JP6327779B2 - 光電変換装置、焦点検出装置および撮像システム - Google Patents

光電変換装置、焦点検出装置および撮像システム Download PDF

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Description

本発明は、光電変換装置、焦点検出装置、および撮像システムに関する。
デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置において、焦点検出装置を備えることが知られている。
特許文献1には、撮像用センサの撮像面に対して縦方向、横方向、そして斜め方向に焦点検出領域を備えた、光電変換装置を含む焦点検出装置が記載されている。
特開2011−100077号公報
しかしながら、特許文献1には、光電変換装置の詳細な構造について十分な検討が為されておらず、精度よく焦点検出を行えないおそれがあった。
本発明は、光電変換装置の、好適な構成を提供することを目的とする。
本発明に係る一様態は、長手方向が第1の方向であるフォトダイオードが複数、前記長手方向が互いに平行になるように、第2の方向に配列された第1のラインセンサ部と、長手方向が第2の方向であるフォトダイオードが複数、前記長手方向が互いに平行になるように、前記第1の方向に配列された第2のラインセンサ部と、長手方向が第3の方向であるフォトダイオードが複数、前記長手方向が互いに平行になるように、第4の方向に配列された第3のラインセンサ部と、を有する光電変換装置であって、前記第2の方向は前記第1の方向に直交し、前記第3の方向は前記第1の方向および前記第2の方向に対して斜めであり、前記第4の方向は前記第3の方向に直交し、前記第1のラインセンサ部、前記第2のラインセンサ部、及び前記第3のラインセンサ部が有する全てのトランジスタのそれぞれにおいて、ソースとドレインが、前記第1の方向または第2の方向に沿って並ぶ光電変換措置に関する。
本発明によれば、焦点検出の精度を向上させることができる。
実施例1に係る撮像装置の概略構成図である。 実施例1に係る焦点検出装置の構成を示す概略斜視図である。 実施例1に係る焦点検出装置の多孔絞りを示す概略平面図である。 実施例1に係る焦点検出センサを示す概略平面図である。 実施例1に係る焦点検出センサにおける画素の構成を示す図である。 実施例2に係る焦点検出センサにおける画素の等価回路図である。 実施例2に係る焦点検出センサにおける最大値最小値検出部の構成を示す図である。 実施例2に係る焦点検出センサにおけるPB比較器の構成を示す図である。 実施例2に係る焦点検出センサにおけるセンサセル部を示す概略平面図である。 実施例2に係る焦点検出センサにおけるセンサセル部を示す概略平面および断面図である。 実施例2に係る焦点検出センサにおけるセンサセル部を示す概略平面図である。
(実施例1)
本発明に係る実施例を、図面を参照して説明する。
撮像装置1は、図1に示すように、撮像レンズ10及びカメラ本体を備える。カメラ本体は、図示しないマウント部を介して、撮像レンズ10が着脱可能なように構成されている。撮像装置1は、例えば、一眼レフカメラである。
撮像レンズ10は、被写体の像を後述の撮像素子に結ぶための交換型の撮像レンズであり、図示しない焦点調整レンズを含む撮像光学系を備えている。撮像レンズ10は、後述する制御部80によって、後述する焦点検出装置100による焦点検出処理の結果に応じて、焦点調整レンズを介して焦点(状態)が調整される。撮像レンズ10は、レンズ鏡筒LBによって、光軸OA方向に移動可能に保持される。なお、撮像レンズ10は、カメラ本体から外された状態において撮像装置1の構成要素となるわけではないが、焦点検出装置100による焦点検出を行う際にカメラ本体に装着することが必須となるので、撮像装置1の構成要素として扱う。
カメラ本体は、主ミラー20、ファインダー光学系30、サブミラー40、撮像素子50、焦点検出装置100、及び制御部80を有する。
主ミラー20は、半透過性を有するハーフミラー又は一部にハーフミラー面を有する可動ミラーで構成される。主ミラー20は、撮像レンズ10を通過した光の一部を反射してその反射光を光軸OA”に沿って後述するファインダー光学系30に導くと共に、撮像レンズ10を通過した光の一部を透過してその透過光を光軸OAに沿って後述するサブミラー40に導く。
ファインダー光学系30は、撮像する被写体を観察するための光学系である。換言すれば、ファインダー光学系30は、撮像される被写体の画像と等価な観察用の画像を擬似的にユーザーに提供する。ファインダー光学系30は、図1に示すように、焦点板32と、ペンタプリズム34と、接眼レンズ36とを有する。
主ミラー20で反射された撮像レンズ10からの光は焦点板32近傍に集光する。焦点板32は、被写体光を拡散してペンタプリズム34に射出する。ペンタプリズム34は、光路変換素子で、焦点板32で拡散された光を複数面で反射し、接眼レンズ36に導く。接眼レンズ36は、焦点板32上に形成されたファインダー視野を、接眼レンズ36を通してユーザーが観察可能なように構成されている。
サブミラー40は、主ミラー20に対して光軸OAの下流に配置され、主ミラー20を透過した光(透過光)を反射し、その反射光を光軸OA’に沿って焦点検出装置100に導く。光軸OA’は、サブミラー40によって光軸OAから偏向された光軸である。サブミラー40は、撮像光路(光軸OA)上への挿脱が可能なように構成される。サブミラー40は、ファインダー観察時に撮像光路(光軸OA)上の所定の位置に配置され、撮像時に撮像光路(光軸OA)外に退避する。
撮像素子50は、複数の画素が規則的に配列された画素配列を有している。典型的には、画素が行列状に配列されている。撮像素子50は、撮像レンズ10によって撮像面(画素配列)に形成された被写体の像を画像信号に変換する。撮像素子50は、例えば、受光した光を画素毎に光電変換し、その受光量に応じた電荷をそれぞれ蓄積して、かかる電荷を読み出すタイプのエリア(2次元)センサで構成される。また、撮像素子50は、例えば、CMOSイメージセンサやCCDイメージセンサで構成してもよい。なお、撮像素子50からの出力信号は、図示しない画像処理回路にて所定の処理が施されて画像データとなり記録用の画像データへ変換される。その後、その記録用の画像データが図示しない半導体メモリ、光ディスク及び磁気テープ等の記録媒体に記録される。
焦点検出装置100は、位相差方式を利用して、撮像レンズ10の焦点状態を検出する。換言すれば、焦点検出装置100は、撮像レンズ10を通過し、サブミラー40で反射された光を分割し、分割された光束により形成される複数の像の相対的な位置関係に応じて、撮像レンズ10の焦点状態を検出する。すなわち、焦点検出装置100は、複数対の像を形成し、各対の像を光電変換して得られる信号に基づいて、撮像レンズ10の焦点状態を検出する。
焦点検出装置100を、さらに詳細に説明する。図2に示すように、焦点検出装置100は、光軸OA’に沿って、視野マスク110、フィールドレンズ111、フィルター113、多孔絞り114、再結像レンズユニット(2次光学系)115、及び焦点検出センサ116を順に含む。
視野マスク110は、撮像レンズ10を通過した光束を制限するための矩形の開口110aを中央部に有する。視野マスク110は、撮像レンズ10の予定結像面の近傍に配置される。
フィールドレンズ111は、視野マスク110に対して光軸OA’の下流に配置される。フィールドレンズ111は、光学作用を持つレンズ部111aを含む。レンズ部111aは、フィールドレンズ111における視野マスク110の開口110aに対応した部分である。
フィルター113は、近赤外光よりも長い波長を有する光を遮断する。フィルター113は、可視光に対して収差補正された撮像レンズ10の焦点を検出する場合に適応し、焦点検出センサ116に不要な赤外光が入射することを防止する。
多孔絞り114は、薄板で構成され、フィルター113に対して光軸OA’の下流側に隣接して配置される。多孔絞り114は開口114aを含み、開口114aは、開口114av1、114av2、114ah1、114ah2、114as1、114as2、114ad1、及び114ad2を含む。多孔絞り114は、図3に示すように、中央部に、開口110aの長手方向(Y方向)に配列された1対の開口114av1及び114av2と、開口110aの短手方向(X方向)に配列された1対の開口114ah1及び114ah2とを有する。更に、多孔絞り114は、中央部に、左斜め45度方向に配列された1対の開口114as1及び114as2と、右斜め45度方向に配列された1対の開口114ad1及び114ad2とを有する。
再結像レンズユニット115は、第1の焦点検出光学系FD1及び第2の焦点検出光学系FD2を含む。第1の焦点検出光学系FD1は、視野マスク110の開口110aにより制限された光束を、開口110aの長手方向(Y方向)及び開口110aの短手方向(X方向)の少なくとも一方に分割する。第2の焦点検出光学系FD2は、視野マスク110の開口110aにより制限された光束を、光束の光軸に垂直な面内における開口110aの長手方向に対して鋭角(例えば、45°)をなすように交差する斜め方向に分割する。そして、再結像レンズユニット115は、撮像レンズ10によって結像された予定結像面上の被写体像の再結像(2次像)を、光軸OA’の下流に配置された焦点検出センサ116の複数対の素子配列における各素子配列の上に形成する。各対の素子配列における各素子配列では、後述のように、複数の焦点検出素子が所定の方向に配列されている。再結像レンズユニット115は、多孔絞り114が有する4対の開口に対応するプリズム部及びレンズ部を有する。
次に、焦点検出装置100の焦点検出動作を説明する。但し、図3における参照番号の添え字1、及び2は、位相差方式の焦点検出装置において対となる2つの物体像を形成するための各要素を表す。
多孔絞り114の開口114av1、114av2、114ah1、114ah1は、略同一円に内接するように配されている。また、多孔絞り114の開口114as1、114as2、114ad1、114ad2は、前述の内接円と同一中心であって径のより大きな略同一円に内接するように配されている。このように配することにより、開口114as1、114as2、114ad1、114ad2には、他の開口114av1、114av2、114ah1、114ah1と比べ、より明るい(Fナンバーの小さい)撮像レンズ10の光束が、到達する。
次に、多孔絞り114に対して光軸OA’の下流に位置する再結像レンズユニット115が有するプリズム部及びレンズ部に、視野マスク110の開口110aを通過した光束(開口110aにより制限された光束)が導かれる。視野マスク110の開口110aは、フィールドレンズ111のレンズ部111a、多孔絞り114の開口114a、再結像レンズユニット115のプリズム部1151a及びレンズ部1152aを有する焦点検出光学系に対して設けられている。
再結像レンズユニット115から射出した光束は、光軸OA’の下流に位置する焦点検出センサ116に入射する。焦点検出センサ116には、視野マスク110の開口110aをそれぞれ物体像(光学像)とした対の2次像が4組(即ち、8個)形成される。
図4(a)は、物体像が形成された状態の焦点検出センサ116を示す概略平面図である。図4(a)において、117av1〜117ad2は、撮像レンズ10の合焦時に視野マスク110の開口110aによって形成される光学像である。多孔絞り114の対の開口(図3の添え字1、2の各々)と再結像レンズユニット115の対のプリズム部及びレンズ部との作用によって、視野マスク110の1つの開口に対応する光学像は、それぞれ2個ずつ形成される。
第1の焦点検出光学系FD1により開口11aの長手方向(Y方向)に分割された1対の光束は、1対の光学像117av1及び117av2を形成する。第1の焦点検出光学系FD1により開口11aの短手方向(X方向)に分割された1対の光束は、1対の光学像117ah1及び117ah2を形成する。第2の焦点検出光学系FD2により左斜め45度方向に分割された1対の光束は、1対の光学像116as1及び116as2を形成する。第2の焦点検出光学系FD2により右斜め45度方向に分割された1対の光束は、1対の光学像116ad1及び116ad2を形成する。
1対の光学像117av1及び117av2の内側に、1対の素子配列116av1及び116av2が配される。1対の素子配列116av1及び116av2では、開口110aの長手方向(Y方向)にそれぞれ延びた6対の焦点検出素子116av1−1〜116av1−6及び116av2−1〜116av2−6が配されている。ここで、ハイフンの後の数字が同じものが互いに対になっている。1対の素子配列116av1及び116av2における各素子配列では、焦点検出素子が開口110aの短手方向(X方向)に複数配列されている。これにより、撮像レンズ10の予定結像面上の画面内で開口110aの短手方向に配列されているとともに開口110aの長手方向にそれぞれ延びている複数の第3の焦点検出エリア115av−1〜115av−6を規定することができる。
同様に、1対の光学像117ah1及び117ah2の内側には、1対の素子配列116ah1及び116ah2が配される。1対の素子配列116ah1及び116ah2では、開口110aの短手方向にそれぞれ延びた10対の焦点検出素子116ah1−1〜116ah1−10及び116ah2−1〜116ah2−10が配されている。ここで、ハイフンの後の数字が同じものが互いに対になっている。1対の素子配列116ah1及び116ah2における各素子配列では、焦点検出素子が開口110aの長手方向に複数配列されている。これにより、撮像レンズ10の予定結像面上の画面内で開口110aの長手方向に配列されているとともに開口110aの短手方向にそれぞれ延びている複数の第4の焦点検出エリア115ah−1〜115ah−10を規定することができる。
すなわち、焦点検出センサ116は、図4(b)、(c)に示す複数の第1の焦点検出素子116av1−1〜116av1−6、116av2−1〜116av2−6、116ah1−1〜116ah1−10、116ah2−1〜116ah2−10を含む。複数の第1の焦点検出素子は、第1の焦点検出光学系FD1により分割された光束を受光する。各第1の焦点検出素子は、受光した光を光電変換することにより、焦点検出を行うための信号(電荷)を発生させる。各第1の焦点検出素子は、例えば、フォトダイオードである。また、複数の第1の焦点検出素子は、撮像レンズの予定結像面上の画面内における第1の焦点検出光学系FD1による分割の方向にそれぞれ延びて所定の配置間隔で配置された複数の第1の焦点検出領域を規定する。複数の第1の焦点検出領域は、複数の第3の焦点検出エリア115av−1〜115av−6と、複数の第4の焦点検出エリア115ah−1〜115ah−10とを含む。これにより、撮像レンズ10の予定結像面上において、略格子形状に延びた複数の焦点検出領域(焦点検出エリア)を規定することができる。従って、焦点検出の処理精度を被写体の空間パターン(の方向)に依存せずに向上することが容易になる。
同様にして、1対の光学像117as1及び117as2の内側に、1対の素子配列116as1及び116as2が配される。1対の素子配列116as1及び116as2では、左斜め45度方向にそれぞれ延びた10対の素子配列116as1−1〜116as1−10及び116as2−1〜116as2−10が配されている。ここで、ハイフンの後の数字が同じものが互いに対になっている。1対の素子配列116as1及び116as2における各素子配列では、焦点検出素子が開口110aの長手方向に複数配列されている。これにより、撮像レンズ10の予定結像面上の画面内で開口110aの長手方向に配列されているとともに左斜め45度方向にそれぞれ延びている複数の第1の焦点検出エリア115as−1〜115as−10を規定することができる。
また、同様にして、1対の光学像117ad1及び117ad2の内側に、1対の素子配列116ad1及び116ad2が配される。1対の素子配列116ad1及び116ad2では、右斜め45度方向にそれぞれ延びた10対の素子配列116ad1−1〜116ad1−10及び116ad2−1〜116ad2−10が配されている。ここで、ハイフンの後の数字が同じものが互いに対になっている。1対の素子配列116ad1及び116ad2における各素子配列では、焦点検出素子が開口110aの長手方向に複数配列されている。これにより、撮像レンズ10の予定結像面上の画面内で開口110aの長手方向に配列されているとともに右斜め45度方向にそれぞれ延びている複数の第2の焦点検出エリア115ad−1〜115ad−10を規定することができる。
すなわち、焦点検出センサ116は、図4(d)、(e)に示す複数の第2の焦点検出素子116as1−1〜116as1−10、116as2−1〜116as2−10、116ad1−1〜116ad1−10、116ad2−1〜116ad2−10を含む。複数の第2の焦点検出素子は、第2の焦点検出光学系FD2により分割された光束を受光する。各第2の焦点検出素子は、受光した光を光電変換することにより、焦点検出を行うための信号(電荷)を発生させる。各第2の焦点検出素子は、例えば、フォトダイオードである。また、複数の第2の焦点検出素子は、撮像レンズの予定結像面上の画面内における第2の焦点検出光学系FD2による分割の方向にそれぞれ延びた複数の第2の焦点検出領域を規定する。複数の第2の焦点検出領域は、複数の第1の焦点検出エリア115as−1〜115as−10と、複数の第2の焦点検出エリア115ad−1〜115ad−10とを含む。これにより、互いに交差するように左斜め45度方向及び右斜め45度方向に延びながら開口110aの長手方向に配列された複数の焦点検出領域(焦点検出エリア)を規定することができる。従って、上述した略格子形状に延びた複数の焦点検出領域と合わせて使用することにより、焦点検出の処理精度を被写体の空間パターン(の方向)に依存せずに向上することがさらに容易になる。
撮像素子50が、行列状に配列された複数の画素を有する場合、行列を成す行と列を、第1および第2の方向に平行にすると、116as1−1〜116as1−10、116as2−1〜116as2−10、116ad1−1〜116ad1−10、116ad2−1〜116ad2−10は、撮像素子の行列に対して斜め方向になる。
次に、本実施例にかかる焦点検出センサの詳細な構成を説明する。焦点検出センサとしての光電変換装置は、複数の焦点検出素子が半導体基板上に形成されたものとする。
図5(a)は、第1の焦点検出素子116av1−1〜116av1−6、116av2−1〜116av2−6のうちの1つを代表例として抜き出して示したものである。ここでは、第1のラインセンサ部として、焦点検出素子116avと総称する。
焦点検出素子116avは、5個の画素pav1〜pav5を含む。画素pav1〜pav5は、フォトダイオード1160av−1〜1160av−5とMOSトランジスタ201〜210とを含んでなる。MOSトランジスタ201〜210は、フォトダイオード1160av−1〜1160av−5で発生した電荷に基づく信号の増幅や、電荷転送構造を有する場合には、電荷を転送するために設けられたものであり、例示的に示している。図において、2011はMOSトランジスタ201のゲートであり、2012は、MOSトランジスタ201の主電極領域を示す。焦点検出素子116av1は、第4のラインセンサ部としての焦点検出素子116av2と離間して配置され、焦点検出素子116av2と対をなす。焦点検出素子116av2が持つ画素は、第1の方向に沿って配列される。
焦点検出素子116avについて、画素pav1〜pav5は、Y方向に画素の単位が繰り返される。また、MOSトランジスタ201〜205のチャンネルは、図中X方向に設けられている。ここで、トランジスタのチャネルがX方向に設けられているとは、トランジスタがオンした状態でゲート下部に形成されるチャネル領域が、X方向にあるソース領域とドレイン領域とを導通させる構成を意味する。一方、MOSトランジスタ206〜210のチャンネルは、Y方向に設けられている。つまり、Y方向を第1の方向、X方向を第2の方向としたとき、画素pav1〜pav5は第1の方向に配列され、画素pav1〜pav5が有するトランジスタのチャネルは第1または第2の方向に設けられている。
ここで、トランジスタのチャネルが設けられた方向とは、そのトランジスタが導通したときに、ソースとドレインの間を流れる電流の方向と言い換えることができる。さらに別の言い方をすると、トランジスタを上方から見た状態で、トランジスタの一部をそれぞれ成すソースおよびドレインの間の導通を制御するゲート電極が、ソースおよびドレインと接する辺と直交する方向と言える。
次に、図5(b)は、焦点検出素子116ah1−1〜116ah1−10、116ah2−1〜116ah2−10のうちの1つを代表例として抜き出したものである。ここでは、第2のラインセンサ部として、焦点検出素子116ahと総称する。
焦点検出素子116ahは、5個の画素pah1〜pah5を含む。画素pah1〜pah5は、フォトダイオード1160ah−1〜1160ah−5と、MOSトランジスタ211〜220を含んでなる。MOSトランジスタ211〜220は、フォトダイオード1160ah−1〜1160ah−5で発生した電荷に基づく信号の増幅や、電荷転送構造を有する場合には、電荷を転送するために設けられたものであり、例示的に示している。図において、2013はMOSトランジスタ211のゲートであり、2014は、MOSトランジスタ211の主電極領域を示す。焦点検出素子116ah1は、第5のラインセンサ部としての焦点検出素子116ah2と離間して配置され、焦点検出素子116ah2と対をなす。焦点検出素子116ah2が持つ画素は、第2の方向に沿って配列される。
焦点検出素子1160ahについて、画素pah1〜pah5は、X方向に画素の単位が繰り返される。また、MOSトランジスタ211〜215のチャンネルは、図中Y方向に設けられている。ここで、トランジスタのチャネルがY方向に設けられているとは、トランジスタがオンした状態でゲート下部に形成されるチャネル領域が、Y方向にあるソース領域とドレイン領域とを導通させる構成を意味する。一方、MOSトランジスタ216〜220のチャンネルは、X方向に設けられている。つまり、Y方向を第1の方向、X方向を第2の方向としたとき、画素pah1〜pah5は第2の方向に配列され、画素pah1〜pah5が有するトランジスタのチャネルは第1または第2の方向に設けられている。
次に、図5(c)は、焦点検出素子116as1−1〜116as1−10、116as2−1〜116as2−10のうちの1つを代表例として抜き出したものである。ここでは、第3のラインセンサ部として、焦点検出素子116asと総称する。
焦点検出素子116asは、5個の画素pas1〜pas5を含む。画素pas1〜pas5は、フォトダイオード1160as−1〜1160as−5と、MOSトランジスタ221〜230を含んでなる。MOSトランジスタ221〜230は、フォトダイオード1160as−1〜1160as−5で発生した電荷に基づく信号の増幅や、電荷転送構造を有する場合には、電荷を転送するために設けられたものであり、例示的に示している。図において、2015はMOSトランジスタ221のゲートであり、2016は、MOSトランジスタ221の主電極領域を示す。焦点検出素子116as1は、第6のラインセンサ部としての焦点検出素子116as2と離間して配置され、焦点検出素子116as2と対をなす。焦点検出素子116as2が持つ画素は、第3の方向に沿って配列される。
焦点検出素子1160asについて、画素pas1〜pas5は、S方向に画素の単位が繰り返される。また、MOSトランジスタ221〜225のチャンネルは、図中Y方向に設けられている。ここで、トランジスタのチャネルがY方向に設けられているとは、トランジスタがオンした状態でゲート下部に形成されるチャネル領域が、Y方向にあるソース領域とドレイン領域とを導通させる構成を意味する。一方、MOSトランジスタ226〜230のチャンネルは、X方向に設けられている。つまり、Y方向を第1の方向、X方向を第2の方向、S方向を第3の方向としたとき、画素pas1〜pas5は第3の方向に配列され、画素pas1〜pas5が有するトランジスタのチャネルは第1または第2の方向に設けられている。
次に、図5(d)は、焦点検出素子116ad1−1〜116ad1−10、116ad2−1〜116ad2−10のうちの1つを代表例として抜き出したものである。ここでは、第7のラインセンサ部として、焦点検出素子116adと総称する。
焦点検出素子116adは、5個の画素pad1〜pad5を含む。画素pad1〜pad5は、フォトダイオード1160ad−1〜1160ad−5と、MOSトランジスタ231〜240を含んでなる。MOSトランジスタ231〜240は、フォトダイオード1160ad−1〜1160ad−5で発生した電荷に基づく信号の増幅や、電荷転送構造を有する場合には、電荷を転送するために設けられたものであり、例示的に示している。図において、2017はMOSトランジスタ231のゲートであり、2018は、MOSトランジスタ231の主電極領域を示す。焦点検出素子116ad1は、第8のラインセンサ部としての焦点検出素子116ad2と離間して配置され、焦点検出素子116ad2と対をなす。焦点検出素子116ad2が持つ画素は、第1の方向に沿って配列される。
焦点検出素子1160adについて、画素pad1〜pad5は、D方向に画素の単位が繰り返される。また、MOSトランジスタ221〜225のチャンネルは、図中Y方向に設けられている。ここで、トランジスタのチャネルがY方向に設けられているとは、トランジスタがオンした状態でゲート下部に形成されるチャネル領域が、Y方向にあるソース領域とドレイン領域とを導通させる構成を意味する。一方、MOSトランジスタ236〜240のチャンネルは、X方向に設けられている。つまり、Y方向を第1の方向、X方向を第2の方向、D方向を第4の方向としたとき、画素pad1〜pad5は第4の方向に配列され、画素pad1〜pad5が有するトランジスタのチャネルは第1または第2の方向に設けられている。
以上を一般化して説明すると、光電変換装置は、第1の方向に沿って複数の画素が配列された第1のラインセンサと、第2の方向に沿って複数の画素が配列された第2のラインセンサと、第3の方向に沿って複数の画素が配列された第3のラインセンサとを含む。第1の方向と第2の方向とは、互いに直交し、第3の方向は、第1および第2の方向とは異なる方向である。第1〜第3のラインセンサが有するトランジスタは、そのチャネルが、第1または第2の方向に設けられている。さらに、別のラインセンサを有する場合に、このラインセンサが有する画素は、第1〜第3の方向とは異なる第4の方向に配列される。このラインセンサが有するトランジスタもまた、そのチャネルが、第1または第2の方向に設けられている。
なお、2個のトランジスタのチャネルの方向が直交するとは、言い換えると2個のトランジスタが、形成される半導体基板に対して、同じ面方位ではないが、面方位として等価な方向にあることである。別の言い方をすると、2個のトランジスタを上方から見た状態で、それぞれのトランジスタのゲート電極がソースおよびドレインと接する辺の接線の方向が、直交するとも表現できる。例えば図5(a)において、トランジスタ201のゲート電極2011が、ソースとドレインと接する辺はY方向にあり、トランジスタ206のゲート電極が、ソースとドレインと接する辺はX方向にあるので、トランジスタ201と206のチャネルの方向は直交していることになる。
上述したように、光電変換装置を構成することの利点を説明する。一般に、半導体基板に形成されるMOSトランジスタは、そのチャネルの方向によって特性が異なる。これは、半導体基板には面方位が存在し、キャリアの移動度は面方位依存性を有するためである。この結果、同一基板に形成された、チャネルの方向が異なるMOSトランジスタは、素子の特性が異なる。一般に、直交する方向にチャネルを設けられた2つのトランジスタの特性は揃えやすい。これは、チャネルの方向が直交するように形成されたトランジスタは、それらのチャネルの方向は、互いに等価な面方位に形成されることになるためである。
一方、この直交する2方向に対して斜めの方向にチャネルを設けられたトランジスタの特性は、キャリア移動度の面方位依存性のために、直交する方向にチャネルを設けられたトランジスタと特性を揃えることが困難である。そこで、本実施例においては、画素が配列される方向に関わらず、各画素が有するトランジスタのチャネルを、第1または第2の方向になるように設けることで、特性を合わせることができるので、得られる信号の精度が向上する。画素が有するトランジスタは、全てのトランジスタのチャネルが第1の方向に設けられている必要はなく、図5に示したように、第1の方向に設けられたものと第2の方向に設けられたものの双方を有してよい。
また、ここではX方向とY方向とが直交することを説明したが、例えば製造時の誤差による、±5度のずれは許容されうる。
焦点検出素子間でトランジスタの特性が一致していることが特に望ましいものは、増幅トランジスタや、画素の選択トランジスタなど、信号出力経路を構成するトランジスタである。少なくとも、増幅トランジスタのチャネルの方向は、対をなす焦点検出素子とで一致させることが望ましい。
(実施例2)
実施例1との相違点を中心に、本発明に係る別の実施例を説明する。
図6は、単位画素pixと、これに接続された転送部を示している。単位画素pixは、実施例1に示した画素に対応し、センサセル部1010および第1メモリセル部301を含む。図6において、MOSトランジスタの制御電極並びにスイッチに付された「φX」は、不図示の制御部から供給される信号を意味している。
単位画素pixに着目すると、センサセル部1010は光電変換部であるフォトダイオード(PD)1160、MOSトランジスタ1110〜1150及び容量部である容量素子(CP)1170を備える。MOSトランジスタ1110は、画素選択部であるMOSトランジスタ1120が導通すると負荷MOSトランジスタ1130とともにゲインが−1の反転アンプとして動作する。MOSトランジスタ1110は、光電変換部で生成した電荷に基づく信号を出力する画素出力部である。MOSトランジスタ1110の制御電極は先述の反転アンプの入力端子として機能し、PD1160のアノードと感度切り換えスイッチであるMOSトランジスタ1150の一方の主電極と接続される。これにより、センサセル部1010は低感度モードと高感度モードとで動作可能となる。つまり、低感度モードにおいてはPD1160とCP1170とが電気的に接続され、高感度モードにおいてはPD1160とCP1170とが電気的に絶縁される。MOSトランジスタ1150の他方の端子はCP1170の一方の端子及びMOSトランジスタ1140の一方の主電極と接続される。MOSトランジスタ1140の他方の主電極は負荷MOSトランジスタ1130の一方の主電極及びMOSトランジスタ112の一方の端子と接続される。MOSトランジスタ1120の他方の主電極はMOSトランジスタ1110の一方の主電極と接続される。このような構成において、高感度モードではMOSトランジスタ1150は非導通状態にあり、PD1160の寄生容量Cpdがセンサセル部の感度を決定する。一方低感度モードでは、信号φSWによって、スイッチ部であるMOSトランジスタ1150が導通することでフォトダイオード1160と容量素子1170とが電源電圧VDDからGNDへのパスに対して並列に接続される。このため、PD1160の寄生容量Cpdに加えて容量素子1170の容量値CPが加わって、(Cpd+CP)がセンサセル部の感度を決定する。
また、MOSトランジスタ1140及び1150は信号φPS1とφSWとによってPD1160の残留電荷をリセットした際の画素部リセットノイズを書き込むための書き込みスイッチとして機能する。
第1メモリセル部301はメモリ容量335及びMOSトランジスタ331〜334を含む。センサセル部1010におけるフォトダイオード1160、容量素子1170、MOSトランジスタ1150がメモリ容量335に置き換わった構成となっており、各MOSトランジスタの機能はセンサセル部1010と同等である。
転送部201は、MOSトランジスタ221〜224、定電流源225、トランスファースイッチ226、フィードバックスイッチ227、及び転送容量228を備える。各メモリセル部に保持された信号はそれぞれの反転アンプから出力され、トランスファースイッチ226が導通した状態で不図示のシフトレジスタから入力された信号φHによってMOSトランジスタ224が導通することでバッファアンプ202へと転送される。
共通出力線1020は、トランスファースイッチ226の一方の端子及びフィードバックスイッチ227の一方の端子と接続される。このノードN4は転送部の入力端子と第1の出力端子とを兼ねる。トランスファースイッチ226の他方の端子はMOSトランジスタ222の一方の主電極とMOSトランジスタ224の一方の主電極と、転送容量228の一方の端子とに接続される。MOSトランジスタ222の他方の主電極は電源電圧VRSに接続される。また、MOSトランジスタ224の他方の主電極は転送部の第2の出力端子N5を介してバッファアンプ202に接続される。転送容量228の他方の端子は、MOSトランジスタ223の一方の主電極とMOSトランジスタ221の制御電極とに接続される。MOSトランジスタ223の他方の主電極は電源電圧VGRに接続される。電源電圧VGRは、MOSトランジスタ221の閾値電圧をVthとしてVGR=VRS+Vthの関係を満たす。MOSトランジスタ221は定電流源225とともにソースフォロワ回路を構成し、その出力はフィードバックスイッチ227の他方の端子と接続される。このソースフォロワ回路の出力端子は転送部201の第3の出力端子N6とも接続されており、後段のモニタ部に接続される。
モニタ部はオートゲインコントロール動作時に、転送部から出力される信号をリアルタイムでモニタリングするもので、可変ゲイン増幅部や最大値最小値検出部(Peak−Bottom検出部;PB検出部)、PK比較器などを含む。
図7に示すPB検出部は、最大値検出回路31と最小値検出回路32とを含み、入力端子311、312、・・・は、各モニタ部の出力と接続されている。ここでは、最大値検出回路31、最小値検出回路32ともに3単位画素に対応する構成を抜き出している。入力端子311に入力された信号は、増幅器314および324の非反転入力端子に接続される。増幅器314の出力を制御電極に受けるNMOSトランジスタ341は、そのソース電極が増幅器314の反転入力端子に接続されている。最大値検出回路31において、複数のNMOSトランジスタ341、342、・・・は、信号317によってスイッチが導通すると、共通の定電流源負荷319とともにソースフォロワを構成する。この構成により、最大値検出回路31に対する複数の入力のうちの最大値がPEAK出力318として、最大値最小値比較器(PEAK−BOTTOM比較器;PB比較器)に伝達される。
一方、最小値検出回路32は、最大値検出回路31と同様の構成であるが、ソースフォロワを構成するのがPMOSトランジスタ351、352、・・・と定電流源負荷329である点で異なる。この構成により、最小値検出回路32に対する複数の入力のうちの最小値がBOTTOM出力328として、PB比較器に伝達される。
図8は、PB比較器の構成例を示す図である。PB比較器には、図7に示したPB検出部のPEAK出力318およびBOTTOM出力328との差信号を得るものである。図8において、入力端子413はPEAK出力318と、入力端子414はBOTTOM出力328と接続される。両入力信号は、差動増幅器411に供給され、その差信号が差動増幅器411の出力端子からコンパレータ412の反転入力端子に与えられる。コンパレータの非反転入力端子には、不図示のデジタル・アナログ(DA)変換器で設定された低電圧VDAC415と比較される。その比較結果、すなわちコントラストが閾値以上であれば、不図示の制御部が、センサセル部1010の蓄積動作を終了させる。VDAC415の値は、例えばモニタ部の可変ゲイン増幅部のゲイン値×5、×10、×20、×40に対応して、1.6V、0.8V、0.4V、0.2Vのように変化させる。
図9は、本実施例にかかるセンサセル部のレイアウトを示している。ここでは、図5(d)に示した焦点検出素子と同様に、複数の画素がD方向に配列された状態を示している。図6に示した構成に対応する部分は、点線の枠で囲い、図6と同じ符号を付している。ただし、MOSトランジスタ1130は、図示していない。
光電変換部1160は、D方向とは直交する方向に延在し、その右下に、センサセル部の一部をなすMOSトランジスタが配置されている。
図9に示したように、MOSトランジスタ1110、1120、1140、および1150は、そのゲート電極が図中X方向に延在し、チャネルはY方向に設けられている。
図10(a)は、図9に示した構成のうち、1つのセンサセル部に係るトランジスタの部分を特に拡大した図である。図において、光電変換部116は、配線を介して、MOSトランジスタ1110のゲート電極と接続される。また、光電変換部1160は、ゲート電極1150Gとともに、MOSトランジスタ1150を構成する。
MOSトランジスタ1150のドレイン端子はMOSトランジスタ1140のソース端子とで、不純物拡散領域を共有する。MOSトランジスタ1140のドレイン端子を構成する不純物拡散領域は、共通出力線1020に接続される。また、MOSトランジスタ1140と1150とで共有する不純物拡散領域には、配線を介して容量1170と接続される。
MOSトランジスタ1110は、ソース端子を構成する不純物拡散領域が配線を介して電源VDDに接続され、ドレイン端子を構成する不純物拡散領域が、MOSトランジスタ1120と接続される。MOSトランジスタ1110のドレイン端子は、MOSトランジスタ1120のソース端子と不純物拡散領域を共有する。
MOSトランジスタ1120のソース端子を構成する不純物拡散領域は、共通出力線1020に接続される。
図10(a)中の線A−A’に沿った断面図を、図10(b)に示す。
N型(第1の導電型)の半導体基板N−Subは、その上にN型の領域NBLを有し、さらに、N型の領域NBLの上に、エピタキシャル成長させた層Epiを有する。
エピタキシャル層Epiには、P型(第2の導電型)の半導体領域PSRが設けられる。半導体領域PSRは、エピタキシャル層Epiとともに光電変換部116を構成する。光の入射を受けて、光電変換部1160で発生した正電荷は、半導体領域PSRに蓄積される。半導体領域PSRの上には、N型の半導体領域NSR1、NSR2およびP型の半導体領域PSR2が、半導体領域PSRを覆うように形成されている。半導体領域NSR1およびNSR2は、通常の動作において、固定の電位に設定される。半導体領域PSR2は、半導体領域PSRよりも不純物濃度が高く、その中に、さらに不純物濃度が高いP型の半導体領域PSR2’を有する。半導体領域PSR2’は、プラグP1を含む配線を介して、トランジスタ111のゲート電極に接続される。
エピタキシャル層Epiには、さらに、N型のウェル領域NWLが形成される。ウェル領域NWLには、トランジスタ115および114が形成される。ウェル領域NWL中に、P型の半導体領域PSR3と、P型の半導体領域PSDとが形成される。SiO2は、素子間を分離するためのシリコン酸化膜である。
ゲート電極1150Gは、半導体領域PSR2およびPSR3と近接して設けられ、ウェル領域NWL上に絶縁層を挟んで設けられる。
半導体領域PSR3は、半導体領域PSR3よりも不純物濃度が高いPSR3’と配線とを介して容量素子1170と接続される。
ゲート電極1140Gは、半導体領域PSR3およびPSDと近接して設けられ、ウェル領域NWL上に絶縁層を挟んで設けられる。
半導体領域PSDは、半導体領域PSDよりも不純物濃度が高いPSD’と配線とを介して共通出力線1020と接続される。
図10(b)において、光電変換部1160と、MOSトランジスタ1150とが、同一の活性領域に形成された例を示しているが、これらは、互いに異なる活性領域に形成してもよい。
図10(a)中の線B−B’に沿った断面図を、図10(c)に示す。図10(c)は、隣接する3個のセンサセル部に係る光電変換部1160を示す。ずから理解されるように、エピタキシャル層Epi中に形成された半導体領域PSRは、線B−B’の断面のうちの一部のみに存在し、エピタキシャル層Epiに囲まれる。隣接する画素の光電変換部1160間は、ウェル領域NWLおよびシリコン酸化膜SiO2によって分離される。
酸化膜SiO2の上方には、絶縁層INSを介して、共通出力線1020を構成する金属配線層が設けられる。
次に、図5(c)に示した焦点検出素子と同様に、複数の画素がS方向に配列された場合の、センサセル部のレイアウトを説明する。図11は、1つのセンサセル部の一部を示す平面図である。
図10(a)の平面図と同様に、図6に示した構成に対応する部分は、点線の枠で囲い、図6と同じ符号を付している。
図11に示した構成は、図10(a)で示した構成を範時計回りに90度回転させた形になっている。つまり、図10(a)においては複数のセンサセル部がS方向(第3の方向)に配列されているのに対して、図11においては、D方向(第4の方向)である。また、図10(a)においてはトランジスタ1110、1120、1140、1150のチャネルの方向はY方向(第1の方向)であるのに対して、図11においては、トランジスタ1110、1120、1140、1150のチャネルの方向はX方向(第2の方向)である。
図示はしないが、図5(a)や図5(b)に示した焦点検出素子も、図11や図10(a)に示した構成と類似の構成を取る。具体的には、図5(a)に示した焦点検出装置は、図11に示した構成のうち、エピタキシャル層EpiとP型半導体領域PSRとを含んで構成される光電変換部が、D方向ではなく、X方向に延在する。また、図5(b)に示した焦点検出装置は、図10(a)に示した構成のうち、エピタキシャル層EpiとP型半導体領域PSRとを含んで構成される光電変換部が、S方向ではなく、Y方向に延在する。
上述のように、第1の方向に配列された複数の画素と、第2の方向に配列された複数の画素と、第3の方向に配列された複数の画素と、を有する光電変換装置において、第2の方向は第1の方向と直交し、第3の方向は、第1の方向および第2の方向とは直交しない。そして、第1の方向に配列された複数の画素、第2の方向に配列された複数の画素、および第3の方向に配列された複数の画素が有するトランジスタは、そのチャネルが第1もしくは第2の方向に設けられている。この構成により、トランジスタどうしの特性を合わせることができるので、得られる信号の精度が向上する。画素が有するトランジスタは、全てのトランジスタのチャネルが第1の方向に設けられている必要はなく、図5に示したように、第1の方向に設けられたものと第2の方向に設けられたものの双方を有してよい。
焦点検出素子間でトランジスタの特性が一致していることが特に望ましいものは、増幅トランジスタや、画素の選択トランジスタなど、信号出力経路を構成するトランジスタである。少なくとも、増幅トランジスタのチャネルの方向は、対をなす焦点検出素子とで一致させることが望ましい。
また、上記の各実施例は、本発明を説明するための例示的なものに過ぎず、本発明の思想を逸脱しない範囲で構成を変えたり、他の実施例と組み合わせたりすることができる。
1010 センサセル部
1020 共通出力線
1110 MOSトランジスタ
1120 MOSトランジスタ
1130 MOSトランジスタ
1140 MOSトランジスタ
1150 MOSトランジスタ
1160 フォトダイオード
1170 容量素子

Claims (8)

  1. 長手方向が第1の方向であるフォトダイオードが複数、前記長手方向が互いに平行になるように、第2の方向に配列された第1のラインセンサ部と、長手方向が前記第2の方向であるフォトダイオードが複数、前記長手方向が互いに平行になるように、前記第1の方向に配列された第2のラインセンサ部と、長手方向が第3の方向であるフォトダイオードが複数、前記長手方向が互いに平行になるように、第4の方向に配列された第3のラインセンサ部と、を有する光電変換装置であって、
    前記第2の方向は前記第1の方向に直交し、前記第3の方向は前記第1の方向および前記第2の方向に対して斜めであり、前記第4の方向は前記第3の方向に直交し、
    前記第1のラインセンサ部、前記第2のラインセンサ部、及び前記第3のラインセンサ部が有する全てのトランジスタのそれぞれにおいて、ソースとドレインが、前記第1の方向または第2の方向に沿って並ぶことを特徴とする光電変換装置。
  2. 前記第1のラインセンサ部が有するトランジスタのソースとドレインが並ぶ方向は、前記第2のラインセンサ部が有するトランジスタのソースとドレインが並ぶ方向と異なることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
  3. 前記第1のラインセンサ部が有するトランジスタのソースとドレインと、前記第2のラインセンサ部が有するトランジスタのソースとドレインと、の少なくとも一方は、前記第1の方向に並ぶことを特徴とする請求項1または2に記載の光電変換装置。
  4. 前記第3のラインセンサ部は、
    前記フォトダイオードで生成した電荷に基づく信号を出力する出力部と、
    出力線への出力を選択するための選択部と、
    前記フォトダイオードと容量部とを接続するスイッチ部と、の少なくともいずれかを有することを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の光電変換装置。
  5. 長手方向が前記第1の方向であるフォトダイオードが複数、前記長手方向が互いに平行になるように、前記第2の方向に配列され、前記第1のラインセンサ部と前記第1の方向に離間して設けられた第4のラインセンサ部と、
    長手方向が前記第2の方向であるフォトダイオードが複数、前記長手方向が互いに平行になるように、前記第1の方向に配列され、前記第2のラインセンサ部と前記第2の方向に離間して設けられた第5のラインセンサ部と、
    長手方向が前記第3の方向であるフォトダイオードが複数、前記長手方向が互いに平行になるように、前記第4の方向に配列され、前記第3のラインセンサ部と前記第3の方向に離間して設けられた第6のラインセンサ部と、を有すること
    を特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の光電変換装置。
  6. 長手方向が前記第4の方向であるフォトダイオードが複数、前記長手方向が互いに平行になるように、前記第3の方向に配列され第7のラインセンサ部と、長手方向が前記第4の方向であるフォトダイオードが複数、前記長手方向が互いに平行になるように、前記第3の方向に配列され、前記第7のラインセンサ部と前記第4の方向に離間して設けられた第8のラインセンサ部と、を有ること
    を特徴とする請求項に記載の光電変換装置。
  7. 前記第1のラインセンサ部および前記第4のラインセンサ部で対をなし、前記第2のラインセンサ部および前記第5のラインセンサ部で対をなし、前記第3のラインセンサ部および前記第6のラインセンサ部で対をなし、前記第7のラインセンサ部および前記第8のラインセンサ部で対をなし、前記対の少なくとも1つを用いて焦点を検出することを特徴とする請求項に記載の光電変換装置。
  8. 請求項1〜のいずれかに記載の光電変換装置と、
    行列状に配列された複数の画素を有する撮像素子と、
    被写体からの光を前記撮像素子と前記光電変換装置へ選択的に導く光学系と、を備えることを特徴とする撮像システム。
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