６１２，６１３および６１４と回路構成が異なり、画像用フォトダイオード６０１と画像用転送トランジスタ６０２の他に、焦点検出用フォトダイオード６０６と焦点検出用フォトダイオード６０６の電荷を転送する焦点検出用転送トランジスタ６０７がさらに設けられている。また、２列目，３列目および４列目の構成は１列目と同じように配置されており、２行目は全て単位画素６１５と同じ回路構成になっている。また、画像用フォトダイオードおよび焦点検出用フォトダイオードのいずれも、フローティングディフュージョン（ＦＤ）部、増幅用トランジスタ、リセット用トランジスタ、行選択用トランジスタを有しており、これらの構成により、行選択用トランジスタがオンすると各垂直信号線にソースフォロワ読み出しが可能となっている。

次に、理解を容易にするために、図２に示したＣＭＯＳ型の固体撮像素子１０６の回路動作の概略を説明する。先ず、画像信号を撮影して読み出す場合の回路動作について説明する。図２において、単位画素６１２，６１３，６１４および焦点検出用の単位画素６１５も、画像用フォトダイオード６０１に蓄積された電荷を読み出すよう垂直走査回路６１１および水平走査回路６１０は動作する。例えば、単位画素６１２において、画像用フォトダイオード６０１に蓄積された電荷は、垂直走査回路６１１の駆動信号φＴＧ₁が画像用転送トランジスタ６０２のゲートに入力されると、蓄積された電荷はＦＤ部に転送され、増幅用トランジスタ６０３のゲートに出力される。次に、垂直走査回路６１１の駆動信号φＳ₁が行選択用トランジスタ６０４のゲートに入力されると、増幅用トランジスタ６０３によって増幅された電気信号は、定電流源ＰＳ₁に接続されている垂直走査線にソースフォロワ読み出しされ、列アンプＡ₁で増幅されて相関二重サンプリング回路６１６に入る。

尚、読み出された後の不要となった電荷は、リセット用トランジスタ６０５がオンすることによって除去され、ＦＤ部は電源電圧にリセットされる。また、同じ行方向の各リセット用トランジスタのゲートは共通の駆動信号φＲ₁で駆動され、同様に、同じ行方向の各転送用トランジスタのゲートは駆動信号φＴＧ₁で、行選択用トランジスタのゲートは駆動信号φＳ₁で、それぞれ一緒に駆動される。さらに、焦点検出用単位画素がある２行目の各焦点検出用転送トランジスタのゲートはφＴＧ₂₂で、２行目の各画像用転送トランジスタのゲートはφＴＧ₂₁でそれぞれ駆動される。

また、相関二重サンプリング回路６１６は、周知のノイズ低減用の回路で、駆動信号φＣによって、リセット時のノイズ電圧をクランプしておき、画像用の信号を出力する際に差分を取って、ノイズ成分の少ない画像信号を出力するように動作する。ノイズ低減された画像信号又は焦点検出信号は、１列目の場合、水平走査回路６１０の駆動信号φＨ₁によって読み出され、２列目はφＨ₂，３列目はφＨ₃，４列目はφＨ₄によってそれぞれ読み出され、出力アンプＰＡを介してＶＳ_out端子から出力される。尚、図２において、φＲＨやφＲＶおよびφＣなどの駆動信号を出力する制御回路は省略してある。

次に、図２に示した回路図の動作を、図３および図４に示したタイミングチャートを用いて説明する。図３は画像用信号を読み出す時のタイミングを示した図で、図４は焦点検出用信号を読み出す時のタイミングを示した図である。尚、図３および図４において、図２と同じ名前の駆動信号は同じものを示している。
先ず、図３において、画像信号を読み出す場合のタイミングチャートについて説明する。ｔ₁₁の期間に１行目のリセット用トランジスタ６０５と転送用トランジスタ６０２とがオンされ、画像用フォトダイオード６０１に蓄積された電荷がリセットされる。その後、ｔ₁₂，ｔ₁₃およびｔ₁₄の期間で、転送用トランジスタ６０２はオフされ、画像用フォトダイオード６０１で露光が開始され、電荷が蓄積されていく。また、この期間、増幅用トランジスタ６０３のゲート及びＦＤ部が駆動信号φＲ１によってリセットされ、それに対応するダークレベル、つまりリセットノイズが保持される。尚、図３のｔａ_lは露光期間を示している。

一方、ｔ₁₂からｔ₁₆の期間で、行選択用トランジスタ６０４が駆動信号φＳ₁によってオンされ、上記ダークレベルが相関二重サンプリング回路６１６に蓄積される。露光期間ｔａ₁の終了時のｔ₁₅の期間で、転送用トランジスタ６０２が駆動信号φＴＧ₁によってオンされ、画像用フォトダイオード６０１に蓄積された光信号電荷がＦＤ部および増幅用トランジスタ６０３のゲートに転送される。これによって、ダークレベルと光信号電荷とが重畳された電気信号が相関二重サンプリング回路６１６に読み出され、先にクランプしておいたダークレベルを差し引いた光信号に対応する信号が水平信号線に出力される。同様の動作を選択された行の全ての列に対して行い、同じ行の全ての列の光信号を出力端子ＶＳ_outに出力した後、次の行の読み出しを同じように繰り返し、全ての行を読み出して、１フレームの画像信号が出力される。尚、ｔ₂₁，ｔ₂₂，ｔ₂₃，ｔ₂₄，ｔ₂₅，ｔ₂₆およびｔ₂₇は、２列目の単位画素６１５に対応したものである。１列目の単位画素６１２の駆動信号φＲ₁をφＲ₂に、φＳ₁をφＳ₂に、φＴＧ₁をφＴＧ₂₁に置き換えて、ｔ₁₁，ｔ₁₂，ｔ₁₃，ｔ₁₄，ｔ₁₅，ｔ₁₆およびｔ₁₇と同様のタイミングで動作する。３列目および４列目に関しても同様である。尚、このように画像信号を出力する場合は、φＴＧ₂₂はいつも非選択の信号である。

次に、焦点検出用信号を読み出す場合のタイミングチャートについて説明する。図２の２行目の単位画素６１５において、ｔ₁₁の期間にリセット用トランジスタ６０５と焦点検出用転送トランジスタ６０７とがオンされ、焦点検出用フォトダイオード６０６に蓄積された電荷がリセットされる。その後、ｔ₁₂，ｔ₁₃およびｔ₁₄の期間で、焦点検出用転送トランジスタ６０５はオフされ、焦点検出用フォトダイオード６０６で露光が開始され、電荷が蓄積されていく。また、この期間、増幅用トランジスタ６０３のゲート及びＦＤ部が駆動信号φＲ₂によってリセットされ、それに対応するダークレベル、つまりリセットノイズが保持される。尚、図４のｔａ_lは露光期間を示している。

一方、ｔ₁₂からｔ₁₆の期間で、行選択用トランジスタ６０４が駆動信号φＳ₂によってオンされ、上記ダークレベルが相関二重サンプリング回路６１６に蓄積される。露光期間ｔａ₁の終了時のｔ₁₅の期間で、焦点検出用転送トランジスタ６０７が駆動信号φＴＧ₂₂によってオンされ、焦点検出用フォトダイオード６０６に蓄積された焦点検出用の光信号電荷がＦＤ部および増幅用トランジスタ６０３のゲートに転送される。これによって、ダークレベルと光信号電荷とが重畳された電気信号が相関二重サンプリング回路６１６に読み出され、先にクランプしておいたダークレベルを差し引いた光信号に対応する信号が水平信号線に出力される。同様の動作を焦点検出用のフォトダイオードを有する行の全ての列に対して行い、同じ行の全ての列の光信号を出力端子ＶＳ_outに出力する。ここで、複数の行に焦点検出用のフォトダイオードを有する単位画素がある場合は、必要な行の読み出しを同様に繰り返し、これらの信号を基に、図１の焦点検出部１１３は、瞳分割方式による焦点検出処理を行う。

以上の動作により、本実施形態の固体撮像素子は、焦点検出用フォトダイオードのみの電荷を電気信号として読み出すことができるので、焦点検出に関係のない単位画素の電気信号を読み出す必要が無く、ＡＦ処理の高速化が可能になる。尚、本実施形態では、ＡＦ専用の単位画素の信号だけを部分読出しする場合について示しているが、全画素を順次読出し、後処理にてＡＦ専用の単位画素の出力を取り出して、その出力データからＡＦ処理を行うようにしても構わない。このような方法によれば、ＣＣＤ型の固体撮像素子においても本発明の技術は利用できるが、ランダムアクセスが可能なＣＭＯＳ型センサではＡＦ画素の部分読み出しによる高速化が可能であるため、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子の方がより好ましい。

ここで、本実施形態による瞳分割方式の原理を説明する。図５（ａ）は第１の実施形態による固体撮像素子１０６の断面図で、図５（ｂ）は後で説明する第４の実施形態による固体撮像素子１０６の断面図である。図５（ａ）において、２０１および２０２はそれぞれ隣接する単位画素のマイクロレンズである。２０３はマイクロレンズ直下の平坦化膜および層間膜、２０４は半導体基板、２０５および２０６は半導体基板２０４の上に形成された画像用フォトダイオード、２０７および２０８は半導体基板２０４の上に形成された焦点検出用フォトダイオード、２０９は図１のカメラレンズ１０２から入射する光線をそれぞれ示している。ここで、光線２０９において、実線は垂直入射光線で、点線および一点鎖線は、それぞれある特定の瞳部分より入射する光線を示している。具体的には、実線で示す光線は、カメラレンズ系の光軸を中心として入射する光線で、画像用フォトダイオード２０５の上の点２１２、および画像用フォトダイオード２０６の上の点２１３にそれぞれ集光される。一方、点線で示す光線は、カメラレンズ系の光軸を中心として紙面左側のレンズの瞳部分より入射する光線で、画像用フォトダイオード２０６の右側にある焦点検出用フォトダイオード２０８の上の点２１５に集光される。また、一点鎖線で示す光線は、カメラレンズ系の光軸を中心として紙面右側のレンズの瞳部分より入射する光線で、画像用フォトダイオード２０５の左側にある焦点検出用フォトダイオード２０７の上の点２１４に集光される。

従って、焦点がずれた場合には像ずれが生じるので、焦点検出用フォトダイオード２０７と２０８との出力が一致しない。合焦時は像ずれが生じないので、焦点検出用フォトダイオード２０７と２０８との出力が一致する。このように、焦点検出用フォトダイオード２０７と２０８の出力を比較することにより、像ずれ量を検出することができ、デフォーカス量の検出が可能となる。

図５（ａ）の構成の固体撮像素子１０６の平面図を図６に示す。図６において、３０１は単位画素、３０２はマイクロレンズ、３０３は画像用フォトダイオード、３０４，３０５，３０６および３０７は焦点検出用フォトダイオードをそれぞれ示している。焦点検出用フォトダイオード３０４および３０６は、図５（ａ）の焦点検出用フォトダイオード２０７に相当し、焦点検出用フォトダイオード３０５および３０７は、図５（ａ）の焦点検出用フォトダイオード２０８に相当する。また、焦点検出用フォトダイオード３０４と３０５とがペアになって、瞳分割方式における一対の焦点検出用単位画素を形成する。同様に、焦点検出用フォトダイオード３０６と３０７とがペアになっている。尚、図６の例は、１行分の単位画素に焦点検出用フォトダイオードが配置されているが、複数行であっても構わないし、隣接する単位画素でなくても、瞳分割方向であれば、複数画素跳んでいても構わない。

ここで、瞳分割方向について、図７を用いて簡単に説明する。図７は、固体撮像素子１０６の中のいくつかのブロックに焦点検出用フォトダイオードを有する単位画素が配置された図で、例えば、水平方向に焦点検出用の単位画素が配置された点線円９５１および９５２の部分を拡大すると、焦点検出用の単位画素９５７，９５８および９５９などが横一列にライン状に並んだ矢印９５３の方向が瞳分割方向になる。また、垂直方向に焦点検出用の単位画素が配置された点線円９５４および９５５の部分を拡大すると、焦点検出用の単位画素９６０，９６１および９６２などが縦一列にライン状に並んだ矢印９５６の方向が瞳分割方向になる。

第１の実施形態では、瞳分割による焦点検出を行う視野部分の単位画素を図２の単位画素６１５のような構成しておけばよく、図２で説明したように、焦点検出時は単位画素６１５の信号だけ読み出せばよいので、高速化が可能になる。さらに、画像信号として重要な単位画素の中央部分には画像用フォトダイオードを配置し、周辺部分に焦点検出用フォトダイオードを配置しているので、画像信号の受光量に与える影響を少なくしながら、焦点検出用の信号を取り出すことが可能になる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図８を用いて説明する。図８は第１の実施形態の図６の焦点検出用フォトダイオード３０４，３０５，３０６および３０７が、図８の焦点検出用フォトダイオード７０１，７０２，７０３および７０４のように、垂直方向（列方向）に配置された実施形態を示している。つまり、図７で説明したように、瞳分割方向が垂直方向の場合である。図８の単位画素７０７においては、焦点検出用フォトダイオード７０１は画像用フォトダイオード７０５の上側に配置されているのに対して、単位画素７０８においては、焦点検出用フォトダイオード７０２は画像用フォトダイオード７０６の下側に配置されている。つまり、単位画素７０７とそれに隣接する単位画素７０８とにおいて、画像用フォトダイオード７０５と画像用フォトダイオード７０６とを垂直に結ぶ線を中心として垂直方向に対称的な位置に、焦点検出用フォトダイオード７０１と焦点検出用フォトダイオード７０２とがペアになって配置されており、この位置に瞳分割を行うことによって、焦点検出を行うことが可能になる。同様に、焦点検出用フォトダイオード７０３と焦点検出用フォトダイオード７０４とがペアになって、瞳分割による焦点検出を行う。

尚、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、１つの単位画素には１つの画像用フォトダイオードと１つの焦点検出用フォトダイオードがある構成は変わらないので、図２の回路図の単位画素６１５と同じ回路構成で単位画素を形成することができる。但し、特定の１列に単位画素６１５と同じ回路構成の単位画素が配置されることになる。また、読み出しタイミングについては、第１の実施形態の図４と同様の動作を、焦点検出用単位画素を有する各行毎に繰り返すことによって実現することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図９を用いて説明する。図９は第１の実施形態の図６の焦点検出用フォトダイオード３０４，３０５，３０６および３０７が、図９の焦点検出用フォトダイオード８０１，８０２，８０３および８０４のように、画像用フォトダイオード８０５および８０６の対角位置に配置された実施形態を示している。これは、瞳分割方向が斜め方向の場合である。図９の単位画素８０７においては、焦点検出用フォトダイオード８０１は画像用フォトダイオード８０５の紙面斜め右上に配置されているのに対して、単位画素８０８においては、焦点検出用フォトダイオード８０２は画像用フォトダイオード８０６の紙面斜め左下に配置されている。つまり、単位画素８０７とそれに斜め方向に隣接する単位画素８０８とにおいて、焦点検出用フォトダイオード８０１および８０２は、画像用フォトダイオード８０５および８０６を結ぶ中点において、瞳分割方向に垂直な線に対して対称となる位置に配置されており、この位置に瞳分割を行うことによって、焦点検出を行うことが可能になる。同様に、焦点検出用フォトダイオード８０３と焦点検出用フォトダイオード８０４とがペアになって、瞳分割による焦点検出を行う。尚、焦点検出用フォトダイオード８０２および８０３がペアになって、瞳分割を行うようにしても構わない。

尚、第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、１つの単位画素には１つの画像用フォトダイオードと１つの焦点検出用フォトダイオードがある構成は変わらないので、図２の回路図の単位画素６１５と同じ回路構成で単位画素を形成することができる。但し、１列毎に異なる行に単位画素６１５と同じ回路構成の単位画素が配置されることになる。また、読み出しタイミングについては、第１の実施形態の図４と同様の動作を、焦点検出用単位画素を有する各行毎に繰り返すことによって実現することができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について、図５（ｂ）および図１０を用いて説明する。図５（ｂ）において、２０１乃至２０５および２０９は、第１の実施形態の図５（ａ）と同じで、２１０および２１１は半導体基板２０４の上に形成された焦点検出用フォトダイオードである。第１の実施形態と異なるのは、１つの単位画素に２つの焦点検出用フォトダイオード２１０および２１１が形成されていることである。図５（ｂ）の実線で示す光線は、カメラレンズ系の光軸を中心として入射する光線で、画像用フォトダイオード２０５の上にある点２１６に集光される。一方、点線で示す光線は、カメラレンズ系の光軸を中心として紙面左側のレンズの瞳部分より入射する光線で、画像用フォトダイオード２０５の右側にある焦点検出用フォトダイオード２１１の上の点２１８に集光される。また、一点鎖線で示す光線は、カメラレンズ系の光軸を中心として紙面右側のレンズの瞳部分より入射する光線で、画像用フォトダイオード２０５の左側にある焦点検出用フォトダイオード２１０の上の点２１７に集光される。

図１０は、図５（ｂ）に示した断面図の固体撮像素子の平面図で、３０１，３０２および３０３は第１の実施形態と同じである。４０１乃至４０８は焦点検出用フォトダイオードをそれぞれ示している。焦点検出用フォトダイオード４０１，４０３，４０５および４０７は、図５（ｂ）の焦点検出用フォトダイオード２１０に相当し、焦点検出用フォトダイオード４０２，４０４，４０６および４０８は、図５（ｂ）の焦点検出用フォトダイオード２１１に相当する。また、焦点検出用フォトダイオード４０１と４０２，４０３と４０４，４０５と４０６および４０７と４０８とがそれぞれペアになって、瞳分割方式における一対の焦点検出用単位画素を形成する。

尚、図１０の例は、１行分の単位画素に焦点検出用フォトダイオードが配置されているが、複数行であっても構わない。また、本実施形態のように１つの単位画素に２つの焦点検出用フォトダイオードを設けてペアとすることにより、１つの単位画素だけで瞳分割された焦点検出用の画像情報を得ることができ、第１の実施形態に比べて、焦点検出の解像度を約２倍に向上させることができる。

次に、このような瞳分割による焦点検出を行う単位画素の回路構成を図１１（ａ）を用いて説明する。図１１（ａ）は、１つの単位画素に１つの画像用フォトダイオードと２つの焦点検出用フォトダイオードを有する単位画素６５３の回路図で、第１の実施形態の単位画素６１５に対して焦点検出用フォトダイオード６５１と焦点検出用転送トランジスタ６５２とが追加されている。例えば、図１０の焦点検出用フォトダイオード４０１が図１１（ａ）の回路図の焦点検出用フォトダイオード６０６に相当し、図１０の焦点検出用フォトダイオード４０２が図１１（ａ）の回路図の焦点検出用フォトダイオード６５１に相当する。動作に関しても、第１の実施形態で説明したのと同様に、焦点検出時は単位画素６５３の焦点検出用フォトダイオード６０６および６５１の信号だけを読み出せばよい。さらに、図１０に示すように、画像信号として重要な単位画素の中央部分に画像用フォトダイオード３０３を配置し、周辺部分に焦点検出用フォトダイオード４０１および４０２を配置しているので、画像信号の受光量に与える影響を少なくしながら、焦点検出用の信号を取り出すことが可能になる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について、図１２を用いて説明する。第５の実施形態は、第４の実施形態の応用例で、第４の実施形態が水平方向（行方向）に焦点検出用のフォトダイオードを有する単位画素を配置したのに対して、垂直方向（列方向）にも焦点検出用のフォトダイオードを有する単位画素を配置したものである。図１２において、５０１は垂直方向に焦点検出用のフォトダイオードを有する単位画素、５０５は垂直方向と水平方向とに焦点検出用のフォトダイオードを有する単位画素、５０２，５０６は画像用フォトダイオード、５０３，５０４、５０７，５０８，５０９および５１０は焦点検出用フォトダイオードをそれぞれ示している。また、画像用フォトダイオード５０２を中心として対称位置にある焦点検出用フォトダイオード５０３と５０４とがペアになって、瞳分割方式における一対の焦点検出用単位画素を形成する。同様に、画像用フォトダイオード５０６を中心として垂直方向に対称位置にある焦点検出用フォトダイオード５０９と５１０とがペアになって、画像用フォトダイオード５０６を中心として水平方向に対称位置にある焦点検出用フォトダイオード５０７と５０８とがペアになって、それぞれのペアが瞳分割方式における一対の焦点検出用単位画素を形成する。

尚、水平方向に焦点検出用のフォトダイオードを有する単位画素の動作や回路構成は、第４の実施形態と同様で、図１０と同符号のものは同じものを示す。また、垂直方向に焦点検出用のフォトダイオードを有する単位画素５０１の動作および回路構成は、水平方向に焦点検出用のフォトダイオードを有する単位画素３０１と基本的には同じで、例えば、図１２の焦点検出用フォトダイオード５０３が図１１（ａ）の回路図の焦点検出用フォトダイオード６０６に相当し、図１２の焦点検出用フォトダイオード５０４が図１１（ａ）の回路図の焦点検出用フォトダイオード６５１に相当する。

次に、水平方向と垂直方向の両方に焦点検出用のフォトダイオードを有する単位画素５０５の回路図を図１１（ｂ）を用いて説明する。図１１（ｂ）は、１つの単位画素に１つの画像用フォトダイオードと４つの焦点検出用フォトダイオードを有する単位画素６５８の回路図で、第４の実施形態の単位画素６５３に対して焦点検出用フォトダイオード６５４および６５６と焦点検出用転送トランジスタ６５５および６５７とが追加されている。例えば、図１２の焦点検出用フォトダイオード５０７が図１１（ｂ）の回路図の焦点検出用フォトダイオード６０６に相当し、図１２の焦点検出用フォトダイオード５０８が図１１（ｂ）の回路図の焦点検出用フォトダイオード６５１に相当し、図１２の焦点検出用フォトダイオード５０９が図１１（ｂ）の回路図の焦点検出用フォトダイオード６５４に相当し、図１２の焦点検出用フォトダイオード５１０が図１１（ｂ）の回路図の焦点検出用フォトダイオード６５６に相当する。焦点検出時の動作に関しても、第４の実施形態で説明したのと同様に、例えば単位画素６５８の場合、画像用フォトダイオード６０１の信号は読み出さずに、焦点検出用フォトダイオード６０６，６５１，６５４および６５６の信号だけを読み出せばよい。水平方向および垂直方向のみに焦点検出用フォトダイオードを有する単位画素３０１や５０１はそれぞれ２つの焦点検出用フォトダイオードの信号を読み出すだけでよい。さらに、第１の実施形態および第４の実施形態と同様に、図１２において、画像信号として重要な単位画素の中央部分に画像用フォトダイオード３０３，５０２および５０６を配置し、それぞれの周辺部分に焦点検出用フォトダイオード４０１と４０２，５０３と５０４，および５０７乃至５１０を配置しているので、画像信号の受光量に与える影響を少なくしながら、焦点検出用の信号を取り出すことが可能になる。

（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について、図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は先に説明した図６，図１０，図１２,図８および図９と同様の図を組み合わせて構成した固体撮像素子１０６の平面図で、固体撮像素子１０６の撮像面全体に、太線円で示したように、水平方向，垂直方向および４５度の斜め方向に瞳分割可能な焦点検出用フォトダイオードを有する単位画素を配置している。また、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の太線円で示した焦点検出用フォトダイオードを有する単位画素のブロックを分かり易く書いたもので、例えば、固体撮像素子１０６の中央付近では、水平方向９０２と垂直方向９０１のブロックの焦点検出用フォトダイオードを有する単位画素が互いに直交するように配置されている。また、固体撮像素子１０６の水平方向の両端付近では、垂直方向９０５および９０６のブロックの焦点検出用フォトダイオードを有する単位画素が、固体撮像素子１０６の垂直方向の両端付近では、水平方向９０３および９０４のブロックの焦点検出用フォトダイオードを有する単位画素が、それぞれライン状に配置されている。さらに、固体撮像素子１０６の四隅付近では、斜め方向９０７，９０８，９０９および９１０のブロックの焦点検出用フォトダイオードを有する単位画素が、斜め方向にライン状に配置されている。このように、瞳分割位相差方式で焦点検出が可能な複数の単位画素からなるブロックが、固体撮像素子１０６の中の９ヶ所に配置された構成になっている。尚、図１３（ａ）において、各単位画素の焦点検出用フォトダイオードは、他の実施形態で示したように、１つでなくても２つ又はそれ以上配置した構造でも構わない。

以上、説明したように、本実施例では、焦点検出用フォトダイオードを画像用フォトダイオードの周辺部に配置するので、画像用フォトダイオードは常に中央部に集光された光を受光でき、撮影画像の光量が不十分になったり、画素欠陥などの課題も解決することができる。しかも、水平方向，垂直方向および斜め方向など、あらゆる方向の瞳分割が可能な焦点検出用フォトダイオードを有する単位画素を混載した構造にできるので、特に、高級デジタルー眼レフカメラなど、多様なＡＦが要求される用途に適している。また、焦点検出用のフォトダイオードを有する単位画素のみの信号を読み出せばよいので、高速化が可能になる。

（第７の実施形態）
次に、第７の実施形態について、図１４を用いて説明する。図１４は、全単位画素に４つの焦点検出用フォトダイオードを配置した例を示しており、例えば、単位画素７５６において、画像用フォトダイオード７５５の周囲に焦点検出用フォトダイオード７５１，７５２，７５３および７５４が配置されている。また、画像用フォトダイオード７５５を中心として垂直方向に焦点検出用フォトダイオード７５１と７５２とがペアになって、瞳分割方式における一対の焦点検出用単位画素を形成する。同様に、焦点検出用フォトダイオード７５３と７５４とが水平方向のペアを形成する。

また、回路構成は、第５の実施形態で説明した図１１（ｂ）と同じである。図１４のように全単位画素に焦点検出用フォトダイオードを水平方向、垂直方向に４つずつ配置しておくことによって、固体撮像素子１０６上の任意の場所でＡＦ処理を行うことができる。これは、特に、各単位画素のフォトダイオードにランダムアクセス可能なＣＭＯＳ型の固体撮像素子に好適な構成であり、画像信号の読み出し方法を、例えば、デコーダ方式（焦点検出を行う単位画素のブロックを予め何パターンか決めておき、これを選択する方式）で、任意の場所を選択してＡＦ処理を行うことが可能になる。例えば、図１の電子カメラ１０１の操作パネル１１１によって、液晶表示部１１２に表示されている撮影画像の中の任意の場所を指定すると、カメラシステム制御部１０８は指定された部分で焦点検出を行うよう焦点検出部１１３に指令し、焦点検出部１１３は指定場所で合焦位置を検出する。焦点検出部１１３が合焦位置をカメラシステム制御部１０８に出力し、カメラシステム制御部１０８はレンズ制御部１１４にカメラレンズ１０２を合焦位置へ駆動するよう指令し、合焦後、本撮像を行うことができる。

さらに、本実施形態では、任意の場所でのＡＦを行う際に、瞳分割の方向も水平方向または垂直方向のいずれかを選択可能で、多様なＡＦに対応することができる。
また、焦点検出用フォトダイオードは、入射された光を焦点検出のためだけに利用するので、例えば、焦点検出用フォトダイオードの直上のカラーフィルタのみ除去しておくことにより、入射光量が増え、焦点検出用の信号も増大するので、低輝度時の焦点検出感度を向上させることが可能になる。尚、焦点検出用フォトダイオードの直上のカラーフィルタのみ除去する方法は、固体撮像素子など、通常の半導体素子の製造に使用されているフォトリソグラフィの技術によって可能である。

また、各実施形態において、分かり易いように、４×４画素の固体撮像素子をベースに説明したが、１６００×１０００画素などの場合でも、焦点検出用フォトダイオードのペアを固体撮像素子の全体または一部に設けることによって、同様に実現可能である。特に、焦点検出用フォトダイオードのペアを形成する単位画素をライン状に配列することにより、各方向の画像パターンの瞳分割位相差情報を得ることができ、デフォーカス量の検出が可能となる。

さらに、各実施形態において、画像用フォトダイオードと焦点検出用フォトダイオードとして説明してきたが、焦点検出用フォトダイオードを第２の画像用フォトダイオードとして考えることもでき、例えば、ＡＥ（自動露出）用や高ＤＲ（ダイナミックレンジ）用として使用すれば、高輝度用途や高感度用途の２つのモードを使い分けることが可能となり、撮影状況によってＤＲを上げることなどが可能となる。また、本発明の固体撮像素子及びこれを用いた電子カメラでは、固体撮像素子上に焦点検出用フォトダイオードを設けているので、一般に使用されている専用のＡＦセンサを省くことができる。しかも、画像用フォトダイオードと同じ単位画素の位置に焦点検出用フォトダイオードを設けているので、専用のＡＦセンサで問題となっている２次結像光学系と撮像光学系との光学系のずれによる光学的な誤差を排除でき、ずれが生じないという効果もある。

本発明の第１の実施形態による電子カメラのブロック図である。 本発明の第１の実施形態による固体撮像素子の回路図である。 本発明の第１の実施形態による固体撮像素子の画像信号用タイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態による固体撮像素子の焦点検出信号用タイミングチャートである。 本発明の第１および第４の実施形態による瞳分割の原理図である。 本発明の第１の実施形態による固体撮像素子の画素領域の平面図である。 瞳分割方向の説明図である。 本発明の第２の実施形態による固体撮像素子の画素領域の平面図である。 本発明の第３の実施形態による固体撮像素子の画素領域の平面図である。 本発明の第４の実施形態による固体撮像素子の画素領域の平面図である。 本発明の第４および第５の実施形態による固体撮像素子の画素の回路図である。 本発明の第５の実施形態による固体撮像素子の画素領域の平面図である。 本発明の第６の実施形態による固体撮像素子の画素領域の平面図である。 本発明の第７の実施形態による固体撮像素子の画素領域の平面図である。

符号の説明

１０１・・・電子カメラ １０２・・・カメラレンズ
１０６・・・固体撮像素子 １０８・・・カメラシステム制御部
１１３・・・焦点検出部 １１４・・・レンズ制御部
３０１・・・単位画素 ３０２・・・マイクロレンズ
３０３，６０１・・・画像用フォトダイオード
３０４，６０６・・・焦点検出用フォトダイオード
６０２・・・画像用転送トランジスタ ６０５・・・焦点検出用転送トランジスタ
６１１・・・垂直走査回路 ６１２・・・水平走査回路

Claims (9)

1. 被写体からの光を電気信号に変換する画像用光電変換部を有する複数の単位画素がマトリクス状に配置された固体撮像素子において、
   前記複数の単位画素の少なくとも一部の単位画素に、被写体からの光を電気信号に変換する第２の光電変換部をさらに設け、
   前記第２の光電変換部は、焦点検出用の電気信号を出力することを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子において、
   前記第２の光電変換部を第３の光電変換部と第４の光電変換部とに分けて構成し、
   前記第３の光電変換部と前記第４の光電変換部とを、前記画像用光電変換部と同一の単位画素内に、前記画像用光電変換部を中心とした対称的な位置に配置し、
   前記第３の光電変換部と前記第４の光電変換部とは、前記電子カメラの前記焦点制御手段に、前記第３の光電変換部と前記第４の光電変換部とをペアとする焦点検出用の電気信号を出力することを特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項１記載の固体撮像素子において、
   前記第３の光電変換部を第１の単位画素内の前記画像用光電変換部を中心とした周辺位置に配置し、
   前記第４の光電変換部を第１の単位画素とは異なる第２の単位画素内の前記画像用光電変換部を中心とした周辺位置に配置し、
   前記第３の光電変換部と前記第４の光電変換部とは、前記電子カメラの前記焦点制御手段に、前記第３の光電変換部と前記第４の光電変換部とをペアとする焦点検出用の電気信号を出力することを特徴とする固体撮像素子。
4. 請求項３記載の固体撮像素子において、
   前記第１の単位画素内の前記第３の光電変換部と、前記第２の単位画素内の前記第４の光電変換部とを、第１の単位画素と第２の単位画素との間に挟まれた１つ以上の単位画素を中心に対称的な位置に配置したことを特徴とする固体撮像素子。
5. 請求項２または４に記載の固体撮像素子において、
   前記対称的な位置が、前記固体撮像素子の撮像面に対して左右方向あるいは上下方向あるいは４５度斜め方向の少なくとも１つの方向に対して対称的な位置であることを特徴とする固体撮像素子。
6. 請求項２または３に記載の固体撮像素子において、
   前記固体撮像素子の撮像面上で焦点検出を行う瞳分割方向に第３の光電変換部と第４の光電変換部とを配置したことを特徴とする固体撮像素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
   前記画像用光電変換部の上にはカラーフィルタを設け、
   前記第２の光電変換部の上にはカラーフィルタを設けないことを特徴とする固体撮像素子。
8. 請求項１記載の固体撮像素子において、
   前記画像用光電変換部から電気信号を読み出すための第１の駆動回路と、
   前記第２の光電変換部から電気信号を読み出すための第２の駆動回路と
   を設け、
   前記第１の駆動回路と前記第２の駆動回路とは、独立して動作することを特徴とする固体撮像素子。
9. カメラレンズと、
   前記カメラレンズを介して入射する被写体からの光を電気信号に変換する画像用光電変換部を有する複数の単位画素がマトリクス状に配置された固体撮像素子と、
   前記画像用光電変換部から電気信号を読み出すための第１の駆動回路と、
   前記カメラレンズの焦点を焦点検出用の電気信号に従って制御する焦点制御手段と
   を少なくとも有する電子カメラにおいて、
   前記複数の単位画素の少なくとも一部の単位画素に、被写体からの光を電気信号に変換する第２の光電変換部と、
   前記第２の光電変換部から電気信号を読み出すための第２の駆動回路と
   を設け、
   前記第２の駆動回路は、前記第２の光電変換部から読み出した電気信号を前記焦点制御手段に出力し、
   前記焦点検出手段は、前記第２の駆動回路が出力する焦点検出用の電気信号に従って、前記カメラレンズの焦点を制御することを特徴とする電子カメラ。
   

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