JP2014165778A - Solid state image sensor, imaging device and focus detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子、撮像装置及び焦点検出装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device, an imaging device, and a focus detection device.
従来から、画素サイズの異なる2種類の焦点検出用画素を用いることで、低輝度時及び高輝度時のいずれにおいても適切に焦点検出を行うことができる固体撮像素子が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, there has been known a solid-state imaging device that can appropriately perform focus detection at both low luminance and high luminance by using two types of focus detection pixels having different pixel sizes (for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の発明では、低輝度時と高輝度時とで焦点検出に用いる画素が異なるため、低輝度時と高輝度時とで同じ位置での焦点検出ができなかった。 However, in the invention of Patent Document 1, since the pixels used for focus detection differ between low brightness and high brightness, focus detection at the same position cannot be performed at low brightness and high brightness.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、低輝度時及び高輝度時のいずれにおいても適切に焦点検出を行うことができ、しかも低輝度時と高輝度時とで実質的に同じ位置で焦点検出することができる固体撮像素子及び焦点検出装置、並びに、前記固体撮像素子を用いた撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and can appropriately perform focus detection at both low luminance and high luminance, and substantially at both low luminance and high luminance. It is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device and a focus detection device capable of detecting a focus at the same position, and an imaging device using the solid-state imaging device.
前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第1の態様による固体撮像素子は、光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、入射光を受光して光電変換する光電変換部を有する複数の撮像用画素と、平面視において一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し互いに独立して信号が読み出されかつ互いに感度が異なる第1の光電変換部及び第2の光電変換部を有する複数の焦点検出用画素と、を備えたものである。 The following aspects are presented as means for solving the problems. The solid-state imaging device according to the first aspect is a solid-state imaging device that photoelectrically converts a subject image formed by an optical system, and includes a plurality of imaging pixels having a photoelectric conversion unit that receives and photoelectrically converts incident light. , A plurality of focus detections having a first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit which are present in one region and the other region in plan view, respectively, read signals independently of each other, and have different sensitivities. Pixels.
第2の態様による固体撮像素子は、前記第1の態様において、前記第1の光電変換部の有効受光面積と前記第2の光電変換部の有効受光面積とが異なるものである。 The solid-state imaging device according to the second aspect is different from the first aspect in that an effective light receiving area of the first photoelectric conversion unit is different from an effective light receiving area of the second photoelectric conversion unit.
第3の態様による固体撮像素子は、前記第2の態様において、前記第1の光電変換部の有効受光面積は、前記第1の光電変換部の外縁の少なくとも一部、及び/又は、前記第1の光電変換部の光入射側に配置された遮光部の開口の少なくとも一部によって、定まり、前記第2の光電変換部の有効受光面積は、前記第2の光電変換部の外縁の少なくとも一部、及び/又は、前記第2の光電変換部の光入射側に配置された遮光部の開口の少なくとも一部によって、定まるものである。 In the solid-state imaging device according to the third aspect, in the second aspect, the effective light receiving area of the first photoelectric conversion unit is at least a part of an outer edge of the first photoelectric conversion unit and / or the first photoelectric conversion unit. The effective light receiving area of the second photoelectric conversion unit is determined by at least one of the outer edges of the second photoelectric conversion unit, and is determined by at least a part of the opening of the light shielding unit disposed on the light incident side of the one photoelectric conversion unit. Part and / or at least part of the opening of the light-shielding part arranged on the light incident side of the second photoelectric conversion part.
なお、本願明細書において、「及び/又は」は、両方又はいずれか一方の意味である。 In the present specification, “and / or” means both or any one of them.
第4の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第3のいずれかの態様において、前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部のうちの少なくとも一方の光電変換部の光入射側に、光減衰部が設けられたものである。 The solid-state imaging device according to a fourth aspect is the light incidence of at least one of the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit in any of the first to third aspects. On the side, a light attenuating portion is provided.
第5の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第4のいずれかの態様において、前記各焦点検出用画素の前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から互いに反対の方向へそれぞれ偏心した前記射出瞳の領域からの光束をそれぞれ選択的に受光して光電変換するものである。 The solid-state imaging device according to a fifth aspect is the optical system according to any one of the first to fourth aspects, wherein the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit of each focus detection pixel are the optical system. The light beams from the exit pupil regions decentered in the opposite directions from the center of the exit pupil are selectively received and photoelectrically converted.
第6の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第5のいずれかの態様において、前記各焦点検出用画素は、当該画素に対して1対1に設けられ当該画素の前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを、有するものである。 The solid-state imaging device according to a sixth aspect is the solid-state imaging device according to any one of the first to fifth aspects, wherein each of the focus detection pixels is provided on a one-to-one basis with respect to the pixel. A microlens that guides incident light to the conversion unit and the second photoelectric conversion unit is provided.
第7の態様による撮像装置は、前記第1乃至第6のいずれかの態様による固体撮像素子と、前記焦点検出用画素からの信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部を、備えたものである。 An image pickup apparatus according to a seventh aspect receives a detection signal indicating a focus adjustment state of the optical system based on a signal from the solid-state image pickup element according to any one of the first to sixth aspects and the focus detection pixel. A detection processing unit for outputting is provided.
第8の態様による撮像装置は、前記第7の態様において、前記検出処理部は、被写体の輝度に関する測光情報に応じて、前記輝度が相対的に高い場合には前記第1及び第2の光電変換部のうちの感度の低い方の光電変換部からの信号に基づいて前記検出信号を出力するとともに、前記輝度が相対的に低い場合には前記第1及び第2の光電変換部のうちの感度の高い方の光電変換部からの信号に基づいて前記検出信号を出力するものである。 According to an eighth aspect of the present invention, in the seventh aspect, the detection processing unit is configured to detect the first and second photoelectric elements when the luminance is relatively high according to photometric information related to luminance of a subject. The detection signal is output based on a signal from a photoelectric conversion unit having a lower sensitivity among the conversion units, and when the luminance is relatively low, the detection signal is output from the first and second photoelectric conversion units. The detection signal is output based on a signal from the photoelectric conversion unit with higher sensitivity.
第9の態様による撮像装置は、前記第7又は第8の態様において、前記検出処理部からの検出信号に基づいて前記光学系の焦点調節を行う調節部を備えたものである。 In the seventh or eighth aspect, an imaging apparatus according to a ninth aspect includes an adjustment unit that performs focus adjustment of the optical system based on a detection signal from the detection processing unit.
第10の態様による焦点検出装置は、平面視において一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し互いに独立して信号が読み出されかつ互いに感度が異なる第1の光電変換部及び第2の光電変換部を有する複数の焦点検出用画素を、備え、前記各焦点検出用画素の前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部は、焦点検出対象の光学系の射出瞳の中心から互いに反対の方向へそれぞれ偏心した前記射出瞳の領域からの光束をそれぞれ選択的に受光して光電変換するものである。 The focus detection apparatus according to the tenth aspect includes a first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit that are present in one region and the other region in plan view, read signals independently of each other, and have different sensitivities. A plurality of focus detection pixels each having a photoelectric conversion unit, wherein the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit of each focus detection pixel have a center of an exit pupil of an optical system as a focus detection target. To selectively receive light beams from the exit pupil regions decentered in opposite directions from each other, and perform photoelectric conversion.
本発明によれば、低輝度時及び高輝度時のいずれにおいても適切に焦点検出を行うことができ、しかも低輝度時と高輝度時とで実質的に同じ位置で焦点検出することができる固体撮像素子及び焦点検出装置、並びに、前記固体撮像素子を用いた撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to appropriately perform focus detection at both low luminance and high luminance, and it is possible to detect focus at substantially the same position at low luminance and high luminance. An imaging device, a focus detection device, and an imaging device using the solid-state imaging device can be provided.
以下、本発明による固体撮像素子、撮像装置及び焦点検出装置について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a solid-state imaging device, an imaging apparatus, and a focus detection apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態による撮像装置としての電子カメラ1を示す概略ブロック図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic block diagram showing an electronic camera 1 as an imaging device according to the first embodiment of the present invention.
本実施の形態による電子カメラ1は、例えば一眼レフのデジタルカメラとして構成されるが、本発明による撮像装置は、これに限らず、コンパクトカメラなどの他の電子カメラや、携帯電話に搭載された電子カメラや、動画を撮像するビデオカメラ等の電子カメラなどの種々の撮像装置に適用することができる。 The electronic camera 1 according to the present embodiment is configured as, for example, a single-lens reflex digital camera. However, the imaging apparatus according to the present invention is not limited to this, and is mounted on another electronic camera such as a compact camera or a mobile phone. The present invention can be applied to various imaging devices such as an electronic camera and an electronic camera such as a video camera that captures moving images.
電子カメラ1には、被写体像を結像する光学系としての撮影レンズ2が装着される。この撮影レンズ2は、レンズ制御部3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2の像空間には、固体撮像素子4の撮像面が配置される。
The electronic camera 1 is equipped with a photographing
固体撮像素子4は、撮像制御部5の指令によって駆動され、デジタル信号を出力する。固体撮像素子4から出力されるデジタル信号は、被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号、及び、撮影レンズ2の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号のいずれかである。本実施の形態では、いずれの信号も、デジタル信号処理部6によってデジタル増幅やその他の処理がされた後、メモリ7に一旦蓄積される。メモリ7は、バス8に接続されている。バス8には、レンズ制御部3、撮像制御部5、CPU9、焦点演算部(検出処理部)10、記録部11、画像圧縮部12及び画像処理部13なども接続される。CPU9には、レリーズ釦などの操作部14が接続される。また、記録部11には記録媒体11aが着脱自在に装着される。
The solid-
図2は、図1中の固体撮像素子4の概略構成を示す回路図である。固体撮像素子4は、2次元マトリクス状に配置された複数の画素20と、画素20から信号を出力するための周辺回路とを有している。画素20がn行m列にマトリクス状に配置されている有効画素領域(撮像領域)を符号21で示している。画素数は特に限定されるものではない。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the solid-
本実施の形態では、固体撮像素子4は、画素として後述する3種類の画素20A,20L,20Rを有しているが、図2ではそれらのいずれであるかを区別することなく、符号20で示している。これらの画素20は、周辺回路の駆動信号に従って撮像用信号及び焦点検出用信号のいずれかを出力する。また、すべての画素20は、同時に光電変換部がリセットされて露光の時間とタイミングが同一にされることも、1行ずつ読み出す所謂ローリングシャッタも可能となっている。
In the present embodiment, the solid-
周辺回路は、垂直走査回路22と、画素20の行毎に設けられた制御線23と、画素20の列毎に設けられ対応する列の画素20からの信号を受け取る複数の(m本の)垂直信号線27と、各垂直信号線27に設けられた定電流源28と、各垂直信号線27に対応して設けられたCDS回路(相関2重サンプリング回路)29及びA/D変換器30と、水平読み出し回路31とを有している。
The peripheral circuit includes a
垂直走査回路22及び水平読み出し回路31は、電子カメラ1の撮像制御部5からの指令に基づいて駆動信号を出力する。各画素20は、垂直走査回路22から出力される駆動信号を所定の制御線23から受け取って駆動され、撮像用信号又は焦点検出用信号を垂直信号線27に出力する。垂直走査回路22から出力される駆動信号は複数あり、それに伴い制御線23も複数ある。これらについては後述する。
The
画素20から垂直信号線27に読み出された信号は、各列毎に、CDS回路29にて所定のノイズ除去処理が施された後に、A/D変換器30にてデジタル信号に変換され、そのデジタル信号はA/D変換器30に保持される。各A/D変換器30に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路31によって水平走査され、必要に応じて所定の信号形式に変換されて、外部(図1中のデジタル信号処理部6)へ出力される。なお、固体撮像素子4は必ずしもA/D変換器30を含む必要はなく、水平読み出し回路31からアナログ画像信号が出力されるように構成してもよい。
The signal read from the
図3は、図1中の固体撮像素子4(特にその有効画素領域21)を模式的に示す概略平面図である。本実施の形態では、図3に示すように、固体撮像素子4の有効画素領域21には、X軸方向に直線状に延びた3つの焦点検出領域32〜35が上下に並列するように設けられている。
FIG. 3 is a schematic plan view schematically showing the solid-state imaging device 4 (particularly, its effective pixel region 21) in FIG. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the
なお、図3に示すように、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸を定義する。また、X軸方向のうち矢印の向きを+X方向又は+X側、その反対の向きを−X方向又は−X側と呼び、Y軸方向についても同様とする。XY平面と平行な平面が固体撮像素子4の撮像面(受光面)と一致している。X軸方向の並びを行、Y軸方向の並びを列とする。なお、入射光は図3の紙面手前側から奥側に入射する。これらの点は、後述する図についても同様である。
As shown in FIG. 3, an X axis, a Y axis, and a Z axis that are orthogonal to each other are defined. The direction of the arrow in the X-axis direction is called the + X direction or + X side, and the opposite direction is called the -X direction or -X side, and the same applies to the Y-axis direction. A plane parallel to the XY plane coincides with the imaging surface (light receiving surface) of the solid-
図4は、図3における焦点検出領域32の付近を拡大した概略拡大図である。前述したように、固体撮像素子4は、画素20として、3種類の画素20A,20L,20Rを有している。
FIG. 4 is a schematic enlarged view in which the vicinity of the
画素20Aは、撮影レンズ2によって結像される被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する撮像用画素である。図5(a)は撮像用画素20Aの主要部を模式的に示す概略平面図、図5(b)は図5(a)中のX1−X2線に沿った概略断面図である。
The
撮像用画素20Aは、光電変換部としてのフォトダイオード41と、フォトダイオード41上にオンチップで形成されたマイクロレンズ42と、フォトダイオード41の光入射側に設けられたR(赤色),G(緑色),B(青色)のいずれかのカラーフィルタ60とを備えている。図面には示していないが、カラーフィルタ60の色は、ベイヤー配列等に従って設定されている。図5に示すように、マイクロレンズ42の略焦点面には、遮光部としての金属層等の遮光層43が形成されている。遮光層43は、必要に応じて配線層を兼ねる。遮光層43には、撮像用画素20Aにおいて、当該撮像用画素20Aのマイクロレンズ42の光軸Oに対して同心の正方形の開口43aが形成されている。画素20Aのフォトダイオード41は、開口43aを通過した光を全て有効に受光し得る大きさを有している。なお、遮光層43とマイクロレンズ42との間や、基板44と遮光層43との間には、層間絶縁膜等が形成されている。
The
本実施の形態では、撮像用画素20Aにおいて、マイクロレンズ42の略焦点面に配置された遮光層43に前記開口43aが形成されていることによって、画素20Aのフォトダイオード41は、撮影レンズ2の射出瞳の中心から実質的に偏心していない前記射出瞳の領域(開口43aのマイクロレンズ42による投影像に相当)からの光束を受光して光電変換することになる。
In the present embodiment, in the
画素20L,20Rは、撮影レンズ2の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を出力する焦点検出用画素(以下、「AF用画素」という。)である。図6(a)はAF用画素20Lの主要部を模式的に示す概略平面図、図6(b)は図6(a)中のX3−X4線に沿った概略断面図である。図7(a)はAF用画素20Rの主要部を模式的に示す概略平面図、図7(b)は図7(a)中のX5−X6線に沿った概略断面図である。図6及び図7において、図5中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
The
AF用画素20Lは、1つの光電変換部としての1つのフォトダイオード41に代えて、それを2つに分割しかつ一方のみ(フォトダイオード45のみ)の面積を小さくしたような2つの光電変換部としての2つのフォトダイオード45,46を有している。2つのフォトダイオード45,46は、基板44の法線方向(Z軸方向)から見た平面視においてY軸方向の分割線Y3−Y4により分割される−X側の領域及び+X側の領域に、それぞれ配置されている。マイクロレンズ42は、その光軸Oが分割線Y3−Y4とフォトダイオード45,46のY軸方向の中心線との交点を通るように、配置されている。そして、AF用画素20Lにおいて、遮光層43には、当該AF用画素20Lのマイクロレンズ42の光軸Oに対して同心の正方形の開口43a(撮像用画素20Aの開口43aと同じ大きさの正方形の開口43a)が形成されている。このため、マイクロレンズ42から導かれる入射光は瞳分割され、その一方の光束は相対的に面積の小さいフォトダイオード45に選択的に入射され、他方の光束は相対的に面積の大きいフォトダイオード46に選択的に入射される。すなわち、画素20Lでは、相対的に面積の小さい(本実施の形態では、相対的に感度の低い)フォトダイオード45は、撮影レンズ2の射出瞳の中心から+X側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、相対的に面積の大きい(本実施の形態では、相対的に感度の高い)フォトダイオード46は、撮影レンズ2の射出瞳の中心から−X側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光する。なお、例えば、有効画素領域の中心部の画素では、マイクロレンズ42をその光軸Oが前記交点を通るように配置する一方、有効画素領域の周辺部の画素では、マイクロレンズ42をその光軸Oが前記交点からずれた位置を通るように配置してもよい。
In the
本実施の形態では、フォトダイオード45の面積全体がフォトダイオード45の有効受光面積となり、フォトダイオード45の有効受光面積は、フォトダイオード45の外縁の全体によって定められている。また、フォトダイオード46の面積全体がフォトダイオード46の有効受光面積となり、フォトダイオード46の有効受光面積は、フォトダイオード46の外縁の全体によって定められている。そして、本実施の形態では、フォトダイオード45の面積がフォトダイオード46の面積よりも小さくされることによって、フォトダイオード45の有効受光面積がフォトダイオード46の面積よりも小さくされ、これにより、フォトダイオード45の感度がフォトダイオード46の感度よりも低くされている。ここで、フォトダイオードの感度は、被写体の輝度(本実施の形態では、当該画素のマイクロレンズ42への入射光量)に対する当該フォトダイオードの出力(電荷量)の割合である。
In the present embodiment, the entire area of the
もっとも、フォトダイオード45の有効受光面積は、フォトダイオード45の形状・大きさと開口43aの形状・大きさとを適宜組み合わせることで、フォトダイオード45の外縁の少なくとも一部、及び/又は、フォトダイオード45の光入射側に配置された遮光部43の開口43aの少なくとも一部によって、定まるようにしてもよい。また、フォトダイオード46の有効受光面積は、フォトダイオード46の形状・大きさと開口43aの形状・大きさとを適宜組み合わせることで、フォトダイオード45の外縁の少なくとも一部、及び/又は、フォトダイオード45の光入射側に配置された遮光部43の開口43aの少なくとも一部によって、定まるようにしてもよい。
However, the effective light receiving area of the
なお、フォトダイオード45の感度をフォトダイオード46の感度よりも低くするためには、必ずしもフォトダイオード45の有効受光面積をフォトダイオード46の有効受光面積よりも小さくする必要はない。
In order to make the sensitivity of the
また、AF用画素20Lには、カラーフィルタ60は設けられていない。AF用画素20Lのフォトダイオード45,46に対する入射光量を増大させ焦点検出精度を高めるためには、画素20Lにはカラーフィルタ60を設けないことが好ましいが、本発明では必ずしもこれに限定されるものではない。
Further, the
AF用画素20RがAF用画素20Lと異なる所は、AF用画素20Rでは、
フォトダイオード45,46が図6及び図7中の左右反対に配置されている点のみである。したがって、AF用画素20Rでは、相対的に面積の小さい(本実施の形態では、相対的に感度の低い)フォトダイオード45は、撮影レンズ2の射出瞳の中心から−X側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、相対的に面積の大きい(本実施の形態では、相対的に感度の高い)フォトダイオード46は、撮影レンズ2の射出瞳の中心から+X側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光する。
The difference between the
This is only the point where the
本実施の形態では、図4に示すように、焦点検出領域32において、AF用画素20L,20RがX軸方向に交互に配置されている。焦点検出領域33,34についても、焦点検出領域32と同様である。有効画素領域21における焦点検出領域32〜34以外の領域には、撮像用画素20Aが配置されている。なお、焦点検出領域32〜34の本数や配置は、前述した例に限定されるものではないし、AF用画素20L,20Rの配置も、必ずしも一直線状の交互配置に限定されるものではない。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the
図8は、図1中の固体撮像素子4の撮像用画素20Aを示す回路図である。各撮像用画素20Aは、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオード41と、前記電荷を受け取って前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティング容量部47と、フォトダイオード41からフローティング容量部47へ電荷を転送する転送トランジスタ48と、フローティング容量部47の電圧に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタ49と、フローティング容量部47の電圧をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタ50と、当該画素20Aを選択するための選択部としての選択トランジスタ51とを有している。なお、図8において、VDDは電源であり、235は電源VDDに接続するための電源配線である。
FIG. 8 is a circuit diagram showing the
図9は、図1中の固体撮像素子4のAF用画素20L,20Rを示す回路図である。これらの画素20L,20Rは同一の回路構成を有している。図9において、図8中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。AF用画素20L,20Rが撮像用画素20Aと回路構成上異なる所は、1つの光電変換部としての1つのフォトダイオード41に代えて、それを2つに分割し一方のみ(フォトダイオード45のみ)の面積を小さくしたような2つの光電変換部としての2つのフォトダイオード45,46を有する点と、これに伴い、1つの転送トランジスタ48に代えて、互いに独立して作動し得る2つの転送トランジスタ52,53を有する点のみである。転送トランジスタ52はフォトダイオード45からフローティング容量部47へ電荷を転送し、転送トランジスタ53はフォトダイオード46からフローティング容量部47へ電荷を転送する。これにより、フォトダイオード45,46の信号は、互いに独立して読み出される。
FIG. 9 is a circuit diagram showing the
撮像用画素20Aの転送トランジスタ48及びAF用画素20L,20Rの一方の転送トランジスタ52のゲート電極は、画素行ごとに共通に接続されて、垂直走査回路22から制御線23のうちの配線231を介して駆動信号φTGAが供給される。AF用画素20L,20Rの他方の転送トランジスタ53のゲート電極は、画素行毎に共通に接続されて、垂直走査回路22から制御線23のうちの配線232を介して駆動信号φTGBが供給される。
The
画素20A,20L,20Rの選択トランジスタ51のゲート電極は、画素行毎に共通に接続されて、垂直走査回路22から制御線23のうちの配線233を介して駆動信号φSが供給される。画素20A,20L,20Rのリセットトランジスタ50のゲート電極は、画素行毎に共通に接続されて、垂直走査回路22から制御線23のうちの配線234を介して駆動信号φRが供給される。
The gate electrodes of the
垂直走査回路22が、図1中の撮像制御部5からの制御信号を受けて、一般的なCMOS型固体撮像素子の動作に準じて、画素20の行毎に、制御信号φS,φR,φTGA,φTGBをそれぞれ出力し、画素部21の画素20を制御することによって、撮像用画素20Aから撮像用信号が読み出され、AF用画素20L,20Rの低感度のフォトダイオード45から高輝度用の焦点検出用信号が読み出され、AF用画素20L,20Rの高感度のフォトダイオード46から低輝度用の焦点検出用信号が読み出される。いずれの動作モードにおいても、撮像用信号、高輝度用の焦点検出用信号及び低輝度用の焦点検出用信号のすべてを読み出しても良い。しかし、被写体が高輝度時の焦点検出モード時には高輝度用の焦点検出用信号のみが読み出せれば良く、被写体が低輝度時の焦点検出モード時には低輝度用の焦点検出用信号のみが読み出せれば良く、撮像モード時には撮像用信号のみが読み出せれば良い。したがって、それぞれモードにおいて、無用な信号読み出しを極力避けて高速化を図ってもよい。
The
図10は、図1に示す電子カメラ1の動作の一例を示す概略フローチャートである。 FIG. 10 is a schematic flowchart showing an example of the operation of the electronic camera 1 shown in FIG.
まず、メイン電源がオンされた後、各部の電源がオンされる(ステップS1)。その後、CPU9は、露光量を制御するために、レンズ制御部3を介して撮影レンズ2の絞りが開放にする。固体撮像素子4からの出力は、デジタル信号処理部を経た後、メモリ7に格納される。
First, after the main power is turned on, the power of each unit is turned on (step S1). Thereafter, the
そして、焦点調節(ステップS2〜S6)が開始されると、まず、CPU9は、電子カメラ1に設けられた測光センサ(図示せず)の出力(被写体の輝度に関する測光情報)に基づいて、被写体の輝度が所定値より小さいか否かを判定する(ステップS2)。被写体の輝度に関する測光情報として、前記測光センサの出力に代えて、メモリ7に格納されたデータのうち、撮像用画素20Aの出力に相当するデータを用いてもよい。
When the focus adjustment (steps S2 to S6) is started, first, the
ステップS2で輝度が所定値より小さいと判定されると、CPU9は、焦点演算部10は、AF用画素20L,20Rの高感度のフォトダイオード46からの焦点検出用信号を用いて瞳分割位相差検出方式に従った演算(焦点調節状態の検出処理)を焦点演算部10に行わせることで、焦点演算部10に撮影レンズ2のデフォーカス量を算出させ(ステップS3)、ステップS5へ移行する。
If it is determined in step S2 that the luminance is smaller than the predetermined value, the
一方、ステップS2で輝度が所定値以上であると判定されると、CPU9は、焦点演算部10は、AF用画素20L,20Rの低感度のフォトダイオード45からの焦点検出用信号を用いて瞳分割位相差検出方式に従った演算(焦点調節状態の検出処理)を焦点演算部10に行わせることで、焦点演算部10に撮影レンズ2のデフォーカス量を算出させ(ステップS4)、ステップS5へ移行する。
On the other hand, when it is determined in step S2 that the luminance is equal to or higher than the predetermined value, the
ステップS5において、CPU9は、ステップS3又はS4で算出されたデフォーカス量に基づいて撮影レンズ2が合焦状態か否かを判定する。ステップS5で合焦状態であると判定されると、ステップS7へ移行する。
In step S5, the
一方、ステップS5で合焦状態でないと判定されると、CPU9は、ステップS3又はS4で算出されたデフォーカス量に基づいて撮影レンズ2のうちのフォーカシング用のレンズをレンズ制御部3を介して駆動し、合焦位置に向けて移動させる(ステップS6)。その後、CPU9は、前記測光センサ(図示せず)の出力(被写体の輝度に関する測光情報)を取り込むとともに、撮像制御部5を介した固体撮像素子4の制御によってAF用画素20L,20Rからの焦点検出用信号をメモリ7内に格納した後に、ステップS2へ戻り、デフォーカス量がゼロとなるまで焦点調整(ステップS2〜S5)の動作を繰り返す。
On the other hand, if it is determined in step S5 that the in-focus state is not achieved, the
そして、ステップS5で合焦状態であると判定された場合は、CPU9は、ステップS7の処理に進み、操作部14のレリーズボタンが押されたことを検知すると、撮像制御部5を介して撮影動作を実行させる(ステップS8)。すなわち、固体撮像素子4からの出力をデジタル信号処理部6を介してメモリ7に格納する。なお、ステップS7へ移行した後に所定時間待ってもレリーズボタンが押されたことが検知されない場合は、CPU9は、前記測光センサ(図示せず)の出力(被写体の輝度に関する測光情報)を取り込むとともに、撮像制御部5を介した固体撮像素子4の制御によってAF用画素20L,20Rからの焦点検出用信号をメモリ7内に格納した後に、ステップS2へ戻る。
If it is determined in step S5 that the in-focus state is obtained, the
ステップS8の後に、CPU9は、ステップS8の撮影動作によってメモリ7に格納されたデータのうち、撮影画像用の画素20Aの出力に相当するデータを用いて、画像信号を生成する(ステップS9)。固体撮像素子4の撮像用画素20Aの位置での画像信号は、その撮像用画素20Aのデータに基づいて生成される。また、AF用画素20L,20Rの位置での画像信号は、その画素20L,20Rの周囲の撮像用画素20Aのデータに基づいて公知の補間処理によって生成される。その後、CPU9は、前記測光センサ(図示せず)の出力(被写体の輝度に関する測光情報)を取り込むとともに、撮像制御部5を介した固体撮像素子4の制御によってAF用画素20L,20Rからの焦点検出用信号をメモリ7内に格納した後に、ステップS2へ戻る。
After step S8, the
なお、ステップS7でYESと判定される前においてメモリ7に格納された撮像用画素20Aの出力に相当するデータによって画像信号を生成し、この画像信号を液晶ビューファインダ等の液晶表示素子(図示せず)に画像表示させてもよい。このとき、前述と同様の補間処理などを行い、焦点検出用画素20L,20Rの位置での画像信号を生成して表示させることが好ましい。
It should be noted that an image signal is generated by data corresponding to the output of the
なお、CPU9は、操作部14の指令に基づき、ステップS9で生成された画像信号に対して、必要に応じて画像処理部13や画像圧縮部12にて所望の処理を行い、記録部11に処理後の信号を出力させ記録媒体11aに記録する。
The
本実施の形態によれば、焦点検出用画素20L,20Rが低感度のフォトダイオード45と高感度のフォトダイオード46の両方を有しているので、被写体の輝度が低くても高感度のフォトダイオード46から、ノイズ等に埋もれてしまうことなく焦点検出用信号を適切に得ることができるとともに、被写体の輝度が高くても低感度のフォトダイオード45から、飽和してしまうことなく焦点検出用信号を適切に得ることができる。このように、本実施の形態によれば、被写体の輝度の変化が大きくても、焦点検出信号を得るダイナミックレンジが広くなるので、低輝度時及び高輝度時のいずれにおいても適切に焦点検出を行うことができる。
According to the present embodiment, since the
そして、本実施の形態では、低感度のフォトダイオード45と高感度のフォトダイオード46が両方とも同じ焦点検出用画素に設けられているので、低輝度時と高輝度時とで実質的に同じ位置で焦点検出することができる。
In this embodiment, since both the low-
[第2の実施の形態]
図11は、本発明の第2の実施の形態による固体撮像素子74の一部拡大概略平面図であり、図4に対応している。図12(a)はAF用画素20Lの主要部を模式的に示す概略平面図、図12(b)は図12(a)中のX7−X8線に沿った概略断面図であり、それぞれ図6(a)及び図6(b)に対応している。図13(a)はAF用画素20Rの主要部を模式的に示す概略平面図、図13(b)は図13(a)中のX9−X10線に沿った概略断面図であり、それぞれ図7(a)及び図7(b)に対応している。図11乃至図13において、図4、図6及び図7中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 11 is a partially enlarged schematic plan view of a solid-
なお、図12(a)及び図13(a)において、フォトダイオード45に図12(b)及び図13(b)中の光減衰部61と同じハッチングを付すことで、フォトダイオード45の光入射側に光減衰部61が設けられていることを示している。
In FIG. 12A and FIG. 13A, the
本実施の形態による固体撮像素子74が前記第1の実施の形態における固体撮像素子4と異なる所は、AF用画素20L,20Rの低感度のフォトダイオード45に関する構成のみである。本実施の形態による固体撮像素子74は、前記第1の実施の形態において、固体撮像素子4に代えて用いることができる。
The solid-
前記固体撮像素子4の低感度のフォトダイオード45は、高感度のフォトダイオード46よりも面積が小さくされて有効受光面積が小さくされることによって、フォトダイオード46よりも感度が低くなっている。これに対し、本実施の形態の固体撮像素子74の低感度のフォトダイオード45は、高感度のフォトダイオード46と面積が同じにされて有効受光面積が同じにされているものの、低感度のフォトダイオード45の光入射側に光減衰部61が配置される一方で、高感度のフォトダイオード46の光入射側には光減衰部61が配置されないことによって、高感度のフォトダイオード46よりも感度が低くなっている。
The sensitivity of the low-
本実施の形態では、光減衰部61の高さ位置は撮像用画素20Aのカラーフィルタ60と高さ位置と同じになっている。また、光減衰部61の材料としては、例えば、撮像素子の分光特性に合わせて赤、青、緑の染料を合わせて作られるグレーフィルタや、カラーフィルタ60を挙げることができる。もっとも、光減衰部61の高さ位置や材料は特に限定されるものではない。
In the present embodiment, the height position of the
本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる。 Also in this embodiment, the same advantages as those in the first embodiment can be obtained.
なお、フォトダイオード45,46の光入射側にそれぞれ異なる光減衰率を持つ2種類の光減衰部を配置することによって、フォトダイオード45,46の感度を異ならせてもよい。また、フォトダイオード45,46の有効受光面積を異ならせた上で、フォトダイオード45,46のいずれか一方又は両方の光入射側に光減衰部を配置し、それらのトータルとしてフォトダイオード45,46の感度を異ならせてもよい。
Note that the sensitivity of the
[第3の実施の形態]
図14は、本発明の第3の実施の形態による焦点検出装置104の一部拡大概略平面図であり、図4に対応している。図14において、図4中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
[Third Embodiment]
FIG. 14 is a partially enlarged schematic plan view of the
本実施の形態による焦点検出装置104は、前記第1の実施の形態における固体撮像素子4において、撮像用画素20AをAF用画素20L,20Rに置き換えたものである。すなわち、本実施の形態による焦点検出装置104では、いずれの領域において、AF用画素20L,20RがX軸方向に交互に配置されている。もっとも、所望の焦点検出に必要な領域にのみAF用画素20L,20Rを形成し、他の領域には、画素20L,20R,20Aを形成しなくてもよい。なお、本発明による焦点検出装置は、例えば、前記第2の実施の形態による固体撮像素子74において、撮像用画素20AをAF用画素20L,20Rに置き換えたものでもよい。
The
図15は、図14に示す焦点検出装置104を搭載した撮像装置としての電子カメラ111を模式的に示す概略構成図である。この電子カメラ111は、一眼レフの電子カメラとして構成されているが、焦点検出装置104は、デジタル一眼レフカメラに限らず、例えば、一眼レフ以外の電子カメラや、ビデオカメラなどにおいても用いることができる。
FIG. 15 is a schematic configuration diagram schematically showing an
この電子カメラ111では、カメラボディ112の前方には焦点検出対象となる光学系としての撮影レンズ113が装着される。この撮影レンズ113の光軸上には、メインミラー114及びサブミラー115が順に配置されている。メインミラー114の反射方向に沿ってマット面116およびペンタプリズム117が配置されている。ペンタプリズム117の後面側には、接眼レンズ118及びAE用検出部としての測光部119が配置されている。サブミラー115の反射方向には、焦点検出装置104を固体撮像素子110と光学的に対応する位置に配置するための光学系105、及び、AF用センサチップとして焦点検出装置104が、順次配置されている。カメラボディ112内の後部側には、ミラー114,115が退避された時に撮影レンズ113により結像される被写体像を撮像する固体撮像素子110が配置されている。この固体撮像素子110としては、例えば、一般的なCMOS型やCCD型などの固体撮像素子を用いることができる。
In the
カメラボディ112に設けられた操作部(図示せず)、測光部119および焦点検出装置104は、カメラボディ112内に配置されたCPU113に接続されている。なお、前記第1の実施の形態において、固体撮像素子4に対して撮像制御部5、デジタル信号処理部6、メモリ7及び焦点演算部10が設けられているのと同様の要素が、焦点検出装置104に対しても同様に設けられるが、図15では、それらの図示は省略している。また、CPU113には、撮影レンズ113を前後に繰り出すモータ120が接続されている。
An operation unit (not shown), a
このカメラ111では、焦点検出装置104からの焦点検出用信号に基づいてAF動作を実現することができる。
In this
そして、本実施の形態による焦点検出装置104では、前記第1の実施の形態における固体撮像素子4と同様に、被写体の輝度の変化が大きくても、焦点検出信号の得るダイナミックレンジが広くなるので、低輝度時及び高輝度時のいずれにおいても適切に焦点検出を行うことができる。また、本実施の形態による焦点検出装置104では、前記第1の実施の形態における固体撮像素子4と同様に、低感度のフォトダイオード45と高感度のフォトダイオード46が両方とも同じ焦点検出用画素に設けられているので、低輝度時と高輝度時とで実質的に同じ位置で焦点検出することができる。
In the
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.
例えば、画素20の構成は、前述した図8や図9に示す構成に限らない。例えば、列方向に隣り合う複数の画素20毎に、当該複数の画素20が1組のフローティング容量部47、増幅トランジスタ49、リセットトランジスタ50及び選択トランジスタ51を共有してもよい。
For example, the configuration of the
また、例えば、前記各実施の形態において、有効画素領域21内において、X軸方向に延びた焦点検出領域の他に、Y軸方向に延びた焦点検出領域を追加してもよいし、X軸方向に延びた焦点検出領域を設けずに、Y軸方向に延びた焦点検出領域を設けてもよい。これらの場合には、例えば、Y軸方向に延びた焦点検出領域において、AF用画素20LをZ軸回りに90゜右回転させたAF用画素と、AF用画素20RをZ軸回りに90゜右回転させたAF用画素とを、Y軸方向に交互に配置すればよい。
Further, for example, in each of the above embodiments, in the
また、本発明では、白黒用として構成してもよく、その場合には撮像用画素20Aにカラーフィルタを設けなくてよい。また、カラー用として構成する場合であっても、前述したようなベイヤー配列に限定されるものではない。
In the present invention, it may be configured for black and white, and in that case, a color filter may not be provided in the
1 電子カメラ
4,74 固体撮像素子
20A 撮像用画素
20L,20R AF用画素
フォトダイオード 41,45,46
104 焦点検出装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
104 Focus detection device
Claims (10)
入射光を受光して光電変換する光電変換部を有する複数の撮像用画素と、
平面視において一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し互いに独立して信号が読み出されかつ互いに感度が異なる第1の光電変換部及び第2の光電変換部を有する複数の焦点検出用画素と、
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。 A solid-state imaging device that photoelectrically converts a subject image formed by an optical system,
A plurality of imaging pixels having a photoelectric conversion unit that receives and photoelectrically converts incident light;
A plurality of focus detection units each having a first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit that are present in one region and the other region in plan view, read signals independently of each other, and have different sensitivities. Pixels,
A solid-state imaging device comprising:
前記第2の光電変換部の有効受光面積は、前記第2の光電変換部の外縁の少なくとも一部、及び/又は、前記第2の光電変換部の光入射側に配置された遮光部の開口の少なくとも一部によって、定まる、
ことを特徴とする請求項2記載の固体撮像素子。 The effective light receiving area of the first photoelectric conversion unit is at least a part of the outer edge of the first photoelectric conversion unit and / or the opening of the light shielding unit disposed on the light incident side of the first photoelectric conversion unit. Determined by at least part of
The effective light receiving area of the second photoelectric conversion unit is at least a part of the outer edge of the second photoelectric conversion unit and / or the opening of the light shielding unit disposed on the light incident side of the second photoelectric conversion unit. Determined by at least part of
The solid-state imaging device according to claim 2.
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の固体撮像素子。 The first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit of each focus detection pixel emit light beams from the exit pupil regions that are decentered in the opposite directions from the center of the exit pupil of the optical system, respectively. Each receives light selectively and performs photoelectric conversion.
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is provided.
前記各焦点検出用画素の前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部は、焦点検出対象の光学系の射出瞳の中心から互いに反対の方向へそれぞれ偏心した前記射出瞳の領域からの光束をそれぞれ選択的に受光して光電変換する、
ことを特徴とする焦点検出装置。 A plurality of focus detection units each having a first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit that are present in one region and the other region in plan view, read signals independently of each other, and have different sensitivities. With pixels,
The first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit of each focus detection pixel are from the exit pupil regions that are decentered in opposite directions from the center of the exit pupil of the focus detection target optical system. Each of the light fluxes is selectively received and photoelectrically converted,
A focus detection apparatus.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2015073071A (en) * | 2013-07-11 | 2015-04-16 | キヤノン株式会社 | Solid-state imaging device, range finding device and imaging apparatus |
JP2016224207A (en) * | 2015-05-29 | 2016-12-28 | キヤノン株式会社 | Imaging device and focus adjustment method |
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JP2020510867A (en) * | 2017-02-28 | 2020-04-09 | ビーエイイー・システムズ・イメージング・ソリューションズ・インコーポレイテッド | Autofocus system for CMOS imaging sensor |
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2013
- 2013-02-27 JP JP2013036520A patent/JP2014165778A/en active Pending
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