JP6223055B2 - 光電変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置、焦点検出装置、撮像システム及び光電変換装置の駆動方法に関する。

位相差検出型オートフォーカス用光電変換装置として、被写体の位置情報を検出するための光電変換部と、光電変換部の蓄積時間を制御するために光電変換部の電荷蓄積量をモニタするためのモニタ用光電変換部とを備えるものが知られている。特許文献１の図５には、これら２つの光電変換部を平面に並べた構成が開示されている。

特開２０１２−４８０６４号公報

特許文献１の構成は、被写体の位置情報を検出するための光電変換部とモニタ用光電変換部の位置が平面で異なる。そのため、モニタ用光電変換部に、被写体の位置情報と異なる光が照射される条件下では、これら２つの光電変換部に出力差が生じ、蓄積時間の制御に悪影響を及ぼすという課題がある。

本発明の目的は、複数の光電変換部の出力レベル差を低減することができる光電変換装置、焦点検出装置、撮像システム及び光電変換装置の駆動方法を提供することである。

本発明の光電変換装置は、半導体基板に形成された光電変換装置であって、第１導電型で形成された第１の光電変換部と、前記半導体基板の深さ方向に対して前記第１の光電変換部より深い位置に形成され、第２導電型で形成された第２の光電変換部と、前記半導体基板の深さ方向に対して前記第２の光電変換部より深い位置に形成され、第１導電型で形成された第３の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第３の光電変換部の電荷蓄積期間中に、前記第２の光電変換部の信号をモニタリングするモニタ部とを有し、前記第１の光電変換部、前記第２の光電変換部、及び前記第３の光電変換部は、平面視において重なることを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２の光電変換部の位置が平面上でほぼ一致するため、第１及び第２の光電変換部の出力レベル差を低減することができる。

光電変換装置のラインセンサの配置を示すレイアウト図である。 第１の実施形態に係るラインセンサの構成例を示す図である。 第１の実施形態に係るフォトダイオードの平面図である。 第１の実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。 第１の実施形態に係る単位画素の等価回路図である。 第２の実施形態に係るラインセンサの構成例を示す図である。 第３の実施形態に係るラインセンサの構成例を示す図である。 第３の実施形態に係る単位画素の等価回路図である。 第４の実施形態に係るラインセンサの構成例を示す図である。 第５の実施形態に係るラインセンサの構成例を示す図である。 第６の実施形態に係る単位画素の等価回路図である。 第７の実施形態に係る撮像システムの構成例を示す図である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る焦点検出装置を示す図であり、位相差検出型オートフォーカス（Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ；以下、ＡＦという）用光電変換装置のラインセンサの配置例を示すレイアウト図である。光電変換装置１０は、複数のラインセンサ対１１を有する。ラインセンサ対１１は、基準部用ラインセンサ１２と参照用ラインセンサ１３とを有する。位置情報となる光は、基準部用ラインセンサ１２と参照用ラインセンサ１３に照射される。これら２つのラインセンサ１２及び１３の出力信号を比較することにより、位相差検出により焦点を検出し、デフォーカス量を求める。焦点検出装置は、ライセンサ１２，１３を複数有する。

図２は、基準部用ラインセンサ１２の構成例を示す図である。基準部用ラインセンサ１２は、複数の単位画素２１を有し、信号保持部２２とモニタ部２３に接続される。単位画素２１は、光電変換部２１１と信号出力部２１２とを有する。信号出力部２１２は、アンプＡｍｐＡとアンプＡｍｐＭとアンプＡｍｐＢとを有する。アンプは、例えば、バッファアンプである。光電変換部２１１は、光電変換により信号を生成し、アンプＡｍｐＡ、ＡｍｐＭ、ＡｍｐＢにそれぞれ出力する。各単位画素２１のアンプＡｍｐＭは、信号を増幅し、モニタ部２３に出力するが、信号検出の精度を向上させるために、ノイズ除去回路を含んでも良い。各単位画素２１のアンプＡｍｐＡ及びＡｍｐＢは、信号を増幅する。各単位画素２１のアンプＡｍｐＡ及びＡｍｐＢの出力信号は、それぞれ、一時的に信号保持部２２で保持され、不図示の走査回路によって、順次、出力バッファＢｕｆＡ及びＢｕｆＢへ伝達される。出力バッファＢｕｆＡ及びＢｕｆＢは、それぞれ信号をバッファリングする。各単位画素２１のアンプＡｍｐＭの出力信号は、光電変換部２１１で受けている光量をリアルタイムに検出するために使用される。モニタ部２３は、複数画素のアンプＡｍｐＭの出力信号の中の最大値Ｐと最小値Ｂの差分信号Ｐ−Ｂに基づき信号を出力する。参照部用ラインセンサ１３については、基準部用ラインセンサ１２と同様であるので説明を省略する。

図３は、光電変換部２１１に含まれるフォトダイオードの平面図である。３４は第２導電型の半導体基板である。３１は、第１導電型の半導体領域で形成された第１の光電変換部である。２は、第２導電型の半導体領域で形成された第２の光電変換部である。３３は、第１導電型の半導体領域で形成された第３の光電変換部である。第２導電型半導体領域３２の面積は、第１導電型半導体領域３１の面積以上である。光電変換装置は、半導体基板３４に形成される。

図４は、図３のフォトダイオードをＡ−Ａ'で切った際の断面図である。第２導電型半導体領域３２は、半導体基板の深さ方向に対して、第１導電型半導体領域３１より深い位置に形成される。第１導電型半導体領域３３は、半導体基板の深さ方向に対して、第２導電型半導体領域３２より深い位置に形成される。第１導電型半導体領域３１と第２導電型半導体領域３２によって形成されるフォトダイオードをＰＤＢとする。同様に、第２導電型半導体領域３２と第１導電型半導体領域３３によって形成されるフォトダイオードをＰＤＭ、第１導電型半導体領域３３と第２導電型半導体領域３４によって形成されるフォトダイオードをＰＤＡとする。この構成により、第１導電型半導体領域３１に照射される被写体の位置情報の光と対応する位置の光を、半導体領域３２及び３３でも受ける事が可能となる。以降では、第１導電型半導体領域をｐ型とし、第２導電型半導体領域をｎ型として説明するが、原理的には導電型にはよらないので、第１導電型半導体領域をｎ型とし、第２導電型半導体領域をｐ型としても効果が変わるものではない。また、以降では、半導体領域３１、３２、３３の３層構造として説明するが、これに限定されない。第１導電型半導体領域３３より深い位置にさらに第２導電型半導体領域を形成し、その第２導電型半導体領域よりも深い位置にさらに第１導電型半導体領域を形成してもよい。これにより、フォトダイオードＰＤＡより深い位置に第４の光電変換部及び第５の光電変換部を形成する等、３層以上の構成にすることができる。逆に、フォトダイオードＰＤＭと、フォトダイオードＰＤＡ又はＰＤＢからなる２層の構造としても良い。

図５は、単位画素２１の等価回路図であり、図２及び図４と同じ構成部材には同じ符号を付している。フォトダイオードＰＤＡ、ＰＤＢ及びＰＤＭは、光を電荷に変換する。図４において、第１導電型半導体領域３１は、フォトダイオードＰＤＢの出力ノードである。第２導電型半導体領域３２は、フォトダイオードＰＤＭの出力ノードである。第１導電型半導体領域３３は、フォトダイオードＰＤＡの出力ノードである。トランジスタＴＸＡ及びＴＸＢは、それぞれ、フォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢに蓄積された電荷を転送する為の転送トランジスタである。トランジスタＲＥＳＡ，ＲＥＳＭ及びＲＥＳＢは、それぞれ、フォトダイオードＰＤＡ、ＰＤＭ及びＰＤＢを初期状態にリセットする為のリセットトランジスタである。電圧ＶＲＥＳＡ、ＶＲＥＳＭ及びＶＲＥＳＢは、それぞれ、フォトダイオードＰＤＡ、ＰＤＭ及びＰＤＢのリセット電源電圧である。フォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢは、位置情報を検出する為のフォトダイオードである。フォトダイオードＰＤＭは、フォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢの電荷蓄積量を推測する為のモニタ用のフォトダイオードである。フォトダイオードＰＤＡのアノードは、転送トランジスタＴＸＡを介してアンプＡｍｐＡの入力ノードに接続される。フォトダイオードＰＤＭのカソードは、転送トランジスタを介さず直接アンプＡｍｐＭの入力ノードに接続される。これにより、アンプＡｍｐＭの出力ノードからは、フォトダイオードＰＤＭに蓄積した電荷量に応じた信号が常に出力され、モニタ部２３は、光電変換部２１１で受けている光量をリアルタイムにモニタリングする事が可能である。フォトダイオードＰＤＢは、フォトダイオードＰＤＡと同様に、転送トランジスタＴＸＢを介してアンプＡｍｐＢの入力ノードに接続される。モニタ部２３は、フォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢの電荷蓄積期間中に、フォトダイオードＰＤＭの信号をモニタリングする。転送トランジスタＴＸＡ及びＴＸＢをオフすることにより、フォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢは電荷を蓄積することができる。

フォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢは、それぞれ、転送トランジスタＴＸＡ及びＴＸＢを介してアンプＡｍｐＡ及びＡｍｐＢに接続されているため、高Ｓ/Ｎであるが、転送動作を行わないと蓄積された電荷量を検出することができない。そこで、フォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢに蓄積された電荷量を推測する為のモニタフォトダイオードＰＤＭが必要となる。特許文献１の図５に示される構成では、被写体の位置情報の光を検出する為のフォトダイオードとモニタフォトダイオードの位置が平面で異なる為、フォトダイオードに入射する光をモニタフォトダイオードで受ける事はできない。特許文献１と比べ、本実施形態の優れている点は、図４から明らかなようにフォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢに入射する光に対応する位置の光をモニタフォトダイオードＰＤＭで受ける事が可能な点である。

以上の様に、本実施形によれば、モニタ部２３は、フォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢと同じ光を受けているフォトダイオードＰＤＭの出力信号を常時モニタリングする。これにより、転送動作を行わずにフォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢに蓄積された電荷量を精度よく推測する事が可能となる。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る基準部用ラインセンサ１２及び参照用ラインセンサ１３の構成例を示す図である。図２と同じ構成には、同じ符号を付している。本実施形態と第１の実施形態との相違点は、信号保持部２２とバッファＢｕｆＡの間に切り替え手段（切り替え部）６１を接続し、バッファを１個のバッファＢｕｆＡにしている点である。切り替え手段６１は、モニタ部２３から出力される信号により制御される。フォトダイオードＰＤＡの感度よりもフォトダイオードＰＤＢの感度の方が大きいとする。この環境下では、切り替え手段６１は、明るい環境では、感度の低いフォトダイオードＰＤＡが接続されるノードとバッファＢｕｆＡを接続する。また、暗い環境下では、切り替え手段６１は、感度の高いフォトダイオードＰＤＢが接続されるノードとバッファＢｕｆＡを接続する。以上の様に、本実施形態によれば、切り替え手段６１は、フォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢのいずれか１つの信号を出力する事によって、１つのバッファＢｕｆＡで感度切り替えの機能が実現可能である。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る基準部用ラインセンサ１２及び参照用ラインセンサ１３の構成例を示す図である。図２と同じ構成には、同じ符号を付している。本実施形態と第１の実施形態との相違点は、図２のアンプＡｍｐＢ及びバッファＢｕｆＢが取り除かれた点である。

図８は、本実施形態の単位画素２１の構成例を示す図である。図５と同じ構成には同じ符号を付している。本実施形態と第１の実施形態との相違点は、アンプＡｍｐＢが取り除かれ、フォトダイオードＰＤＢは、転送トランジスタＴＸＢを介してアンプＡｍｐＡの入力ノードに接続されている点である。転送トランジスタＴＸＡ及びＴＸＢは、モニタ部２３から出力される信号によって制御される。この構成により、転送トランジスタＴＸＡ及びＴＸＢは、同じノードに接続されている為、フォトダイオードＰＤＡで発生した電荷（信号）とフォトダイオードＰＤＢで発生した電荷（信号）を加算する事ができる加算部として機能する。

本実施形態によれば、深い位置に形成されている長波長の光感度が高いフォトダイオードＰＤＡの出力と、浅い位置に形成されている短波長の光感度が高いフォトダイオードＰＤＢの出力を加算する事ができる。これにより、位置情報を検出する為のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢと、そのフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの電荷蓄積量を推測する為のフォトダイオードＰＤＭ間の分光特性の差を小さくする事が可能である。また、低感度時には、フォトダイオードＰＤＡ又はＰＤＢのみの出力を用い、高感度時には両フォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢの電荷を加算した出力を用いるという感度切り替えの機能としても利用可能である。

（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る基準部用ラインセンサ１２及び参照用ラインセンサ１３の構成例を示す図である。図２と同じ構成には、同じ符号を付している。本実施形態と第１の実施形態との相違点は、モニタ部２３の中にアンプ制御部９１を備えている点である。アンプ制御部９１は、差分信号Ｐ−Ｂの振幅が小さいと判断した場合、振幅を十分大きくするのに必要な増幅率を求め、不図示のアンプによって前述の増幅率で、バッファＢｕｆＡ及びＢｕｆＢの入力信号を増幅させる。バッファＢｕｆＡ及びＢｕｆＢには、増幅後の信号が入力される。本実施形態によれば、アンプ制御部９１は、フォトダイオードＰＤＭの出力信号に基づき、フォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢの出力信号の増幅率を制御する。これにより、差分信号Ｐ−Ｂの振幅が小さい場合でも、適切な増幅率により信号を増幅し、十分大きな信号振幅を得る事が可能になる。

（第５の実施形態）
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る基準部用ラインセンサ１２及び参照用ラインセンサ１３の構成例を示す図である。図２と同じ構成には、同じ符号を付している。本実施形態と第１の実施形態との相違点は、モニタ部２３と単位画素２１との間に蓄積時間制御部１０１を備えている点である。以下、基準部用ラインセンサ１２及び参照用ラインセンサ１３の駆動方法を説明する。モニタ部２３は、差分信号Ｐ−Ｂの振幅が予め定められた閾値を超えたと判断されると、蓄積時間制御部１０１へ蓄積終了を指示する信号を出力する。信号を受信した蓄積時間制御部１０１は、各単位画素２１に含まれる転送トランジスタＴＸＡ及びＴＸＢを制御し、フォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢに蓄積された電荷を読み出す。本実施形態によれば、蓄積時間制御部１０１は、フォトダイオードＰＤＭの出力信号に基づき、フォトダイオードＰＤＡ及びＰＤＢの電荷蓄積時間を制御する事により、所望の大きさの信号振幅を得る事が可能となる。すなわち、複数のフォトダイオードＰＤＭ，ＰＤＡ，ＰＤＢのうちの一方のフォトダイオードＰＤＭに基づく信号に応じて、他方のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの電荷蓄積時間を制御する。

（第６の実施形態）
図１１は、本発明の第６の実施形態に係る単位画素２１の構成例を示す図である。図５と同じ構成には、同じ符号を付している。本実施形態と第１の実施形態との相違点は、アンプＡｍｐＭが電流積分型アンプで構成されている点であり、キャパシタＣ、アンプＡｍｐ及び基準電源Ｖｒｅｆを有する。キャパシタＣは、光電流を積分する為のキャパシタである。アンプＡｍｐは、差動アンプである。Ｖｒｅｆは基準電源である。この構成により、アンプＡｍｐＭは、光電流を積分した値に基づいた信号を出力する。また、仮想接地によって、第２導電型半導体領域３２を一定の電位Ｖｒｅｆに保つ事が可能となる。第２導電型半導体領域３２を一定電位とする事により、半導体中のエネルギーポテンシャルが変動する事による空乏層幅の変化を抑制可能となる。フォトダイオードは深さによって波長ごとの光感度が違う為、空乏層幅が深さ方向で変化すると分光特性が変化してしまう。本実施形によれば、アンプＡｍｐＭは、第２導電型半導体領域３２の電位を固定し、フォトダイオードＰＤＭから出力される電流を時間積分した信号を出力する。これにより、空乏層幅の変化を抑制し、フォトダイオードＰＤＡとフォトダイオードＰＤＢの分光特性の変化を抑制する事が可能となる。

以上のように、第１〜第６の実施形態によれば、被写体の位置情報を検出するための光電変換部３１，３３とモニタ用光電変換部３２の位置が平面上でほぼ一致する。そのため、被写体の位置情報を検出するための光電変換部３１，３３に照射されている光を高精度でモニタする事が可能である。したがって、これら光電変換部３１〜３３から得られる信号の受光位置相関性を向上出来るので、光電変換部３１〜３３の出力レベル差を低減でき、電荷蓄積時間の制御性能を向上させることができる。

（第７の実施形態）
図１２は、本発明の第７の実施形態に係る撮像システムの構成例を示すブロック図である。９０１は後述するレンズのプロテクトを行うバリア、９０２は被写体の光学像を固体撮像装置９０４に結像するレンズ、９０３はレンズを通過した光量を調整するための絞りである。９０４はレンズで結像された被写体の光学像を画像信号として取得する固体撮像装置である。９０５は先述の各実施形態で説明した光電変換装置を用いたＡＦセンサ（焦点検出装置）である。

９０６は固体撮像装置９０４やＡＦセンサ９０５から出力される信号を処理するアナログ信号処理装置、９０７は信号処理装置９０６から出力された信号をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換器である。９０８はＡ／Ｄ変換器９０７より出力された画像データに対して各種の補正や、データを圧縮するデジタル信号処理部である。

９０９は画像データを一時記憶するためのメモリ部、９１０は外部コンピュータなどと通信するための外部Ｉ／Ｆ回路、９１１はデジタル信号処理部９０８などに各種タイミング信号を出力するタイミング発生部である。９１２は各種演算とカメラ全体を制御する全体制御・演算部、９１３は記録媒体制御Ｉ／Ｆ部、９１４は取得した画像データを記録、又は読み出しを行うための半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体、９１５は外部コンピュータである。

次に、上記の撮像システムの撮影時の動作について説明する。バリア９０１がオープンされ、ＡＦセンサ９０５から出力された信号をもとに、全体制御・演算部９１２は前記したような位相差検出により被写体までの距離を演算する。その後、演算結果に基づいてレンズ９０２を駆動し、再び合焦しているか否かを判断し、合焦していないと判断したときには、再びレンズ９０２を駆動するオートフォーカス制御を行う。次いで、合焦が確認された後に固体撮像装置９０４による電荷蓄積動作が始まる。固体撮像装置９０４の電荷蓄積動作が終了すると、固体撮像装置９０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器９０７でアナログデジタル変換され、デジタル信号処理部９０８を通り全体制御・演算部９１２によりメモリ部９０９に書き込まれる。その後、メモリ部９０９に蓄積されたデータは全体制御・演算部９１２の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９１０を介して記録媒体９１４に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部９１０を通り直接コンピュータ９１５などに入力してもよい。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

３１ 第１の光電変換部、３２ 第２の光電変換部、３３ 第３の光電変換部、２３ モニタ部

Claims (13)

1. 半導体基板に形成された光電変換装置であって、
   第１導電型で形成された第１の光電変換部と、
   前記半導体基板の深さ方向に対して前記第１の光電変換部より深い位置に形成され、第２導電型で形成された第２の光電変換部と、
   前記半導体基板の深さ方向に対して前記第２の光電変換部より深い位置に形成され、第１導電型で形成された第３の光電変換部と、
   前記第１の光電変換部及び前記第３の光電変換部の電荷蓄積期間中に、前記第２の光電変換部の信号をモニタリングするモニタ部とを有し、
   前記第１の光電変換部、前記第２の光電変換部、及び前記第３の光電変換部は、平面視において重なることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記第２の光電変換部の面積は、前記第１の光電変換部の面積以上であることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
3. さらに、前記第１の光電変換部及び前記第３の光電変換部のいずれか１つの信号を出力する切り替え部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の光電変換装置。
4. さらに、前記第１の光電変換部及び前記第３の光電変換部の信号を加算するための加算部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. さらに、前記第２の光電変換部の出力信号に基づき、前記第１の光電変換部及び前記第３の光電変換部の出力信号の増幅率を制御するアンプ制御部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. さらに、前記第２の光電変換部の出力信号に基づき、前記第１の光電変換部及び前記第３の光電変換部の電荷蓄積時間を制御する蓄積時間制御部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. さらに、前記第２の光電変換部の電位を固定し、前記第２の光電変換部から出力される電流を時間積分した信号を出力するアンプを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 前記第１の光電変換部で蓄積された電荷を転送するための第１の転送トランジスタ、及び前記第３の光電変換部で蓄積された電荷を転送するための第２の転送トランジスタを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の光電変換装置を複数有することを特徴とする焦点検出装置。
10. 請求項９記載の焦点検出装置と、
    光学像を結像するレンズとを有し、
    前記レンズは、前記焦点検出装置の出力信号に応じて駆動されることを特徴とする撮像システム。
11. 半導体基板の第１導電型で形成された第１の光電変換部と、
    前記半導体基板の深さ方向に対して前記第１の光電変換部より深い位置に形成されて前記第１の光電変換部と平面視において重なり、第２導電型で形成された第２の光電変換部とを有する光電変換装置の駆動方法であって、
    前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部のうちの一方に基づく信号に応じて、他方の電荷蓄積時間を制御することを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
12. モニタ部は、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部のうちの前記他方の電荷蓄積期間中に、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部のうちの前記一方の信号をモニタリングすることを特徴とする請求項１１記載の光電変換装置の駆動方法。
13. 前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部のうちの前記一方は、転送トランジスタがオフされることで電荷が蓄積されることを特徴とする請求項１１又は１２記載の光電変換装置の駆動方法。

Images