JP4967296B2 - 撮像素子、焦点検出装置、および、撮像システム - Google Patents
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Description
本発明の目的は、撮影条件を取得する(例えば焦点検出や測距などを行う)際の低輝度時の応答性を改善できる撮像素子、焦点検出装置、および、撮像システムを提供することにある。
(第1実施形態)
ここでは、撮影画像の取得と焦点検出に関わる情報の取得とを行える撮像素子について説明する。また、位相差検出方式の焦点検出を例に説明する。焦点検出に関わる情報とは、撮影画像を取得する際の各種条件(撮影条件)の1つであって、撮像素子の物体側に配置される撮影光学系のデフォーカス量に相当する。撮影光学系が合焦状態(理想的にはデフォーカス量=0)のとき、撮像素子上には鮮明な被写体像が形成される。
撮影画像用の画素セル11(図1(a))には、円形状のマイクロレンズ13と、矩形状の光電変換部14とが設けられる。マイクロレンズ13は、入射光を集光して光電変換部14に導く光学要素である。光電変換部14は、マイクロレンズ13により集光された光に応じて電荷を生成するフォトダイオードである。また図示省略したが、マイクロレンズ13と光電変換部14との間には、RGBのうち何れか1つの色フィルタが配置される。そして、複数の画素セル11の色フィルタは所定のRGB配列(例えばベイヤー配列)となっている。
このような共役関係を図示すると、図3(a)のようになる。図3(a)では射出瞳18を太い点線で示した。射出瞳18を撮影光学系(不図示)の光軸19の方向から見ると、図3(b)のように略円形状である。射出瞳18の中の領域8A,8Bは、一対の光電変換部16,17がマイクロレンズ15によって投影された領域であり、略矩形状である。
なお、位相差検出方式の焦点検出の際には、一対の領域8A,8Bが射出瞳18から部分的にはみ出すと、一対の光電変換部16,17に導かれる光束(焦点検出に用いる光束)の一部がけられ、焦点検出の精度が悪化する。したがって、焦点検出用の画素セル12では、射出瞳18の大きさ(つまり撮影光学系の絞り径)に拘わらず、射出瞳18の中に一対の領域8A,8Bが収まるように、マイクロレンズ15のパワーを設定している。そのため、絞り径が最小(例えばF2.8やF5.6)のときの射出瞳18の大きさを基準にしてマイクロレンズ15のパワーが設定される。
このようにして読み出された画素セル11の出力は、光電変換部14に蓄積された電荷に起因し、第1実施形態の撮像素子10を備えた撮像システムにおいて、撮影画像の表示などに用いられる。また、画素セル12の出力は、一対の光電変換部16,17に蓄積された電荷に起因し、第1実施形態の撮像素子10を備えた焦点検出装置および撮像システムにおいて、位相差検出方式の焦点検出などに用いられる。
したがって、焦点検出用の画素セル12を撮影画像用の画素セル11と同じセルサイズ(または画素セル11より小さいセルサイズ)にする場合と比較し、マイクロレンズ15を介して多くの光束を一対の光電変換部16,17に入射させることができる。その結果、低輝度時においても通常の電荷蓄積時間で焦点検出に必要な出力レベルを確保でき、低輝度時の応答性を改善することができる。
また、図7(a),(b)のように、マイクロレンズ15の開口サイズ(直径)が10μmの場合は、回折の影響が増加し、回折像8Cの一部(裾野)がF2.8の射出瞳18からはみ出す。射出瞳18の内部に含まれる部分は約92%である。
また、図9(a),(b)のように、マイクロレンズ15の開口サイズ(直径)が2μmの場合は、回折の影響がさらに増加し、回折像8Cは円形状に広がり、回折像8Cの約半分がF2.8の射出瞳18からはみ出す。射出瞳18の内部に含まれる部分は約60%である。
ここでは、図10〜図12を参照し、上記の撮像素子10(図1〜図4)を備えた撮像システム40について説明する。
第2実施形態の撮像システム40には、図10に示す通り、撮影光学系41、絞り42、撮像素子10、信号処理部43、AD変換部44、信号処理部45、メモリ部46、タイミング発生部47、制御部48、インターフェース(IF)49,50、および、操作部51が設けられる。
信号処理部43は、撮像素子10の出力を増幅するゲイン可変アンプやゲイン値を補正するゲイン補正回路などを含む。AD変換部44は、信号処理部43を経た後の信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換する。信号処理部45は、AD変換部44から出力されるデータに各種の補正を行う。メモリ部46は、信号処理部45を経た後のデータを一時的に記憶する。
まず(ステップS1)、メイン電源がオンされた後、コントロール系の電源がオンされ、AD変換部44などの撮像系回路の電源がオンされる。その後、制御部48は、露光量を制御するために、絞り42を開放にする。撮像素子10からの出力は、信号処理部43とAD変換部44と信号処理部45とを経た後、メモリ部46に格納される。
次に、制御部48は、ステップS6の撮影動作によってメモリ部46に格納されたデータのうち、撮影画像用の画素セル11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S7)。撮像素子10の画素セル11の位置での画像信号は、その画素セル11のデータに基づいて生成される。また、焦点検出用の画素セル12の位置での画像信号は、その画素セル12の周囲の画素セル11のデータに基づいて補間処理によって生成される。
式(1)〜(4)では各画素セル11の出力をI(G11a),I(B11),I(R11),I(G11b)とした。式(1)は、画像信号の輝度成分Iy11である。式(2)〜(4)は、それぞれ、画像信号の緑色成分Ig11,赤色成分Ir11,青色成分Ib11である。k1〜k3は所定の係数である。
Ig11=[I(G11a)+I(G11b)]/Iy11…(2)
Ir11=I(R11)/Iy11…(3)
Ib11=I(B11)/Iy11…(4)
さらに、画素セル12の位置での1画素分の画像信号は、次のような補間処理によって生成することができる。まず、画素セル12の位置に、図12(b)に示す4個の画素セル11(G22a,B22,R22,G22b)が配置されていると考え、画素セル12の周囲4方向の画素セル11(G12a,G21a,G23a,G32a,…など)の出力を次の式(5)〜(8)に代入して、図12(b)の画素セル11(G22a,B22,R22,G22b)の出力に相当するデータを求める。式(5)〜(8)の計算は平均化処理に相当する。
I(G22b)=[I(G12b)+I(G21b)+I(G23b)+I(G32b)]/4…(6)
I(R22)=[I(R12)+I(R21)+I(R23)+I(R32)]/4…(7)
I(B22)=[I(B12)+I(B21)+I(B23)+I(B32)]/4…(8)
そして、式(5)〜(8)の結果を用い、次の式(9)〜(12)にしたがって、画素セル12の位置での1画素分の画像信号を生成することができる。式(9)は、画像信号の輝度成分Iy22である。式(10)〜(12)は、それぞれ、画像信号の緑色成分Ig22,赤色成分Ir22,青色成分Ib22である。
Ig22=[I(G22a)+I(G22b)]/Iy22…(10)
Ir22=I(R22)/Iy22…(11)
Ib22=I(B22)/Iy22…(12)
このようにして画像信号の生成(図11のステップS7の処理)が終わると、これらのデータもメモリ部46に書き込まれる。そして、次の撮影動作のために、ステップS2の処理に戻って焦点検出などの処理を繰り返す。一方、メモリ部46に格納された画像信号(輝度成分,緑色成分,赤色成分,青色成分)は、制御部48の制御によりIF49を介して記録媒体9Aに記録される。また、IF50を介して外部のコンピュータなどに出力し、画像信号の加工を行ってもよい。
(変形例1)
ここでは、画素セル12の位置での画像信号の生成の変形例について説明する。
この場合、画像信号の各色成分Ig22,Ir22,Ib22は、上記の式(10)〜(12)に、画素セル12の出力から求めた輝度成分Iy22(式(13))と、補間処理によって求めた4個の画素セル11(G22a,B22,R22,G22b)の出力とを代入することで、生成される。
(第3実施形態)
ここでは、上記の撮像素子10(図1〜図4)を備えた撮像システム40の具体例として、図13のデジタルスチルカメラ60の説明を行う。
交換レンズ61には、撮影光学系(64,65)、絞り66、駆動部67,68、および、レンズCPU69が設けられる。撮影光学系(64,65)は、フォーカシング用のレンズ65を含む。駆動部67はフォーカシング用のレンズ65を駆動する。駆動部68は絞り66を駆動する。レンズCPU69は駆動部67,68の動作を制御する。
第3実施形態のデジタルスチルカメラ60において、焦点検出部71は、撮像素子10の画素セル12の出力に基づいて撮影光学系(64,65)の焦点検出を行うと、ボディCPU72に対し、撮影光学系(64,65)の焦点調節状態を表すデフォーカス量を出力する。ボディCPU72は、デフォーカス量に基づいて撮影光学系(64,65)が合焦状態か否かを判定し、非合焦の場合には、レンズCPU69に対してデフォーカス量に応じたレンズ駆動情報を出力する。
また、ボディCPU72は、撮像素子10の画素セル11の出力に基づいて画像信号を生成し、この画像信号を液晶駆動部75に出力して、液晶ビューファインダの液晶表示素子73に撮影画像を表示させる。このとき、上記と同様の補間処理などを行い、焦点検出用の画素セル12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。
ここでは、図14〜図16を参照し、焦点検出用の2種類の画素セルを備えた撮像素子の例を説明する。
第4実施形態の撮像素子80には、図1(a),(b)に示す画素セル11,12の他に、図14(a)に示す画素セル81が設けられる。つまり、撮像素子80には、撮影画像用の画素セル11と、焦点検出用の2種類の画素セル12,81とが設けられる。図1(a),(b)に示す画素セル11,12の構成や動作は上記と同じであり、ここでの説明を省略する。
図14(a)に示す画素セル81は、画素セル11,12と同様、正方形状である。また、この画素セル81は、焦点検出用の画素セル12とはセルサイズが異なり、撮影画像用の画素セル11とセルサイズが等しい。画素セル81の一辺の長さA81は、画素セル11の一辺の長さA11と等しい。つまり、新たに設けた焦点検出用の画素セル81は、既に説明した焦点検出用の画素セル12より小型である。以下の説明では、必要に応じて、小型の画素セル81、大型の画素セル12と言う。
さらに、この画素セル81では、一対の光電変換部83,84が基板22のP型ウエルのフローティングディフュージョン(FD)部2Aを挟んで形成される。そして、このFD部2Aを介して、一対の光電変換部83,84に蓄積された電荷を個別に(または加算して)読み出すため、ゲート絶縁膜25の上に転送スイッチ用のMOSトランジスタ85,86が設けられる。また、MOSトランジスタ85,86は、図16に示す制御線P',P''を介して垂直走査回路(不図示)に接続される。
ここでは、図17のフローチャートを参照して、第4実施形態の撮像素子80を備えた撮像システム(図10,図13参照)の動作を説明する。図17に示す動作手順は、上記の図11のステップS2に代えて、ステップS11〜S13を設けたものである。ここでは、焦点調節(ステップS11〜S13,S3,S4)の説明を行う。
なお、高輝度時には、大小2つのセルサイズの画素セル12,81を両方使用して焦点検出を行ってもよい。
ここでは、セルサイズの異なる2種類の焦点検出用の画素セル12,81(図14)を、手動やカメラの各種設定や交換レンズの特性などに応じて切り換える例を説明する。
焦点調節モードに応じて切り換える際は、ワンショットAF(合焦後にレンズをロックするモード)のときに焦点検出精度を優先して小型の画素セル81を選択し、コンティニュアスAF(合焦後もレンズをロックせずに被写体の前後の動きに追従してレンズ駆動を継続するモード)のときに応答性を優先して大型の画素セル12を選択することが考えられる。
単写/連写の撮影モードに応じて切り換える際は、単写モード(画像を1枚ずつ撮影するモード)のときに焦点検出精度を優先して小型の画素セル81を選択し、連写モード(画像を連続して撮影するモード)のときに応答性を優先して大型の画素セル12を選択することが考えられる。
撮影倍率に応じて切り換える際は、撮影倍率が所定値より小さいときに焦点検出精度を優先して小型の画素セル81を選択し、所定値より大きいときに応答性を優先して大型の画素セル12を選択することが考えられる。
装着された交換レンズの焦点距離に応じて切り換える際は、焦点距離が所定値より短いときに焦点検出精度を優先して小型の画素セル81を選択し、所定値より長いときに応答性を優先して大型の画素セル12を選択することが考えられる。
三脚などの使用/不使用に応じて切り換える際は、三脚などにカメラを固定して撮影するときに焦点検出精度を優先して小型の画素セル81を選択し、三脚などにカメラを固定せずに手持ちで撮影するときに応答性を優先して大型の画素セル12を選択することが考えられる。
ここでは、上記の撮像素子10(図1(c)),撮像素子80(図14(b))における各画素セルのレイアウトの変形例について説明する。
図18のように、撮影画像用の画素セル11を略稠密に配置して、その中に焦点検出用の画素セル12を1列おきにずらして千鳥状に配置してもよい。このようなレイアウトの場合、被写体像のパターン(例えば線状パターン)のサイズが画素セル12の配列ピッチD1,D2と同程度であっても、その位置に拘わらず焦点検出を行うことができる。
図20のように、撮影画像用の画素セル11を略稠密に配置して、その中の所定領域に焦点検出用の画素セル12を略稠密に配置し、かつ行ごとに半ピッチずらして配置してもよい。この場合、被写体像のパターン(例えば線状パターンや点状パターン)のサイズが画素セル12の配列ピッチD3,D1と同程度であっても、その位置に拘わらず焦点検出を行うことができる。
図24のように、撮影画像用の画素セル11を略稠密に配置した中に、焦点検出用の画素セル12を線枠状に配列してもよい。この場合、撮像システムの液晶ビューファインダの画面上には、画素セル11の出力に基づいて撮影画像を表示すると共に、画素セル12の位置を焦点検出領域(フォーカスフレーム)として撮影画像に重畳して表示することが好ましい。フォーカスフレーム表示は、例えば固定データによって行われる。このように画素セル12の位置をフォーカスフレームとして表示するので、画素セル12の位置での画像信号を周囲の画素セル11の出力などから補間処理によって生成する必要がない。
ここでは、焦点検出用の画素セルの光電変換部の変形例について説明する。
図25に示す焦点検出用の画素セル90のように、4つの光電変換部91〜94を設けてもよい。この場合、4つの光電変換部91〜94のうち任意の2つを選択的に組み合わせて一対の光電変換部とし、位相差検出方式の焦点検出に用いることができる。位相差検出方式の焦点検出では、上記した2つの被写体像の位置的位相差(つまり一対の光電変換部の並び方向の位置ずれ量)を例えば相関演算によって求める。このため、選択した一対の光電変換部の並び方向に応じて、異なる方向での焦点検出を行える。
また、画素セル110の位置での画像信号を生成する際には、画素セル110の中心に対して対称な2つの光電変換部113,114の加算出力(R色成分)を求めると共に、光電変換部112,115の加算出力(G色成分)を求め、さらに、光電変換部111,116の加算出力(B色成分)を求める。そして、これら3つの加算出力を、上記の補間処理によって求められる各色成分(式(5)〜(8))の代わりに、式(9)〜(12)に代入すればよい。
また、画素セル100(または画素セル110)を用いて焦点検出を行う際、RGBの各色成分の出力を加算せずに、各色成分ごとに焦点検出を行ってもよい。このようにすることで、撮影光学系に色収差がある場合でも、正確な焦点検出が可能となる。また、同じ明るさでも色の変化がある被写体に対して焦点検出が可能となる。さらに、焦点検出に使用する色成分を手動または自動で選択し、選択された色成分の出力で焦点検出を行ってもよい。このようにすることで、特定の色の被写体について選択的に焦点検出を行うことが可能となる。
ここでは、画素セルのマイクロレンズ13,15,…の変形例について説明する。
上記例では、マイクロレンズ13,15の開口サイズ(直径)が画素セル11,12の一辺の長さA11,A12と等しい例を説明したが、本発明はこれに限定されない。マイクロレンズの開口サイズが画素セルの一辺の長さより小さくても構わない。この場合、撮影画像用の画素セルと焦点検出用の画素セルとが同じセルサイズでも、撮影画像用の画素セルにおけるマイクロレンズの開口サイズより、焦点検出用の画素セルにおけるマイクロレンズの開口サイズを大きくすることで、上記と同様の効果を得ることができる。
さらに、上記例では、撮影画像用の画素セルにもマイクロレンズなどの光学要素を設けたが、これを省略した場合にも本発明を適用できる。
ここでは、その他の変形例について説明する。
上記例では、正方形状の画素セルを正方格子状に配置したが、本発明はこれに限定されない。画素セルが長方形状や六角形状の場合にも本発明を適用できる。画素セルが六角形状の場合には、一行ごとに半ピッチずらして2次元ハニカム状に配置することが考えられる。焦点検出用の画素セルは、隣接する複数の撮影画像用の画素セルに置き換えて配置すればよい。
さらに、上記例では、撮影画像用の画素セルと焦点検出用の画素セルを備えた撮像素子の例を説明したが、本発明はこれに限定されない。焦点検出用の画素セルの代わりに(または焦点検出用の画素セルと組み合わせて)測距用や測光用や調光用などの画素セルを配置する場合にも、本発明を適用できる。測距用や測光用や調光用などの画素セルであっても、そのセルサイズを撮影画像用の画素セルより大きくすることで、低輝度時の応答性を改善できる。
被写体輝度を測定する測光用の画素セル、または、被写体から反射されるストロボ光を検出する調光用の画素セルには、測光用または調光用の特殊なフィルタ(視感度フィルタなど)を配置したり、非破壊でリアルタイムに蓄積電荷量をモニタできる特別な回路構成が付加されている。このような特別な回路構成を測光用または調光用の画素セルに付加する場合には、測光用または調光用の画素セルを撮影画像用の画素セルより大きくすることで、1画素あたりのチップ面積を広くすることができ、回路レイアウト上、有利になる。
さらに、上記例では、MOS型の撮像素子(回路構成の図4を参照)を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。その他、CCD型の撮像素子でも本発明を適用できる。
40 撮像システム ; 41,64,65 撮影光学系 ;60 デジタルスチルカメラ
Claims (11)
- 撮影光学系による像を撮像する撮像素子であって、
入射光を集光する第1のマイクロレンズと、該第1のマイクロレンズにより集光された光に応じて電荷を生成する第1の光電変換部とを含む撮像用の第1の画素セルと、
入射光を集光する第2のマイクロレンズと、該第2のマイクロレンズにより集光された光に応じて電荷を生成する第2の光電変換部とを含む焦点検出用の第2の画素セルとを備え、
前記第1の画素セルの形状は正方形であり、
前記第2の画素セルの形状は短辺の長さが前記正方形の一辺の長さと同じであり、長辺の長さが前記正方形の一辺の長さの整数倍である長方形であり、
基板上に前記第1の画素セルが2次元的に配置され、
前記第2の画素セルは、隣接した前記第1の画素セル複数個に置き換えられて配置されるとともに、前記長方形の長辺の方向に配列される
ことを特徴とする撮像素子。 - 請求項1に記載の撮像素子において、
前記第2の光電変換部は、一対の光電変換部からなり、
前記一対の光電変換部は前記第2のマイクロレンズにより、前記撮影光学系の射出瞳と共役であるとともに、前記一対の光電変換部は、前記第2の画素セルにおいて、前記長方形の長辺の方向に配列される
ことを特徴とする撮像素子。 - 請求項1または請求項2に記載の撮像素子において、
基板上に前記第1の画素セルが正方格子状に2次元稠密に配置される
ことを特徴とする撮像素子。 - 撮影光学系による像を撮像する撮像素子であって、
入射光を集光する第1のマイクロレンズと、該第1のマイクロレンズにより集光された光に応じて電荷を生成する第1の光電変換部とを含む撮像用の第1の画素セルと、
入射光を集光する第2のマイクロレンズと、該第2のマイクロレンズにより集光された光に応じて電荷を生成する第2の光電変換部とを含む焦点検出用の第2の画素セルと、
入射光を集光する第3のマイクロレンズと、該第3のマイクロレンズにより集光された光に応じて電荷を生成する複数の第3の光電変換部とを含む焦点検出用の第3の画素セルとを備え、
前記第1の画素セルと前記第3の画素セルのセルサイズは同一であり、
前記第2の画素セルのセルサイズは、前記第1の画素セルのセルサイズの2以上の整数倍であり、
基板上に前記第1の画素セルが2次元的に配置され、
前記第2の画素セルは、隣接した前記第1の画素セル複数個に置き換えられて配置され、
前記第3の画素セルは、前記第1の画素セルに置き換えられて配置される
ことを特徴とする撮像素子。 - 撮影光学系による像を撮像する撮像素子であって、
入射光を集光する第1のマイクロレンズと、該第1のマイクロレンズにより集光された光に応じて電荷を生成する第1の光電変換部とを含む撮像用の第1の画素セルと、
入射光を集光する第2のマイクロレンズと、該第2のマイクロレンズにより集光された光に応じて電荷を生成する第2の光電変換部とを含み、前記第1の画素セルに比べてセルサイズが大きい焦点検出用の第2の画素セルとを備え、
基板上に前記第1の画素セルと前記第2の画素セルとが2次元的に配置され、
前記第2の画素セルのそれぞれは、複数の前記第2の光電変換部を含み、
前記複数の第2の光電変換部のそれぞれは、前記第2のマイクロレンズを介して前記撮影光学系の射出瞳と共役であるとともに、
前記複数の第2の光電変換部のうち2つは対を成し、
前記対を成す2つの第2の光電変換部には、それぞれ異なる色のフィルタが配置される
ことを特徴とする撮像素子。 - 請求項1〜3、5の何れか1項に記載の撮像素子と、
前記第2の画素セルの出力に基づいて前記撮影光学系の焦点調節状態を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする焦点検出装置。 - 請求項4に記載の撮像素子と、
前記第2の画素セルの出力と前記第3の画素セルの出力との少なくとも一方に基づいて前記撮影光学系の焦点調節状態を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする焦点検出装置。 - 請求項6または請求項7に記載の焦点検出装置と、
前記撮像素子の物体側に配置される撮影光学系と、
を備えることを特徴とする撮像システム。 - 請求項8に記載の撮像システムにおいて、
前記第1の画素セルの出力に基づいて撮影画像を表示すると共に、前記第2の画素セルの位置を、前記検出部が焦点検出を行う領域として前記撮影画像に重畳して表示する表示部をさらに備えた
ことを特徴とする撮像システム。 - 請求項8に記載の撮像システムにおいて、
前記第1の画素セルの位置での画像信号を、該第1の画素セルの出力に基づいて生成すると共に、前記第2の画素セルの位置での画像信号を、該第2の画素セルの周囲に位置する前記第1の画素セルの出力に基づく補間処理で生成する生成部をさらに備えた
ことを特徴とする撮像システム。 - 請求項10に記載の撮像システムにおいて、
前記生成部は、前記第2の画素セルの位置での画像信号を生成する際、該画像信号の各色成分を前記補間処理によって生成し、前記画像信号の輝度成分を前記第2の画素セルの出力に基づいて生成する
ことを特徴とする撮像システム。
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