JP2012058522A - Focus detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、焦点検出装置に関する。 The present invention relates to a focus detection apparatus.
通常の電子カメラは被写体像に対する焦点位置を検出するための焦点検出機能を有する。このような焦点検出機能の1つとして、瞳分割方式による焦点検出方法が知られており、撮影用画素の一部に対となる焦点検出用画素を埋め込んだ撮像素子が開発されている(例えば、特許文献1参照)。 A normal electronic camera has a focus detection function for detecting a focus position with respect to a subject image. As one of such focus detection functions, a focus detection method based on a pupil division method is known, and an image sensor in which a pair of focus detection pixels are embedded in a part of shooting pixels has been developed (for example, , See Patent Document 1).
ところが、瞳分割方式に対応する焦点検出画素は、光電変換部の半分を遮光するために焦点検出信号のSN比が悪くなり、焦点検出精度が劣化するという問題が生じる。 However, the focus detection pixel corresponding to the pupil division method shields half of the photoelectric conversion unit, so that the SN ratio of the focus detection signal is deteriorated and the focus detection accuracy is deteriorated.
本発明の目的は、焦点検出精度を向上することができる焦点検出装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a focus detection device capable of improving focus detection accuracy.
本発明に係る焦点検出装置は、瞳分割された第1光束を入射して第1焦点検出信号を出力する第1焦点検出用画素と、前記第1光束と対を為す第2光束を入射して第2焦点検出信号を出力する第2焦点検出用画素とを有する焦点検出装置において、前記第1焦点検出用画素および前記第2焦点検出用画素は、入射光量に応じた電子および正孔を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部で蓄積された電子量に応じた電気信号を読み出す電子読み出し部と、前記光電変換部で蓄積された正孔量に応じた電気信号を読み出す正孔読み出し部とを有することを特徴とする。 The focus detection apparatus according to the present invention receives a first focus detection pixel that outputs a first focus detection signal by entering a pupil-divided first light beam, and a second light beam that forms a pair with the first light beam. And a second focus detection pixel that outputs a second focus detection signal and the first focus detection pixel and the second focus detection pixel emit electrons and holes according to the amount of incident light. A photoelectric conversion unit that accumulates, an electronic readout unit that reads out an electrical signal corresponding to the amount of electrons accumulated in the photoelectric conversion unit, and a hole readout that reads out an electrical signal corresponding to the amount of holes accumulated in the photoelectric conversion unit Part.
本発明に係る焦点検出装置は、焦点検出の精度を向上することができる。 The focus detection apparatus according to the present invention can improve the accuracy of focus detection.
以下、本発明に係る焦点検出装置の実施形態について図面を用いて詳しく説明する。尚、本実施形態では、本発明に係る焦点検出装置を含む撮像素子101を例に挙げて説明する。
[撮像素子101の構成例]
図1は、撮像素子101の構成例を示す図である。尚、図1の例では、撮像素子101は行列状に配置された4行4列の16個の画素を有するが、実際に電子カメラなどで使用される撮像素子は500万画素程度を有する。
Hereinafter, embodiments of a focus detection apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present embodiment, the
[Configuration Example of Image Sensor 101]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of the
ここで、本実施形態に係る撮像素子101は、被写体画像を撮像するための撮像用画素と瞳分割方式による焦点検出を行うための焦点検出用画素とを有する。例えば図1において、1行目の画素Px(1,1)から画素Px(1,4)、3行目の画素Px(3,1)から画素Px(3,4)および4行目の画素Px(4,1)から画素Px(4,4)は、撮像用画素である。また、2行目において、1列目の画素Px(2,1)と4列目の画素Px(2,4)も撮像用画素であるが、2列目の画素FPx(2,2)と3列目の画素FPx(2,3)は焦点検出用画素である。尚、以降の説明において、撮像用の画素全てに共通の場合は撮像用画素Pxと称し、同様に焦点検出用の画素全てに共通の場合は焦点検出用画素FPxと称するものとする。
Here, the
一般に、瞳分割方式(位相差検出方式とも呼ばれる)による焦点検出方法では、左開口用の焦点検出画素と右開口用の焦点検出画素のそれぞれ対応した出力から像ズレ量を検出して焦点位置を求める。ここで、実際には像ズレ量を求めるために、対となる焦点検出用画素が直線状に複数組配置されるが、図1ではわかり易いように一対の左開口用の焦点検出用画素FPx(2,2)と右開口用の焦点検出用画素FPx(2,3)だけを示してある。例えば図2の場合は、6行目の画素Px(6,4)からPx(6,19)までに複数組の対となる焦点検出用画素が配置され、奇数列と偶数列とで一対となる焦点検出用画素を構成している。この場合、例えば偶数列が左開口用の焦点検出用画素、奇数列が右開口用の焦点検出用画素となる。 In general, in a focus detection method using a pupil division method (also called a phase difference detection method), an image shift amount is detected from an output corresponding to each of a focus detection pixel for a left aperture and a focus detection pixel for a right aperture to determine a focus position. Ask. Here, in order to obtain the image shift amount, a plurality of pairs of focus detection pixels are actually arranged in a straight line, but in FIG. 1, a pair of focus detection pixels FPx ( 2, 2) and only the focus detection pixel FPx (2, 3) for the right opening are shown. For example, in the case of FIG. 2, a plurality of pairs of focus detection pixels are arranged from the pixels Px (6,4) to Px (6,19) in the sixth row, and a pair of odd columns and even columns is paired. This constitutes a focus detection pixel. In this case, for example, even-numbered columns are left-opening focus detection pixels, and odd-numbered columns are right-opening focus detection pixels.
図1において、撮像素子101は、垂直走査回路102と、水平出力回路103と、出力アンプ104とを有する。そして、撮像用画素Pxから読み出された電気信号は、列毎に配置された垂直信号線VLs(1)からVLs(4)を介して水平出力回路103に出力される。また、垂直信号線VLs(1)からVLs(4)には、負電源Vssに接続された電流源Pws(1)からPws(4)がそれぞれ配置されている。ここで、撮像用画素Pxから読み出される電気信号は負の信号である(負のシングルエンド信号)。
In FIG. 1, the
一方、焦点検出用画素FPxから読み出される電気信号は正負の差動信号である。そして、焦点検出用画素FPxから読み出された負の電気信号は、焦点検出用画素FPxがある列に配置された垂直信号線VLs(2),VLs(3)を介してそれぞれ水平出力回路103に出力される。また、焦点検出用画素FPxから読み出された正の電気信号は、焦点検出用画素FPxがある列に配置された垂直信号線VLd(2),VLd(3)を介してそれぞれ水平出力回路103に出力される。尚、垂直信号線VLd(2),VLd(3)には、正電源Vddに接続された電流源Pwd(2),Pwd(3)がそれぞれ配置されている。
On the other hand, the electrical signal read from the focus detection pixel FPx is a positive / negative differential signal. Then, the negative electrical signal read from the focus detection pixel FPx is output to the
ここで、以降の説明において、電流源Pws(1)からPws(4)に共通する場合は電流源Pwsと称し、垂直信号線VLs(1)からVLs(4)に共通する場合は垂直信号線VLsと称するものとする。同様に、電流源Pwd(2),Pwd(3)および垂直信号線VLd(2),VLd(3)に共通する場合はそれぞれ電流源Pwdおよび垂直信号線VLdと称するものとする。 Here, in the following description, the current source Pws (1) to Pws (4) common to the current sources Pws (4) is referred to as the current source Pws, and the vertical signal line VLs (1) to VLs (4) common to the vertical signal lines. It shall be called VLs. Similarly, when common to the current sources Pwd (2), Pwd (3) and the vertical signal lines VLd (2), VLd (3), they are referred to as the current source Pwd and the vertical signal line VLd, respectively.
垂直走査回路102は、各撮像用画素Pxおよび各焦点検出用画素FPxから行毎にそれぞれの垂直信号線VLs(1)からVLs(4)およびVLd(2),VLd(3)に読み出すためのタイミング信号(φRn,φSELn,φRp,φSELp)を行毎に順番に出力する。尚、タイミング信号の機能については各画素の回路構成を後で説明する際に詳しく述べる。
The
水平出力回路103は、各撮像用画素Pxおよび各焦点検出用画素FPxから行毎に読み出された各列(各画素)の信号を一時的に保持した後、列順(画素単位)で読み出して出力アンプ104を介して撮像素子104の外部に出力する。ここで、水平出力回路103は、撮像用画素Pxから読み出されるシングルエンド信号と、焦点検出用画素FPxから読み出される差動信号とを独立して撮像素子101の外部に出力するようにしても構わないし、シングルエンド信号を差動信号に変換したり差動信号をシングルエンド信号に変換する回路を水平出力回路103に設けて撮像素子103の外部に出力するようにしても構わない。尚、出力アンプは出力形態に応じてシングルエンドアンプや差動アンプを用いるものとする。
The
このようにして、撮像素子101は、複数の撮像用画素の配列の一部に一対の焦点検出用画素FPxが配置され、撮像用画素Pxで光電変換された信号はシングルエンド信号で、焦点検出用画素FPxで光電変換された信号は差動信号で、それぞれ水平出力回路103に読み出され、出力アンプ104を介して外部に出力される。
In this manner, the
尚、上記の説明では、焦点検出用画素FPxで光電変換された信号を差動信号として水平出力回路103に読み出すようにしたが、各焦点検出用画素FPxでシングルエンド信号に変換して水平出力回路103に読み出すようにしてもよい。或いは、撮像用画素Pxで光電変換された信号をシングルエンド信号ではなく差動信号の片側の負信号として共通化して水平出力回路103に読み出すようにしてもよい。
[撮像用画素Pxの回路例]
図3に撮像用画素Pxの回路例を示す。撮像用画素Pxは、フォトダイオードPDと、NMOS型トランジスタSFn,RnおよびSELnとで構成される。
In the above description, the signal photoelectrically converted by the focus detection pixel FPx is read as a differential signal to the
[Circuit Example of Imaging Pixel Px]
FIG. 3 shows a circuit example of the imaging pixel Px. The imaging pixel Px includes a photodiode PD and NMOS transistors SFn, Rn, and SELn.
フォトダイオードPDは、入射する光量に応じた電子を蓄積する。ここで、一般的なフォトダイオードでは、入射する光子(フォトン)によって電子(エレクトロン)または正孔(ホール)が発生し、半導体回路のポテンシャルウェル領域に電子または正孔を蓄積する。そして、電子または正孔のどちらかを読み出して画素出力として利用している。ここでは、撮像用画素PxのフォトダイオードPDは電子を蓄積して、蓄積した電子量に応じた電気信号(電子なので負の信号)を出力する。 The photodiode PD accumulates electrons according to the amount of incident light. Here, in a general photodiode, electrons (electrons) or holes (holes) are generated by incident photons (photons), and the electrons or holes are accumulated in the potential well region of the semiconductor circuit. Then, either electrons or holes are read out and used as a pixel output. Here, the photodiode PD of the imaging pixel Px accumulates electrons and outputs an electrical signal corresponding to the accumulated amount of electrons (because it is an electron, a negative signal).
NMOS型トランジスタRnは、垂直走査回路102からタイミング信号ΦRnが与えられると、フォトダイオードPDに蓄積された電子をリセットする。
The NMOS transistor Rn resets electrons accumulated in the photodiode PD when the timing signal ΦRn is given from the
NMOS型トランジスタSFnは、NMOS型トランジスタSELnを介して電流源Pwsとソースホロワ回路を構成し、フォトダイオードPDに蓄積された電子量に応じた電気信号に変換する。 The NMOS transistor SFn constitutes a current source Pws and a source follower circuit via the NMOS transistor SELn, and converts it into an electrical signal corresponding to the amount of electrons accumulated in the photodiode PD.
NMOS型トランジスタSELnは、垂直走査回路102からタイミング信号ΦSELnが与えられると、NMOS型トランジスタSFnが変換した電気信号を画素Pxの出力OUT(−)として読み出す。
When the timing signal ΦSELn is given from the
次に、撮像用画素Pxの回路レイアウト例を図4に示す。図4は撮像用画素Pxを光の入射方向から見た平面図である。尚、図4において図3と同符号のものは同じものを示す。撮像用画素Pxでは、フォトダイオードPDに蓄積された電子を読み出して電気信号に変換するための読み出し回路が画素面積の下方に配置され、上方にできるだけ大きい面積が得られるようにフォトダイオードPDが配置されている。 Next, FIG. 4 shows a circuit layout example of the imaging pixel Px. FIG. 4 is a plan view of the imaging pixel Px as viewed from the light incident direction. In FIG. 4, the same reference numerals as those in FIG. In the imaging pixel Px, a readout circuit for reading out electrons stored in the photodiode PD and converting them into an electric signal is arranged below the pixel area, and the photodiode PD is arranged above the pixel area so as to obtain as large an area as possible. Has been.
このように、撮像用画素Pxは、入射光に応じて蓄積した電子量を電気信号に変換して画像用信号として各画素から垂直信号線VLsに読み出される。 As described above, the imaging pixel Px converts the amount of electrons accumulated in accordance with incident light into an electrical signal, and is read out from each pixel to the vertical signal line VLs as an image signal.
ここで、撮像素子101を搭載した電子カメラで被写体画像を撮像する場合のタイミングについて図5を用いて説明する。図5は、図3および図4の撮像用画素Pxで露光を行って出力OUT(−)に電気信号を出力する際のタイミングを示した図である。尚、実際には図3の回路でNMOS型トランジスタSELnが導通状態になった時だけ出力OUT(−)に現れるが、図5ではわかり易いようにNMOS型トランジスタSELnが非導通状態の期間でも出力OUT(−)の信号レベルが変化するものとして描いてある。また、タイミングT1からT4までが1回の撮影期間であり、プレビュー表示や動画撮影などでは同様の周期が繰り返し行われる。
Here, the timing when the subject image is captured by the electronic camera equipped with the
以下、図5のタイミングに従って順番に説明する。 Hereinafter, description will be made in order according to the timing of FIG.
(タイミングT1)垂直走査回路102のタイミング信号ΦRnがLowレベルからHighレベルになると、NMOS型トランジスタRnが導通状態になり、フォトダイオードPDに蓄積された電子がリセットされる。
(Timing T1) When the timing signal ΦRn of the
(タイミングT2)垂直走査回路102のタイミング信号ΦRnがHighレベルからLowレベルになると、NMOS型トランジスタRnが非導通状態になり、露光が開始される。ここで、シャッタは電子シャッタで行われるものとし、撮像素子101の各画素には常に被写体からの光が入射している。そして、タイミングT3にかけてフォトダイオードPDには電子が蓄積されるので出力OUT(−)は負の方向に下がっていく。
(Timing T2) When the timing signal ΦRn of the
(タイミングT3)シャッタ速度に応じて所定時間の露光を行った後、垂直走査回路102のタイミング信号ΦSELnがLowレベルからHighレベルになると、NMOS型トランジスタSELnが導通状態になり、フォトダイオードPDの電子量に応じてNMOS型トランジスタSFnが変換した電気信号が画素Pxの出力OUT(−)から各垂直信号線VLsに読み出される。
(Timing T3) After the exposure for a predetermined time according to the shutter speed, when the timing signal ΦSELn of the
(タイミングT4)垂直走査回路102のタイミング信号ΦSELnがHighレベルからLowレベルになると、NMOS型トランジスタSELnが非導通状態になり、フォトダイオードPDの電子量に応じた電気信号の読み出しが終了する。同時に、次の撮影期間が開始され、タイミングT1と同様に、垂直走査回路102のタイミング信号ΦRnがLowレベルからHighレベルになり、フォトダイオードPDに蓄積された電子がリセットされる。
(Timing T4) When the timing signal ΦSELn of the
このようにして、撮像用画素Pxでは、被写体画像の撮影を行うことができる。
[焦点検出用画素FPxの回路例]
図6に焦点検出用画素FPxの回路例を示す。焦点検出用画素FPxは、フォトダイオードPDfと、NMOS型トランジスタSFn,RnおよびSELnと、PMOS型トランジスタSFp,RpおよびSELpとで構成される。尚、NMOS型トランジスタSFn,RnおよびSELnは撮像用画素Pxと同じ回路構成なので同じ符号を用いている。
In this way, the subject image can be taken with the imaging pixel Px.
[Circuit Example of Focus Detection Pixel FPx]
FIG. 6 shows a circuit example of the focus detection pixel FPx. The focus detection pixel FPx includes a photodiode PDf, NMOS transistors SFn, Rn, and SELn, and PMOS transistors SFp, Rp, and SELp. The NMOS transistors SFn, Rn, and SELn have the same circuit configuration as that of the imaging pixel Px, and therefore the same reference numerals are used.
フォトダイオードPDfは、入射する光量に応じた電子および正孔を蓄積する。 The photodiode PDf accumulates electrons and holes according to the amount of incident light.
NMOS型トランジスタRnは、垂直走査回路102からタイミング信号ΦRnが与えられると、フォトダイオードPDfに蓄積された電子をリセットする。
The NMOS transistor Rn resets electrons accumulated in the photodiode PDf when the timing signal ΦRn is given from the
NMOS型トランジスタSFnは、NMOS型トランジスタSELnを介して電流源Pwsとソースホロワ回路を構成し、フォトダイオードPDfに蓄積された電子量に応じた電気信号に変換する。 The NMOS transistor SFn constitutes a current source Pws and a source follower circuit via the NMOS transistor SELn, and converts it into an electrical signal corresponding to the amount of electrons accumulated in the photodiode PDf.
NMOS型トランジスタSELnは、垂直走査回路102からタイミング信号ΦSELnが与えられると、NMOS型トランジスタSFnが変換した電気信号を画素Pxの出力OUT(−)として読み出す。
When the timing signal ΦSELn is given from the
PMOS型トランジスタRpは、垂直走査回路102からタイミング信号ΦRpが与えられると、フォトダイオードPDfに蓄積された正孔をリセットする。
The PMOS transistor Rp resets holes accumulated in the photodiode PDf when the timing signal ΦRp is given from the
PMOS型トランジスタSFpは、PMOS型トランジスタSELpを介して電流源Pwdとソースホロワ回路を構成し、フォトダイオードPDfに蓄積された正孔量に応じた電気信号に変換する。 The PMOS transistor SFp constitutes a current source Pwd and a source follower circuit via the PMOS transistor SELp, and converts it into an electrical signal corresponding to the amount of holes accumulated in the photodiode PDf.
PMOS型トランジスタSELpは、垂直走査回路102からタイミング信号ΦSELpが与えられると、PMOS型トランジスタSFpが変換した電気信号を画素Pxの出力OUT(+)として読み出す。
When the timing signal ΦSELp is given from the
次に、焦点検出用画素FPxの回路レイアウト例を図7に示す。図7は焦点検出用画素FPxを光の入射方向から見た平面図である。尚、図7において図6と同符号のものは同じものを示す。焦点検出用画素FPxでは、フォトダイオードPDfに蓄積された電子を読み出して負の電気信号に変換するための読み出し回路と、フォトダイオードPDfに蓄積された正孔を読み出して正の電気信号に変換するための読み出し回路とが画素面積の右方に配置され、左方にできるだけ大きい面積が得られるようにフォトダイオードPDfが配置されている。尚、図7は左開口の焦点検出用画素FPx(2,2)の回路レイアウト例であり、右開口の焦点検出用画素FPx(2,3)の回路レイアウトは、図7の場合と左右対称になる。 Next, FIG. 7 shows a circuit layout example of the focus detection pixel FPx. FIG. 7 is a plan view of the focus detection pixel FPx as seen from the incident direction of light. In FIG. 7, the same reference numerals as those in FIG. 6 denote the same components. In the focus detection pixel FPx, a readout circuit for reading out the electrons accumulated in the photodiode PDf and converting it into a negative electrical signal, and a hole accumulated in the photodiode PDf are read out and converted into a positive electrical signal. The photodiode PDf is arranged on the right side of the pixel area and the photodiode PDf so as to obtain the largest possible area on the left side. FIG. 7 is an example of a circuit layout of the focus detection pixel FPx (2, 2) in the left opening. The circuit layout of the focus detection pixel FPx (2, 3) in the right opening is symmetrical to that in FIG. become.
このように、焦点検出用画素FPxは、入射光に応じて蓄積した電子量および正孔量を正負の電気信号にそれぞれ変換して差動信号として各焦点検出用画素FPxから垂直信号線VLd,VLsにそれぞれ読み出される。 In this way, the focus detection pixel FPx converts the amount of electrons and holes accumulated according to incident light into positive and negative electrical signals, respectively, and outputs a differential signal from each focus detection pixel FPx to the vertical signal lines VLd, Each is read out to VLs.
ここで、撮像素子101を搭載した電子カメラで被写体の焦点検出を行うために焦点検出用信号を取得する場合のタイミングについて図8を用いて説明する。図8は、図6および図7の焦点検出用画素FPxで露光を行って出力OUT(−)および出力OUT(+)に正負の電気信号をそれぞれ出力する際のタイミングを示した図である。尚、図3の場合と同様に、実際には図6の回路でNMOS型トランジスタSELnが導通状態になった時だけ出力OUT(−)に信号が現れ、PMOS型トランジスタSELpが導通状態になった時だけ出力OUT(+)に信号が現れるが、図8(a)および(b)ではわかり易いようにNMOS型トランジスタSELnおよびPMOS型トランジスタSELpが非導通状態の期間でも出力OUT(−)および出力OUT(+)の信号レベルが変化するものとして描いてある。また、図3の場合と同様に、タイミングT1からT4までが1回の焦点検出信号の取得期間で、焦点検出動作中は同様の周期が繰り返し行われる。
Here, timing when a focus detection signal is acquired in order to perform focus detection of a subject with an electronic camera equipped with the
以下、図8のタイミングに従って順番に説明する。尚、図8(a)および図8(b)はフォトダイオードPDfの電子量を電気信号に変換して読み出す場合、図8(c)および図8(d)はフォトダイオードPDfの正孔量を電気信号に変換して読み出す場合のそれぞれのタイミングチャートと信号の変化を示す図である。 Hereinafter, description will be made in order according to the timing of FIG. 8A and 8B show the case where the amount of electrons of the photodiode PDf is converted into an electric signal for reading, and FIGS. 8C and 8D show the amount of holes of the photodiode PDf. It is a figure which shows each timing chart and signal change at the time of converting into an electrical signal and reading.
(タイミングT1)図8(b)において、垂直走査回路102のタイミング信号ΦRnがLowレベルからHighレベルになると、NMOS型トランジスタRnが導通状態になり、フォトダイオードPDfに蓄積された電子がリセットされる。一方、図8(d)において、垂直走査回路102のタイミング信号ΦRpがHighレベルからLowレベルになると、PMOS型トランジスタRpが導通状態になり、フォトダイオードPDfに蓄積された正孔がリセットされる。
(Timing T1) In FIG. 8B, when the timing signal ΦRn of the
(タイミングT2)垂直走査回路102のタイミング信号ΦRnがHighレベルからLowレベルになると、NMOS型トランジスタRnが非導通状態になり、露光が開始される。一方、垂直走査回路102のタイミング信号ΦRpがLowレベルからHighレベルになると、PMOS型トランジスタRpが非導通状態になり、露光が開始される。
(Timing T2) When the timing signal ΦRn of the
ここで、シャッタは電子シャッタで行われるものとし、撮像素子101の各画素には常に被写体からの光が入射している。そして、タイミングT3にかけてフォトダイオードPDfには電子および正孔が蓄積され、図8(a)示すようにフォトダイオードPDfに蓄積された電子量に応じた信号出力である出力OUT(−)は負の方向に下がっていき、図8(c)示すようにフォトダイオードPDfに蓄積された正孔量に応じた信号出力である出力OUT(+)は正の方向に上がっていく。
Here, it is assumed that the shutter is an electronic shutter, and light from the subject is always incident on each pixel of the
(タイミングT3)シャッタ速度に応じて所定時間の露光を行った後、垂直走査回路102のタイミング信号ΦSELnがLowレベルからHighレベルになると、NMOS型トランジスタSELnが導通状態になり、フォトダイオードPDfの電子量に応じてNMOS型トランジスタSFnが変換した負の電気信号が画素Pxの出力OUT(−)から各垂直信号線VLsに読み出される。一方、垂直走査回路102のタイミング信号ΦSELpがHighレベルからLowレベルになると、PMOS型トランジスタSELpが導通状態になり、フォトダイオードPDfの正孔量に応じてPMOS型トランジスタSFpが変換した正の電気信号が画素Pxの出力OUT(+)から各垂直信号線VLdに読み出される。
(Timing T3) After the exposure for a predetermined time according to the shutter speed, when the timing signal ΦSELn of the
(タイミングT4)垂直走査回路102のタイミング信号ΦSELnがHighレベルからLowレベルになると、NMOS型トランジスタSELnが非導通状態になり、フォトダイオードPDfの電子量に応じた負の電気信号の読み出しが終了する。一方、垂直走査回路102のタイミング信号ΦSELpがLowレベルからHighレベルになると、PMOS型トランジスタSELpが非導通状態になり、フォトダイオードPDfの正孔量に応じた正の電気信号の読み出しが終了する。
(Timing T4) When the timing signal ΦSELn of the
同時に、次の焦点検出信号の取得期間が開始され、タイミングT1と同様に、垂直走査回路102のタイミング信号ΦRnがLowレベルからHighレベルになり、フォトダイオードPDfに蓄積された電子がリセットされる。同時に、垂直走査回路102のタイミング信号ΦRpがHighレベルからLowレベルになり、フォトダイオードPDfに蓄積された正孔がリセットされる。
At the same time, the acquisition period of the next focus detection signal is started, and the timing signal ΦRn of the
このようにして、焦点検出用画素FPxでは、入射光に応じて蓄積した電子量および正孔量を正負の電気信号(出力OUT(+)および出力OUT(−))にそれぞれ変換して各焦点検出用画素FPxから垂直信号線VLd,VLsにそれぞれ読み出される。 In this way, in the focus detection pixel FPx, the amount of electrons and the amount of holes accumulated in accordance with the incident light are converted into positive and negative electrical signals (output OUT (+) and output OUT (−)), respectively. Read out from the detection pixel FPx to the vertical signal lines VLd and VLs, respectively.
ここで、図8(e)は、各焦点検出用画素FPxから読み出された出力OUT(+)および出力OUT(−)を差動信号とした場合の出力OUTdsである。今、出力OUT(−)の振幅をVa、出力OUT(+)の振幅をVbとした場合、差動信号の出力OUTdsは(Va+Vb)となる。一般的には、同じ光量に対してフォトダイオードPDfに蓄積される電子量と正孔量は同じであるとすると、差動信号の出力OUTdsは負の出力OUT(−)の振幅または正の出力OUT(+)の振幅の2倍となる。これにより、焦点検出用画素FPxが出力する焦点検出用信号のSN比が向上する。さらに、差動信号なのでコモンモードノイズを除去することができ、より一層、焦点検出用信号の品質を向上することができる。このようにして得られた焦点検出用信号を用いて焦点位置を検出するので、精度の高い焦点検出を行うことができる。 Here, FIG. 8E shows the output OUTds when the output OUT (+) and the output OUT (−) read from each focus detection pixel FPx are differential signals. If the amplitude of the output OUT (−) is Va and the amplitude of the output OUT (+) is Vb, the differential signal output OUTds is (Va + Vb). In general, assuming that the amount of electrons and the amount of holes accumulated in the photodiode PDf are the same for the same amount of light, the output OUTds of the differential signal is the amplitude of the negative output OUT (−) or the positive output. This is twice the amplitude of OUT (+). Thereby, the SN ratio of the focus detection signal output from the focus detection pixel FPx is improved. Furthermore, since it is a differential signal, common mode noise can be removed, and the quality of the focus detection signal can be further improved. Since the focus position is detected using the focus detection signal obtained in this way, highly accurate focus detection can be performed.
従来の焦点検出用画素は、図3および図4で説明した撮像用画素Pxと同じ回路およびレイアウトを用いて、図9(a)に示すように撮像用画素Pxの右半分に遮光用マスク(Mask)を配置して左開口用の焦点検出用画素を形成し、同様に図9(b)に示すように撮像用画素Pxの左半分に遮光用マスクを配置して右開口用の焦点検出用画素を形成していた。このため、開口部分の一部が読み出し回路になり、面積が小さく十分なSN比を確保できないという問題があった。また、遮光用マスクの下になるフォトダイオードPDの一部が無駄になるという問題もあった。 The conventional focus detection pixel uses the same circuit and layout as the image pickup pixel Px described in FIGS. 3 and 4 and uses a light shielding mask (in the right half of the image pickup pixel Px as shown in FIG. 9A). Mask) is arranged to form focus detection pixels for the left opening, and similarly, as shown in FIG. 9B, a light shielding mask is arranged on the left half of the imaging pixel Px to detect focus for the right opening. Pixels were formed. For this reason, there is a problem that a part of the opening becomes a readout circuit, and the area is small and a sufficient SN ratio cannot be secured. There is also a problem that a part of the photodiode PD under the light shielding mask is wasted.
そこで、本実施形態に係る撮像素子101では、撮像用画素Pxと同面積の画素でありながら、できるだけ大きい開口面積が得られるようにフォトダイオードPDfを配置するので、焦点検出用信号のSN比を向上することができる。さらに、読み出し回路に使用可能な画素内の面積を従来より拡大して差動回路を配置することにより、コモンモードノイズの除去や焦点検出用信号の信号レベルを従来の2倍に高めることができ、焦点検出用信号のSN比を向上することができる。
Therefore, in the
ここで、図10に撮像用画素Pxと、本実施形態の焦点検出用画素FPxと、従来の焦点検出用画素FPx2との画素レイアウトの比較例を示す。尚、図10(a)は撮像用画素Pxのレイアウトで図4と同じ図である。図10(b)は従来の焦点検出用画素FPx2のレイアウトで撮像用画素Pxの右または左半分が遮光用マスクで覆われている。そして、図10(c)は本実施形態の焦点検出用画素FPxのレイアウトを示す図で、従来の焦点検出用画素FPx2よりもフォトダイオードPDfの開口面積が広く、且つマスク領域(不感領域)の下に配置される読み出し回路に使用可能な面積も広くなるので、撮像用画素Pxよりも回路規模の大きい差動回路を配置することができる。尚、撮像用画素Pxにも差動回路を配置することが考えられるが、同一画素面積の場合は読み出し回路の面積が広くなる分だけフォトダイオードPDの面積が狭くなるので、本実施形態に係る撮像素子101のように、撮像用画素Pxは従来通りのシングルエンド回路とし、焦点検出用画素FPxだけを差動回路とするのが適切である。
Here, FIG. 10 shows a comparative example of the pixel layout of the imaging pixel Px, the focus detection pixel FPx of the present embodiment, and the conventional focus detection pixel FPx2. FIG. 10A shows the layout of the imaging pixels Px, which is the same as FIG. FIG. 10B shows the layout of the conventional focus detection pixel FPx2, in which the right or left half of the imaging pixel Px is covered with a light shielding mask. FIG. 10C is a diagram showing the layout of the focus detection pixel FPx of the present embodiment. The opening area of the photodiode PDf is larger than that of the conventional focus detection pixel FPx2, and the mask region (insensitive region) is formed. Since the area that can be used for the readout circuit disposed below is widened, a differential circuit having a circuit scale larger than that of the imaging pixel Px can be disposed. Although it is conceivable to dispose a differential circuit also in the imaging pixel Px, in the case of the same pixel area, the area of the photodiode PD is reduced by the increase in the area of the readout circuit. Like the
このように、本実施形態に係る撮像素子101は、焦点検出用画素FPxから出力される焦点検出信号のSN比を良くすることにより、焦点検出精度を向上することができる。
As described above, the
以上、本発明に係る焦点検出装置について、実施形態で例を挙げて説明してきたが、その精神またはその主要な特徴から逸脱することなく他の多様な形で実施することができる。そのため、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明は、特許請求の範囲によって示されるものであって、本発明は明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内である。 As described above, the focus detection apparatus according to the present invention has been described by way of example in the embodiment, but can be implemented in various other forms without departing from the spirit or main features thereof. Therefore, the above-described embodiment is merely an example in all respects and should not be interpreted in a limited manner. The present invention is defined by the claims, and the present invention is not limited to the text of the specification. Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.
101…撮像素子;102…垂直走査回路;103…水平出力回路;104…出力アンプ;Px…撮像用画素;FPx…焦点検出用画素;VLs(1)からVLs(4),VLd(2),VLd(3)…垂直信号線;Pws(1)からPws(4),Pwd(2),Pwd(3)…電流源;Vdd…正電源;Vss…負電源;φRn,φSELn,φRp,φSELp…タイミング信号;PD,PDf…フォトダイオード;SFn,Rn,SELn…NMOS型トランジスタ;SFp,Rp,SELp…PMOS型トランジスタ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記第1焦点検出用画素および前記第2焦点検出用画素は、
入射光量に応じた電子および正孔を蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部で蓄積された電子量に応じた電気信号を読み出す電子読み出し部と、
前記光電変換部で蓄積された正孔量に応じた電気信号を読み出す正孔読み出し部と
を有することを特徴とする焦点検出装置。 A first focus detection pixel that outputs the first focus detection signal by entering the pupil-divided first light flux and a second light flux that forms a pair with the first light flux are incident and a second focus detection signal is output. In a focus detection device having a second focus detection pixel,
The first focus detection pixel and the second focus detection pixel are:
A photoelectric conversion unit that accumulates electrons and holes according to the amount of incident light; and
An electronic reading unit that reads an electrical signal corresponding to the amount of electrons accumulated in the photoelectric conversion unit;
A focus detection apparatus comprising: a hole reading unit that reads out an electrical signal corresponding to the amount of holes accumulated in the photoelectric conversion unit.
前記電子読み出し部および前記正孔読み出し部から読み出された2つの電気信号を差動信号とする前記第1焦点検信号および前記第2焦点検出信号を出力する差動出力回路を更に設けたことを特徴とする焦点検出装置。 The focus detection apparatus according to claim 1,
A differential output circuit for outputting the first focus detection signal and the second focus detection signal, which uses two electrical signals read from the electronic readout unit and the hole readout unit as differential signals; A focus detection device.
前記第1焦点検出用画素および前記第2焦点検出用画素は、右開口の場合は左側の遮光部分に前記電子読み出し部および前記正孔読み出し部が配置され、左開口の場合は右側の遮光部分に前記電子読み出し部および前記正孔読み出し部が配置されたことを特徴とする焦点検出装置。 The focus detection apparatus according to claim 1 or 2,
In the first focus detection pixel and the second focus detection pixel, in the case of a right opening, the electron reading portion and the hole reading portion are arranged in the left light shielding portion, and in the case of the left opening, the right light shielding portion. The focus detection device is characterized in that the electronic readout unit and the positive hole readout unit are arranged in a frame.
画像を撮像するための複数の撮像用画素を設け、
前記複数の撮像用画素の一部の画素位置に前記第1焦点検出用画素および前記第2焦点検出用画素が配置されたことを特徴とする焦点検出装置。 In the focus detection apparatus according to any one of claims 1 to 3,
A plurality of imaging pixels for capturing an image are provided,
The focus detection apparatus, wherein the first focus detection pixel and the second focus detection pixel are arranged at some pixel positions of the plurality of imaging pixels.
前記撮像用画素は、入射光量に応じた電子または正孔のいずれか一方を蓄積する撮像用光電変換部と、前記撮像用光電変換部で蓄積された電子量または正孔量に応じた電気信号を読み出す撮像用読み出し部とを有し、前記撮像用読み出し部から読み出されたシングルエンド信号を撮像信号として出力することを特徴とする焦点検出装置。 The focus detection apparatus according to claim 4,
The imaging pixel includes an imaging photoelectric conversion unit that accumulates either electrons or holes according to the amount of incident light, and an electrical signal according to the amount of electrons or holes accumulated in the imaging photoelectric conversion unit. A focus detection device that outputs a single-end signal read from the imaging readout unit as an imaging signal.
前記撮像用光電変換部は前記撮像用画素で最大面積となる位置にレイアウトされ、前記第1焦点検出用画素および前記第2焦点検出用画素の光電変換部は瞳分割する左開口部または右開口部のいずれかで最大面積となる位置にレイアウトされたことを特徴とする焦点検出装置。 The focus detection apparatus according to claim 4 or 5,
The imaging photoelectric conversion unit is laid out at a position having a maximum area in the imaging pixel, and the photoelectric conversion unit of the first focus detection pixel and the second focus detection pixel is divided into a left opening or a right opening for pupil division A focus detection apparatus laid out at a position having a maximum area in any of the sections.
前記電子読み出し部は、前記光電変換部に蓄積された電子をリセットするNMOS型リセットトランジスタと、前記電子量に応じた電気信号に変換するNMOS型増幅トランジスタと、前記電気信号を負の電気信号として画素から出力するNMOS型選択トランジスタとで構成され、
前記正孔読み出し部は、前記光電変換部に蓄積された正孔をリセットするPMOS型リセットトランジスタと、前記正孔量に応じた電気信号に変換するPMOS型増幅トランジスタと、前記電気信号を正の電気信号として画素から出力するPMOS型選択トランジスタとで構成される
ことを特徴とする焦点検出装置。 In the focus detection apparatus according to any one of claims 1 to 6,
The electron reading unit includes an NMOS type reset transistor that resets electrons accumulated in the photoelectric conversion unit, an NMOS type amplification transistor that converts an electric signal according to the amount of electrons, and the electric signal as a negative electric signal. It consists of an NMOS type select transistor that outputs from the pixel,
The hole readout unit includes a PMOS type reset transistor that resets holes accumulated in the photoelectric conversion unit, a PMOS type amplification transistor that converts the electrical signal according to the amount of holes, and the electrical signal to be positive. A focus detection device comprising a PMOS type selection transistor that outputs an electrical signal from a pixel.
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JP2015204382A (en) * | 2014-04-14 | 2015-11-16 | キヤノン株式会社 | Solid state image sensor and camera |
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JP2016192607A (en) * | 2015-03-30 | 2016-11-10 | 株式会社ニコン | Image pickup device |
US9923016B2 (en) | 2015-12-29 | 2018-03-20 | Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas | High-dynamic-range pixel |
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JP2015204381A (en) * | 2014-04-14 | 2015-11-16 | キヤノン株式会社 | Solid state image sensor and camera |
JP2016192607A (en) * | 2015-03-30 | 2016-11-10 | 株式会社ニコン | Image pickup device |
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