JP5434518B2 - Focus detection device - Google Patents
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Description
本発明は、一眼レフ型カメラなどの撮影装置に搭載される焦点検出装置に関する。 The present invention relates to a focus detection apparatus mounted on a photographing apparatus such as a single-lens reflex camera.
一眼レフ型カメラでは、自動焦点調節(AF)機構として位相差方式の焦点検出装置が搭載されている。焦点検出装置の被写体像が投影されるエリアには、ラインセンサをそれぞれ並列させた複数のラインセンサ群が2つ1組となって2次元的に配置されている。各ラインセンサは、複数のフォトダイオードを並列させた配置構成であり、各フォトダイオードに生じる信号電荷は画素信号として読み出される。 A single-lens reflex camera is equipped with a phase difference type focus detection device as an automatic focus adjustment (AF) mechanism. In the area where the subject image of the focus detection device is projected, a plurality of line sensor groups each having line sensors arranged in parallel are two-dimensionally arranged in pairs. Each line sensor has a configuration in which a plurality of photodiodes are arranged in parallel, and a signal charge generated in each photodiode is read out as a pixel signal.
通常、ラインセンサは電荷蓄積型センサであり、ラインセンサの傍に配置されるモニタセンサによって電荷蓄積時間が調整される(例えば、特許文献1、2参照)。ラインセンサの各フォトダイオードの受ける光量は被写体の明るさ分布によって異なるため、ラインセンサの電荷蓄積時間はそれぞれ独立して制御されている。
Usually, the line sensor is a charge accumulation type sensor, and the charge accumulation time is adjusted by a monitor sensor arranged beside the line sensor (see, for example,
フォトダイオードなどの光電変換素子を備えたモニタセンサは、モニタ対象となっているフォトダイオードの光強度(光量)をリアルタイムで検出する。モニタセンサから出力される信号が所定の閾値を超えると、対応するラインセンサの電荷蓄積(積分)を終了させる。これにより、フォトダイオードがダイナミックレンジを超える光を受光してオーバフローするのを防ぐ。 A monitor sensor including a photoelectric conversion element such as a photodiode detects the light intensity (light quantity) of the photodiode to be monitored in real time. When the signal output from the monitor sensor exceeds a predetermined threshold, the charge accumulation (integration) of the corresponding line sensor is terminated. This prevents the photodiode from receiving light exceeding the dynamic range and overflowing.
ラインセンサに蓄積された電荷は、一時的にキャパシタ等のメモリ部に格納される。すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると、一連の画素信号が被写体像の画像信号として出力され、デフォーカス量を求める演算処理が行われる。 The electric charge accumulated in the line sensor is temporarily stored in a memory unit such as a capacitor. When the charge accumulation of all the line sensors is completed, a series of pixel signals are output as the image signal of the subject image, and calculation processing for obtaining the defocus amount is performed.
強い光の入射によってフォトダイオードの飽和電荷量を超えた電荷が生成されると、光電変換素子から電荷が溢れ出し、隣接画素へ流出する、いわゆるブルーミング現象が生じる。また、電荷を転送してからフォトダイオードに生じる電荷が電荷蓄積部に漏れることによっても、同様の問題が生じる。 When a charge exceeding the saturation charge amount of the photodiode is generated by the strong light incidence, a so-called blooming phenomenon occurs in which the charge overflows from the photoelectric conversion element and flows out to the adjacent pixels. The same problem also occurs when charges generated in the photodiode after transferring the charges leak to the charge storage portion.
このようなブルーミングを防ぐため、CMOSセンサなどのアドレス型撮像素子では、光電変換部に生じた不要電荷を排出する制御スイッチ、すなわちアンチブルーミングゲート(ABG)が配設される(特許文献3参照)。 In order to prevent such blooming, an address type imaging device such as a CMOS sensor is provided with a control switch for discharging unnecessary charges generated in the photoelectric conversion unit, that is, an anti-blooming gate (ABG) (see Patent Document 3). .
露光期間においてABGはOFF状態であり、ABGが障壁となって蓄積電荷は排出されることなく、過剰な光によって生じた不要電荷はABGの障壁を越えてドレインなどに排出される。蓄積電荷が転送された状態になると、ABGがON状態に切り替えられる。そのため、電荷転送の後生成された不要電荷はそのままABGを通って排出され、隣接画素へ流出することを防ぐ。 During the exposure period, the ABG is in an OFF state, and the accumulated charge is not discharged due to the ABG serving as a barrier. Unnecessary charges generated by excessive light are discharged to the drain or the like through the ABG barrier. When the accumulated charge is transferred, ABG is switched to the ON state. Therefore, unnecessary charges generated after the charge transfer are discharged as they are through the ABG and are prevented from flowing out to the adjacent pixels.
上述したように、各ラインセンサの光電変換素子の電荷蓄積時間は被写体の明るさ分布に応じてバラツキがあり、被写体の非常に明るい部分と暗い部分どちらも検出する必要がある。そのため、非常に広いダイナミックレンジが焦点検出装置の光電変換素子に要求される。このことは、引用文献2のような各光電変換素子の電荷蓄積時間が一定であるイメージセンサと大きく相違する。 As described above, the charge accumulation time of the photoelectric conversion element of each line sensor varies depending on the brightness distribution of the subject, and it is necessary to detect both a very bright part and a dark part of the subject. Therefore, a very wide dynamic range is required for the photoelectric conversion element of the focus detection device. This is greatly different from an image sensor such as the cited document 2 in which the charge accumulation time of each photoelectric conversion element is constant.
したがって、焦点検出装置に使用されるラインセンサでは、光量が極端に少ないときに電荷漏れを極力無くし、光量が過剰なときには不要電荷を十分に排出できるように構成しなければならない。すなわち、幅広いダイナミックレンジで焦点検出を可能にするため、ABGなどの電荷排出ゲートによる電荷流出の障壁をより精緻に設定しなければならない。 Therefore, the line sensor used in the focus detection apparatus must be configured so that charge leakage is minimized when the amount of light is extremely small, and unnecessary charges can be sufficiently discharged when the amount of light is excessive. That is, in order to enable focus detection with a wide dynamic range, the barrier of charge outflow by a charge discharge gate such as ABG must be set more precisely.
本発明の焦点検出装置は、被写体像の投影領域に並ぶ複数のラインセンサと、複数のラインセンサの側にそれぞれ配置され、それぞれ対応するラインセンサの受光量をモニタリングする複数のモニタセンサと、複数のラインセンサに蓄積された電荷に基づいて被写体像の画像信号を出力する画像信号出力手段とを備える。例えば、焦点検出装置は一眼レフ型カメラなどの撮影装置に適用される。また、ラインセンサは、例えばCMOSセンサなどアドレス型撮像素子によって構成される。 The focus detection apparatus of the present invention includes a plurality of line sensors arranged in a projection area of a subject image, a plurality of monitor sensors arranged on the side of the plurality of line sensors, respectively, for monitoring the amount of light received by the corresponding line sensors, Image signal output means for outputting an image signal of the subject image based on the electric charge accumulated in the line sensor. For example, the focus detection device is applied to a photographing device such as a single-lens reflex camera. The line sensor is configured by an address-type image sensor such as a CMOS sensor.
本発明のラインセンサは、フォトダイオードなどの光電変換素子と、光電変換素子に蓄積された電荷を格納する電荷格納部と、光電変換素子に蓄積された電荷を電荷格納部に転送する電荷転送ゲートと、光電変換素子に蓄積される電荷を排出する電荷排出ゲートとを備える。電荷排出ゲートは、露光期間中に電荷流出の電気的障壁を形成し、例えば、光電変換素子に関して電荷格納部の反対側にトランジスタなどで構成される電荷排出ゲートが設けられ、露光期間中はゲートを閉じた状態に設定される。 The line sensor according to the present invention includes a photoelectric conversion element such as a photodiode, a charge storage unit that stores charges accumulated in the photoelectric conversion element, and a charge transfer gate that transfers charges accumulated in the photoelectric conversion element to the charge storage unit. And a charge discharging gate for discharging charges accumulated in the photoelectric conversion element. The charge discharge gate forms an electrical barrier for charge outflow during the exposure period. For example, a charge discharge gate composed of a transistor or the like is provided on the opposite side of the charge storage portion with respect to the photoelectric conversion element. Is set to the closed state.
本発明では、ラインセンサの電荷排出ゲートの電気的障壁が所定条件に基づいて定められる。すなわち、電荷排出ゲートから排出される電荷数が、最大照度のときには光電変換素子に発生する電荷数より大きく、かつ、最小照度のときであって電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が光電変換素子に蓄積された状態のときには光電変換素子に発生する電荷数よりも小さくなるように、電荷排出ゲートの閾値電圧および光電変換素子の空乏化電圧が定められる。 In the present invention, the electrical barrier of the charge discharge gate of the line sensor is determined based on a predetermined condition. That is, when the number of charges discharged from the charge discharge gate is the maximum illuminance, the number of charges generated in the photoelectric conversion element is larger than the number of charges generated in the photoelectric conversion element, and the charge corresponding to the saturation charge amount of the charge storage portion is The threshold voltage of the charge discharge gate and the depletion voltage of the photoelectric conversion element are determined so as to be smaller than the number of charges generated in the photoelectric conversion element when it is stored in the conversion element.
ここで、閾値電圧は、電荷流出の電気的障壁を規定する電荷排出ゲートの電位を示し、空乏化電圧は、電荷が蓄積されていないときの光電変換素子の電位を示す。また、最大照度、最小照度は、ラインセンサの性能特性などによってあらかじめ定められている。 Here, the threshold voltage indicates the potential of the charge discharge gate that defines an electrical barrier for charge outflow, and the depletion voltage indicates the potential of the photoelectric conversion element when no charge is accumulated. The maximum illuminance and the minimum illuminance are determined in advance according to the performance characteristics of the line sensor.
本発明では、露光期間中に電気的障壁を形成する電荷排出ゲートから流出する電荷数が、非常に強い光、弱い光どちらによっても適正なものとなるように設定されている。オーバフローが生じるような露光量になっても不要電荷排出ゲートを通って不要電荷が十分に排出されるため、ブルーミングの発生を防ぐことが可能となり、また、光量が非常に少ない場合には流出する電荷数が十分に少ないため、ラインセンサの電荷蓄積期間を適切な期間で終了させることが可能となり、ダイナミックレンジの広い焦点検出が行われる。 In the present invention, the number of charges flowing out from the charge discharge gate that forms an electrical barrier during the exposure period is set to be appropriate for both very strong light and weak light. Even when the exposure amount is such that overflow occurs, unnecessary charges are sufficiently discharged through the unnecessary charge discharging gate, so that blooming can be prevented, and when the amount of light is very small, it flows out. Since the number of charges is sufficiently small, the charge accumulation period of the line sensor can be terminated in an appropriate period, and focus detection with a wide dynamic range is performed.
照度が低いときにはできる限り流出する電荷数を抑えるのが望ましい。そのため、最小照度のときであって電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が光電変換素子に蓄積された状態のときには、光電変換素子に発生する電荷数の1/10、さらには1/100以下となるように、電荷排出ゲートの閾値電圧および光電変換素子の空乏化電圧を定めるのがよい。 It is desirable to suppress the number of charges flowing out as much as possible when the illuminance is low. Therefore, when the illuminance is at a minimum and the charge corresponding to the saturation charge amount in the charge storage portion is accumulated in the photoelectric conversion element, 1/10 of the number of charges generated in the photoelectric conversion element, and further 1/100 It is preferable to determine the threshold voltage of the charge discharge gate and the depletion voltage of the photoelectric conversion element so as to satisfy the following.
例えば、空乏化電圧が以下の式を満たすように設定される。
ΔVMEMmax≦Vrst−(VPD0+ΔVFD)
ただし、電荷格納部の飽和電荷量に相当するフォトダイオード電圧をΔVMEMmax、空乏化電圧をVPD0、リセット電圧をVrst、フローティングディフュージョン(FD)における所望電圧であるFD出力電圧をΔVFDと表す。
For example, the depletion voltage is set so as to satisfy the following expression.
ΔV MEMmax ≦ V rst − (V PD0 + ΔV FD )
However, the photodiode voltage corresponding to the saturation charge amount of the charge storage portion is represented by ΔV MEMmax , the depletion voltage is represented by V PD0 , the reset voltage is represented by V rst , and the FD output voltage that is a desired voltage in the floating diffusion (FD) is represented by ΔV FD. .
また、以下の式を満足するように空乏化電圧VPD0が設定される。ただし、電荷蓄積容量の飽和電荷量をQMEMS、飽和電荷量QMEMSだけ電荷が蓄積されたときのフォトダイオード電圧をVPDQ、フォトダイオードの飽和電荷量をQPDMとする。
QPDM≧QMEMS×VPD0/(VPD0−VPDQ)
Further, the depletion voltage VPD0 is set so as to satisfy the following expression. However, the saturation charge amount of the charge storage capacitor is Q MEMS , the photodiode voltage when the charge is accumulated by the saturation charge amount Q MEMS is V PDQ , and the saturation charge amount of the photodiode is Q PDM .
Q PDM ≧ Q MEMS × V PD0 / (V PD0 −V PDQ )
本発明の他の局面における焦点検出装置用ラインセンサは、光電変換素子と、光電変換素子に蓄積された電荷を格納する電荷格納部と、光電変換素子に蓄積された電荷を電荷格納部に転送する電荷転送ゲートと、電荷格納部に転送された蓄積電荷を画素信号として出力する画素信号読み出し回路と、光電変換素子に蓄積される電荷を排出する電荷排出ゲートとを備え、電荷排出ゲートから排出される電荷数が、最大照度のときには光電変換素子に発生する電荷数より大きく、かつ、最小照度のときであって電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が光電変換素子に蓄積された状態のときには光電変換素子に発生する電荷数よりも小さくなるように、電荷排出ゲートの閾値電圧および光電変換素子の空乏化電圧が定められることを特徴とする。 A focus detection apparatus line sensor according to another aspect of the present invention includes a photoelectric conversion element, a charge storage unit that stores charges accumulated in the photoelectric conversion element, and transfers charges accumulated in the photoelectric conversion element to the charge storage unit. A charge transfer gate, a pixel signal readout circuit that outputs the accumulated charge transferred to the charge storage unit as a pixel signal, and a charge discharge gate that discharges the charge accumulated in the photoelectric conversion element, and is discharged from the charge discharge gate When the maximum number of charges is larger than the number of charges generated in the photoelectric conversion element at the maximum illuminance, and the charge corresponding to the saturation charge amount of the charge storage portion is accumulated in the photoelectric conversion element at the minimum illuminance In this case, the threshold voltage of the charge discharge gate and the depletion voltage of the photoelectric conversion element are determined so as to be smaller than the number of charges generated in the photoelectric conversion element.
このように本発明によれば、ブルーミングを抑制しながら、広いダイナミックレンジで焦点検出を行うことができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to perform focus detection with a wide dynamic range while suppressing blooming.
以下、図面を参照しながら本実施形態について説明する。 Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態であるデジタルカメラの模式的内部構成図である。 FIG. 1 is a schematic internal configuration diagram of a digital camera according to the present embodiment.
一眼レフ型デジタルカメラ10は、本体12と、本体12に着脱自在な交換レンズ14とを備え、本体12内部には、ペンタゴナルダハプリズム(以下、ペンタプリズムという)16、クイックリターンミラー18、フォーカルプレーンシャッタ20、CCDなどの撮像素子22が設けられている。
The single-lens reflex
ROM36、RAM37、CPU38を含むシステムコントロール回路30は、カメラ10の撮影動作を制御し、周辺制御回路32、表示部33、AFモジュール24、測光IC23、EEPROM39等に制御信号を出力する。周辺制御回路32は、フォーカルプレーンシャッタ20、絞り(図示せず)、撮像素子22など露光機構を制御し、また、レンズメモリ13からレンズ情報を取得する。
A system control circuit 30 including a
電源ボタン(図示せず)の操作によってカメラ10がON状態になると、撮影可能な撮影モードに設定される。撮影光学系15を通った光は、クイックリターンミラー18によってペンタプリズム16の方向へ導かれ、被写体像がピント板17に形成される。ユーザーは、ファインダ窓(図示せず)を通して被写体像を視認する。撮影のためレリーズボタン(図示せず)が半押しされると、ペンタプリズム16の傍に配置される測光IC23が、TTL測光方式に従い、被写体の明るさを検出する。また、クイックリターンミラー18の下方に配置されるAFモジュール24が、位相差方式に従って合焦状態を検出する。
When the
撮影光学系15を通った光の一部は、クイックリターンミラー18を透過し、サブミラー19によってAFモジュール24に導かれる。AFモジュール24は、コンデンサーレンズ26、セパレータレンズ27、視野マスク29、焦点検出部40を備え、撮像面(撮像素子22の受光面)と等価な位置(共役面)に配置された視野マスク29によって分割された被写体像は、セパレータレンズ27によって焦点検出部40に再結像される。焦点検出部40は、対になって投影された被写体像の画像信号を出力する。
A part of the light passing through the photographing
システムコントロール回路30は、AFモジュール24から送られてくる画像信号に基づき、デフォーカス量および焦点調節を行う。すなわち、AFモジュール24によって検出されるデフォーカス量およびピントずれの方向に従い、AFモータドライバ34へ制御信号を出力する。AFモータ35は、AFモータドライバ34からの駆動信号に基づき、撮影光学系15内のフォーカシングレンズをシフトさせる。合焦状態に達するまで一連の焦点検出、レンズ駆動が行われる。
The system control circuit 30 performs defocus amount and focus adjustment based on the image signal sent from the
レリーズ半押し状態において焦点調整が行われ、被写体の明るさが検出されると、システムコントロール回路30は、露出値、すなわちシャッタースピードおよび絞り値を演算、決定する。そしてレリーズボタンが全押しされると、一連の記録動作処理が実行される。すなわち、クイックリターンミラー18、絞り、およびシャッタ20の動作によって被写体像が撮像素子22に形成され、1フレーム分の画像信号が撮像素子22から信号処理回路25へ出力される。信号処理回路25ではデジタル画像データが生成され、画像データがEEPROM39へ格納される。
When focus adjustment is performed in the release half-pressed state and the brightness of the subject is detected, the system control circuit 30 calculates and determines an exposure value, that is, a shutter speed and an aperture value. When the release button is fully pressed, a series of recording operation processing is executed. That is, the subject image is formed on the
図2は、焦点検出部の基板配置を示した図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating a substrate arrangement of the focus detection unit.
焦点検出部40は、CMOS型ラインセンサを複数配設させた一体型基板によって構成される。焦点検出デバイス40の表面には、被写体像の縦方向に沿った基板上下方向にラインセンサ群EA1、EA2が設置され、被写体像の横方向に沿った基板左右方向にラインセンサ群EB1、EB2が設置されている。ラインセンサ群EA1、EA2、およびEBA1、EB2はそれぞれ基板中心部を挟んで互いに対向する。
The
視野マスク29、コンデンサーレンズ26、セパレータレンズ27を含む結像光学系は、瞳分割によって2組の被写体像対を形成し、ラインセンサ群EA1、EA2の配置された投影領域、およびラインセンサ群EB1、EB2の配置された投影領域に対し、一対の被写体像をそれぞれ結像させる。
The imaging optical system including the
各ラインセンサ群は、所定間隔で左右もしくは上下方向に並ぶ複数のラインセンサによって構成され、ラインセンサ群EA1、EA2のラインセンサは左右方向に沿って並列し、ラインセンサ群EB1、EB2のラインセンサは上下方向に沿って並列している。各ラインセンサは、複数のフォトダイオード、画素信号読み出し回路(ともにここでは図示せず)を備える。 Each line sensor group is composed of a plurality of line sensors arranged in the left-right or up-down direction at predetermined intervals, and the line sensors in the line sensor groups EA1, EA2 are arranged in parallel in the left-right direction, and the line sensors in the line sensor groups EB1, EB2 Are in parallel along the vertical direction. Each line sensor includes a plurality of photodiodes and a pixel signal readout circuit (both not shown here).
ラインセンサ群EA1は、9つのラインセンサLSA1〜LSA9によって構成されており、基準ラインセンサとして機能する。一方、ラインセンサ群EA2を構成するラインセンサLSA11〜LSA19は、参照ラインセンサとして機能する。同様に、ラインセンサ群EB1を構成するラインセンサLSB1〜LSB5は基準センサ、ラインセンサ群EB2を構成するラインセンサLSB6〜LSB10は参照ラインセンサとして機能する。 The line sensor group EA1 includes nine line sensors LSA1 to LSA9, and functions as a reference line sensor. On the other hand, the line sensors LSA11 to LSA19 constituting the line sensor group EA2 function as reference line sensors. Similarly, the line sensors LSB1 to LSB5 constituting the line sensor group EB1 function as reference sensors, and the line sensors LSB6 to LSB10 constituting the line sensor group EB2 function as reference line sensors.
ラインセンサ群EA1のLSA1〜LSA9、ラインセンサ群EB1のラインセンサLSB1〜LSB5の側には、電荷転送用の垂直シフトレジスタVSR1〜VSR9、VSS1〜VSS5が設置されており、ラインセンサ群EA2、EB2の各ラインセンサに対しても、垂直シフトレジスタVSR11〜VSR19、VSS6〜VSS10が同様に配置されている。 Vertical shift registers VSR1 to VSR9 and VSS1 to VSS5 for charge transfer are installed on the side of the line sensors LSA1 to LSA9 of the line sensor group EA1 and the line sensors LSB1 to LSB5 of the line sensor group EB1, and the line sensor groups EA2 and EB2 The vertical shift registers VSR11 to VSR19 and VSS6 to VSS10 are similarly arranged for the respective line sensors.
ラインセンサ群EA1、EB1には、一連のモニタセンサLMA1〜LMA9、LMB1〜LMB5がそれぞれ対応するラインセンサの側に配置されている。モニタセンサLMA1〜LMA9、LMB1〜LMB5は、複数の微小センサをラインセンサに沿って並列させた構成であり、対応するラインセンサの領域を複数のエリアに分割してモニタリングする。 In the line sensor groups EA1 and EB1, a series of monitor sensors LMA1 to LMA9 and LMB1 to LMB5 are arranged on the corresponding line sensor side. Each of the monitor sensors LMA1 to LMA9 and LMB1 to LMB5 has a configuration in which a plurality of minute sensors are arranged in parallel along the line sensor, and the corresponding line sensor region is divided into a plurality of areas for monitoring.
モニタセンサLMA1〜LMA9は、それぞれラインセンサLSA1〜LSA9の側面に沿ってライン状に配置され、対応するラインセンサの受ける光量(光強度)と同じ光量を受け、光量に応じた信号をモニタ信号として出力する。モニタセンサLMB1〜LMB5も、ラインセンサLSB1〜LSB5の受光量をモニタリングするためモニタ信号を出力する。 The monitor sensors LMA1 to LMA9 are arranged in a line along the side surfaces of the line sensors LSA1 to LSA9, respectively, receive the same light amount (light intensity) received by the corresponding line sensor, and a signal corresponding to the light amount is used as a monitor signal. Output. Monitor sensors LMB1 to LMB5 also output monitor signals to monitor the amount of light received by line sensors LSB1 to LSB5.
また、ラインセンサ群EA1、EB1の各モニタセンサの傍には、暗電流成分を検知するOB(Optical Black)モニタセンサOBA1〜OBA9、OBB1〜OBB5が配置されており、検出される暗電流成分に基づいてモニタセンサから出力されるモニタ信号が補正される。 Further, OB (Optical Black) monitor sensors OBA1 to OBA9 and OBB1 to OBB5 for detecting dark current components are arranged beside each monitor sensor of the line sensor groups EA1 and EB1, and the detected dark current components are Based on this, the monitor signal output from the monitor sensor is corrected.
AGC回路42は、各モニタセンサから逐次出力されるモニタ信号値を閾値と比較し、オートゲインコントロールによってラインセンサの積分時間を制御する。閾値は、焦点検出に必要な光量が対象となるラインセンサに入射しているか否かを判断する指標値であり、ラインセンサのオーバフローを防ぐように設定されている。
The
モニタ信号値が閾値を超えると、積分終了を示すモニタ信号が論理回路44に送られる。論理回路44は、対応するラインセンサ、すなわちモニタリング対象となっているラインセンサの電荷蓄積(積分)を終了させるための制御信号を出力する。ラインセンサに制御信号が送信されると、電荷蓄積が終了するとともに、一時的に電荷がラインセンサ内で格納される。
When the monitor signal value exceeds the threshold value, a monitor signal indicating completion of integration is sent to the
ラインセンサの電荷蓄積時間は、ライセンサのモニタリング対象エリア毎に独立制御されており、被写体の光強度分布に応じて各ラインセンサの電荷蓄積時間が調整される。すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると、各ラインセンサの垂直シフトレジスタ、および電荷転送機能をもつ列回路45、46の水平シフトレジスタによって画素信号が順番に読み出されていく。これにより、各ラインセンサの画素信号読み出し回路(ここでは図示せず)において蓄積電荷が電圧変換、増幅処理され、画素信号が出力される。
The charge accumulation time of the line sensor is independently controlled for each monitoring target area of the licensor, and the charge accumulation time of each line sensor is adjusted according to the light intensity distribution of the subject. When the charge accumulation of all the line sensors is completed, the pixel signals are sequentially read out by the vertical shift register of each line sensor and the horizontal shift registers of the
各ラインセンサから読み出された一連の画素信号は、列回路45、46においてノイズ除去処理、増幅処理される。そして、一連の画素信号は、被写体像の画像信号としてシステムコントロール回路30へ送られる。システムコントロール回路30では、対になっているラインセンサ群の画像信号に基づいて位相差が検出され、デフォーカス量が求められる。
A series of pixel signals read from each line sensor is subjected to noise removal processing and amplification processing in the
図3は、焦点検出部のブロック図である。図4は、ラインセンサ、モニタセンサ、AGC回路の接続関係を示した図である。図3、図4を用いて、ラインセンサの電荷蓄積時間(積分時間)の制御について説明する。 FIG. 3 is a block diagram of the focus detection unit. FIG. 4 is a diagram illustrating a connection relationship between the line sensor, the monitor sensor, and the AGC circuit. The control of the charge accumulation time (integration time) of the line sensor will be described with reference to FIGS.
なお、図3では、垂直方向に沿って延びるラインセンサ対LSA5、LSA15、水平方向に沿って延びるラインセンサ対LSB3、LSB8と、それに応じたモニタセンサLMA5およびLMB3のみを図示し、それ以外のラインセンサ、モニタセンサは省略している。また、図4では、ラインセンサの電荷蓄積終了タイミングをわかりやすく説明のため、図2に示す実際の配置とは異なる配置でラインセンサ、モニタセンサを図示している。 In FIG. 3, only the line sensor pairs LSA5 and LSA15 extending along the vertical direction, the line sensor pairs LSB3 and LSB8 extending along the horizontal direction, and the monitor sensors LMA5 and LMB3 corresponding thereto are shown, and the other lines Sensors and monitor sensors are omitted. Further, in FIG. 4, the line sensor and the monitor sensor are illustrated in an arrangement different from the actual arrangement illustrated in FIG. 2 for easy understanding of the charge accumulation end timing of the line sensor.
ラインセンサLSA5は、ラインセンサ用画素信号読み出し回路PSA5を挟んで向かい合うフォトダイオード対を上下方向に沿って並べた構成であり、ラインセンサ用画素信号読み出し回路によって各フォトダイオードから電荷が読み出される。他のラインセンサLSA15、LSB3、LSB8も同様に画素信号読み出し回路PSA15、PSB3、PSB8を挟んで向かい合うフォトダイオード対を並列させた構成になっている。 The line sensor LSA5 has a configuration in which photodiode pairs facing each other across the line sensor pixel signal readout circuit PSA5 are arranged in the vertical direction, and charges are read from each photodiode by the line sensor pixel signal readout circuit. Similarly, the other line sensors LSA15, LSB3, and LSB8 have a configuration in which a pair of photodiodes facing each other across the pixel signal readout circuits PSA15, PSB3, and PSB8 are arranged in parallel.
ラインセンサLSA5の傍に配置されたモニタセンサLMA5は、フォトダイオードを有する微小センサを垂直方向に沿って複数個並べた構成であり、モニタセンサ用画素信号読み出し回路(ここでは図示せず)によって蓄積電荷が読み出される。ラインセンサLSB3の傍に配置されたモニタセンサLSB3も同様の構成になっている。 The monitor sensor LMA5 arranged beside the line sensor LSA5 has a configuration in which a plurality of minute sensors having photodiodes are arranged in the vertical direction, and is accumulated by a monitor sensor pixel signal readout circuit (not shown here). The charge is read out. The monitor sensor LSB3 arranged beside the line sensor LSB3 has the same configuration.
AGC回路42HSは、モニタセンサLMB3から出力されるモニタ信号の電圧レベルが閾値を超えるか否かを検知し、閾値に達すると電荷蓄積(積分)終了を知らせるモニタ信号を論理回路44に出力する。モニタリング対象となっているラインセンサLSB3の電荷蓄積時間(積分時間)は、AGC回路42HSによって調整される。AGC回路42HSの閾値は、ラインセンサLSB3のダイナミックレンジを考慮した値に設定されており、論理回路44からのVMS信号によって設定される。モニタセンサLMA5をモニタリングするAGC回路42V5も同様の構成である。
The
図4では、1つのラインセンサLSB3を図示している。対向位置にあるモニタセンサLMB3は、それぞれフォトダイオードを有する複数の微小センサから構成されており、ここでは、便宜上3つの微小センサM1〜M3、M4〜M6、M7〜M9から構成されるものとする。 In FIG. 4, one line sensor LSB3 is illustrated. The monitor sensor LMB3 at the opposite position is composed of a plurality of minute sensors each having a photodiode, and here, for convenience, it is assumed to be composed of three minute sensors M1 to M3, M4 to M6, and M7 to M9. .
上述したように、ラインセンサLSB3は、多数のフォトダイオード対を配列させた構成であり、モニタセンサLMB3の微小センサM1〜M9は、それぞれ割り当てられた所定数のフォトダイオードの領域についてモニタリングを行っている。 As described above, the line sensor LSB3 has a configuration in which a large number of photodiode pairs are arranged, and the micro sensors M1 to M9 of the monitor sensor LMB3 perform monitoring on a region of a predetermined number of assigned photodiodes. Yes.
ここでは、3つの測距ゾーンSZ1〜SZ3がラインセンサLSB3に対して規定されており、AGC回路42HSは、モニタセンサM1〜M3、M4〜M6、M7〜M9とそれぞれ接続されるモニタセンサ群42H31、42H32、42H33から構成されており、測距ゾーンSZ1〜SZ3の積分時間をそれぞれ調整する。モニタセンサ群42H31、42H32、42H33は、微小センサM1〜M3、M4〜M6、M7〜M9からの出力信号をそれぞれ検知するため、測距ゾーンSZ1〜SZ3に合わせて3つのモニタセンサ検出部AGC1〜AGC3、AGC4〜AGC6、AGC7〜AGC9をそれぞれ備えている。
Here, three distance measuring zones SZ1 to SZ3 are defined for the line sensor LSB3, and the
ラインセンサLSB3の測距ゾーンSZ1を例に挙げると、瞳分割による一対の被写体像が焦点検出部40に投影されると、ラインセンサLSA1の測距ゾーンSZ1およびモニタセンサM1〜M3に電荷が蓄積される。3つの微小センサM1〜M3に入力される光量は、被写体の明るさ分布によってそれぞれ異なるため、モニタセンサ検出部AGC1〜AGC3が積分終了を知らせるモニタ信号を出力するタイミングは異なる。
Taking the distance measuring zone SZ1 of the line sensor LSB3 as an example, when a pair of subject images by pupil division is projected onto the
例えば、モニタセンサM1〜M3の微小センサM1に強い光が入射する一方で微小センサM2、M3に入射する光が弱い場合、検出部AGC1に入力するモニタ信号の電圧値が検出部AG2、AG3よりも先に閾値を超え、電荷蓄積終了を知らせるモニタ信号を論理回路44へ出力する。
For example, when strong light is incident on the micro sensors M1 of the monitor sensors M1 to M3, but the light incident on the micro sensors M2 and M3 is weak, the voltage value of the monitor signal input to the detection unit AGC1 is detected by the detection units AG2 and AG3. First, the monitor signal that exceeds the threshold and notifies the end of charge accumulation is output to the
論理回路44は、検出部AGC1から終了信号を受けると、ラインセンサLSB3の測距ゾーンの電荷蓄積を終了させる。ラインセンサLSB3の測距ゾーンSZ1の各フォトダイオードに蓄積された電荷は、電荷蓄積容量(ここでは図示せず)に一時的に格納される。検出部AGC2、あるいは検出部AGC3が最も早く積分終了のモニタ信号を出力した場合も、ラインセンサLSB3の測距ゾーンSZ1の電荷蓄積が同様に終了する。
When the
このようなラインセンサの電荷蓄積が、ラインセンサLSB3の測距ゾーンSZ2、SZ3についても、同じように行われる。すなわち、微小センサM4〜M6、M7〜M9のいずれかにおいて閾値を超えるモニタ信号が出力されると、ラインセンサLSB3の測距ゾーンSZ2、SZ3の電荷蓄積をその時点で終了する。 Such charge accumulation of the line sensor is performed in the same manner for the distance measuring zones SZ2 and SZ3 of the line sensor LSB3. That is, when a monitor signal exceeding the threshold is output in any of the micro sensors M4 to M6 and M7 to M9, the charge accumulation in the distance measuring zones SZ2 and SZ3 of the line sensor LSB3 is terminated at that time.
すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると(あるいはその前に所定時間が経過すると)、各ラインセンサから画素信号が出力される。上下方向にあるラインセンサ群EA1、EA2(図2参照)から出力される画素信号は、列回路46に転送される(図2、3参照)。一方、左右方向にあるラインセンサ群EB1、EB2から出力される画素信号は、列回路45へ転送される。
When charge accumulation of all the line sensors is completed (or a predetermined time elapses before that), a pixel signal is output from each line sensor. Pixel signals output from the line sensor groups EA1 and EA2 (see FIG. 2) in the vertical direction are transferred to the column circuit 46 (see FIGS. 2 and 3). On the other hand, pixel signals output from the line sensor groups EB1 and EB2 in the left-right direction are transferred to the
列回路45、46においては、出力された画素信号に対してノイズ除去、増幅処理が画素信号に対して行われる。これにより、ラインセンサ群EA1、EA2に対する一対の被写体像に応じた画像信号は、オフセット回路64においてオフセットされた後、出力切替回路66を通じてシステムコントロール回路30へ出力される。一方、ラインセンサ群EB1、EB2に対する一対の被写体像に応じた画像信号は、オフセット回路62においてオフセットされた後、出力切替回路68を通じてシステムコントロール回路30へ出力される。
In the
システムコントロール回路30は、論理回路44の動作を制御するとともに、各AGC回路からのモニタ信号を選択的に検知する。モニタ出力選択回路56では、システムコントロール回路30により指定されたモニタ信号が出力され、出力切替回路68からシステムコントロール回路30に送られる。また、OBモニタ出力選択回路52から選択的に出力されるOBモニタ信号は、出力切替回路66を介してシステムコントロール回路30に送られる。なお、OBモニタ信号、モニタ信号は、レベルシフト回路53、55によってそれぞれ出力信号の基準電位がシフトされる。
The system control circuit 30 controls the operation of the
論理回路44は、ラインセンサの電荷蓄積を終了させるとき、選択回路58を通じて電荷蓄積終了を知らせる信号をシステムコントロール回路30に出力する。また、すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると、選択回路60を通じて電荷蓄積終了を知らせる信号をシステムコントロール回路30へ送る。システムコントロール回路30は、これらのモニタ信号、終了信号に基づいて、各ラインセンサの積分時間、AGC回路のゲインを制御する。
When the charge accumulation of the line sensor is finished, the
図5は、ラインセンサ用画素信号読み出し回路の電気回路図である。図6は、図5の画素信号読み出し回路の模式的な断面図である。図7は、モニタセンサの電気回路図である。 FIG. 5 is an electric circuit diagram of the line sensor pixel signal readout circuit. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the pixel signal readout circuit of FIG. FIG. 7 is an electric circuit diagram of the monitor sensor.
図5には、ラインセンサLSB3における一組のフォトダイオード対120Aj、120Bjおよびそれに接続されるラインセンサ用画素信号読み出し回路130jに関する回路構成を示している。フォトダイオード対120Aj、120Bjは、ともにラインセンサ用画素信号読み出し回路130jと接続されている。
FIG. 5 shows a circuit configuration relating to a pair of photodiodes 120Aj and 120Bj in the line sensor LSB3 and a line sensor pixel
ラインセンサ用画素信号読み出し回路130jは、不要電荷の掃き出しをスイッチ制御するアンチブルーミングゲート(ABG)121A、121B、一時的に電荷を格納する電荷蓄積容量(MEM)124A、124B、フォトダイオード対120Aj、120Bjに蓄積された電荷を電荷蓄積容量124A、124Bに転送する転送ゲート(TG)122A、122Bを備える。
The pixel
さらに、ラインセンサ用画素信号読み出し回路130jは、FDA(Floating Diffusion Amplifier)に基づく電荷検出機構を備え、電荷注入されるフローティングディフュージョン(FD)125、電荷蓄積容量124A、124Bの蓄積電荷を転送するフローティングディフュージョンゲート(FDG)123A、123B、リセットゲート(RG)26、ソースフォロアアンプ127、および選択ゲート128を備える。
Furthermore, the line sensor pixel
図6には、フォトダイオード120Aj付近の焦点検出部40の基板断面が図示されている。n−sub基板の上にp型層(p−well)を形成し、その上にpn接合のフォトダイオード120Ajが構成される。また、フォトダイオード120Ajの表面にp+層を形成することにより、埋め込み型フォトダイオードが構成される。電荷蓄積容量124Aも同様のMOS型ダイオードの構成になっている。
FIG. 6 shows a substrate cross section of the
なお、フォトダイオード120Ajの上方には開口部(図示せず)が設けられており、開口部を除く部分を遮光膜で覆うことによってフォトダイオード120Aj以外の光入射が防止されている。 An opening (not shown) is provided above the photodiode 120Aj, and light other than the photodiode 120Aj is prevented from entering by covering a portion excluding the opening with a light shielding film.
アンチブルーミングゲート(ABG)121A、転送ゲート(TG)122A、フローティングディフュージョンゲート(FDG)123A、リセットゲート(RG)124Aは、それぞれ表面に電荷転送電極(ゲート電極)を配設したトランジスタによって構成されており、それぞれ電荷読み出しタイミングに合わせてパルス信号が入力される。 The anti-blooming gate (ABG) 121A, the transfer gate (TG) 122A, the floating diffusion gate (FDG) 123A, and the reset gate (RG) 124A are each configured by a transistor having a charge transfer electrode (gate electrode) disposed on the surface. Each pulse signal is input in accordance with the charge read timing.
転送ゲート(TG)122A、フローティングディフュージョンゲート(FDG)123Aの開閉により、電荷蓄積容量124A、およびn+層から成るフローティングディフュージョン(FD)125にそれぞれ電荷が転送される。また、アンチブルーミングゲート(ABG)121Aの開閉により、フォトダイオード120Ajの不要電荷が、n+層129を介してドレインとなる電源VDDAに掃き出される。
By opening / closing the transfer gate (TG) 122A and the floating diffusion gate (FDG) 123A, charges are transferred to the
図7には、フォトダイオード120Ajをモニタリングする微小センサ140mを示している。フォトダイオード142に接続されるモニタセンサ用画素信号読み出し回路144は、アンチブルーミングゲート(ABG)151、転送ゲート(TG)152、リセットゲート(RG)154、さらには電荷蓄積容量(MEM)153、ソースフォロアアンプ155を備える。
FIG. 7 shows a
被写体からの光がラインセンサに到達すると、フォトダイオード120Aj、120Bjの光電変換によって信号電荷(画素信号)が生じ、光量に応じて電荷が蓄積されていく。一方、モニタセンサ140mの光電変換部142に生じる信号電荷は、電荷蓄積153を介して図2、3に示したAGC回路へ随時出力される。
When light from the subject reaches the line sensor, a signal charge (pixel signal) is generated by photoelectric conversion of the photodiodes 120Aj and 120Bj, and the charge is accumulated according to the amount of light. On the other hand, the signal charge generated in the
モニタ信号が閾値を超えると、フォトダイオード120Ajの電荷蓄積が終了し、蓄積電荷は転送ゲート122A、122Bを通って電荷蓄積容量123A、123Bに一時的に転送される。他のフォトダイオード対の電荷蓄積がすべて終了するまで、蓄積電荷は電荷蓄積容量123A、123Bにそれぞれ保存される。
When the monitor signal exceeds the threshold value, the charge accumulation of the photodiode 120Aj ends, and the accumulated charge is temporarily transferred to the
他のラインセンサの電荷蓄積が終了すると、フォトダイオード120Aj、120Bjにおいて生じ、電荷蓄積容量123A、123Bにそれぞれ格納されていた電荷は、別々に、または混合されてフローティングディフュージョン(FD)125に注入される。そして、ソースフォロアアンプ127によって画素信号(電圧信号)が出力される。画素信号が出力されると、リセットゲート126の動作によってフローティングディフュージョン124がリセットされる。
When the charge accumulation of the other line sensors is completed, the charges generated in the photodiodes 120Aj and 120Bj and respectively stored in the
次に、図8〜図14を用いて電荷生成〜画素信号読み出しまでのフローを説明する。図8〜図14では、図6に示した回路断面に合わせて基板の各構成要素の電位状態を示している。 Next, a flow from charge generation to pixel signal readout will be described with reference to FIGS. 8 to 14 show the potential state of each component of the substrate in accordance with the circuit cross section shown in FIG.
図8は、被写体からの光を受けてフォトダイオードに電荷が蓄積されている状態を示した図である。フォトダイオード120Ajに電荷が蓄積されていないときの空乏化電圧をVPD0で表し、焦点検出部40の基板表面を基準電圧0とする。
FIG. 8 is a diagram showing a state where charges are accumulated in the photodiode upon receiving light from the subject. It represents depletion voltage when charge in the photodiode 120Aj is not stored in V PD0, the substrate surface of the
電荷蓄積中、アンチブルーミングゲート(ABG)121A、転送ゲート(TG)122Aはローレベルであり、フォトダイオード120Ajに電荷が蓄積されていく。電荷蓄積の間、ABG121Aを通って電荷が排出されないように、ABG121Aはローレベル、OFF状態に設定されている。ABG121Aのローレベルにおける電圧(以下、閾値電圧という)Vtは、電荷蓄積中に電気的障壁となって電荷漏出を防ぐ一方、過剰な光によって発生する不要電荷に対してはABG121Aの障壁を越えて十分排出されるように設定されている。
During charge accumulation, the anti-blooming gate (ABG) 121A and the transfer gate (TG) 122A are at a low level, and charges are accumulated in the photodiode 120Aj. The
図9は、電荷がフォトダイオードから転送される状態を示した図である。フォトダイオード120Ajの電荷蓄積が終了すると、転送ゲート(TG)122Aがハイレベル、すなわちON状態となる。これにより、フォトダイオード120Ajに蓄積された電荷が電荷蓄積容量124Aへ一時的に格納される。
FIG. 9 is a diagram showing a state where charges are transferred from the photodiode. When the charge accumulation of the photodiode 120Aj is completed, the transfer gate (TG) 122A is set to the high level, that is, the ON state. As a result, the charge accumulated in the photodiode 120Aj is temporarily stored in the
図10は、不要電荷がフォトダイオードから排出されている状態を示した図である。電荷が電荷蓄積容量124Aに転送されると、ブルーミングが生じないようにABG121Aがハイレベルとなる。これにより、フォトダイオード120Ajに発生する不要電荷は排出される。
FIG. 10 is a diagram showing a state in which unnecessary charges are discharged from the photodiode. When the charge is transferred to the
図11、12は、フローティングディフュージョンのリセット状態を示した図である。リセットゲート(RG)126をハイレベルに切り替えることによって、フローティングディフュージョン125の電位を初期状態にリセットし、リセットゲート(RG)126を再びローレベルにしてリセット電圧Vrstを検知する。
11 and 12 are diagrams showing the reset state of the floating diffusion. By switching the reset gate (RG) 126 to the high level, the potential of the floating
図13、14は、電荷蓄積容量からフローティングディフュージョンへの電荷転送を示した図である。フローティングディフュージョンゲート(FDG)125をハイレベルにすることによって、電荷蓄積容量124Aに保存されていた電荷がフローティングディフュージョン(FD)125に転送される。そして、フローティングディフュージョンゲート(FDG)125を再びローレベルに切り替えることによって、フローティングディフュージョン(FD)125の電圧変化が画素信号の電圧として検出される。
13 and 14 are diagrams showing charge transfer from the charge storage capacitor to the floating diffusion. By setting the floating diffusion gate (FDG) 125 to a high level, the charges stored in the
図15は、アンチブルーミングゲート(ABG)を超えてフォトダイオードから流出する(リークする)電荷数とフォトダイオード電圧との関係を示した図である。図16は、最大照度時の電荷流出を示した図である。図17は、最小照度時の電荷流出を示した図である。図15〜図17を用いて、アンチブルーミングゲート(ABG)の閾値電圧設定について説明する。 FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the number of charges that flow out (leak) from the photodiode beyond the anti-blooming gate (ABG) and the photodiode voltage. FIG. 16 is a diagram illustrating the charge outflow at the time of the maximum illuminance. FIG. 17 is a diagram illustrating the outflow of charge at the minimum illuminance. The threshold voltage setting of the anti-blooming gate (ABG) will be described with reference to FIGS.
図15に示すグラフでは、横軸をフォトダイオードの電圧VPD(V)、縦軸をアンチブルーミングゲート(ABG)からのリーク電子数(以下では、流出電荷数という)LQ(e−/s)とし、フォトダイオード電圧VPDと流出電荷数LQとの関係をグラフ化している。フォトダイオード電圧VPDは、電荷が蓄積されていないとき、すなわち光が照射されないときの空乏化電圧VPD0が最大となり、光強度が大きくなるに従ってフォトダイオード電圧VPDが下がっていく。 In the graph shown in FIG. 15, the horizontal axis represents the photodiode voltage V PD (V), and the vertical axis represents the number of leaked electrons from the anti-blooming gate (ABG) (hereinafter referred to as the number of outflow charges) LQ (e− / s). and then graphs the relationship between the photo-diode voltage V PD and the outlet charge number LQ. Photodiode voltage V PD, when no charge is accumulated, i.e. depletion voltage V PD0 when light is not irradiated becomes the maximum, gradually decreases the photodiode voltage V PD in accordance with the light intensity increases.
フォトダイオード電圧VPDと流出電荷数LQは指数関数の関係にあり、フォトダイオード電圧VPD(蓄積電荷)が大きくなるほど流出電荷数LQも多くなる。アンチブルーミングゲート(ABG)の閾値電圧Vtと空乏化電圧VPD0が定められると、フォトダイオード電圧VPDと流出電荷数LQの関係は、図15に示す直線Lsに従う。すなわち、あるフォトダイオード電圧VPDにおける流出電荷数LQは直線Lsによって求められる。 The photodiode voltage V PD and the number LQ of outflow charges have an exponential relationship, and the number LQ of outflow charges increases as the photodiode voltage V PD (accumulated charge) increases. When the threshold voltage Vt of the anti-blooming gate (ABG) and the depletion voltage V PD0 are determined, the relationship between the photodiode voltage V PD and the number LQ of outflow charges follows the straight line Ls shown in FIG. That outflow charge number LQ at a certain photodiode voltage V PD is determined by a straight line Ls.
ここでは、空乏化電圧VPD0=1V、飽和電荷量のフォトダイオード電圧(以下、飽和フォトダイオード電圧という)VPDQ=0V、閾値電圧VtがVts(=0.5V)のときに直線Lsが規定される。フォトダイオード電圧VPDと流出電荷数LQの関係を示す直線Lsは、ラインセンサの性能特性、空乏化電圧VPD0、閾値電圧Vtsを変えることによって直線の傾き(比例の大きさ)、切片も変わる。 Here, the straight line Ls is defined when the depletion voltage V PD0 = 1V, the saturation charge photodiode voltage (hereinafter referred to as saturation photodiode voltage) V PDQ = 0V, and the threshold voltage Vt is Vts (= 0.5 V). Is done. The straight line Ls indicating the relationship between the photodiode voltage V PD and the number LQ of outflow charges changes the slope (proportional magnitude) and intercept of the line by changing the performance characteristics of the line sensor, the depletion voltage V PD0 , and the threshold voltage Vts. .
閾値電圧Vtは電荷がアンチブルーミングゲート(ABG)を超えるときの障壁の大きさを示すことから、閾値電圧Vtの大きさによって流出電荷数LQも変化する。閾値電圧Vtが大きくなると、電荷がフローティングディフュージョンゲート(ABG)の障壁を越えにくくなって流出電荷数LQが下がる。逆に、閾値電圧Vtが小さく設定されると電荷がフローティングディフュージョンゲート(ABG)から容易に漏れ出る。 Since the threshold voltage Vt indicates the size of the barrier when the charge exceeds the anti-blooming gate (ABG), the number LQ of outflow charges also changes depending on the size of the threshold voltage Vt. When the threshold voltage Vt increases, the electric charge does not easily exceed the barrier of the floating diffusion gate (ABG), and the number LQ of outflow charges decreases. Conversely, when the threshold voltage Vt is set to a small value, charges easily leak from the floating diffusion gate (ABG).
図16では、非常に強い光によるフォトダイオードの蓄積電荷を示している。強い光によってフォトダイオードの飽和電荷量QPDm付近まで電荷が蓄積されると、電荷がフォトダイオードから溢れやすくなる。そのため、転送ゲート(TG)へ漏れることなくアンチブルーミングゲート(ABG)を介して電荷を流出させるような閾値電圧Vtを設定しなければならない。 FIG. 16 shows the charge accumulated in the photodiode due to very strong light. When the charge is accumulated to near the saturation charge amount QPDm of the photodiode by strong light, the charge is likely to overflow from the photodiode. Therefore, it is necessary to set a threshold voltage Vt that allows the charge to flow out through the anti-blooming gate (ABG) without leaking to the transfer gate (TG).
一方、図17では、非常に弱い光によるフォトダイオードの蓄積電荷を示している。光強度が小さい場合であっても、一部電荷はフローティングディフュージョンゲート(ABG)の障壁を超えて流出する。弱い光のときに流出電荷数LQを極力抑えなければ、AGC回路の閾値電圧付近までフォトダイオードに電荷が蓄積されても、フォトダイオードに発生する電荷数を上回るペースで電荷が流出してしまい、いつまでもAGC回路の閾値に応じた電荷数まで電荷が蓄積されない。すなわち、電荷蓄積容量(MEM)の飽和電荷量QMEMSに相当する電荷がフォトダイオードに蓄積された状況でリークする電荷数を抑えなければならない。 On the other hand, FIG. 17 shows the charge accumulated in the photodiode due to very weak light. Even when the light intensity is low, some of the charge flows out beyond the barrier of the floating diffusion gate (ABG). If the outflow charge number LQ is not suppressed as much as possible when the light is weak, even if the charge is accumulated in the photodiode up to the vicinity of the threshold voltage of the AGC circuit, the charge flows out at a pace exceeding the number of charges generated in the photodiode, No charge is accumulated until the number of charges corresponding to the threshold value of the AGC circuit. That is, it is necessary to suppress the number of charges that leak in a situation where charges corresponding to the saturation charge amount QMEMS of the charge storage capacitor (MEM) are stored in the photodiode.
このように、照度が非常に大きいときには発生する過剰電荷を十分排出し、照度が非常に小さい場合にはリークする電荷数を十分に小さくしなければならない。そのため、閾値電圧Vtを、最大照度のときフォトダイオードに発生する電荷数Qmaxと最小照度のときフォトダイオードに発生する電荷数Qminを考慮した値に設定する。 As described above, when the illuminance is very large, the excessive charge generated must be sufficiently discharged, and when the illuminance is very small, the number of leaked charges must be sufficiently small. Therefore, the threshold voltage Vt, set to a value based on the number of charges Q min generated in the photodiode when the charge number Q max and minimum illuminance generated in the photodiode at the maximum illumination intensity.
ただし、最大照度は、フォトダイオードのリニア出力可能な限界照度であり、フォトダイオードの性能特性によってあらかじめ定められている。最小照度は、光電変換可能な限界照度を示し、同様にフォトダイオードの性能特性によって規定される。 However, the maximum illuminance is a limit illuminance that allows linear output of the photodiode, and is determined in advance by the performance characteristics of the photodiode. The minimum illuminance indicates the limit illuminance that can be photoelectrically converted, and is similarly defined by the performance characteristics of the photodiode.
図15の直線Lsは、最大照度のときにアンチブルーミングゲート(ABG)を通って流出する電荷数が、発生電荷数Qmaxと等しい。上述したように、直線Lsの閾値電圧Vtsをさらに小さくすると、流出電荷数が増加するために直線Lsは上に移動する。したがって、直線Lsの閾値電圧Vtsよりも小さい閾値電圧Vtを設定することにより、最大照度のときに発生する余剰電荷はアンチブルーミングゲート(ABG)を介して排出され、電荷蓄積容量などに流入しない。 In the straight line Ls in FIG. 15, the number of charges flowing out through the anti-blooming gate (ABG) at the maximum illuminance is equal to the number of generated charges Q max . As described above, when the threshold voltage Vts of the straight line Ls is further reduced, the number of outflow charges increases, so that the straight line Ls moves upward. Accordingly, by setting a threshold voltage Vt smaller than the threshold voltage Vts of the straight line Ls, surplus charges generated at the maximum illuminance are discharged through the anti-blooming gate (ABG) and do not flow into the charge storage capacitor or the like.
一方、最小照度のときの閾値電圧Vtの限度を考えると、電荷蓄積容量の飽和電荷量分だけフォトダイオードに電荷が蓄積されている状態で限界となる閾値電圧Vtを設定する必要がある。光強度が非常に小さい場合、長い露光期間かけて電荷蓄積容量の飽和電荷量QMEMsにまで達する。この状況でフォトダイオードに発生する電荷数以上にフォトダイオードの蓄積電荷がABGを介して漏れ出てしまうと、最小照度の条件下でいつまでも蓄積電荷を転送可能な状況にならない。 On the other hand, when considering the limit of the threshold voltage Vt at the minimum illuminance, it is necessary to set the threshold voltage Vt that becomes the limit when the charge is accumulated in the photodiode by the amount of saturation charge of the charge storage capacitor. When the light intensity is very small, the saturation charge amount QMEMs of the charge storage capacitor is reached over a long exposure period. In this situation, if the accumulated charge of the photodiode leaks through the ABG more than the number of charges generated in the photodiode, it will not be possible to transfer the accumulated charge indefinitely under the condition of the minimum illuminance.
したがって、フォトダイオード電圧VPDが電荷蓄積容量(MEM)の飽和電荷量QMEMSに相当する飽和フォトダイオード電圧VPDQであるとき(図15参照)、フォトダイオードに発生する最小照度時の電荷数Qminと比べて漏出する電荷数は十分小さくなければならない。 Therefore, when the photodiode voltage V PD is the saturation photodiode voltage V PDQ corresponding to the saturation charge amount Q MEMS of the charge storage capacitor (MEM) (see FIG. 15), the number of charges Q at the minimum illuminance generated in the photodiode. The number of charges leaking out compared to min must be sufficiently small.
図15に示す直線Lmは、閾値電圧Vtm、空乏化電圧V’PD0に従って定められており、フォトダイオード電圧VPDが飽和フォトダイオード電圧VPDQであるときの流出電荷数LQは、最小照度時の発生電荷数Qminと等しい。したがって、直線Lmの閾値電圧Vtmよりも大きい閾値電圧Vtを設定することにより、漏出する電荷数を発生電荷数よりも少なくすることができる。 The straight line Lm shown in FIG. 15 is determined according to the threshold voltage Vtm and the depletion voltage V ′ PD0 , and the number LQ of outflow charges when the photodiode voltage V PD is the saturated photodiode voltage V PDQ is the minimum illuminance. equal to the generated charge number Q min. Therefore, by setting a threshold voltage Vt that is higher than the threshold voltage Vtm of the straight line Lm, the number of leaked charges can be made smaller than the number of generated charges.
直線Lmと直線Lsに挟まれた領域TRは、最大照度、最小照度のとき必要とされる条件を満足する。したがって、フォトダイオード電圧VPDと流出電荷数LQの比例関係が領域TRに収まるように、フォトダイオードの空乏化電圧VPD0、アンチブルーミングゲート(ABG)の閾値電圧Vtを定めればよい。 A region TR sandwiched between the straight line Lm and the straight line Ls satisfies the conditions required for the maximum illuminance and the minimum illuminance. Therefore, the depletion voltage V PD0 of the photodiode and the threshold voltage V t of the anti-blooming gate (ABG) may be determined so that the proportional relationship between the photodiode voltage V PD and the number LQ of outflow charges falls within the region TR.
しかしながら、広いダイナミックレンジを確保するためには、最小照度のときの流出電荷数LQを、発生電荷数Qminの1/100倍以下に抑えることが望まれる。この場合、流出電荷数LQが1/100倍になる直線Lnと直線Lsに挟まれた領域TSに収まるように、フォトダイオードの空乏化電圧VPD0、アンチブルーミングゲート(ABG)の閾値電圧Vtが設定される。 However, in order to ensure a wide dynamic range, the outflow charge number LQ when the minimum illuminance, it is desirable to keep the following 1/100 of generating charge number Q min. In this case, the depletion voltage V PD0 of the photodiode and the threshold voltage V t of the anti-blooming gate (ABG) so as to fall within the region TS sandwiched between the straight line Ln and the straight line Ls in which the number LQ of the outflow charges is 1/100 times. Is set.
このような条件に基づいて設定されたアンチブルーミングゲート(ABG)の閾値電圧Vtとフォトダイオードの空乏化電圧VPD0は、アンチブルーミングの発生防止と広いダイナミックレンジ確保の両方を満足する。その一方で、焦点検出部40の基板川迫にお家は、以下に述べる条件を満足する空乏化電圧VPD0が求められる。
The threshold voltage Vt of the anti-blooming gate (ABG) and the depletion voltage V PD0 of the photodiode set based on such conditions satisfy both the prevention of the occurrence of anti-blooming and the securing of a wide dynamic range. On the other hand, the house in the substrate detector of the
図18は、空乏化電圧と電荷蓄積容量の最大電圧との関係を示した図である。電荷蓄積容量の飽和電荷量に相当する電圧ΔVMEMmaxと、空乏化電圧VPD0と、リセット電圧Vrstと、FD出力電圧ΔVFDは、以下の関係式を満たす必要がある。ただし、FD出力電圧ΔVFDは、フローティングディフュージョン(FD)における所望電圧を示す。
ΔVMEMmax≦Vrst−(VPD0+ΔVFD) ・・・・(1)
FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the depletion voltage and the maximum voltage of the charge storage capacitor. The voltage ΔV MEMmax corresponding to the saturation charge amount of the charge storage capacitor, the depletion voltage V PD0 , the reset voltage V rst, and the FD output voltage ΔV FD must satisfy the following relational expression. However, the FD output voltage ΔV FD indicates a desired voltage in the floating diffusion (FD).
ΔV MEMmax ≦ V rst − (V PD0 + ΔV FD ) (1)
(1)式は、図18に示す電位差ΔVGがあることを要求し、上記(1)式を満たすように、空乏化電圧が設定される。 (1) requests that there is a potential difference [Delta] V G shown in FIG. 18, so as to satisfy the above equation (1), the depletion voltage is set.
さらに、以下の式を満足するように空乏化電圧VPD0が設定される。ただし、電荷蓄積容量の飽和電荷量をQMEMS、飽和電荷量QMEMSだけ電荷が蓄積されたときのフォトダイオード電圧をVPDQ、フォトダイオードの飽和電荷量をQPDMとする。
QPDM≧QMEMS×VPD0/(VPD0−VPDM) ・・・・(2)
Furthermore, the depletion voltage VPD0 is set so as to satisfy the following expression. However, the saturation charge amount of the charge storage capacitor is Q MEMS , the photodiode voltage when the charge is accumulated by the saturation charge amount Q MEMS is V PDQ , and the saturation charge amount of the photodiode is Q PDM .
Q PDM ≧ Q MEMS × V PD0 / (V PD0 −V PDM ) (2)
(2)式は、フォトダイオードの飽和電荷量QPDMが電荷蓄積容量(MEM)の飽和電荷量QMEMSよりも十分大きいか、すなわち、フォトダイオードが電荷蓄積容量と比べて十分に電荷を蓄積できるか否かを判別する。 The equation (2) indicates that the saturated charge amount Q PDM of the photodiode is sufficiently larger than the saturated charge amount Q MEMS of the charge storage capacitor (MEM), that is, the photodiode can store charges sufficiently compared to the charge storage capacitor. It is determined whether or not.
このように本実施形態によれば、AFモジュール24の焦点検出部40の基板表面には、複数のラインセンサから成るクロス状のラインセンサ群EA1、EA2、EB1、EB2を構成し、ラインセンサ群EA1、EA2の各ラインセンサに傍にはラインセンサの入射光をモニタリングするモニタセンサMA1〜MA9、MB1〜MB5を配置させる。
As described above, according to the present embodiment, the cross-shaped line sensor groups EA1, EA2, EB1, and EB2 including a plurality of line sensors are formed on the substrate surface of the
各ラインセンサを構成する複数のフォトダイオードおよびラインセンサ用画素信号読み出し回路では、余剰電荷を切替制御によって排出するアンチブルーミングゲート(ABG)をフォトダイオードの傍に設け、フォトダイオードに電荷を蓄積している間、アンチブルーミングゲート(ABG)は電荷リークの障壁となる。 In each of the plurality of photodiodes and line sensor pixel signal readout circuits constituting each line sensor, an anti-blooming gate (ABG) that discharges surplus charges by switching control is provided near the photodiodes, and charges are accumulated in the photodiodes. During this time, the anti-blooming gate (ABG) becomes a barrier against charge leakage.
そして、アンチブルーミングゲートの閾値電圧Vt、およびフォトダイオードの空乏化電圧VPD0は、最大照度時の発生電荷数Qmaxよりもアンチブルーミングゲート(ABG)を通って排出される流出電荷数LQの方が多く、かつ、最小照度時であって電荷蓄積容量(MEM)の飽和電荷量QMEMSだけフォトダイオードに電荷蓄積された状態で発生する電荷数Qminよりも流出電荷数LQが少なくなるように、規定される。 The threshold voltage Vt of the anti-blooming gate and the depletion voltage V PD0 of the photodiode are those of the outflow charge number LQ discharged through the anti-blooming gate (ABG) rather than the generated charge number Q max at the maximum illuminance. as many, and the number of outflow charges LQ is smaller than the number of charges Q min to be at the minimum illuminance occurs in a state of being charge accumulated in the saturated charge amount Q MEMS only photodiodes of the charge storage capacitor (MEM) Stipulated.
焦点検出の場合、イメージセンサとは異なり、各ラインセンサの電荷蓄積時間は別々に制御され、また、エッジ部分などの輝度変化を弱い光強度でも検出する必要があるため、広いダイナミックレンズが必要とされる。本実施形態によれば、ラインセンサのダイナミックレンジを十分広く設定してもブルーミングが生じず、光強度に関係なくフォトダイオードの蓄積電荷を出力し、各画素の輝度レベルを精度よく出力することが可能となる。 In the case of focus detection, unlike image sensors, the charge accumulation time of each line sensor is controlled separately, and it is necessary to detect luminance changes such as edge portions even with low light intensity, so a wide dynamic lens is required. Is done. According to the present embodiment, blooming does not occur even when the dynamic range of the line sensor is set sufficiently wide, the accumulated charge of the photodiode is output regardless of the light intensity, and the luminance level of each pixel can be output with high accuracy. It becomes possible.
測距については、多点測距、あるいは画面中心部のみ測距するように構成してもよく、ラインセンサ数、ラインセンサ群の数、および、ラインセンサの配列方向は任意である。また、一眼レフ型カメラ以外のカメラに適用してもよく、携帯電話などカメラ機能を備えた撮影装置に適用してもよい。 The distance measurement may be configured to measure multiple points or only the center of the screen, and the number of line sensors, the number of line sensor groups, and the arrangement direction of the line sensors are arbitrary. Further, the present invention may be applied to a camera other than a single-lens reflex camera, or may be applied to a photographing apparatus having a camera function such as a mobile phone.
10 一眼レフ型デジタルカメラ
24 AFモジュール(焦点検出装置)
40 焦点検出部
120Aj、120Bj フォトダイオード(光電変換素子)
121A アンチブルーミングゲート(電荷排出ゲート)
122A 転送ゲート
124A 電荷蓄積容量(電荷格納部)
Vt 閾値電圧
VPD0 空乏化電圧
10 SLR
40 Focus detection unit 120Aj, 120Bj Photodiode (photoelectric conversion element)
121A Anti-blooming gate (charge discharge gate)
Vt threshold voltage V PD0 depletion voltage
Claims (7)
前記複数のラインセンサの側にそれぞれ配置され、それぞれ対応するラインセンサの受光量をモニタリングする複数のモニタセンサと、
前記複数のラインセンサに蓄積された電荷に基づいて被写体像の画像信号を出力する画像信号出力手段とを備え、
前記ラインセンサが、アドレス型撮像素子であって、光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を格納する電荷格納部と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷格納部に転送する電荷転送ゲートと、前記光電変換素子に蓄積される電荷を排出する電荷排出ゲートとを有し、
前記電荷排出ゲートから排出される電荷数が、前記ラインセンサの最大照度のときには前記光電変換素子に発生する電荷数より大きく、かつ、前記ラインセンサの最小照度のときであって前記電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が前記光電変換素子に蓄積された状態のときには前記光電変換素子に発生する電荷数よりも小さくなるように、前記電荷排出ゲートの閾値電圧および前記光電変換素子の空乏化電圧が定められることを特徴とする焦点検出装置。 A plurality of line sensors arranged in the projection area of the subject image;
A plurality of monitor sensors arranged on the side of the plurality of line sensors, respectively, for monitoring the amount of light received by the corresponding line sensors;
Image signal output means for outputting an image signal of a subject image based on charges accumulated in the plurality of line sensors,
The line sensor is an address-type image sensor, and includes a photoelectric conversion element, a charge storage unit that stores charges accumulated in the photoelectric conversion element, and a charge accumulated in the photoelectric conversion element in the charge storage unit. A charge transfer gate for transferring, and a charge discharge gate for discharging charge accumulated in the photoelectric conversion element,
The number of charges discharged from the charge discharge gate is larger than the number of charges generated in the photoelectric conversion element when the line sensor has the maximum illuminance, and is the minimum illuminance of the line sensor . Depletion of the threshold voltage of the charge discharge gate and the photoelectric conversion element so that the charge corresponding to the saturation charge amount is smaller than the number of charges generated in the photoelectric conversion element when the charge is stored in the photoelectric conversion element. A focus detection apparatus characterized in that a voltage is determined.
ΔVMEMmax≦Vrst−(VPD0+ΔVFD) ・・・・(1)
ただし、前記光電変換素子がフォトダイオードであり、電荷格納部の飽和電荷量に相当するフォトダイオード電圧をΔVMEMmax、空乏化電圧をVPD0、リセット電圧をVrst、フローティングディフュージョン(FD)における所望電圧であるFD出力電圧をΔVFDと表す。 The focus detection apparatus according to claim 1, wherein the depletion voltage satisfies the following expression.
ΔV MEMmax ≦ V rst − (V PD0 + ΔV FD ) (1)
However, the photoelectric conversion element is a photodiode, the photodiode voltage corresponding to the saturation charge amount of the charge storage portion is ΔV MEMmax , the depletion voltage is V PD0 , the reset voltage is V rst , and the desired voltage in the floating diffusion (FD) The FD output voltage is expressed as ΔV FD .
QPDM≧QMEMS×VPD0/(VPD0−VPDQ) ・・・・(2)
ただし、前記光電変換素子がフォトダイオードであり、電荷蓄積容量の飽和電荷量をQMEMS、飽和電荷量QMEMSだけ電荷が蓄積されたときのフォトダイオード電圧をVPDQ、フォトダイオードの飽和電荷量をQPDMとする。 The focus detection apparatus according to claim 1, wherein the depletion voltage V PD0 satisfies the following expression.
Q PDM ≧ Q MEMS × V PD0 / (V PD0 −V PDQ ) (2)
However, the photoelectric conversion element is a photodiode, the saturation charge amount of the charge storage capacitor is Q MEMS , the photodiode voltage when the charge is accumulated by the saturation charge amount Q MEMS is V PDQ , and the saturation charge amount of the photodiode is Q PDM .
光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を格納する電荷格納部と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷格納部に転送する電荷転送ゲートと、
前記電荷格納部に転送された蓄積電荷を画送信号として出力する画素信号読み出し回路と、
前記光電変換素子に蓄積される電荷を排出する電荷排出ゲートとを備え、
前記電荷排出ゲートから排出される電荷数が、前記ラインセンサの最大照度のときには前記光電変換素子に発生する電荷数より大きく、かつ、前記ラインセンサの最小照度のときであって前記電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が前記光電変換素子に蓄積された状態のときには前記光電変換素子に発生する電荷数よりも小さくなるように、前記電荷排出ゲートの閾値電圧および前記光電変換素子の空乏化電圧が定められることを特徴とする焦点検出用ラインセンサ。 A line sensor for focus detection which is an address type image sensor,
A photoelectric conversion element;
A charge storage unit for storing charges accumulated in the photoelectric conversion element;
A charge transfer gate for transferring the charge accumulated in the photoelectric conversion element to the charge storage unit;
A pixel signal readout circuit that outputs the accumulated charge transferred to the charge storage unit as an image transfer signal;
A charge discharge gate for discharging charges accumulated in the photoelectric conversion element,
The number of charges discharged from the charge discharge gate is larger than the number of charges generated in the photoelectric conversion element when the line sensor has the maximum illuminance, and is the minimum illuminance of the line sensor . Depletion of the threshold voltage of the charge discharge gate and the photoelectric conversion element so that the charge corresponding to the saturation charge amount is smaller than the number of charges generated in the photoelectric conversion element when the charge is stored in the photoelectric conversion element. A focus detection line sensor characterized in that a voltage is determined.
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