JP4804027B2 - 焦点検出用固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明はカメラの焦点検出装置に用いられる焦点検出（以下、ＡＦとも言う）用固体撮像装置に関する。

カメラの位相差検出焦点検出方式に用いられている従来の固体撮像装置について以下で述べる。焦点検出の対象物である被写体を固体撮像装置上のフォトセンサアレイに投影し、光電変換後の電気信号出力を画像として得る。フォトダイオードで生じた光電荷は電荷電圧変換され、信号保持用のコンデンサに蓄積される。蓄積処理において、被写体のコントラストが広域に広がるため、出力値の最大値をモニタして蓄積時間を制御する自動利得制御（ピークモニタ制御方式）が一般的に行われている（特許文献１を参照）。

蓄積終了後、得られた画像信号はＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）に入力され、マイコンで演算処理される。マイコンで演算処理された後、焦点検出の対象物までの距離がわかればレンズを制御するモーターを駆動して焦点を合わせる。ＡＤＣの入力ダイナミックレンジを有効に使うため、固体撮像装置から出力される画像信号には信号処理が施される。信号処理には、フォトダイオードアレイ出力の特定のレベルを任意の出力基準電位に合わせるレベルシフト処理と、レベルシフト処理された信号にゲインを印加するゲイン処理がある。レベルシフト処理では、フォトセンサアレイに配置されたＯＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌａｃｋ）画素のレベルと任意の出力基準電圧を合わせることが一般に行われる（ダーク基準出力）。

上記、ピークモニタ制御とダーク基準出力を組み合わせた位相差検出の場合、低コントラストな被写体では出力振幅が小さくなり、焦点検出が行えない可能性がある。そこで、出力の最大値と最小値（ボトム）の差分をモニタして蓄積時間を制御し、かつ出力基準レベルと出力の最小値を比較してレベルシフト量を決めるピークボトム基準出力が用いられる。（特許文献２を参照）

従来例として図１０において、ピークモニタ制御とダーク基準出力の組み合わせ、および、図１１では、ピークボトムモニタ制御とピークボトム基準出力の組み合わせた例を示す。各例では、増幅回路への入力信号およびレベルシフト処理、ゲイン処理が施された出力を示している。ピークモニタ制御とダーク基準出力の組み合わせでは、フォトセンサアレイ出力の最大値が蓄積終了電位に達すると蓄積を終了する。蓄積終了後、ＯＢ画素レベルと出力基準電位が一致するようにレベルシフトし、ゲインを印加する。ピークボトムモニタ制御とピークボトム基準出力の組み合わせでは、フォトセンサアレイ出力の最大値と最小値の差分が蓄積終了電位に達すると蓄積を終了する。蓄積終了後、フォトセンサアレイ出力の最小値と出力基準電位が一致するようにレベルシフトし、ゲインを印加する。
特開昭６１−４５６８５号公報 特開２００３−１０７３４０号公報

上記ダーク基準出力では、低コントラストな被写体において出力振幅が小さくなり焦点検出が行えなくなる可能性がある。上記ピークボトム基準出力では、低コントラストな被写体においても大きな出力振幅が得られるが、ボトム検出回路が必要になりチップ面積、消費電力が増大する。本発明は、このような従来の事情を考慮してなされたもので、ボトム検出回路を用いずに低コントラストな被写体においても大きな出力振幅が得られることを目的とする。

本発明は、１対を成す複数のフォトセンサアレイと、
前記複数のフォトセンサアレイの各画素から出力された信号中の最大値信号が蓄積終了電位に達した時点で、前記複数のフォトセンサアレイの光電荷の蓄積終了を決定する制御手段と、
前記複数のフォトセンサアレイの各画素から出力される信号を、前記最大値信号を出力基準電位に合わせるようレベルシフトするレベルシフト手段と、
前記レベルシフト手段を用いてレベルシフトされた前記複数の信号を増幅して出力する増幅手段と、
からなることを特徴とする焦点検出用固体撮像装置。

本発明ではフォトセンサアレイ対の信号出力の最大値と出力基準電位が一致するようにレベルシフトを行った後、ゲインを印加するピーク基準出力が可能である。図９に本発明の効果を示す。図９は、前記ピークモニタ制御と上記ピーク基準出力を組み合わせており、低コントラストな被写体を焦点検出する例を示している。低コントラストな被写体なので、蓄積終了後のフォトセンサアレイ出力振幅は小さい。しかし、フォトセンサアレイ対の信号出力の最大値を出力基準レベルに合わせてゲインを印加すると、図９に示すように大きな振幅の出力信号を得ることができる。

本発明のレベルシフト手段を用いることで、ボトム検出回路を用いなくても、低コントラストな被写体においても振幅の大きな出力を得ることができる。その結果、捕捉率（焦点検出の成功率）が向上する。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
本発明の実施の形態について図１を用いて説明する。図１は、本発明の焦点検出用固体撮像装置と外部制御ブロックを示したブロック図である。

図１において、フォトセンサアレイは被写体の画像信号を出力する撮像素子である。ＡＦ信号増幅回路はフォトセンサアレイの出力をレベルシフトし、ゲインを印加する回路である。基準電位発生回路はバンドギャップ基準電圧を発生する回路である。中間電位発生回路はバンドギャップ基準電圧を元に、蓄積終了電位、出力基準電位などの本固体撮像装置内の各中間電位を生成する回路である。ＡＧＣ（Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路はフォトセンサアレイの最大出力をモニタし、蓄積終了判定信号を出力する回路である。ロジック回路はフォトセンサアレイの駆動を制御する回路である。本固体撮像装置は外部マイコンで制御され、本固体撮像装置の出力は外部ＡＤＣに入力される。

図１のＡＦ信号増幅回路の回路図を図２に示す。

図２の１はＡＦ信号増幅回路の入力端子であり、フォトセンサアレイの出力が入力される。２はレベルシフト用の容量である。３はレベルシフト用のスイッチである。４は出力基準電位の入力である。５、６はゲイン量を決定するための可変抵抗である。７はオペアンプである。８は増幅回路の出力端子である。

レベルシフトを実現するには、ＣＭＯＳソースフォロワ回路などいくつかの手段が考えられる。本実施例のレベルシフト手段は、容量とスイッチという比較的シンプルな構造で構成されている。このシンプルな構造でレイアウト面積の低減を図ることができる。

図２のダーク基準出力における駆動シーケンスを図３に、また図２のピーク基準出力における駆動シーケンスを図４に示す。

レベルシフト手段のシーケンスを以下に述べる。まずダーク基準出力について述べる。ダーク基準出力では、基準電位がダーク基準出力電位Ｖｄに設定されている。出力ダイナミックレンジを広げるため、通常ＶｄはＧＮＤに近い電位にする。図２の増幅回路入力端子にＯＢ画素の電位Ｖｏｂが入力されるタイミングで、スイッチをＯＮにする。次に、ＯＢ画素の電位Ｖｏｂが入力されている間にスイッチをＯＦＦにする。すると容量にはＶｏｂ−Ｖｄの電圧が保持される。画像信号Ｖｎ（ｎ＝１，２，‥）が入力されるので、ＶｏｕｔｎはＶｏｕｔｎ＝Ｇａｉｎ×（Ｖｎ−Ｖｏｂ）＋Ｖｄ（ｎ＝１，２，‥）となる。

次にピーク基準出力について述べる。ピーク基準出力では、基準電位がピーク基準出力電位Ｖｐに設定されている。出力ダイナミックレンジを広げるため、通常ＶｄはＶＤＤに近い電位にする。図２の増幅回路入力端子にピーク出力の電位Ｖｐｅａｋが入力されるタイミングでスイッチをＯＮにする。次に、画像信号Ｖｎ（ｎ＝１，２，‥）が入力される前にスイッチをＯＦＦにする。次に、ピーク信号の電位Ｖｐｅａｋが入力されている間にスイッチをＯＦＦにする。すると容量にはＶｐｅａｋ−Ｖｐの電圧が保持されているので、増幅回路の出力ＶｏｕｔｎはＶｏｕｔ＝Ｇａｉｎ×（Ｖｎ−Ｖｐｅａｋ）＋Ｖｐ（ｎ＝１，２，‥）となる。

低コントラストな被写体では、画像出力Ｖｎの振幅が小さく、さらにＶｎの平均値が蓄積終了レベル付近に分布するので、Ｖｎの平均値とＶｏｂの差は大きく、Ｖｎの平均値とＶｐｅａｋの差が小さい。Ｖｎの振幅を大きくするために、Ｇａｉｎを大きくする場合を考える。ダーク基準出力では、Ｖｎ−Ｖｏｂの値が大きいので、Ｇａｉｎを大きくすることができない。Ｇａｉｎを大きくすると、増幅回路の上限出力を超え増幅回路の出力が飽和するからである。

一方ピーク基準出力では、ＶｎとＶｐｅａｋの差が小さいので十分大きなＧａｉｎを設定することができる。Ｇａｉｎが大きければＶｎの振幅が大きく増幅され、ＡＤＣで変換された後の演算処理でＡＦ捕捉率を上げることができる。

本実施例では、ダーク基準出力とピーク基準出力を組み合わせて使用することで、従来のダーク基準出力ではＡＦ捕捉率が低かった低コントラストな被写体に対してもＡＦ捕捉率の向上を実現している。演算の簡略化のため、ダーク基準出力あるいはピーク基準出力のどちらかのみを使用することも可能である。

本実施例ではオペアンプと可変抵抗を用いて反転増幅回路を形成しているが、正転増幅回路に置き換えることも可能である。その場合、Ｖｄを電源電圧に近い電位に、またＶｐをＧＮＤに近い電位に設定する必要がある。

図１のフォトセンサアレイ出力およびＡＧＣ回路を図５に示す。

図５において、９はフォトダイオードの出力レベルの入力端子である。１０はオペアンプである。１１はドレインが電源に接続されたＮＭＯＳである。１２ａ，１２ｂは定電流源である。１３はスイッチである。９〜１３はフォトセンサアレイの各画素についてそれぞれ設けられている。スイッチ１３ａ，１３ｂにそれぞれ接続される、９〜１２は本図では省略している。１４は蓄積終了電位の入力端子である。１５はコンパレーターである。１６は蓄積終了判定結果を出力する端子である。

画素信号の出力およびＡＧＣ（Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）動作について以下に述べる。フォトダイオードの出力をオペアンプに入力し、ソースフォロワを形成するＮＭＯＳのゲートを駆動する。ソースフォロワの出力はオペアンプにフィードバックされるため、ソースフォロワの閾値ばらつき補正が可能である。各画素信号をＡＦ信号増幅回路に入力する際には電流源１２ｂをＯＮ、電流源１２ａをＯＦＦする。またＡＧＣ（Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）動作の場合には電流源１２ｂをＯＦＦ、電流源１２ａをＯＮにする。ＡＧＣ（Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）動作の場合、ＮＭＯＳのソースはスイッチを介して共通の電流源１２ａで駆動されるので、ソースフォロワの出力として各画素の最大電圧が得られる。またスイッチの開閉により全有効画素あるいは中央部分の画素に対してＡＧＣを行うことができる。各画素の最大値出力がコンパレーターに入力され、蓄積終了レベルに達するとコンパレーター出力の判定信号が反転する。

（第２の実施形態）
図６は、ＡＦ信号増幅回路の第２の実施形態を示す図である。

図６において図２と同様のものについては説明を省略する。図６において１７は３と同じタイミングで動作するスイッチである。

第２の実施形態においても上記第１の実施形態と同じシーケンス動作を行える。第１の実施形態と異なる点は、オペアンプのユニティゲイン出力を得るために、スイッチ１７が追加されている点である。オペアンプのユニティゲイン出力と出力基準電位の差分を記録するので、オペアンプが持つＤＣオフセットを取り除くことが可能である。

本実施形態では、オペアンプと可変抵抗を用いて反転増幅回路を形成しているが、正転増幅回路に置き換えることも可能である。その場合、Ｖｄを電源電圧に近い電位に、またＶｐをＧＮＤに近い電位に設定する必要がある。

（第３の実施形態）
図７は、ＡＦ信号増幅回路の第３の実施形態を示す図である。

図７において図２と同様のものについては説明を省略する。図７において１８と１９はゲイン量を決定する可変容量である。２０は３と同じタイミングで動作するスイッチである。第１の実施形態および第２の実施形態では、オペアンプの出力端子と４の端子間に電流が流れる。この電流はオペアンプが駆動するので、オペアンプの消費電流に関わる。したがって、オペアンプの消費電流を下げるためには、図２の可変抵抗５、６の抵抗値を上げることを考える。しかしながら、通常抵抗素子はレイアウトに関係する寄生容量を持つ。したがって抵抗値が大きくなればレイアウト面積が増え、寄生容量が増える。その結果、オペアンプの駆動負荷が増え、オペアンプの設計難易度が上がってしまう。本実施形態では、オペアンプのゲイン設定に可変容量を用いることで、オペアンプの出力端子と４の端子間に電流が流れなくなるので、消費電流を抑えることができる。

第３の実施形態においても、第１の実施形態と同じシーケンス動作を行える。第１の実施形態と異なる点は、フィードバック容量をリセットするために、スイッチ２０が追加されている点である。スイッチ２０はスイッチ３と同じタイミングで動作する。

本実施形態では、オペアンプと可変容量を用いて反転増幅回路を形成しているが、正転増幅回路に置き換えることも可能である。その場合、Ｖｄを電源電圧に近い電位に、またＶｐをＧＮＤに近い電位に設定する必要がある。

本実施形態と第２の実施形態を組み合わせることも可能である。
すなわち、ゲイン設定に可変容量を用い、オペアンプのユニティゲイン出力と出力基準電位の差分を記録してオペアンプのオフセットを除去できる回路構成にすることも可能である。

（第４の実施形態）
次に、第１〜第３の実施形態で説明した焦点検出用固体撮像装置を用いた撮像装置について説明する。図８は第４の実施形態を説明するため、固体撮像素子をレンズシャッタディジタルコンパクトカメラ（撮像装置）に用いた場合の一実施形態を示すブロック図である。同図において、２０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、２０２は被写体の光学像を固体撮像素子２０４に結像するレンズである。更に、２０３はレンズ２０２を通った光量を可変するための絞り、２０４はレンズ２０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子である。

また、２０５は第１の実施形態で説明した焦点検出用固体撮像装置に、測光を行うＡＥセンサ回路を追加したＡＥＡＦ用固体撮像装置である。２０６は固体撮像素子２０４からの信号を処理する撮像信号処理回路、２０７は画像信号、ＡＥ信号、ＡＦ信号をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器である。

更に、２０８はＡ／Ｄ変換器２０７より出力された画像データに各種の補正やデータを圧縮する信号処理部である。更に、２０９は固体撮像素子２０４、撮像信号処理回路２０６、Ａ／Ｄ変換器２０７、信号処理部２０８等に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部である。更に、２１０は各種演算とカメラ全体を制御する全体制御・演算部、２１１は画像データを一時的に記憶するためのメモリー部である。

更に、２１２は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、２１３は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。そして、２１４は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。

次に、このようなレンズシャッタディジタルコンパクトカメラの撮影時の動作について説明する。バリア２０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器２０７等の撮像系回路の電源がオンされる。

固体撮像装置２０５のＡＦ回路ブロックから出力された信号を基に三角焦点検出法により被写体までの距離の演算を全体制御・演算部２１０で行う。その後、レンズ２０２の繰り出し量を算出し、レンズ２０２を所定の位置まで駆動して合焦させる。

次いで、露光量を制御するために、固体撮像装置２０５のＡＥセンサから出力された信号をＡ／Ｄ変換器２０７で変換した後、信号処理部２０８に入力し、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部２１０で行う。この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部２１０は絞り２０３とシャッタスピードを調節する。

その後、露光条件が整った後に固体撮像素子２０４での本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子２０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器２０７でＡ／Ｄ変換され、信号処理部２０８を通り全体制御・演算部２１０によりメモリ部２１１に書き込まれる。その後、メモリ部２１１に蓄積されたデータは全体制御・演算部２１０の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部２１２を通り着脱可能な記録媒体２１３に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部２１４を通り直接コンピュータ等に入力してもよい。

なお、本発明のＡＥＡＦ用固体撮像装置はディジタルコンパクトカメラだけでなく、銀塩カメラ、更には液晶プロジェクタ用のピント調節装置にも使用できる。

本発明の第１実施形態における焦点検出用固体撮像装置の全体と周辺部を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態における焦点検出用固体撮像装置の主要部を示す回路図である。 本発明の第１実施形態における焦点検出用固体撮像装置の駆動タイミングを示す図である。 本発明の第１実施形態における焦点検出用固体撮像装置の駆動タイミングを示す図である。 本発明の第１実施形態における焦点検出用固体撮像装置の一部を示す回路図である。 本発明の第２実施形態における焦点検出用固体撮像装置の主要部を示す回路図である。 本発明の第３実施形態における焦点検出用固体撮像装置の主要部を示す回路図である。 本発明の第４実施形態を示すシステムブロック図である。 本発明の効果を示す図である。 従来例を示す図である。 従来例を示す図である。

符号の説明

１ ＡＦ信号増幅回路入力
２ 容量
３、１３、１７、２０ スイッチ
４ 出力基準電圧
５、６ 抵抗素子
７、１０ オペアンプ
８ ＡＦ信号増幅回路出力
９ フォトダイオード出力
１１ ＮＭＯＳ
１２ 定電流源
１４ 蓄積終了電圧
１５ コンパレーター
１６ 蓄積終了判定出力
１８、１９ 容量素子

Claims (7)

1. １対を成す複数のフォトセンサアレイと、
   前記複数のフォトセンサアレイの各画素から出力された信号中の最大値信号が蓄積終了電位に達した時点で、前記複数のフォトセンサアレイの光電荷の蓄積終了を決定する制御手段と、
   前記複数のフォトセンサアレイの各画素から出力される信号を、前記最大値信号を出力基準電位に合わせるようレベルシフトするレベルシフト手段と、
   前記レベルシフト手段を用いてレベルシフトされた前記複数の信号を増幅して出力する増幅手段と、を有し、
   前記レベルシフト手段は、
   演算増幅器と、
   前記演算増幅器の非反転入力端子と前記画素との間に電気的に接続されたレベルシフト容量と、
   前記演算増幅器の非反転入力端子にその一方の端子が電気的に接続されたスイッチと、
   前記演算増幅器の反転入力端子と、前記スイッチの他方の端子との間に電気的に接続された第１の可変抵抗素子と、
   前記演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に電気的に接続された第２の可変抵抗素子と、
   前記スイッチの他方の端子に電気的に接続され、前記出力基準電位が供給される入力端子と、
   を有することを特徴とする焦点検出用固体撮像装置。
2. １対を成す複数のフォトセンサアレイと、
   前記複数のフォトセンサアレイの各画素から出力された信号中の最大値信号が蓄積終了電位に達した時点で、前記複数のフォトセンサアレイの光電荷の蓄積終了を決定する制御手段と、
   前記複数のフォトセンサアレイの各画素から出力される信号を、前記最大値信号を出力基準電位に合わせるようレベルシフトするレベルシフト手段と、
   前記レベルシフト手段を用いてレベルシフトされた前記複数の信号を増幅して出力する増幅手段と、を有し、
   前記レベルシフト手段は、
   演算増幅器と、
   前記演算増幅器の非反転入力端子と前記画素との間に電気的に接続されたレベルシフト容量と、
   前記演算増幅器の非反転入力端子にその一方の端子が電気的に接続されたスイッチと、
   前記演算増幅器の反転入力端子と、前記スイッチの他方の端子との間に電気的に接続された第１の可変容量素子と、
   前記演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に電気的に接続された第２の可変容量素子と、
   前記スイッチの他方の端子に電気的に接続され、前記出力基準電位が供給される入力端子と、
   を有することを特徴とする焦点検出用固体撮像装置。
3. 前記最大値信号が前記レベルシフト容量に供給されている期間に、前記スイッチを導通状態から非導通状態に切り換えた後、
   前記画素からの信号を前記レベルシフト容量に供給すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の焦点検出用固体撮像装置。
4. 前記レベルシフト手段において、レベルシフト量を決定する演算は画像信号が前記増幅手段に入力される直前に行われることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の焦点検出用固体撮像装置。
5. 前記制御手段は、前記複数のフォトセンサアレイのそれぞれの中心部分の最大値信号を検出することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の焦点検出用固体撮像装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の焦点検出用固体撮像装置は、位相差検出方式の焦点検出に用いられることを特徴とする焦点検出用固体撮像装置。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の焦点検出用固体撮像装置と、光学像を画像撮像用固体撮像素子に結像させるためのレンズと、前記レンズを通る光量を可変するための絞りとを有することを特徴とするカメラ。

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