JP4957413B2 - Solid-state imaging device and imaging apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device and an imaging apparatus using the same.
近年、ビデオカメラや電子カメラ等の撮像装置が広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD型や増幅型などの固体撮像素子が使用されている。これらの固体撮像素子は、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部を有する画素がマトリクス状に複数配置されている。 In recent years, imaging devices such as video cameras and electronic cameras have been widely spread. These cameras use a solid-state imaging device such as a CCD type or an amplification type. In these solid-state imaging devices, a plurality of pixels having a photoelectric conversion unit that generates a signal charge according to the amount of incident light are arranged in a matrix.
増幅型の固体撮像素子では画素の光電変換部にて生成・蓄積された信号電荷を画素に設けられた増幅部に導き、増幅部で増幅した信号を画素から出力する。そして、増幅型の固体撮像素子には、例えば増幅部に接合型電界効果トランジスタを用いた固体撮像素子(特許文献1、2)や、増幅部にMOSトランジスタを用いたCMOS型固体撮像素子(特許文献3)などが提案されている。
In the amplification type solid-state imaging device, signal charges generated and stored in the photoelectric conversion unit of the pixel are guided to an amplification unit provided in the pixel, and a signal amplified by the amplification unit is output from the pixel. As the amplification type solid-state imaging device, for example, a solid-state imaging device using a junction field effect transistor in the amplification unit (
ところで、電子カメラにおいて自動焦点調節を実現するためには撮像レンズの焦点調節状態を検出する必要がある。従来は、撮像に用いる固体撮像素子とは別個に焦点検出素子が設けられていた。しかし、その場合には焦点検出素子やこれに光を導く焦点検出用光学系の分だけコストが増大し、またその分だけ装置が大型化する。 By the way, in order to realize automatic focus adjustment in an electronic camera, it is necessary to detect the focus adjustment state of the imaging lens. Conventionally, a focus detection element is provided separately from a solid-state image sensor used for imaging. However, in that case, the cost increases by the focus detection element and the focus detection optical system that guides light to the focus detection element, and the size of the device increases accordingly.
そこで、近年、焦点検出方式としていわゆる瞳分割位相差方式を採用し焦点検出素子としても兼用できるように構成された固体撮像素子が提案されている(例えば、特許文献4)。 Therefore, in recent years, a solid-state imaging device has been proposed which is configured to adopt a so-called pupil division phase difference method as a focus detection method and also to be used as a focus detection device (for example, Patent Document 4).
特許文献4に開示された固体撮像素子では、被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する撮像用画素とは別に、焦点調節状態を示す焦点検出用信号(「AF信号」とも称す。)を生成する焦点検出用画素(「AF用画素」とも称す。)が複数配置されている。この固体撮像素子では、AF用画素は、2分割された光電変換部を有している。このような光電変換部上に、マイクロレンズが画素に対して1対1に設けられている。2分割された光電変換部は、マイクロレンズによって撮像レンズの射出瞳と略結像関係(すなわち、略共役)となる位置に配置されている。したがって、撮像レンズの射出瞳とマイクロレンズとの間の距離はマイクロレンズの大きさに対して十分に長いことから、2分割された光電変換部は、マイクロレンズの略焦点位置に配置されていることになる。以上述べた関係から、各画素において、2分割された光電変換部の一方部分は、撮像レンズの射出瞳の一部の領域であって射出瞳の中心から所定方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。また、各AF用画素において、2分割された光電変換部の他方部分は、撮像レンズの射出瞳の一部であって射出瞳の中心から反対方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
In the solid-state imaging device disclosed in
このようなAF用画素は、固体撮像素子の有効画素領域に均一に配置されるのではなく、上下、左右に或いは中央に部分的に配置されるのが一般的である。このように配置されるのは、AF用の信号を効率的に生成し、且つ、出来る限り撮像用画素を増大させるためである。 In general, such AF pixels are not arranged uniformly in the effective pixel region of the solid-state imaging device, but are partially arranged vertically, horizontally, or partially in the center. The reason for this arrangement is to generate AF signals efficiently and increase the number of imaging pixels as much as possible.
そして、特許文献4に開示された固体撮像素子では、撮像用画素にはカラーフィルタが設けられる一方、AF用画素にはカラーフィルタは設けられていない(特許文献4の段落[0063],[0064])。
しかしながら、特許文献4に開示されたような固体撮像素子を用いて実際に撮像すると、均一な輝度を持つ被写体を撮像したにも拘わらずに、輝度が他と比べて増大する領域が生じてしまった。さらに解析してみると、その領域は、AF用画素が配置されている領域の付近の領域であった。
However, when an image is actually picked up using a solid-state imaging device as disclosed in
すなわち、AF用画素付近の撮像用画素と、AF用画素付近以外の領域の撮像用画素とに同一の光を入射させても、両者の間で得られる撮像用信号の大きさに差が生じていた。その結果、AF用画素の配列に沿ってくっきりと線状に輝度の高い領域が出来てしまい、画像として品質の悪いものとなってしまっていた。 That is, even if the same light is incident on the imaging pixels near the AF pixels and the imaging pixels in the region other than the AF pixels, there is a difference in the magnitude of the imaging signal obtained between them. It was. As a result, a high-brightness region is clearly formed in a line along the AF pixel array, resulting in poor quality images.
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、焦点検出用画素に対する入射光量を増大させて焦点検出の精度を高めるという効果をある程度確保しつつ、焦点検出用画素付近の撮像用画素から得られる撮像用信号と、焦点検出用画素付近以外の領域の撮像用画素から得られる撮像用信号との間の差を低減することができ、ひいては、高品質の画像を得ることができる固体撮像素子、及び、これ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 problems, and is intended for imaging in the vicinity of a focus detection pixel while ensuring to some extent the effect of increasing the amount of incident light to the focus detection pixel and improving the accuracy of focus detection. The difference between the imaging signal obtained from the pixel and the imaging signal obtained from the imaging pixel in a region other than the vicinity of the focus detection pixel can be reduced, and thus a high-quality image can be obtained. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and an imaging apparatus using the same.
本発明者は、鋭意研究の結果、上記問題点の原因を突き止めるに至った。前述した従来の固体撮像素子では、前述したように、AF用画素においてカラーフィルタが除去されている。これにより、AF用画素においては、青い成分である短い波長の光から、赤い成分である長い波長の光まで入射されるので、AF用画素に対する入射光量が増大し、ひいては焦点検出の精度が高まるという優れた効果を奏する。 As a result of intensive studies, the present inventors have found the cause of the above problems. In the conventional solid-state imaging device described above, as described above, the color filter is removed from the AF pixel. As a result, in the AF pixel, light from a short wavelength, which is a blue component, to a long wavelength light, which is a red component, is incident, so that the amount of light incident on the AF pixel is increased, and thus the accuracy of focus detection is improved. There is an excellent effect.
しかしながら、AF用画素において、赤色の様に長い波長の光の成分まで入射されることになる。このような光は、入射される面より深くまで半導体中に進入して光電変換されることになる。半導体基板の深い位置で発生した電荷は、ドリフトによって四方八方に移動する。ドリフトした電荷が当該AF用画素に配置された電荷蓄積層に捕捉されるなら、特に問題は生じない。しかし、電荷の発生する位置が深いほど、当該AF用画素では捕捉されず、隣接する撮像用画素の電荷蓄積層に捕捉される成分が増大する。上記の問題は、この現象によって生じていたのである。 However, in the AF pixel, a light component having a long wavelength such as red is incident. Such light enters the semiconductor deeper than the incident surface and is photoelectrically converted. The electric charges generated in the deep position of the semiconductor substrate move in all directions due to drift. If the drifted charge is trapped in the charge storage layer disposed in the AF pixel, no particular problem occurs. However, as the position where charge is generated is deeper, the component that is not captured by the AF pixel and is captured by the charge storage layer of the adjacent imaging pixel increases. The above problem was caused by this phenomenon.
いわゆるクロストークではあるが、一般的に称されるクロストークとは異なる。つまり、本現象は、AF用画素からその付近の撮像用画素へ混入する電荷によって生ずるものである。AF画素は、有効画素領域の特定領域に配置される。したがって、有効画素領域におけるAF用画素が配置された領域に沿って、くっきりと線状に輝度の高い領域が観察されていたのである。 Although it is so-called crosstalk, it is different from generally called crosstalk. That is, this phenomenon is caused by charges mixed from the AF pixel to the imaging pixel in the vicinity thereof. The AF pixel is arranged in a specific area of the effective pixel area. Therefore, a clear and high-bright area is observed along the area where the AF pixels are arranged in the effective pixel area.
本発明は、このような前記問題点の原因究明の結果としてなされたものである。すなわち、前記課題を解決するため、本発明の第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、2次元状に配置され各々が入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部を有する複数の画素を備え、前記複数の画素は、前記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複数の撮像用画素と、前記光学系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複数の焦点検出用画素と、を含み、前記撮像用画素は第1乃至第3のグループに分けられ、前記第1のグループの前記撮像用画素には赤色カラーフィルタが設けられ、前記第2のグループの前記撮像用画素には緑色カラーフィルタが設けられ、前記第3のグループの前記撮像用画素には青色カラーフィルタが設けられ、前記焦点検出用画素には、前記赤色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ及び前記青色カラーフィルタのいずれとも異なる光透過特性を有する光学フィルタが設けられ、420nm以上500nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率は30%以上であり、590nm以上650nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率は30%以下であるものである。 The present invention has been made as a result of investigating the cause of such problems. That is, in order to solve the above-described problem, the solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention is a solid-state imaging device that photoelectrically converts a subject image formed by an optical system, and is arranged in a two-dimensional manner. A plurality of pixels having a photoelectric conversion unit that generates and accumulates charges according to incident light, and the plurality of pixels outputs a plurality of imaging signals for forming an image signal indicating the subject image; A plurality of focus detection pixels that output a focus detection signal for detecting a focus adjustment state of the optical system, and the imaging pixels are divided into first to third groups, The imaging pixels in the first group are provided with a red color filter, the imaging pixels in the second group are provided with a green color filter, and the imaging pixels in the third group are blue. Karafu The focus detection pixel is provided with an optical filter having a light transmission characteristic different from any of the red color filter, the green color filter, and the blue color filter, and in a wavelength range of 420 nm to 500 nm. The transmittance of the optical filter is 30% or more, and the transmittance of the optical filter in the wavelength range of 590 nm to 650 nm is 30% or less.
前記第1の態様において、410nm以上510nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率が30%以上であることがより好ましく、400nm以上520nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率が30%以上であることがより一層好ましい。また、前記第1の態様において、570nm以上650nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率が30%以下であることがより好ましく、550nm以上650nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率は30%以下であることがより一層好ましい。 In the first aspect, the transmittance of the optical filter in a wavelength region of 410 nm to 510 nm is more preferably 30% or more, and the transmittance of the optical filter in a wavelength region of 400 nm to 520 nm is 30% or more. Is more preferable. In the first aspect, the transmittance of the optical filter in the wavelength region of 570 nm to 650 nm is more preferably 30% or less, and the transmittance of the optical filter in the wavelength region of 550 nm to 650 nm is 30%. % Or less is even more preferable.
本発明の第2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、2次元状に配置され各々が入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部を有する複数の画素を備え、前記複数の画素は、前記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複数の撮像用画素と、前記光学系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複数の焦点検出用画素と、を含み、前記撮像用画素は第1乃至第3のグループに分けられ、前記第1のグループの前記撮像用画素には赤色カラーフィルタが設けられ、前記第2のグループの前記撮像用画素には緑色カラーフィルタが設けられ、前記第3のグループの前記撮像用画素には青色カラーフィルタが設けられ、前記焦点検出用画素には、前記赤色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ及び前記青色カラーフィルタのいずれとも異なる光透過特性を有する光学フィルタが設けられ、前記光学フィルタの、400nm以上600nm以下の波長域における透過率の波長に関する積分値は、前記緑色カラーフィルタの当該積分値及び前記青色カラーフィルタの当該積分値のいずれよりも大きく、前記光学フィルタの、600nm以上700nm以下の波長域における透過率の波長に関する積分値は、前記赤色カラーフィルタの当該積分値よりも小さいものである。 The solid-state imaging device according to the second aspect of the present invention is a solid-state imaging device that photoelectrically converts a subject image formed by an optical system, and is arranged in a two-dimensional manner, and each generates a charge corresponding to incident light. A plurality of pixels each having a photoelectric conversion unit that accumulates, the plurality of pixels including a plurality of imaging pixels that output an imaging signal for forming an image signal indicating the subject image; and focus adjustment of the optical system A plurality of focus detection pixels that output a focus detection signal for detecting a state, and the imaging pixels are divided into first to third groups, and the imaging pixels of the first group Is provided with a red color filter, the second group of imaging pixels is provided with a green color filter, and the third group of imaging pixels is provided with a blue color filter, and the focus detection Drawing Is provided with an optical filter having a light transmission characteristic different from any of the red color filter, the green color filter, and the blue color filter, and relates to a wavelength of transmittance of the optical filter in a wavelength range of 400 nm to 600 nm. The integral value is larger than both the integral value of the green color filter and the integral value of the blue color filter, and the integral value of the optical filter in the wavelength region of 600 nm to 700 nm is It is smaller than the integral value of the red color filter.
本発明の第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、600nm以上650nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率は、20%以下であるものである。 In the solid-state imaging device according to the third aspect of the present invention, in the second aspect, the transmittance of the optical filter in a wavelength region of 600 nm or more and 650 nm or less is 20% or less.
本発明の第4の態様による固体撮像素子は、前記第2又は第3の態様において、410nm以上550nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率は、40%以上であるものである。 In the solid-state imaging device according to the fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect, the transmittance of the optical filter in a wavelength region of 410 nm or more and 550 nm or less is 40% or more.
本発明の第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、前記光学フィルタは、シアン色のカラーフィルタであるものである。 In the solid-state imaging device according to the fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the optical filter is a cyan color filter.
本発明の第6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、2次元状に配置され各々が入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部を有する複数の画素を備え、前記複数の画素は、前記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複数の撮像用画素と、前記光学系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複数の焦点検出用画素と、を含み、前記撮像用画素は第1乃至第3のグループに分けられ、前記第1のグループの前記撮像用画素には赤色カラーフィルタが設けられ、前記第2のグループの前記撮像用画素には緑色カラーフィルタが設けられ、前記第3のグループの前記撮像用画素には青色カラーフィルタが設けられ、前記焦点検出用画素にはシアン色のカラーフィルタが設けられたものである。 A solid-state imaging device according to a sixth aspect of the present invention is a solid-state imaging device that photoelectrically converts a subject image formed by an optical system, and is arranged in a two-dimensional manner, and each generates a charge corresponding to incident light. A plurality of pixels each having a photoelectric conversion unit that accumulates, the plurality of pixels including a plurality of imaging pixels that output an imaging signal for forming an image signal indicating the subject image; and focus adjustment of the optical system A plurality of focus detection pixels that output a focus detection signal for detecting a state, and the imaging pixels are divided into first to third groups, and the imaging pixels of the first group Is provided with a red color filter, the second group of imaging pixels is provided with a green color filter, and the third group of imaging pixels is provided with a blue color filter, and the focus detection Drawing The one in which the color filters of cyan color is provided.
本発明の第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、前記複数の焦点検出用画素の少なくとも一部の画素からの前記焦点検出用信号に基づいて、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と、前記検出処理部からの前記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と、を備えたものである。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided an imaging apparatus that uses the solid-state imaging device according to any one of the first to sixth aspects and the focus detection signal from at least some of the plurality of focus detection pixels. A detection processing unit that outputs a detection signal indicating a focus adjustment state of the optical system, and an adjustment unit that performs focus adjustment of the optical system based on the detection signal from the detection processing unit. It is.
本発明によれば、焦点検出用画素に対する入射光量を増大させて焦点検出の精度を高めるという効果をある程度確保しつつ、焦点検出用画素付近の撮像用画素から得られる撮像用信号と、焦点検出用画素付近以外の領域の撮像用画素から得られる撮像用信号との間の差を低減することができ、ひいては、高品質の画像を得ることができる固体撮像素子、及び、これを用いた撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, an imaging signal obtained from imaging pixels in the vicinity of the focus detection pixel and the focus detection can be ensured to some extent while increasing the amount of incident light to the focus detection pixel to improve the accuracy of focus detection. A solid-state imaging device capable of reducing a difference between imaging signals obtained from imaging pixels in a region other than the vicinity of the imaging pixels, and thus obtaining a high-quality image, and imaging using the same An apparatus can be provided.
以下、本発明による固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a solid-state imaging device and an imaging device using the same according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態] [First Embodiment]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係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。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2a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、撮影レンズ2により結像された被写体像を光電変換する固体撮像素子3の撮像面が配置される。
FIG. 1 is a schematic block diagram showing an
固体撮像素子3は、撮像制御部4の指令によって駆動され、信号を出力する。固体撮像素子3から出力される信号は、被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号、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。いずれにおいても信号は、信号処理部5、及びA/D変換部6を介して処理された後、メモリ7に一旦蓄積される。メモリ7は、バス8に接続される。バス8には、レンズ制御部2a、撮像制御部4、マイクロプロセッサ9、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。上記マイクロプロセッサ9には、レリーズ釦などの操作部9aが接続される。また、上記の記録部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3の概略構成を示す回路図である。固体撮像素子3は、マトリクス状に配置された複数の画素20と、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31で示している。図2において、画素数は、横に4行縦に4行の16個の画素を示している。しかし、本実施の形態では、画素数はそれよりもはるかに多くなっている。もっとも、本発明では、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3は、画素として後述する撮像用画素20Aと、焦点検出用信号を生成する焦点検出用画素(以下、「AF用画素」と称する。)20R,20L,20U,20Dとを有しているが、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。その具体的な回路構成や構造は、後述する。これらの画素20は、周辺回路の駆動信号に従って、撮像用信号又は焦点検出用信号を出力する。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21、水平走査回路22、これらと接続されている駆動信号線23,24、画素20からの信号を受け取る垂直信号線25、垂直信号線25と接続される定電流源26及び相関二重サンプリング回路(CDS回路)27、CDS回路27から出力される信号を受け取る水平信号線28、出力アンプ29等からなる。
The peripheral circuit includes a
垂直走査回路21及び水平走査回路22は、電子カメラ1の撮像制御部4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21から出力される駆動信号を所定の駆動信号線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25に出力する。垂直走査回路21から出力される駆動信号は複数あり、それに伴い駆動配線23も複数ある。
The
画素20から出力された信号は、CDS回路27にて所定のノイズ除去が施される。そして、水平走査回路22の駆動信号により水平信号線28及び出力アンプ29を介して外部に信号が出力される。
The signal output from the
図3は、図1中の固体撮像素子3(特にその有効画素領域31)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3の有効画素領域31には、中央に配置された十字状をなす2つの焦点検出領域32,33と、左右に配置された2つの焦点検出領域34,35と、上下に配置された2つの焦点検出領域36,37とが、設けられている。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3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。
FIG. 3 is a schematic plan view schematically showing the solid-state imaging device 3 (particularly, its effective pixel region 31) in FIG. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the
図4は、図3における焦点検出領域32,33の交差部付近を拡大した概略拡大図であり、画素配置を模式的に示している。本実施の形態では、いずれの画素20にもカラーフィルタが設けられているが、当該画素に設けられたカラーフィルタの色を区別しないで分類すると、固体撮像素子3は、1種類の撮像用画素20Aと、4種類のAF用画素20R,20L,20U,20Dとを有している。以下の説明において、AF用画素の種類を区別しない場合は、AF用画素に符号20Fを付す場合がある。
FIG. 4 is a schematic enlarged view in which the vicinity of the intersection of the
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。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赤色(R)カラーフィルタ50R、緑色(G)カラーフィルタ50G又は青色(B)カラーフィルタ50Bとを備えている。図4には、各撮像用画素20Aに設けられたカラーフィルタの色を、R,G,Bとして示している。また、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。
FIG. 5A is a schematic plan view schematically showing the main part of the
本実施の形態では、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
図6(a)はAF用画素20R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6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。この点は、後述する図7乃至図9についても同様である。
FIG. 6A is a schematic plan view schematically showing the main part of the
AF用画素20Rが撮像用画素20Aと異なる所は、AF用画素20Rにおいて、遮光層43には、当該AF用画素20Rのマイクロレンズ42の光軸Oに対して同心の正方形(開口43aと同じ大きさの正方形)のちょうど右側(+X側)半分の大きさの長方形の開口43bが形成されている点と、R,G,Bのカラーフィルタ50R,50G,50Bに代えて、シアン色(Cy)のカラーフィルタ50Cyが設けられている点のみである。図4には、各AF用画素20R(及び各AF用画素20L,20U,20D)に設けられたカラーフィルタの色を、Cyして示している。なお、画素20Rのフォトダイオード41は、画素20Aのフォトダイオード41と同じ大きさを有している。このように本実施の形態では開口43bは開口43aの半分であるが、これに限定されず、例えば、開口43bは、当該AF用画素20Rのマイクロレンズ42の光軸Oに対して同心の正方形(開口43aと同じ大きさの正方形)の右側(+X側)40%程度又は60%程度の大きさの長方形の開口としてもよい。なお、AF用画素20Rの開口43bはAF用画素20Lの後述する開口43cと同じ大きさを有することが好ましく、AF用画素20Uの後述する開口43dはAF用画素20Dの後述する開口43eと同じ大きさを有することが好ましい。
The
画素20Rにおいて、遮光層43に前記開口43bが形成されていることによって、画素20R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−X方向へ実質的に偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
In the
図7(a)はAF用画素20L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。AF用画素20Lが撮像用画素20Aと異なる所は、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(開口43aと同じ大きさの正方形)のちょうど左側(−X側)半分の大きさの長方形の開口43cが形成されている点と、R,G,Bのカラーフィルタ50R,50G,50Bに代えて、シアン色(Cy)のカラーフィルタ50Cyが設けられている点のみである。画素20Lにおいて、遮光層43に前記開口43cが形成されていることによって、画素20L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+X方向へ実質的に偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
FIG. 7A is a schematic plan view schematically showing the main part of the
図8(a)はAF用画素20Uの主要部を模式的に示す概略平面図、図8(b)は図8(a)中のY1−Y2線に沿った概略断面図である。AF用画素20Uが撮像用画素20Aと異なる所は、AF用画素20Uにおいて、遮光層43には、当該AF用画素20Uのマイクロレンズ42の光軸Oに対して同心の正方形(開口43aと同じ大きさの正方形)のちょうど上側(+Y側)半分の大きさの長方形の開口43dが形成されている点と、R,G,Bのカラーフィルタ50R,50G,50Bに代えて、シアン色(Cy)のカラーフィルタ50Cyが設けられている点のみである。画素20Uにおいて、遮光層43に前記開口43dが形成されていることによって、画素20U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−Y方向へ実質的に偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
FIG. 8A is a schematic plan view schematically showing the main part of the
図9(a)はAF用画素20Dの主要部を模式的に示す概略平面図、図9(b)は図9(a)中のY3−Y4線に沿った概略断面図である。AF用画素20Dが撮像用画素20Aと異なる所は、AF用画素20Dにおいて、遮光層43には、当該AF用画素20Dのマイクロレンズ42の光軸Oに対して同心の正方形(開口43aと同じ大きさの正方形)のちょうど下側(−Y側)半分の大きさの長方形の開口43eが形成されている点と、R,G,Bのカラーフィルタ50R,50G,50Bに代えて、シアン色(Cy)のカラーフィルタ50Cyが設けられている点のみである。画素20Dにおいて、遮光層43に前記開口43eが形成されていることによって、画素20D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+Y方向へ実質的に偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
FIG. 9A is a schematic plan view schematically showing the main part of the
再び図4を参照すると、本実施の形態に係る固体撮像素子3では、有効画素領域31の全体に2次元状に配置された多数の画素20が、列方向(Y軸方向)に2個隣接するとともに行方向(X軸方向)に2個隣接して並んだ2×2個の画素20からなる複数の画素ブロックに、分けられている。図4では、太線で囲まれた2×2個の画素20の各グループがそれぞれ1つの画素ブロックとなっている。換言すれば、2×2個の画素20からなる画素ブロックを一単位として、この画素ブロックが有効画素領域31の全体に2次元状に配置されている。各画素ブロックは、2×2個の画素20に限定されるものではなく、m及びnをそれぞれ2以上の整数としたとき、m×n個の画素であってもよい。
Referring to FIG. 4 again, in the solid-
本実施の形態では、全ての画素ブロックの各々に関して、当該画素ブロックの全ての2×2個の画素20には、AF用画素20Fを除いて、同じ色のカラーフィルタ50が設けられている。したがって、各画素ブロックは、当該撮像用画素20Aの色に従ったそれぞれ一色のカラー情報を出力する。本実施の形態では、1つの画素ブロックの画素数である4個分の撮像用画素20Aの撮像用信号に相当する信号が、1つの画素ブロックの領域の撮像用信号とされる。そして、本実施の形態では、有効画素領域31の全体に配置された画素ブロックは、当該画素ブロックの撮像用画素20Aに設けられたカラーフィルタ50の色を当該画素ブロックの色であるとみなして、当該画素ブロックの色に基づくベイヤー配列に従って配置されている。
In the present embodiment, for each of all pixel blocks, all 2 × 2
本実施の形態では、図3中のX軸方向に延びた各焦点検出領域32,36,37はそれぞれ一画素行の領域となっており、図3中のY軸方向に延びた各焦点検出領域33〜35はそれぞれ一画素列の領域となっている。図4には、焦点検出領域32が一画素行の領域であるとともに焦点検出領域33が一画素列の領域であることが明示されている。
In the present embodiment, each of the
本実施の形態では、X軸方向に延びた焦点検出領域32,36,37のいずれかの領域の一部を含む各画素ブロックは、焦点検出領域32,33の交差点の画素20(ここでは、画素20L)を含む1つの画素ブロック60(本実施の形態では、この画素ブロック60は、特異な画素ブロックとなっているので、他の画素ブロックと区別するべく、図4において符号60を付している。)を除いて、対応する焦点検出領域に配置され瞳分割に関して対をなす2個のAF用画素20F(AF用画素20RとAF用画素20L)と、2個の撮像用画素20Aとからなる。Y軸方向に延びた焦点検出領域33〜35のいずれかの領域の一部を含む各画素ブロックは、画素ブロック60を除いて、対応する焦点検出領域に配置され瞳分割に関して対をなす2個のAF用画素20F(AF用画素20UとAF用画素20D)と、2個の撮像用画素20Aとからなる。画素ブロック60は、対応する焦点検出領域に配置された3個のAF用画素20F(AF用画素20RとAF用画素20LとAF用画素20U)と、1個の撮像用画素20Aとからなる。画素ブロック60にはAF用画素20Uと対をなすAF用画素20Dが設けられていないので、画素ブロック60のAF用画素20Uからの焦点検出用信号は実際には焦点検出用に用いることはできない。よって、画素ブロック60のAF用画素20Uは、撮像用画素20Aで置き換えてもよい。焦点検出領域32〜37のいずれの領域の一部も含まない各画素ブロックは、4個の撮像用画素20Aからなる。
In the present embodiment, each pixel block including a part of one of the
このようにして、本実施の形態では、AF用画素20R,20Lは、各焦点検出領域32,36,37において、X軸方向に並んだ2つ以上の画素ブロックに渡って、同一の行において順次隣り合うように一直線状に配置されている。また、AF用画素20U,20Dは、各焦点検出領域33〜35において、Y軸方向に並んだ2つ以上の画素ブロックに渡って、同一の列において順次隣り合うように一直線状に配置されている。
In this way, in the present embodiment, the
撮影レンズ2の焦点調節状態を検出する際には、AF用画素20Fから出力される焦点検出用信号が用いられる。また、撮像時には、2個のAF用画素20F及び2個の撮像用画素20Aからなる画素ブロックに関しては、2個の撮像用画素20Aの出力が、当該画素ブロックの撮像用信号として使用される。すなわち、まず、2個の撮像用画素20Aから個別に出力される撮像用信号は、固体撮像素子3内あるいは固体撮像素子3外にて合算される。しかし、2個のAF用画素20Fは、撮像用信号を生成しない。そこで、同一画素ブロックの4個の画素が配置される領域は、概略同一の光量であると近似する。そして、前記合算された撮像用信号は、更に2倍にされて4個分の画素の撮像用信号とするのである。なお、画素ブロック60については、1個の撮像用画素20Aの撮像用信号を4倍にして4個分の画素の撮像用信号とすればよい。
When detecting the focus adjustment state of the
換言すれば、本固体撮像素子3では、撮像時にAF用画素20Fを補間する場合、当該AF用画素20Fに隣接する撮像用画素20Aの信号を補間用の信号として使用することができる。したがって、本実施の形態では、個々の画素をベイヤー配列に従って又はベイヤー配列に準じて配列する固体撮像素子に比べて、AF用画素20Fに関する補間の精度を向上させて画質を向上させることができる。もっとも、本発明では、個々の画素をベイヤー配列に従って又はベイヤー配列に準じて配列してもよい。その例を、後に第2の実施の形態として説明する。
In other words, in the present solid-
なお、4個の撮像用画素20Aからなる画素ブロックに関しては、4個の撮像用画素20Aから個別に出力される撮像用信号は、固体撮像素子3内あるいは固体撮像素子3外にて合算される。合算された信号は、その画素ブロックの画像情報となる。
Note that regarding the pixel block including the four
図10は、図1中の固体撮像素子3の1つの画素ブロックをなす2×2個の画素20を示す回路図である。図10は、焦点検出領域33の一部を含む画素ブロック(図4参照)、すなわち、2個のAF用画素20F(AF用画素20UとAF用画素20D)及び2個の撮像用画素20Aを示している。
FIG. 10 is a circuit diagram showing 2 × 2
本実施の形態では、いずれの画素20(撮像用画素20A、AF用画素20R、AF用画素20L、AF用画素20U、AF用画素20D)も、同一の回路構成を有している。各画素は、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、前述した電荷を受け取って前述した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ディフュージョン(FD)81と、FD81の電位に応じた信号を出力する増幅部としての画素アンプ82と、フォトダイオード41からFD81に電荷を転送する電荷転送部としての転送トランジスタ83と、FD81の電位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84と、当該画素20を選択する選択部としての選択トランジスタ85と、を備えている。なお、図10において、Vddは電源である。この画素20の回路構成は、CMOS固体撮像素子の単位画素の回路構成として一般的なものである。
In the present embodiment, all of the pixels 20 (the
本実施の形態では、転送トランジスタ83、画素アンプ82、リセットトランジスタ84、選択トランジスタ85は、いずれもNMOSトランジスタで構成されている。
In this embodiment, the
各画素20の転送トランジスタ83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21から駆動配線23を介して駆動信号φTGが供給される。各画素20の選択トランジスタ85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21から駆動配線23を介して駆動信号φSが供給される。各画素20のリセットトランジスタ84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21から駆動配線23を介して駆動信号φFDRが供給される。
The gate electrode of the
図11は、固体撮像素子3の動作例を示すタイミングチャートである。この例は、ローリングシャッタの場合の例を示している。なお、ここでは、撮像用信号を出力することで説明する。しかし、焦点検出用信号を出力する場合も、読み出す領域(行、列)が限定されるだけであり、基本的に同じである。
FIG. 11 is a timing chart illustrating an operation example of the solid-
まず、選択行のφFDRがハイとなっている間にφTGがハイ、ローとされることによりフォトダイオード41がリセットされる。所定時間経過後に、φSがハイとされて、選択行の選択トランジスタ85がオンとされる。φSがハイの開始時点から一定時間だけφFDRがハイにされてFD81のレベルが基準レベルにリセットされ、その後φFDRがローにされる。次いで、FD81の基準レベルに応じたレベル(ダークレベル)が、画素アンプ82から垂直信号線25を介してCDS回路27に蓄積される。
First, while φTG is high and low while φFDR of the selected row is high, the
次いで、φTGが再度ハイ、ローとされる。これにより、フォトダイオード41に蓄積されていた電荷がFD81に転送される。その後、基準レベルとこの電荷による信号の重畳された信号に応じたレベルの信号が、画素アンプ82から垂直信号線25を介してCDS回路27に蓄積される。そして、CDS回路27によって、ここで蓄積された信号と先のダークレベルとの差分を取ることで得た撮像用信号が出力される。そして、順次各列の撮像用信号が水平信号線に出力される。
Next, φTG is set to high and low again. Thereby, the electric charge accumulated in the
その後、次の行が選択されて同様に信号が出力されていく。 Thereafter, the next row is selected and signals are output in the same manner.
図12は、固体撮像素子3の他の動作例を示すタイミングチャートである。この例は、全画素同時に露光する場合の例を示している。まず、全行のφFDRがハイとされている状態で全行同時にφTGがハイとされる。これにより、全画素20のフォトダイオード41に蓄積されていた電荷が同時にリセットされる。なお、φTGがローにされた時点からφTGが再度ハイとされるまでの時間が、露光時間となる。
FIG. 12 is a timing chart showing another operation example of the solid-
所定時間経過後、選択行のφSがハイとされる。次いで、φTGが再度ハイ、ローとされる(この動作は全行同時に行われる。)。これにより、全行同時に、フォトダイオード41に蓄積されていた電荷がFD81に転送される。選択行においては、この電荷による信号に応じたレベルの信号が、画素アンプ82から垂直信号線25を介してCDS回路27に蓄積される。ここでは、CDS回路27は、ダークレベルを利用した相関二重サンプリング処理(CDS処理)は行わず、単に、前記電荷による信号に応じたレベルの信号を一時的に蓄積する回路として用いられる。そして、順次各列の撮像用信号が水平信号線に出力される。
After a predetermined time has elapsed, φS of the selected row is set high. Next, φTG is set to high and low again (this operation is performed simultaneously for all rows). As a result, the charges accumulated in the
その後、次の行が選択されて同様に信号が出力されていく。 Thereafter, the next row is selected and signals are output in the same manner.
ここでは、簡略化のため、CDS処理を行わないものとして説明した。しかしながら、全画素同時に露光する場合であっても、CDS処理を行うことが好ましいことは、言うまでもない。この場合には、例えば、前記特許文献1(特開平11−177076号公報)に開示されているように、フォトダイオード41とFD81との間に、フォトダイオード41からの電荷を一時的に蓄積する蓄積部(容量)を設け、転送トランジスタ83の代わりに、フォトダイオード41から前記蓄積部に電荷を転送する第1の転送トランジスタ、及び、前記蓄積部からFD81に電荷を転送する第2の転送トランジスタを設ければよい。
Here, for the sake of simplification, the CDS process is not performed. However, it is needless to say that it is preferable to perform the CDS process even when all pixels are exposed simultaneously. In this case, for example, as disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-177076), the charge from the
ここで、本実施の形態による電子カメラ1の動作の一例について、説明する。
Here, an example of the operation of the
操作部9aのレリーズ釦の半押し操作が行われると、電子カメラ1内のマイクロプロセッサ9は、その半押し操作に同期して撮像制御部4を駆動する。撮像制御部4は、被写体の確認を行うために予め定めた公知の手法により、撮像用画素20Aのうちの全画素又は所定画素から被写体確認用の撮像信号を読み出し、メモリ7に蓄積する。このとき、全画素を読み出す場合は、例えば、前記図11又は図12に示す動作と同様の動作を行う。そして、画像処理部13は、その信号から、画像認識技術を利用して被写体を認識する。例えば、顔認識モードの場合、被写体として顔を認識する。このとき、画像処理部13は、被写体の位置及び形状を得る。
When the half-press operation of the release button of the operation unit 9a is performed, the
その後、マイクロプロセッサ9は、先に得られた被写体の位置及び形状に従って、焦点検出領域32〜37のうちから、被写体に対する焦点調節状態を精度良く検出するのに最適な、焦点検出に用いるべき、オートフォーカス用ラインセンサに相当する焦点検出領域を設定する。また、マイクロプロセッサ9は、前記認識結果等に基づいて、焦点検出用の撮影条件(絞り、焦点調節状態、シャッタ時間等)を設定する。
Thereafter, the
引き続いて、マイクロプロセッサ9は、先に設定した絞り等の条件となるようにレンズ制御部2aを作動させ、先に設定したシャッタ時間等の条件でかつ先に設定した焦点検出領域のAF用画素20Fの画素列の座標に従って、撮像制御部4を駆動することで、焦点検出用信号を読み出し、メモリ7に蓄積する。このとき、前述した図11又は図12に示す動作と同様の動作によって、焦点検出用信号を読み出す。
Subsequently, the
次に、マイクロプロセッサ9は、先に取得されメモリ7に格納された全画素の信号のうちから、先に設定した焦点検出領域のAF用画素20Fからの焦点検出用信号をピックアップし、それらの信号に基づいて瞳分割位相差方式に従った演算(焦点調節状態の検出処理)を焦点検出演算部10に行わせることで、焦点検出演算部10にデフォーカス量を算出させる。
Next, the
次いで、マイクロプロセッサ9は、先に算出されたデフォーカス量に応じて合焦状態となるように、レンズ制御部2aに撮影レンズ2を調節させる。引き続いて、マイクロプロセッサ9は、本撮影のための撮影条件(絞り、シャッタ時間等)を設定する。
Next, the
次に、マイクロプロセッサ9は、本撮影のために設定した絞り等の条件となるようにレンズ制御部2aを作動させ、操作部9aのレリーズ釦の全押し操作に同期して、本撮影のために設定したシャッタ時間等の条件で撮像制御部4を駆動することで、画像信号を読み出して本撮影を行う。このとき、前述した図11又は図12に示す動作と同様の動作によって、撮像用信号を読み出す。撮像制御部4によって、この撮像用信号は、メモリ7に蓄積される。
Next, the
次いで、マイクロプロセッサ9は、前述したような画素ブロック毎の4個分の画素の撮像用信号を得る処理(補間処理を含む)を画像処理部13に行わせ、これを画像信号としてメモリ7に蓄積させる。
Next, the
その後、マイクロプロセッサ9は、操作部9aの指令に基づき、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、記録部に処理後の信号を出力させ記録媒体11aに記録する。
Thereafter, the
本実施の形態では、前述したように、撮像用画素20Aには、赤色カラーフィルタ50R、緑色カラーフィルタ50G及び青色カラーフィルタ20Bのうちのいずれかが設けられているのに対し、AF画素20F(20R,20L,20U,20D)には、これらのカラーフィルタ50R,50G,50Bのいずれとも異なる光透過特性を有する光学フィルタとして、シアン色カラーフィルタ50Cyが設けられている。これらのカラーフィルタ50R,50G,50B,50Cyの光透過特性(分光感度特性)の一例を、図13乃至図16にそれぞれ示す。
In the present embodiment, as described above, the
図13及び図16からわかるように、シアン色カラーフィルタ50Cyは、赤色カラーフィルタ50Rに比べて、赤色付近の長波長光の透過率がはるかに低い。したがって、シアン色カラーフィルタ50Cyが設けられたAF用画素20Fでは、カラーフィルタを全く設けない場合やシアン色カラーフィルタ50Cyに代えて赤色カラーフィルタ50Rを設ける場合に比べて、フォトダイオード41に入射した光に長波長成分がほとんど含まれなくなり、入射光が、比較的シリコン表面近傍で光電変換され、シリコン基板の深部では信号電荷がほとんど発生しなくなる。したがって、本実施の形態によれば、入射された波長の長い光によってAF用画素20Fで発生する電荷が隣接する撮像用画素20Aの方にドリフトされるという状況が、生じ難くなる。換言すれば、AF用画素20Fからこれに隣接する撮像用画素20Aへ混入する電荷が少なくなり、AF用画素20から隣接撮像用画素20Aへのクロストークを抑制することができる。このため、隣接する撮像用画素20Aのフォトダイオード41の電荷蓄積層にこの電荷が捕捉されて撮像用信号が増大してしまうことはない。よって、AF用画素20F付近以外の領域の撮像用画素20Aから得られる撮像用信号と、AF用画素20F付近の領域の撮像用画素20Aから得られる撮像用信号との間で、信号の大きさに差が生じず、高品質の画像を得ることができる。
As can be seen from FIGS. 13 and 16, the cyan color filter 50Cy has a much lower transmittance of long-wavelength light near the red color than the
また、図16からわかるように、シアン色カラーフィルタ50Cyは、青色から緑色に渡る比較的広い波長域で透過率が比較的高い。したがって、本実施の形態によれば、AF用画素20Fに、シアン色カラーフィルタ50Cyに代えて、青色カラーフィルタ50B又は緑色カラーフィルタ50Gを設ける場合に比べて、AF用画素20Fに対する入射光量が増大し、ひいては焦点検出の精度が高まる。
As can be seen from FIG. 16, the cyan color filter 50Cy has a relatively high transmittance in a relatively wide wavelength range from blue to green. Therefore, according to the present embodiment, the amount of incident light on the AF pixel 20F is increased as compared with the case where the
このように、本実施の形態によれば、AF用画素20Fにシアン色カラーフィルタ50Cyが設けられているので、AF用画素20Fに対する入射光量を増大させて焦点検出の精度を高めるという効果(以下、「AF用入射光量増大効果」という。)をある程度確保しつつ、AF用画素20から隣接撮像用画素20Aへのクロストークを低減して高品質の画像を得るという効果(以下、「クロストーク低減効果」という。)を得ることができる。
Thus, according to the present embodiment, since the cyan color filter 50Cy is provided in the AF pixel 20F, the effect of increasing the accuracy of focus detection by increasing the amount of incident light on the AF pixel 20F (hereinafter referred to as the following). , “Referred to as“ increased incident light amount for AF ”) to some extent while reducing the crosstalk from the
前述した特許文献4に開示された固体撮像素子よりも前は、AF用入射光量増大効果が看過されており、これに従えば、AF用画素20には、撮像用画素20Aに設けられているR,G,Bのカラーフィルタ50R,50G,50Bのいずれかが設けられることになる。これに対し、AF用入射光量増大効果に着目した特許文献4に従えば、AF用画素20にはカラーフィルタは全く設けられない。このように、従来の技術常識に従えば、「クロストーク低減効果」は全く看過されており、AF用画素20には、撮像用画素20Aに設けられているR,G,Bのカラーフィルタ50R,50G,50Bのいずれかが設けられるか、カラーフィルタが全く設けられないかの、いずれかしかない。従来は、AF用画素20Fに、撮像用画素20Aに設けられているR,G,Bのカラーフィルタ50R,50G,50B以外のカラーフィルタを設けることは、想到し得なかった。
Prior to the solid-state imaging device disclosed in
AF用画素20Fにシアン色カラーフィルタ50Cyに代えて赤色カラーフィルタ50Rを設けると、赤色カラーフィルタ50Rは図13に示すように青色から緑色に渡る波長域の成分をカットするとともに長波長光を透過させるので、AF用入射光量増大効果が全く得られないだけでなく、クロストーク低減効果も得られない。
When a
AF用画素20Fにシアン色カラーフィルタ50Cyに代えて青色カラーフィルタ50B又は緑色カラーフィルタ50Gを設けると、これらのカラーフィルタ50B,50Gは図14及び図15に示すように青色又は緑色の波長域の成分を選択的に透過させるので、クロストーク低減効果は得られるものの、AF用入射光量増大効果は全く得られない。
When the
AF用画素20Fにカラーフィルタを全く設けないと、いずれの波長域の成分もカットされないので、大きなAF用入射光量増大効果が得られるものの、クロストーク低減効果は全く得られない。 If no color filter is provided in the AF pixel 20F, components in any wavelength region are not cut, so that a large AF incident light amount increasing effect can be obtained, but no crosstalk reducing effect can be obtained.
このように、従来の技術常識に従った場合、クロストーク低減効果とAF用入射光量増大効果との間の二者択一的な状態となってしまい、両者をバランスさせることができなかったのである。これに対し、本実施の形態では、これまで看過されて来たクロストーク低減効果に新たに着目し、AF用画素20Fにシアン色カラーフィルタ50Cyを設けることで、トレードオフ関係にあったクロストーク低減効果とAF用入射光量増大効果とのバランスを図っているのである。
As described above, when the conventional technical common sense is followed, it becomes an alternative state between the effect of reducing the crosstalk and the effect of increasing the incident light amount for AF, and the two cannot be balanced. is there. In contrast, in the present embodiment, a new focus is placed on the effect of reducing crosstalk that has been overlooked so far, and a
以上の説明からわかるように、クロストーク低減効果及びAF用入射光量増大効果の両方のバランスを取って両方ともその効果を高めるためには、理想的には、AF用画素20Fに設ける光学フィルタは、赤色付近の所定の遮断波長よりも高い波長域の成分の透過率がゼロでありかつ前記遮断波長よりも低い波長域の成分の透過率が100%である光透過特性を有することが、好ましい。本実施の形態では、このような理想的な光透過特性に比較的近い光透過特性を有する光学フィルタとして、シアン色カラーフィルタ50CyがAF用画素20Fに設けられているのである。 As can be seen from the above description, in order to balance both the crosstalk reduction effect and the AF incident light amount increase effect and to enhance both, ideally, the optical filter provided in the AF pixel 20F is It is preferable that the transmittance of the component in the wavelength region higher than the predetermined cutoff wavelength near red is zero and the transmittance of the component in the wavelength region lower than the cutoff wavelength is 100%. . In the present embodiment, a cyan color filter 50Cy is provided in the AF pixel 20F as an optical filter having a light transmission characteristic relatively close to such an ideal light transmission characteristic.
しかしながら、AF用画素20Fにシアン色カラーフィルタ50Cyに代えて青色カラーフィルタ50B又は緑色カラーフィルタ50Gを設ける場合に比べて大きい入射光量増大効果が得られる一方、AF用画素20Fにシアン色カラーフィルタ50Cyに代えて赤色カラーフィルタ50Rを設ける場合に比べて大きいクロストーク低減効果が得られれば、前述した従来の2社択一状態に比べて、好ましい。よって、本発明では、このような状態を実現するための条件を満たせばよく、AF用画素20Fに設ける光学フィルタは、必ずしもシアン色カラーフィルタ50Cyに限定されるものではない。
However, compared to the case where the
そのような条件の一例としては、AF用画素20Fに設けられる光学フィルタの、400nm以上600nm以下の波長域における透過率の波長に関する積分値が、緑色カラーフィルタ50Gの当該積分値及び青色カラーフィルタ50Bの当該積分値のいずれよりも大きく、かつ、前記光学フィルタの、600nm以上700nm以下の波長域における透過率の波長に関する積分値が、赤色カラーフィルタ50Rの当該積分値よりも小さいこと、を挙げることができる。図13乃至図16からわかるように、シアン色カラーフィルタ50Cyは、この条件を満たしている。このとき、クロストーク低減効果をより高めるためには、600nm以上650nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率は20%以下であることが、より好ましい。図16からわかるように、シアン色カラーフィルタ50Cyはこれに合致している。また、入射光量増大効果をより高めるためには、410nm以上550nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率は40%以上であることが、より好ましい。図16からわかるように、シアン色カラーフィルタ50Cyはこれに合致している。
As an example of such a condition, the integrated value of the optical filter provided in the AF pixel 20F with respect to the wavelength of transmittance in the wavelength region of 400 nm to 600 nm is the integrated value of the
前述したような条件の他の例としては、AF用画素20Fに設けられる光学フィルタの420nm以上500nm以下の波長域における透過率が30%以上であり、前記光学フィルタの590nm以上650nm以下の波長域における透過率が30%以下であること、を挙げることができる。このとき、クロストーク低減効果をより高めるためには、570nm以上650nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率が30%以下であることがより好ましく、550nm以上650nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率は30%以下であることがより一層好ましい。また、入射光量増大効果をより高めるためには、410nm以上510nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率が30%以上であることがより好ましく、400nm以上520nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率が30%以上であることがより一層好ましい。 As another example of the conditions as described above, the transmittance of the optical filter provided in the AF pixel 20F in the wavelength range of 420 nm to 500 nm is 30% or more, and the optical filter has a wavelength range of 590 nm to 650 nm. It can be mentioned that the transmittance at 30 is 30% or less. At this time, in order to further enhance the crosstalk reduction effect, the transmittance of the optical filter in the wavelength range of 570 nm to 650 nm is more preferably 30% or less, and the optical filter in the wavelength range of 550 nm to 650 nm is more preferable. The transmittance of is more preferably 30% or less. In order to further enhance the effect of increasing the amount of incident light, the transmittance of the optical filter in the wavelength region of 410 nm to 510 nm is more preferably 30% or more, and the optical filter in the wavelength region of 400 nm to 520 nm is more preferable. More preferably, the transmittance is 30% or more.
[第2の実施の形態] [Second Embodiment]
図17は、本発明の第2の実施の形態による電子カメラで用いられている固体撮像素子70の画素の配置を模式的に示す一部拡大概略平面図であり、図4に対応している。図17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。
FIG. 17 is a partially enlarged schematic plan view schematically showing the arrangement of pixels of the solid-
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、基本的に、固体撮像素子3に代えて固体撮像素子70が用いられている点のみである。固体撮像素子70が固体撮像素子3と異なる所は、個々の撮像用画素20Aをベイヤー配列に従って配列した点のみである。
This embodiment is different from the first embodiment only in that a solid-
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.
[第3の実施の形態] [Third Embodiment]
図18は、本発明の第3の実施の形態による電子カメラで用いられている固体撮像素子90の画素の配置を模式的に示す一部拡大概略平面図であり、図4に対応している。図18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。
FIG. 18 is a partially enlarged schematic plan view schematically showing the arrangement of pixels of the solid-
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、基本的に、固体撮像素子3に代えて固体撮像素子90が用いられている点のみである。固体撮像素子90が固体撮像素子3と異なる所は、以下に説明する点のみである。
This embodiment is different from the first embodiment only in that a solid-
固体撮像素子90では、固体撮像素子3において、全てのAF用画素20R,20LがそれぞれAF用画素20Hで置き換えられ、全てのAF用画素20U,20DがそれぞれAF用画素20Vで置き換えられている。
In the solid-
図19(a)はAF用画素20Hの主要部を模式的に示す概略平面図、図19(b)は図19(a)中のX7−X8線に沿った概略断面図である。図20(a)はAF用画素20Vの主要部を模式的に示す概略平面図、図20(b)は図20(a)中のY5−Y6線に沿った概略断面図である。図21は、固体撮像素子90の1つの画素ブロックをなす2×2個の画素を示す回路図である。図21は、焦点検出領域33の一部を含む画素ブロック(図18参照)、すなわち、2個のAF用画素20V及び2個の撮像用画素20Aを示している。図19乃至図21において、図5、図6及び図10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。
FIG. 19A is a schematic plan view schematically showing the main part of the
AF用画素20HとAF用画素20Vは、同一の回路構成を有している。AF用画素20H,20Vが撮像用画素20Aと回路構成上異なる所は、1つのフォトダイオード41に代えて、それを2つに分割したような2つのフォトダイオード41a,41bを有する点と、これに伴い、1つの転送トランジスタ83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83a,83bを有する点のみである。転送トランジスタ83aはフォトダイオード41aからFD81へ電荷を転送し、転送トランジスタ83bはフォトダイオード41bからFD81へ電荷を転送する。
The
図19、図20及び図5から理解される通り、AF用画素20Hでは、フォトダイオード41a,41bは、フォトダイオード41に相当するフォトダイオードを−X側と+X側に2分割することによって構成されている。AF用画素20Vでは、フォトダイオード41a,41bは、フォトダイオード41に相当するフォトダイオードを+Y側と−Y側に2分割することによって構成されている。
As understood from FIGS. 19, 20, and 5, in the
図19及び図20に示すように、AF用画素20H,20Vには、20R,20L,20U,20Dと同じく、シアン色カラーフィルタ50Cyが設けられている。
As shown in FIGS. 19 and 20, the
撮像用画素20Aの転送トランジスタ83及びAF用画素20V,20Hの一方の転送トランジスタ83a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21から駆動配線23を介して駆動信号φTGAが供給される。AF用画素20V,20Hの他方の転送トランジスタ83b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21から駆動配線23を介して駆動信号φTGBが供給される。
The
図22は、固体撮像素子90の動作例を示すタイミングチャートである。この例は、ローリングシャッタの場合に、撮像用信号を得る例を示している。この動作例は、前記第1の実施の形態において説明した図11に示す動作と同様である。φTGAを図11中のφTGと同一にしている。この例では、AF用画素20H,20Vからの信号は使用せず意味を持たないため、φTGBは任意でよい。したがって、図22にはφTGBを記載していない。
FIG. 22 is a timing chart showing an operation example of the solid-
図23は、固体撮像素子90の他の動作例を示すタイミングチャートである。この例は、ローリングシャッタの場合に、焦点検出用信号を得る例を示している。図23に示す動作が図22に示す動作と異なる所は、2つのフォトダイオード41a,41bから信号を別々に読み出す点である。すなわち、図23に示す動作では、φSがハイとなり選択されている間は、AF用画素20H,20Vに関しては、一方のフォトダイオード41aの電荷を読み、次いで他方のフォトダイオード41bの電荷を読むようになっている。
FIG. 23 is a timing chart showing another example of the operation of the solid-
本実施例によっても、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる。また、本実施の形態によれば、AF用画素として、それぞれ2つのフォトダイオード41a,41bを持つAF用画素20H,20Vが用いられているので、焦点検出用信号を得る場所の分布密度が高まる。したがって、焦点検出の精度がより高まる。
Also in this embodiment, the same advantages as those in the first embodiment can be obtained. Further, according to the present embodiment, since the
第1の実施の形態における固体撮像素子3を変形して本実施の形態における固体撮像素子90を得たのと同様に、前記第2の実施の形態における固体撮像素子70において、全てのAF用画素20R,20LをそれぞれAF用画素20Hで置き換えるとともに、全てのAF用画素20U,20DをそれぞれAF用画素20Vで置き換えてもよい。
Similarly to the case where the solid-state
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.
3 固体撮像素子
20A 撮像用画素
20R,20L,20U,20D AF用画素
50R 赤色カラーフィルタ
50G 緑色カラーフィルタ
50B 青色カラーフィルタ
50Cy シアン色カラーフィルタ50
3 Solid-
Claims (7)
2次元状に配置され各々が入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部を有する複数の画素を備え、
前記複数の画素は、前記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複数の撮像用画素と、前記光学系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複数の焦点検出用画素と、を含み、
前記撮像用画素は、第1乃至第3のグループに分けられ、
前記第1のグループの前記撮像用画素には、赤色カラーフィルタが設けられ、
前記第2のグループの前記撮像用画素には、緑色カラーフィルタが設けられ、
前記第3のグループの前記撮像用画素には、青色カラーフィルタが設けられ、
前記焦点検出用画素には、前記赤色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ及び前記青色カラーフィルタのいずれとも異なる光透過特性を有する光学フィルタが設けられ、
420nm以上500nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率は、30%以上であり、
590nm以上650nm以下の波長域における前記光学フィルタの透過率は、30%以下である、
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 pixels having a photoelectric conversion unit that is two-dimensionally arranged and each generates and accumulates charges according to incident light,
The plurality of pixels output a plurality of imaging pixels that output an imaging signal for forming an image signal indicating the subject image, and a focus detection signal for detecting a focus adjustment state of the optical system. A plurality of focus detection pixels,
The imaging pixels are divided into first to third groups,
The imaging pixels of the first group are provided with a red color filter,
A green color filter is provided on the imaging pixels of the second group,
The imaging pixels of the third group are provided with a blue color filter,
The focus detection pixel is provided with an optical filter having a light transmission characteristic different from any of the red color filter, the green color filter, and the blue color filter,
The transmittance of the optical filter in the wavelength region of 420 nm or more and 500 nm or less is 30% or more,
The transmittance of the optical filter in the wavelength region of 590 nm or more and 650 nm or less is 30% or less.
A solid-state imaging device.
2次元状に配置され各々が入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部を有する複数の画素を備え、
前記複数の画素は、前記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複数の撮像用画素と、前記光学系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複数の焦点検出用画素と、を含み、
前記撮像用画素は、第1乃至第3のグループに分けられ、
前記第1のグループの前記撮像用画素には、赤色カラーフィルタが設けられ、
前記第2のグループの前記撮像用画素には、緑色カラーフィルタが設けられ、
前記第3のグループの前記撮像用画素には、青色カラーフィルタが設けられ、
前記焦点検出用画素には、前記赤色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ及び前記青色カラーフィルタのいずれとも異なる光透過特性を有する光学フィルタが設けられ、
前記光学フィルタの、400nm以上600nm以下の波長域における透過率の波長に関する積分値は、前記緑色カラーフィルタの当該積分値及び前記青色カラーフィルタの当該積分値のいずれよりも大きく、
前記光学フィルタの、600nm以上700nm以下の波長域における透過率の波長に関する積分値は、前記赤色カラーフィルタの当該積分値よりも小さい、
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 pixels having a photoelectric conversion unit that is two-dimensionally arranged and each generates and accumulates charges according to incident light,
The plurality of pixels output a plurality of imaging pixels that output an imaging signal for forming an image signal indicating the subject image, and a focus detection signal for detecting a focus adjustment state of the optical system. A plurality of focus detection pixels,
The imaging pixels are divided into first to third groups,
The imaging pixels of the first group are provided with a red color filter,
A green color filter is provided on the imaging pixels of the second group,
The imaging pixels of the third group are provided with a blue color filter,
The focus detection pixel is provided with an optical filter having a light transmission characteristic different from any of the red color filter, the green color filter, and the blue color filter,
The integral value related to the wavelength of transmittance in the wavelength region of 400 nm to 600 nm of the optical filter is larger than both the integral value of the green color filter and the integral value of the blue color filter,
The integral value related to the wavelength of transmittance in the wavelength region of 600 nm to 700 nm of the optical filter is smaller than the integral value of the red color filter,
A solid-state imaging device.
2次元状に配置され各々が入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部を有する複数の画素を備え、
前記複数の画素は、前記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複数の撮像用画素と、前記光学系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複数の焦点検出用画素と、を含み、
前記撮像用画素は、第1乃至第3のグループに分けられ、
前記第1のグループの前記撮像用画素には、赤色カラーフィルタが設けられ、
前記第2のグループの前記撮像用画素には、緑色カラーフィルタが設けられ、
前記第3のグループの前記撮像用画素には、青色カラーフィルタが設けられ、
前記焦点検出用画素には、シアン色のカラーフィルタが設けられた、
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 pixels having a photoelectric conversion unit that is two-dimensionally arranged and each generates and accumulates charges according to incident light,
The plurality of pixels output a plurality of imaging pixels that output an imaging signal for forming an image signal indicating the subject image, and a focus detection signal for detecting a focus adjustment state of the optical system. A plurality of focus detection pixels,
The imaging pixels are divided into first to third groups,
The imaging pixels of the first group are provided with a red color filter,
A green color filter is provided on the imaging pixels of the second group,
The imaging pixels of the third group are provided with a blue color filter,
The focus detection pixel is provided with a cyan color filter.
A solid-state imaging device.
前記複数の焦点検出用画素の少なくとも一部の画素からの前記焦点検出用信号に基づいて、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と、
前記検出処理部からの前記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と、
を備えたことを特徴とする撮像装置。 A solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 6,
A detection processing unit that outputs a detection signal indicating a focus adjustment state of the optical system based on the focus detection signal from at least some of the plurality of focus detection pixels;
An adjusting unit that adjusts the focus of the optical system based on the detection signal from the detection processing unit;
An imaging apparatus comprising:
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