JP2021122131A - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の第2の態様によると、撮像装置は、第1の態様による撮像素子と、焦点調節光学系を有する光学系による像を撮像する前記撮像素子の前記第1画素と前記第2画素から出力される前記第1電荷に基づく信号と前記第2電荷に基づく信号とに基づいて、前記光学系による像が前記撮像素子に合焦するよう前記焦点調節光学系の位置を制御する位置制御部と、を備える。
図1は、第1の実施の形態による固体撮像素子3(以降、撮像素子3と称する)を用いた焦点検出装置を搭載するデジタルカメラ1(以降、カメラ1と称する)を例示するブロック図である。
第1の実施の形態において、一眼レフタイプやミラーレスタイプ等のレンズ交換式のカメラ1を例に説明するが、レンズ交換式のカメラでなくてもよい。例えば、レンズ一体型のカメラ、あるいはスマートフォン等の携帯端末に搭載されるカメラのような撮像装置として構成してもよい。また、静止画に限らず、動画を撮像するビデオカメラ、モバイルカメラ等の撮像装置として構成してもよい。
カメラ1には、撮像光学系として撮影レンズ2が装着される。撮影レンズ2は、フォーカシングレンズや絞りを有する。撮影レンズ2が有するフォーカシングレンズや絞りは、マイクロプロセッサ9から指示を受けたレンズ制御部2aによって制御される。撮影レンズ2は、撮像素子3の撮像面に光学像(被写体像)を結像させる。撮影レンズ2は、結像光学系とも称する。
なお、撮像素子3が、信号処理部5と、A/D変換部6と、メモリ7との一部または全部を含む構成にしてもよい。撮像素子3は、信号処理部5およびA/D変換部6およびメモリ7のうち少なくとも1つと複数の画素とが積層される構成であってもよい。
マイクロプロセッサ9は、レンズ制御部2aへフォーカシングレンズの移動を指示するとともに、算出したフォーカスレンズの移動量を送る。これにより、焦点調節が自動で行われる。焦点演算部10、マイクロプロセッサ9およびレンズ制御部2aは、焦点調節部として動作する。
図2は、撮像素子3の概略構成を例示する図である。撮像素子3は、マトリクス状に配置された複数の画素20と、各画素20からの信号を出力するための周辺回路とを有する。一般に、画像を構成する最小単位が「画素」と称されるが、本実施の形態では、画像を構成する最小単位の信号を生成する構成を「画素」と称する。
撮像領域31は、画素20がマトリクス状に配置されている領域を示す。図2の例では、撮像領域31として水平に4行×垂直に4列の16画素分の範囲を例示しているが、実際の画素数は図2に例示するものよりはるかに多い。
なお、以降の説明において、R、G、Bを付さずに画素20と称する場合は、画素20R、画素20G、および画素20Bを全て含むものとする。
図4は、図3においてM列に並ぶ(垂直方向に並ぶ)画素20、すなわち、例えばN行目の画素20Gと、N+1行目の画素20Rと、N+2行目の画素20Gと、N+3行目の画素20Rとを説明する回路図である。各画素20は、図示しないマイクロレンズおよびカラーフィルタの内側に光電変換部として2つのフォトダイオードPD−1およびPD−2を有する。すなわち、各画素20は、画素20の左側に配置された第1のフォトダイオードPD−1と、画素20の右側に配置された第2のフォトダイオードPD−2とを有する。
したがって、各画素20の第1のフォトダイオードPD−1には、撮影レンズ2の瞳の第1の領域を通過した光束が入射し、第2のフォトダイオードPD−2には、撮影レンズ2の瞳の第2の領域を通過した光束が入射する。
第1の実施の形態では、タイプPと称する画素20と、タイプSと称する画素20とが設けられる。図4に例示したN行目の画素20G、N+1行目の画素20R、N+2行目の画素20G、およびN+3行目の画素20Rは、タイプPに相当する。
第1信号または第2信号を垂直信号線25(出力部)に出力させる行選択用の選択トランジスタSELは、制御信号φSELによってオンされる。FD領域の電位をリセットさせるリセットトランジスタRESは、制御信号φRESによってオンされる。
また、各画素20の第1のフォトダイオードPD−1には、撮影レンズ2の瞳の第1の領域を通過した光束が入射し、第2のフォトダイオードPD−2には、撮影レンズ2の瞳の第2の領域を通過した光束が入射する点は、図4の場合と同様である。
このため、タイプSの画素20において、第1のフォトダイオードPD−1で生成された第1電荷をFD領域へ転送する第1の転送トランジスタTx−1は、第2の制御信号φTx2によってオンされる。また、第2のフォトダイオードPD−2で生成された第2電荷をFD領域へ転送する第2の転送トランジスタTx−2は、第1の制御信号φTx1によってオンされる。
第1信号または第2信号を垂直信号線25(出力部)に出力させる行選択用の選択トランジスタSELは、制御信号φSELによってオンされる。FD領域の電位をリセットさせるリセットトランジスタRESは、制御信号φRESによってオンされる。
タイプPおよびタイプSの画素配置について説明する。図3のベイヤー配列の繰り返し単位である2×2画素に着目すると、繰り返し単位の4画素の全てがタイプPの画素20G(P)、20B(P)、20R(P)、20G(P)からなるグループと、繰り返し単位の4画素の全てがタイプSの画素20G(S)、20B(S)、20R(S)、20G(S)からなるグループとに分けられる。このうち、繰り返し単位の4画素の全てがタイプPの画素20G(P)、20B(P)、20R(P)、20G(P)からなるグループを太い実線で囲んで示し、繰り返し単位の4画素の全てがタイプSの画素20G(S)、20B(S)、20R(S)、20G(S)からなるグループを太い破線で囲んで示す。
また、太い実線で囲んだグループと、太い破線で囲んだグループとは、それぞれが列方向(垂直方向)において連続して並ぶ。
一方、タイプSの画素20G(S)では、第1の制御信号φTx1が第2の転送トランジスタTx−2に供給されると、画素20G(S)の第2のフォトダイオードPD−2で生成された第2電荷がFD領域に転送される。FD領域に転送された第2電荷に基づいて第2信号が生成されることを示す。タイプSの画素20G(S)では、第2の制御信号φTx2が第1の転送トランジスタTx−1に供給されると、画素20G(S)の第1のフォトダイオードPD−1で生成された第1電荷がFD領域に転送される。FD領域に転送された第1電荷に基づいて第1信号が生成されることを示す。タイプSの画素20B(S)および20R(S)においても同様である。
なお、同一の画素列で垂直方向に並ぶ同一色の画素20に着目した場合、撮像素子3は、上記第1信号が読み出される列(図3のM列、M+1列、M+4列等)と、上記第2信号が読み出される列(図3のM+2列、M+3列等)とに分かれる。
本実施の形態のカメラ1は、焦点検出(合焦位置の検出)に用いる一対の焦点検出信号を、例えば、フォーカスエリアに含まれる画素行から読み出された、画素20Gの第1信号と第2信号とに基づいて生成する。フォーカスエリアは、焦点演算部10が位相差情報としての像ズレ量を検出するエリアであり、焦点検出エリア、測距点、オートフォーカス(AF)ポイントとも称される。
各画素行に対して1回の読み出しを行うだけでa系列の信号およびb系列の信号が得られるので、画素行からa系列の信号およびb系列の信号を得るために画素行に対して2回の読み出しが必要な場合と比べて、より早く像ズレ検出演算処理に進むことができる。このため、より早く焦点調節を行うことができる。
焦点演算部10は、上記a系列の信号とb系列の信号とに基づき、像ズレ検出演算処理(相関演算処理、位相差検出処理)を施すことによって複数の像の像ズレ量を算出し、像ズレ量に所定の変換係数を乗算することによってデフォーカス量を算出する。
撮像制御部4は、第2の読み出し後にFD領域の電位をリセットし、再び上記第1の読み出しと第2の読み出しとを繰り返し行わせる。これにより、カメラ1は、焦点調節を行いながらモニタ用画像の表示を行うことができる。
本実施の形態のカメラ1は、被写体像に関する画像データを、撮像領域31(図2)の各画素20から読み出された第1信号と第2信号とに基づいて生成する。マイクロプロセッサ9は、例えば、レリーズ釦が全押し操作されたことを示す操作信号が操作部9aから入力されると、撮像制御部4に記録用の撮像を指示する。記録用の撮像では、撮像素子3の各画素行に対し、垂直走査回路21および水平走査回路22から制御信号を供給し、画素間引きなしの第1の読み出しと第2の読み出しとを行う。
こうして、各画素20からは、第1信号と第2信号との加算された画像用の信号が読み出され、画像処理部13は、この画像用の信号を階調処理や色補間処理などを施して、被写体像に関する画像データを生成する。
また、第2の実施の形態におけるカメラ1は、第1の実施の形態と同様に、レンズ交換式であってもなくてもよい。また、スマートフォンやビデオカメラ等の撮像装置として構成してもよい。
なお、図7ではマイクロレンズMLの図示を省略した。
しかしながら、太い実線で囲んだグループと、太い破線で囲んだグループとが、列方向(垂直方向)においても交互に存在する点で、第1の実施の形態と相違する。
第2の実施の形態では、太い実線で囲んだグループと、太い破線で囲んだグループとが、いわゆる市松模様を構成する。
第2の実施の形態ではさらに、同一の画素列で垂直方向に並ぶ同一色の画素20に着目しても、撮影レンズ2の瞳の異なる領域を通過した光に基づく第1信号と第2信号とが同時に読み出される。例えば、M列で垂直方向に並ぶ画素20Gに着目する。垂直走査回路21が第1の制御信号φTx1を出力すると、N+4行にある画素20G(P)では第1電荷がFD領域に転送されて第1信号が生成される。N+2行にある画素20G(S)では第2電荷がFD領域に転送されて第2信号が生成される。N+4行M列の画素20G(P)で生成された第1信号およびN+2行M列の画素20G(S)で生成された第2信号は、同じ垂直信号線25に出力される。垂直走査回路21が第2の制御信号φTx2を出力すると、N+4行にある画素20G(P)では第2電荷がFD領域に転送されて第2信号が生成される。N+2行にある画素20G(S)では第1電荷がFD領域に転送されて第1信号が生成される。N+4行M列の画素20G(P)で生成された第2信号およびN+2行M列の画素20G(S)で生成された第1信号は、同じ垂直信号線25に出力される。M+1〜M+4列で垂直方向に並ぶ画素20G、M+1列、M+3列で垂直方向に並ぶ画素20B、M列、M+2列、M+4列で垂直方向に並ぶ画素20Rについても同様である。
また、第3の実施の形態におけるカメラ1は、第1の実施の形態と同様に、レンズ交換式であってもなくてもよい。また、スマートフォンやビデオカメラ等の撮像装置として構成してもよい。
なお、図10ではマイクロレンズMLの図示を省略した。
第3の実施の形態ではさらに、同一の画素列で垂直方向に並ぶ同一色の画素20に着目すると、撮影レンズ2の瞳の同じ領域を通過した光に基づく第1信号、または、第2信号が読み出される。
(変形例1) 第3の実施の形態の変形例1では、第3の実施の形態のタイプPおよびタイプSの画素配置に対し、一部を異ならせた例を説明する。図13は、第3の実施の形態の変形例1における、タイプPおよびタイプSの画素配置を例示する図である。図13において、ベイヤー配列の繰り返し単位である2×2画素に着目すると、繰り返し単位の4画素の上側2つにタイプPの画素20R(P)、20G(P)を配置し、下側2つにタイプSの画素20G(S)、タイプPの画素20B(P)を配置したグループと、繰り返し単位の4画素の上側2つにタイプSの画素20R(S)、20G(S)を配置し、下側2つにタイプPの画素20G(P)、タイプSの画素20B(S)を配置したグループとに分けられる。このうち、前者のグループを太い実線で囲んで示し、後者のグループを太い破線で囲んで示す。
なお、図13ではマイクロレンズMLの図示を省略した。
同じ列に垂直方向に並ぶ画素20を説明する回路図の図示は省略するが、各画素20が図示しないマイクロレンズおよびカラーフィルタの内側に光電変換部として第1および第2のフォトダイオードPD−1およびPD−2を有する点は、第3の実施の形態と同様である。
また、図13の垂直方向に並ぶ画素20のタイプが1画素ごとに異なる(タイプPとタイプSとを繰り返す)列と、垂直方向にタイプPまたはタイプSの画素20が並ぶ列とが交互に現れる点は、第3の実施の形態と異なる。
第3の実施の形態ではさらに、同一の画素列で垂直方向に並ぶ同一色の画素20に着目すると、撮影レンズ2の瞳の同じ領域を通過した光に基づく第1信号、または、第2信号が読み出される。
なお、タイプSの画素を撮像領域31の全域に配置し、そのうちフォーカスエリアに対応する領域について、第1の実施の形態、第2の実施の形態、第3の実施の形態、またはその変形例1で説明した画素配置と置換してもよい。
(1)撮像素子3は、マイクロレンズMLと、第1のフォトダイオードPD−1と、第2のフォトダイオードPD−2と、FD領域と、第1の転送トランジスタTx−1と、第2の転送トランジスタTx−2と、をそれぞれ有する画素20G(P)と、画素20B(S)と、画素20G(P)と、画素20B(P)とを有する。垂直走査回路21は、画素20G(P)の第1電荷と画素20B(P)の第1電荷とをFD領域に転送させる第1の制御信号φTx1を、画素20G(P)の第1の転送トランジスタTx−1と画素20B(P)の第1の転送トランジスタTx−1とに出力し、画素20G(P)の第2電荷と画素20B(P)の第2電荷とをFD領域に転送させる第2の制御信号φTx2を、画素20G(P)の第2の転送トランジスタTx−2と画素20B(P)の第2の転送トランジスタTx−2とに出力する。
画素20間の信号加算は、例えば、被写体の輝度が低い場合において信号レベルを高める場合に好適である。撮影レンズ2の瞳の異なる領域を通過した光に基づく第1信号と、第2信号とを読み出す場合に適用すると、像ズレ検出演算処理に用いる場合における信号のS/N比が高まるので、算出するデフォーカス量の精度を高めることができる。
ここで、同色の画素20の間で信号を加算するのは、他色の光に基づく信号が混合することを避けるためである。さらに、同じタイプ(例えばタイプS)の画素20の間で信号を加算するのは、撮影レンズ2の瞳の異なる領域を通過した光に基づく第1信号と第2信号とが混合することを避けるためである。
ここで、同色の画素20の間で電荷を加算するのは、他色の光に基づく電荷が混合することを避けるためである。さらに、同じタイプ(例えばタイプS)の画素20の間で電荷を加算するのは、撮影レンズ2の瞳の異なる領域を通過した光に基づく電荷が混合することを避けるためである。
図14(b)は、第2の読み出しによって第1の読み出しと同じ画素、すなわち、図3および図5のN行目の画素20Gから読み出されたa系列の信号と、画素20Gから読み出されたb系列の信号とを示す図である。図14(a)および図14(b)によれば、各画素20Gから、撮影レンズ2の瞳の異なる領域を通過した光に基づく第1信号と第2信号とが読み出される。第2の読み出しによるa系列の信号およびb系列の信号も、メモリ7に記憶される。
図14(c)は、図14(a)のa系列の信号およびb系列の信号と、図14(a)のa系列の信号およびb系列の信号とを、画素列を揃えて重ね合わせた図である。n個の第1信号A1,A2,…,Anを2つ合わせた計2n個の信号を、改めて第1信号a1,a2,…,a2nと称する。また、n個の第2信号B1,B2,…,Bnを2つ合わせた計2n個の信号を、改めて第2信号b1,b2,…,b2nと称する。
図14(c)によれば、重ね合わせ後の第1信号および第2信号は、それぞれ1列おきの信号として構成される。
第5の実施の形態におけるカメラ1は、第1の実施の形態から第4の実施の形態と同様に、レンズ交換式であってもなくてもよい。また、スマートフォンやビデオカメラ等の撮像装置として構成してもよい。
このように、マイクロプロセッサ9がデフォーカス量の大きさによって第1モードと第2モードとを切り替える。図15は、マイクロプロセッサ9が撮像制御部4に焦点調節用の撮像を指示する場合に実行する処理の流れを説明するフローチャートである。マイクロプロセッサ9は、例えば、レリーズ釦が半押し操作されたことを示す操作信号が操作部9aから入力されると、図15による処理を起動する。
なお、第1の読み出しの代わりに第2の読み出しを行わせてもよい。第2の読み出しでは、タイプPの画素20Gから第2信号が読み出され、タイプSの画素20Gから第1信号が読み出される。
第5の実施の形態におけるカメラ1は、デフォーカス量が大きいと第1モードを使用し、デフォーカス量が小さいと第2モードを使用する。すなわち、デフォーカス量が大きいときは第1モードで焦点調節を高速で行い、デフォーカス量が小さくなってくると第2モードで焦点調節を精度良く行う。これにより、焦点調節の所要時間を短くするとともに、焦点調節を高精度で行うことができる。
図16は、マイクロプロセッサ9が撮像制御部4に焦点調節用の撮像を指示する場合に実行する処理の流れを説明するフローチャートである。マイクロプロセッサ9は、例えば、レリーズ釦の半押し操作を示す操作信号が操作部9aから入力されると、図16による処理を起動する。
なお、第1の読み出しの代わりに第2の読み出しを行わせてもよい。第2の読み出しでは、タイプPの画素20Gから第2信号が読み出され、タイプSの画素20Gから第1信号が読み出される。
この第2モードでは、焦点検出信号、すなわち重ね合わせの第1信号および第2信号の信号ピッチが小さく、すなわち解像度が高いので、高精度の焦点調節が可能となる。
マイクロプロセッサ9は、例えば、レリーズ釦が半押し操作されたことを示す操作信号が操作部9aから入力されると、図17による処理を起動する。
図17における他の処理は、例2の図6の処理と同様である。
また、複数の画素20と垂直走査回路21と水平走査回路22とは1層目の基板に配置し、CDS回路27と出力アンプ29とは2層目の基板に配置してもよい。
さらにまた、積層センサは3層以上にしてもよい。
日本国特許出願2017年第75177号(2017年4月5日出願)
Claims (2)
- マイクロレンズを透過した光を光電変換して第1電荷を生成する第1光電変換部と、前記マイクロレンズを透過した光を光電変換して第2電荷を生成する第2光電変換部と、前記第1電荷と前記第2電荷との少なくとも一方を蓄積する蓄積部と、前記第1電荷を前記蓄積部に転送する第1転送部と、前記第2電荷を前記蓄積部に転送する第2転送部とを、それぞれ有する第1画素と第2画素と、
前記第1画素の前記第1電荷と前記第2画素の前記第2電荷とを前記蓄積部に転送させる信号を、前記第1画素の前記第1転送部と前記第2画素の前記第2転送部とに出力する制御部と、
を有する撮像素子。 - 請求項1から22のいずれか一項に記載の撮像素子と、
焦点調節光学系を有する光学系による像を撮像する前記撮像素子の前記第1画素と前記第2画素から出力される前記第1電荷に基づく信号と前記第2電荷に基づく信号とに基づいて、前記光学系による像が前記撮像素子に合焦するよう前記焦点調節光学系の位置を制御する位置制御部と、
を備える撮像装置。
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