KR20130038035A - 촬상소자 - Google Patents

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마사타카 하마다
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 위상차이 검출 화소를 가지는 촬상소자에 관한 것이다. 광학계를 통해 결상된 화상을 수광하는 화소가 2차원 배열로 구성되어 촬상 및 위상차이 검출이 가능한 촬상소자에 있어서, 상기 촬상소자는 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열을 포함하고, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 위상차이 검출용 화소마다 형성되는 회로가 광전 변환 화소의 개구부에 대해 서로 반대 방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 촬상된 모든 화면에서 위상차이 검출이 가능하고, 또한 결함 화소가 없기 때문에 위상차이 검출 화소를 포함한 촬상소자에서도 양호한 화질을 획득할 수 있다. 더 나아가 피사체가 저휘도 상태여도 촬상 및 AF가 가능하게 된다.

Description

촬상소자{Image sensor}
본 발명은 위상차이 검출 화소를 가지는 촬상소자에 관한 것이다.
화상 입력용 촬상소자를 이용하여 위상차이 검출 AF(auto focus)를 실시 할 수 있는 위상차이 검출 화소 첨부에 관한 소자가 제안되고 있다. 그러나 종래에는 촬상 화소 사이에 위상차이 검출 화소를 보충하고, 이 보충한 화소를 이용하여 위상차이를 검출한다. 그러나, 위상차이 화소를 보충한 영역 내에서만 위상차이 검출이 가능하다. 또한 보충한 화소는 다른 부분과 출력 차이가 크고, 화상으로서는 결함 화소로 취급되어 촬상 화질 열화로 이어지는 문제점이 있다. 게다가, 위상차이 검출 화소의 개구가 작기 때문에, 저휘도에서 피사체 촬상이 가능하더라도, 어둡기 때문에 AF를 할 수 없는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하려는 기술적인 과제는 모든 화소의 개구율은 동일하게 유지하면서, 화소 내부에 내장된 회로의 배치에 의해 개구부의 위치를 변화시켜 촬상소자의 모든 화소로부터 위상차를 검출할 수 있고, 피사체가 저휘도 상태여도 촬상 및 AF가 가능한 촬상소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제를 해결하기 위한 일 실시 예에 따른 촬상소자는 광학계를 통해 결상된 화상을 수광하는 화소가 2차원 배열로 구성되어 촬상 및 위상차이 검출이 가능한 촬상소자에 있어서, 상기 촬상소자는 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열을 포함하고, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 위상차이 검출용 화소마다 형성되는 회로가 광전 변환 화소의 개구부에 대해 서로 반대 방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 촬상소자의 모든 화소가 위상차이를 얻기 위한 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 각 광전 변환 화소에 형성되는 트랜지스터 회로를 포함하고, 상기 트랜지스터 회로에 포함되는 증폭회로 또는 리셋회로를 복수의 광전 변환 화소에서 공유하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 위상차이 검출용 화소마다 형성되는 회로는 전송회로, 리셋회로, 증폭회로 또는 배선회로 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 각 광전 변환 화소 상에 마이크로 렌즈를 형성하고, 상기 마이크로 렌즈와 광전 변환부 사이에 하나의 개구부를 가지며, 상기 개구부는 상기 마이크로 렌즈 광 축 중심에 대해 편심되어 구성되며, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 서로 반대 방향인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 각 광전 변환 화소를 제외한 영역에 마스크가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열을 구성하는 화소는 각각 컬러 필터를 형성하고, 상기 화소는 베이어 배열로 구성되며, 적어도 상기 베이어 배열 단위로 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열을 구성하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제를 해결하기 위한 다른 실시 예에 따른 촬상소자는 광학계를 통해 결상된 화상을 수광하는 화소가 2차원 배열로 구성되어 촬상 및 위상차이 검출이 가능한 촬상소자에 있어서, 상기 촬상소자는 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열을 포함하고, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 베이어 배열의 4개 화소마다 형성되는 회로의 위치를 위상차이 검출 방향으로 이동시키는 배치인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 각 광전 변환 화소를 제외한 영역에 마스크가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제를 해결하기 위한 또 다른 실시 예에 따른 촬상소자는 광학계를 통해 결상된 화상을 수광하는 화소가 2차원 배열로 구성되어 촬상 및 위상차이 검출이 가능한 촬상소자에 있어서, 상기 촬상소자는 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열을 포함하고, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 위상차이 검출용 화소마다 형성되는 회로가 광전 변환 화소의 개구부에 대해 서로 반대 방향으로 배치되어 있는 화소와, 베이어 배열의 기본 4개 화소마다 형성되는 회로의 배치를 위상차이 검출방향으로 이동시키는 배치인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 각 광전 변환 화소를 제외한 영역에 마스크가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제를 해결하기 위한 또 다른 실시 예에 따른 촬상소자는 광학계를 통해 결상된 화상을 수광하는 화소가 2차원 배열로 구성되어 촬상 및 위상차이 검출이 가능한 촬상소자에 있어서, 상기 촬상소자는 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열을 포함하고, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 위상차이 검출용 화소마다 형성되는 회로가 광전 변환 화소의 개구부에 대해 서로 반대 방향으로 배치되고, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 각 광전 변환 화소에 형성되는 트랜지스터 회로의 증폭회로 또는 리셋회로를 복수의 광전 변환 화소에서 공유하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 각 광전 변환 화소를 제외한 영역에 마스크가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제를 해결하기 위한 또 다른 실시 예에 따른 촬상소자는 광학계를 통해 결상된 화상을 수광하는 화소가 2차원 배열로 구성되어 촬상 및 위상차이 검출이 가능한 촬상소자에 있어서, 상기 촬상소자는 위상차이 검출을 수행하기 위해 제1 화소열 및 제2 화소열을 포함하고, 상기 제1 화소열 및 제2 화소열은 상기 위상차이 검출용 화소마다 형성되는 회로가 상기 화소의 개구부에 대해서 서로 반대 방향으로 배치되어 있는 화소로 구성되고, 상기 위상차이 검출을 실시하지 않는 화소는 상기 화소마다 형성되는 회로가 상기 화소의 개구부에 대해서 동방향으로 배치되어 있는 화소로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 화소열 및 제2 화소열은 상기 각 화소 상에 마이크로 렌즈를 형성하고, 상기 마이크로 렌즈와 광전 변환부 사이에 하나의 개구부를 가지며, 상기 개구부는 상기 마이크로 렌즈 광 축 중심에 대해 편심되어 구성되며, 상기 제1 화소열 및 제2 화소열은 서로 반대 방향인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 촬상된 모든 화면에서 위상차이 검출이 가능하고, 또한 결함 화소가 없기 때문에 위상차이 검출 화소를 포함한 촬상소자에서도 양호한 화질을 획득할 수 있다. 더 나아가 피사체가 저휘도 상태여도 촬상 및 AF가 가능하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 촬상소자가 구비된 디지털 영상 처리 장치의 구성을 보이는 블록도 이다.
도 2는 도 1의 촬상소자를 이용한 위상차이 화소의 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2에 따른 수광 화소의 위상차이를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 일반적인 촬상소자의 화소 구성을 보이는 도면이다.
도 5는 개구부에 마스크를 설치한 위상차이 촬상소자의 화소 구성을 보이는 도면이다.
도 6은 도 5에 따른 위상차이 촬상소자 화소의 마스크 위치 및 촬영 렌즈의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 촬상소자의 일반적인 베이어 패턴 화소를 보이는 도면이다.
도 8은 도 7을 기본으로 위상차이 검출을 위한 화소의 배치를 보이는 도면이다.
도 9는 촬상소자의 위상차이 화소를 수평 방향으로 구성한 도면이다.
도 10은 촬상소자의 위상차이 화소를 수직 방향으로 구성한 도면이다.
도 11은 도 9에 도시된 위상차이 화소의 수직 구성도를 나타내는 도면이다.
도 12는 촬상소자의 기본 화소 구성을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12에서 화소의 광전 변환 부분을 실리콘 기판 상에 구체적으로 구성한 도면이다.
도 14는 종래의 일 실시 예에 따른 트랜지스터를 겸용한 촬상소자의 화소 구성을 보이는 도면이다.
도 15는 종래의 다른 실시 예에 따른 트랜지스터를 겸용한 촬상소자의 화소 구성을 보이는 도면이다.
도 16은 일반적인 촬상소자의 회로 평면 구성을 보이는 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 촬상소자의 회로 평면도 이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 촬상소자의 회로 평면도 이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 촬상소자의 회로 평면도 이다.
도 20은 본 발명은 또 다른 실시 예에 따른 촬상소자의 회로 평면도 이다.
도 21은 복수의 위상차이 화소 구성을 조합하여 구성한 촬상소자를 나타내는 도면이다.
도 22는 일반적인 촬상 화소와 위상차이 화소 구성을 조합시킨 촬상소자를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 촬상소자가 구비된 디지털 영상 처리 장치의 구성을 보이는 블록도 이다.
도 1을 참조하면, 디지털 영상 처리 장치(100)와 렌즈가 분리 가능한 타입으로 도시되어 있지만, 본 촬상소자(108)는 분리형이 아닌 일체형으로 사용 가능하다. 또한 본 발명에 따른 촬상소자(108)를 이용하면, 위상차이 AF와 콘트라스트 AF가 가능한 디지털 영상 처리 장치(100)가 된다.
디지털 영상 처리 장치(100)에는 포커스 렌즈(102)를 포함하는 촬영 렌즈(101)를 구비한다. 디지털 영상 처리 장치(100)는 초점 검출 기능을 구비하여, 포커스 렌즈(102)를 구동하는 것이 가능하다. 촬영 렌즈(101)에는 포커스 렌즈(102)를 구동하는 렌즈 구동부(103), 포커스 렌즈(102)의 위치를 검출하는 렌즈 위치 검출부(104), 포커스 렌즈(102)를 제어하는 렌즈 제어부(105)를 포함한다. 렌즈 제어부(105)는 디지털 영상 처리 장치(100)의 CPU(106)와 초점 검출에 관한 정보를 통신한다.
디지털 영상 처리 장치(100)는 촬상소자(108)를 구비하여, 촬영 렌즈(101)를 통과한 피사광을 촬상해 화상 신호를 생성한다. 촬상소자(108)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 광전 변환부(미도시) 및 광전 변환부로부터 전하를 이동시켜 화상 신호를 독출하는 전송로(미도시) 등을 포함할 수 있다.
촬상소자 제어부(107)는 타이밍 신호를 생성하여, 촬상소자(108)가 화상을 촬상하도록 제어한다. 더 나아가 촬상소자 제어부(107)는 각 주사선에서의 전하 축적이 끝나면 화상 신호를 순차적으로 독출하도록 한다.
독출된 신호는 아날로그 신호 처리부(109)를 거쳐 A/D 변환부(110)에 디지털 신호로 변환된 후, 화상 입력 콘트롤러(111)로 입력되어 처리된다.
화상 입력 콘트롤러(111)로 입력된 디지털 화상 신호는 AWB(auto white balance) 검출부(116), AE(auto exposure) 검출부(117), AF 검출부(118)에서 각각 AWB, AE, AF 연산을 수행한다. 여기서 AF 검출부(118)는 콘트라스트 AF 시에 콘트라스트 값에 대한 검파 값을 출력하고, 위상차이 AF 시에 화소 정보를 CPU(106)로 출력하여, 위상차이 연산을 하도록 한다. CPU(106)의 위상차이 연산은 복수의 화소 열 신호의 상관 연산을 실시하여 구할 수 있다. 위상차이 연산 결과로 초점의 위치 또는 초점의 방향을 구할 수 있다.
화상 신호는 일시 메모리인 SDRAM(119)에도 저장된다. 디지털 신호 처리부(112)는 감마 보정 등 일련의 화상 신호 처리를 수행하여 디스플레이 가능한 라이브뷰 화상이나, 캡쳐 화상을 만든다. 압축 신장부(113)는 JPEG 압축 형식 도는 H.264 압축 형식 등의 압축 형식으로 화상 신호를 압축하거나 재생 시에 신장시킨다. 압축 신장부(113)에서 압축된 화상 신호를 포함한 화상 파일은 미디어 콘트롤러(121)를 통해서 메모리 카드(122)로 전송되어 저장된다.
표시용 화상 정보는 VRAM(120)에 저장되고, 그 화상을 비디오 인코더(114)를 통해 LCD(115)에 표시한다. 제어부로써의 CPU(106)는 각 부분의 동작을 전체적으로 제어한다. EEPROM(123)은 촬상소자(108)의 화소 결함 보정을 위한 정보나, 조정 정보를 저장 유지한다. 조작부(124)는 디지털 영상 처리 장치(100)의 조작을 위해, 사용자로부터 각종 명령을 입력 받는다. 조작부(124)는 셔터-릴리즈 버튼(미도시), 메인 버튼(미도시), 모드 다이얼(미도시), 메뉴 버튼(미도시) 등 다양한 버튼을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 촬상소자(108)를 이용한 위상차이 화소의 AF 원리를 설명하는 도면이다.
도 2의 위상차이 AF 원리도를 참조하면, 촬영 렌즈(11)를 통과한 피사광은 마이크로 렌즈열(14)을 통과하여 수광 화소 R(15), L(16)으로 유도된다. 수광 화소 R(15), L(16)의 일부에는 촬영 렌즈(11)로부터 입사하는 동공(12, 13)을 제한하는 마스크(17, 18) 또는 제한된 개구부가 구비된다. 그리고 촬영 렌즈(11)의 동공 중에서, 촬영 렌즈(11)의 광 축(10)보다 위에 있는 동공(12)으로부터의 빛은 수광 화소 L(16)로 유도되고, 촬영 렌즈(11)의 광 축(10)보다 아래에 있는 동공(13)으로부터의 빛은 수광 화소 R(15)로 유도된다. 마스크 또는 개구부(17, 18)가, 마이크로 렌즈열(14)에 의해 동공(12, 13) 위치에서 역 투영되는 범위의 광을 수광 화소 R(15), L(16)가 수광하는 것을 동공 분할 이라고 한다.
동공 분할된 화소 출력을 마이크로 렌즈 어레이(14)에 따라 수광 화소 R(15), L(16) 어레이가 연속한 출력을 그리면 도 3과 같이 된다. 도 3에서 가로축은 수광 화소 R(15), L(16)의 위치이며, 세로축은 수광 화소 R(15), L(16)의 출력 값이다. 각각 R열과 L열의 화소 출력 열을 보면, 같은 형상인 것을 알 수 있다. 그러나 위치 즉 위상은 다르다. 이것은 촬영 렌즈(11)의 편심된 동공(12, 13)으로부터의 광의 결상 위치가 다르기 때문에다. 따라서 초점이 맞지 않은 경우는 도 3a와 같이 위상이 어긋나 있고, 초점이 맞은 경우는 도 3b와 같이 같은 위치에 결상된다. 또한 이로부터 초점 차이의 방향도 판정할 수 있다. 피사체 앞에 초점이 맞은 경우는 전 핀이라고 하며, 전 핀인 경우 R 열은 합초 위상보다 왼쪽으로 시프트 하고, L 열은 합초 위상 보다 오른쪽으로 시프트 한다. 반대로, 피사체 뒤에 초점이 맞은 경우는 후 핀 이라고 하며, 후 핀인 경우 R 열은 합초 위상보다 오른쪽으로 시프트 하고, L 열은 합초 위상보다 왼쪽으로 시프트 한다. 도 3a는 전 핀을 나타낸 것으로, 도 3a와 반대가 되는 경우 후 핀이 된다. 그리고 R과 L의 편차량은 초점 편차량으로 환산할 수 있다.
도 4는 일반적인 촬상소자의 화소 구성을 보이는 도면이다.
도 4를 참조하면, 두 화소를 나타내며, 위로부터 마이크로 렌즈(21), 표면층(22), 컬러 필터층(23), 배선층(24), 포토 다이오드층(25) 및 기판층(26)을 포함하며, 실제보다 간략화 되어 있다.
피사체로부터의 광은 마이크로 렌즈(21)를 통해서 각 화소의 포토 다이오드층(25)에 유도되고, 포토 다이오드가 전하를 발생하여 화소 정보가 된다. 발생한 전하는 배선층(24)으로부터 출력된다. 피사체로부터의 광은 촬영 렌즈의 사출동공을 통과한 전체 광으로 입사되고, 피사체 위치에 대응하는 휘도 정보는 화소 위치에 대응하여 얻을 수 있다. 컬러 필터층(23)은 각 화소에 R, G, B 삼 색을 사용하는 것이 일반적이며, 사양에 의해 C(cyan), M(magenta), Y(yellow)를 사용할 수도 있다.
도 5에는 도 4의 촬상소자(108)의 개구부에 마스크(27, 28)을 설치해, 도 2의 R과 L 신호를 획득할 수 있도록 한 위상차이 화소의 수직 구성 예를 도시하고 있다. 위상차이를 검출하기 위한 R 화소를 S1, L화소를 S2라고 한다. 도 5에서 마이크로 렌즈(21)와 포토 다이오드(25) 사이의 S1에는 R용 마스크(17)가 구비되어 있고, S2에는 L용 마스크(28)가 구비되어 있다. 마스크(27, 28)는 도 5에 개시된 위치로 한정되지 않고, 마이크로 렌즈(21)와 포토 다이오드(25) 사이이면 된다. 도 5에는 마이크로 렌즈(21)의 광 축을 일점차선으로 표시하며, 마이크로 렌즈(21)로부터 입사하는 광로를 점선으로 나타낸다. 도 5에 도시된 마스크(27, 28)에 의해 포토 다이오드(25)로 입사되는 광을 마이크로 렌즈(21)의 광 축을 중심으로 50% 제한한다.
도 6은 도 5에 따른 위상차이 촬상소자 화소의 마스크 위치 및 촬영 렌즈의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 도 6a는 R 화소(S1)를 나타내고, 촬영 렌즈(31), 도 5의 촬상소자 화소(33), 표면으로부터 본 마스크(34) 및 마스크(34)에 도달하는 촬영 렌즈(31) 상의 동공(32)이 도시되어 있다. 도 6b는 L 화소(S2)를 나타내며, 촬영 렌즈(36), 도 5의 촬상소자 화소(38) 및 표면으로부터 본 마스크(39), 마스크(39)에 도달하는 촬영 렌즈(36) 상의 동공(37)이 도시되어 있다. 여기서 마스크(34, 39)는 광 축에 대해 50%의 개구율로 설정한다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 R 화소(S1) 및 L 화소(S2)는 반드시 근처에 존재하는 것은 아니다. 또한 도 6a 및 도 6b는 촬영 렌즈(32, 37) 광 축 부근의 마이크로 렌즈의 배치이며, 촬영 렌즈(32, 37) 광 축으로부터 멀어진 화소 위치에서는, COS4θ 법칙을 보정하기 위해, 광 축 및 마스크(34, 39) 위치를 화면의 외측 방향으로 시프트 시킨다.
도 7은 촬상소자(108)의 일반적인 베이어 패턴 화소를 보이는 도면이다.
도 7을 참조하면, R, G, B 삼 색의 컬러 필터가 배치되어 4 화소를 1 단위로서 G 화소가 2개 배열된다. 이러한 베이어 배열 화소를 기본으로 위상차이 화소를 구성한 촬상소자의 일반적인 예가 도 8에 개시되어 있다.
도 8을 참조하면, 통상의 베이어 배열 화소 BY1 및 BY2가 배치되어 있다. 베이어 배열 화소 BY1 및 BY2 사이에는 위상차이를 검출하기 위한 R 화소(S1)를 포함하는 PH1 및 L 화소(S2)를 포함하는 PH2가 배치되어 있다. 종래에는 베이어 배열의 G 화소를 이용하여 위상차이 화소를 배치하였다. 그러나, 이것으로 통상의 베이어 배열을 위한 보간 연산 처리를 할 수 없기 때문에 S1 화소 및 S2 화소는 결함 화소로 취급하여 유효하게 이용되지 않았고, 화질은 일반 촬상소자와 비교 시에 열화되었다. 또한 위상차이 화소는 통상의 화소와 비교했을 때 개구부를 반 이하로 할 필요가 있어, 통상의 화소와 비교했을 때 광량이 반 이하기 되어 있었다. 즉, 촬상이 가능한 저 휘도에서도 AF가 불가능한 경우가 있었다.
따라서, 본 발명에서는 모든 화소에서 위상차이 검출이 가능하도록 화소 회로를 구성함으로써, 결함 화소 없이 양호한 화질이 얻어지면서, 모든 화면에서 위상차이 검출이 가능한 촬상소자를 제공한다. 또한 위상차이 화소의 개구부 면적을 작게하지 않고, 저휘도에서도 AF를 가능하게 하는 촬상소자를 제공한다. 이 촬상소자의 16 화소분만 나타낸 것이 도 9이다.
도 9는 촬상소자의 위상차이 화소를 수평 방향으로 구성한 도면이다. 도 9a는 컬러 필터(R, G, B)의 종류와 R 화소(S1)인지 또는 L 화소(S2)인지의 구별을 나타내고, 도 9b는 광전 변환 개구부의 배치를 나타낸다. 도 9에서 RLa는 R 필터에, L 화소 개구부가 구성되어 있는 것을 나타낸다. 도 9는 촬영 렌즈 광 축을 중심으로, 광 축을 포함하지 않거나 또는 광 축의 경계선을 포함한 약 50%의 개구율을 갖는 R 화소 및 L 화소로 구성된다. 도 9에 도시된 개구부를 편의상 A 타입 개구라고 하고, 도 9의 위상차 화소 구성을 HA라 하기로 한다.
도 9에서 제1행(41) 및 제2행(42)에 L 화소를, 제3행(43) 및 제4행(44)에 R 화소를 구성한다. 제1행(41), 제2행(42)의 각 화소 또는 제1행(41)의 L 화소, 제2행(42)의 각 화소의 합과 제3행(43), 제4행(44)의 각 화소 또는 제3행(43), 제4행(44)의 각 화소의 합으로 도 3에 도시된 바와 같이 화소 열 신호를 얻어 위상차이를 연산한다. 화소 열 신호는 수평 방향의 라인 화상을 얻게 된다. 따라서 수평 방향으로 콘트라스트 변화가 있는 화상을 검출할 수 있다. 이 위상차이 화소 구성(HA)으로부터 얻어지는 화소열은 촬영 렌즈 광 축을 중심으로, 광 축을 포함하지 않거나 또는 광 축의 경계선을 포함한 약 50%의 개구율을 갖는 화소로 구성되기 때문에, 각 화소 간에 크로스토크(crosstalk) 현상이 없고, 위상차이 정보로부터 피사체의 수평방향 초점 위치를 구하는 것이 가능하게 된다.
도 10은 촬상소자의 위상차이 화소를 수직 방향으로 구성한 도면이다.
도 10a는 컬러 필터(R, G, B)의 종류와 R 화소(S1)인지 또는 L 화소(S2)인지의 구별을 나타내고, 도 10b는 광전 변환 개구부의 배치를 나타낸다. 도 10에서 RLa는 R 필터에, L 화소 개구부가 구성되어 있는 것을 나타낸다. 도 10은 촬영 렌즈 광 축을 중심으로, 광 축을 포함하지 않거나 또는 광 축의 경계선을 포함한 약 50%의 개구율을 갖는 R 화소 및 L 화소로 구성된다. 도 10의 위상차 화소 구성을 VA라 하기로 한다.
도 10에서 제1열(51) 및 제2열(52)에 L 화소를, 제3열(53) 및 제4열(54)에 R 화소를 구성한다. 제1열(51), 제2열(52)의 각 화소 또는 제1열(51)의 L 화소, 제2열(52)의 각 화소의 합과 제3열(53), 제4열(54)의 각 화소 또는 제3열(53), 제4열(54)의 각 화소의 합으로 도 3에 도시된 바와 같이 화소 열 신호를 얻어 위상차이를 연산한다.
화소 열 신호는 수직 방향의 라인 화상으로 획득된다. 이와 같은 VA는 수직 방향으로 콘트라스트 변화가 있는 화상을 검출할 수 있어, 위상차이 정보로부터 피사체의 수직방향 초점 위치를 구하는 것이 가능하게 된다.
도 11은 도 9에 도시된 위상차 화소 구성(HA)의 RLa 및 GLa 화소와 RRa 및 GRa 화소의 수직 구성도를 나타낸다.
도 11을 참조하면, RLa 및 RRa 화소의 경우 컬러 필터층(23)에 R 필터를 배치하고, GLa 및 GRa 화소의 경우 컬러 필터층(23)에 G 필터를 배치하고, L 화소용 마스크(28) 및 R 화소용 마스크(27)를 배치한다. 마스크(27, 28)의 크기는 일반 촬상소자의 화소와 동등한 크기인데, 마이크로 렌즈(21)와 위치 관계가 다르다. 마이크로 렌즈(21)의 광 축 중심이 개구부의 중심으로부터 편심되어 있고, 마스크(27, 28)는 개구부를 포함하지 않도록 되어 있다. 도 11에서는 개구부에 불필요한 광이 입사되지 않도록 광 축 중심으로부터 비개구부측에 마스크(27, 28)가 배치되어 있다. 도 11은 도 5와 같이 배선층(24), 포토 다이오드(25), 기판층(26)을 구비하는데, 도 5와 다르게 배선층(24)에 트랜지스터 회로를 포함하고 있다.
도 12는 촬상소자의 기본 화소 구성을 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 촬상소자의 기본 화소는 매립형 포토 다이오드(PD), 포토 다이오드(PD)의 애노드(anode)에 소스(source)가 접속되는 트랜지스터(Tr1), 트랜지스터(Tr1)의 드레인(drain)에 소스가 접속된 트랜지스터(Tr2), 트랜지스터(Tr1)의 드레인 및 트랜지스터(Tr2)의 소스의 접속 노드(node)에 게이트(gate)가 접속되는 트랜지스터(Tr3), 트랜지스터(Tr3)의 소스에 드레인이 접속된 트랜지스터(Tr4)로 구성된다. 포토 다이오드(PD)의 캐소드 및 트랜지스터(Tr1-Tr4)의 백 게이트(back gate)에 직류 전압(VPS)이 인가되고, 트랜지스터(Tr2, Tr3) 각각의 드레인에 직류 전압(VPD2, VPD)이 인가된다. 트랜지스터(Tr1, Tr2, Tr4)의 게이트에는 전송 신호(ΦTX), 리셋 신호(ΦRS), 선택 신호(ΦV)가 입력된다. 초기에 트랜지스터(Tr2)에서 불필요한 전하를 리셋하고, 포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하는 트랜지스터(Tr1)에서 부유 확산층(floating diffusion:FD)(미도시)으로 전송되며, 트랜지스터(Tr3)에서 증폭되고, 트랜지스터(Tr4)에서 화소가 선택되어 수직 출력선(LV)으로부터 화소 신호가 출력된다.
도 13은 도 12에 도시된 화소의 광전 변환 부분을 실리콘 기판 상에 구체적으로 구성한 도면이다.
도 13을 참조하면, P형 기판 또는 P형 웰(well)층(60)에 N형층(61)을 매립하고, 그 위치 P형층(62)을 표면에 형성하여 매립형 포토 다이오드(60)를 형성한다. 그리고 매립형 포토 다이오드(PD)가 구성되는 영역과 인접하는 영역 표면에 형성되는 절연막(63) 및 게이트 전극(64)을 구비하는 전송 게이트(TG), 전송 게이트(TG)가 구성되는 영역과 인접하는 영역에 형성되는 N형 부유 확산층(FD), N형 부유 확산층(FD)과 인접하는 영역 표면에 형성된 절연막(65) 및 게이트 전극(66)을 구비하는 리셋 게이트(RG), 리셋 게이트(RG)가 구성되는 영역과 인접하는 영역에 형성되는 N형 확산층(D)을 구비한다. 매립형 포토 다이오드(PD)는 N형 매립층(61)의 표면에 고농도의 P형 층(62)을 형성한다. 또한 N형 매립층(61), N형 부유 확산층(FD) 및 전송 게이트(TG)에 의해 트랜지스터(Tr1)가 구성됨과 동시에, N형 부유 확산층(FD), N형 확산층(D) 및 전송 게이트(RS)에 의해 트랜지스터(Tr2)가 구성된다. 그리고 N형 부유 확산층(FD)에 트랜지스터(Tr3)의 게이트가 접속된다. 즉, 각 화소에는 광전 변환 부분 이외에 트랜지스터가 4개 구성되어 있다. 이를 4Tr 구성의 화소라고 부른다. 이 화소는 반도체 설계에서는 면적을 필요로 하기 때문에, 광전 변환에 이용할 수 있는 면적은 제한된다. 그리고 광전 변환의 개구부 이외에 각종 트랜지스터나 배선 회로가 필요하다. 그래서 통상은 각 화소에서 광전 변환부의 바로 옆에 회로를 형성하고, 회로는 모든 화소가 동일한 배치로 하고 있다. 모든 화소에서 광전 변환 개구부 옆의 동일한 방향으로 회로를 형성하고 있다. 본 발명에서는 이 개구부와 회로의 배치를 최적화한다.
그런데, 최근에는 촬상소자의 화소수가 증가하고 개구부의 면적 확보가 어려워짐으로써, 각 화소에 형성되는 트랜지스터를 화소간에 겸용 사용함으로써 개구부의 면적을 확보하는 경우가 많다. 예를 들면, 도 14에는 4개의 화소에 대해 리셋 트랜지스터와 증폭 트랜지스터를 겸용하고, 선택 트랜지스터가 전송 트랜지스터를 선택하여 동작하는 회로 예를 나타내었다.
도 14를 참조하면, 포토 다이오드 PD1, PD2, PD3, PD4에 각각의 전송 트랜지스터 Tr1, Tr2, Tr3, Tr4가 구성되고, 각각 전송 타이밍 신호 (TX1, TX2, TX3, TX4)에 접속되어 있다. 또한 리셋 트랜지스터(Tr5)는 리셋 신호(RS)에 접속되어 있다. 이 리셋 트랜지스터(Tr5) 및 증폭 트랜지스터(Tr6)를 4 화소에서 겸용하는 것이다. 도 14에서는 4 화소에서 6 트랜지스터를 겸용하므로 1.5 Tr 구성의 화소라고 부를 수 있다. 그 밖에도 2화소 겸용으로는 2.5 Tr 구성이나 2 Tr 구성도 가능하다. 여기서는 종방향으로 나열된 4 화소에서 리셋 트랜지스터 및 증폭 트랜지스터를 겸용하였지만, 도 15에는 상하좌우 4 화소에서 리셋 트랜지스터 및 증폭 트랜지스터를 겸용한 예가 도시되어 있다. 도 15를 참조하면, 각 회로 부품의 수는 도 14와 동일하다. 이들 종래의 화소 구성은 수직, 수평 방향으로 반복하여 동일한 패턴으로 설계되고, 각 화소의 관계를 정방 배치로 하고, 트랜지스터 회로 배치도 일방향으로 배치한다.
도 16은 일반적인 촬상소자의 회로 평면 구성을 보이는 도면이다. 도 16을 참조하면, 2 화소에서 리셋 트랜지스터 및 증폭 트랜지스터를 겸용하는 타입이다. 즉, 포토 다이오드(PD11, PD21)가 리셋 트랜지스터(TrR11) 및 증폭 트랜지스터(TrA11)를 겸용하는 2 화소 단위이다. 도 16에서는 이 세트가 8 세트 16 화소만 표시하고 있으나, 실제 촬상소자(108)는 이들이 반복하여 존재하고, 예를 들면 20 메가 화소로 존재한다. 포토 다이오드 PD11, PD12, PD21, PD22를 포함하는 4 화소로 베이어 배열이 구성되어 R, G, B 컬러 필터가 포토 다이오드 상에 구성된다. 또한 이 평면도 상에는 포토 다이오드(PD)에만 개구부가 형성되는 마스크가 존재한다. 그리고 그 마스크 위에 마이크로 렌즈가 구성된다. 각 포토 다이오드(PD)의 주변에는 타이밍 신호가 배선된다. 수평 방향으로는 전송 타이밍 용 TX1, TX2 신호 배선 및 리셋용 RES 신호 배선이, 수직 방향으로는 화소 신호 독출 배선 LV1, LV2, LV3, LV4가 배선되며, 이들은 반복하여 존재한다.
도 16을 참조하면, 포토 다이오드(PD11) 및 포토 다이오드(PD21) 좌측에는 전송 트랜지스터(Tr11, Tr21)가 구성된다. 전송 트랜지스터(Tr11, Tr21)의 한편은 수직 방향 배선에 의해 2 화소분에 접속되고, 그 앞에 리셋 트랜지스터(TrR11)가 구성된다. 동시에 증폭 트랜지스터(TrA11)에 접속되고, 출력측은 신호 독출 배선(LV1)으로 접속되어 있다.
포토 다이오드(PD11) 및 포토 다이오드(PD21)의 출력 절환은 수평 신호(TX1, TX2)의 타이밍에 의해 절환된다. 전송 트랜지스터(Tr11, Tr21)는 포토 다이오드(PD11) 및 포토 다이오드(PD21)의 출력을 선택적으로 전송하고, 증폭 트랜지스터(TrA11)는 포토 다이오드(PD11) 및 포토 다이오드(PD21)의 출력을 선택적으로 증폭한다. 리셋 트랜지스터(TrR11)는 포토 다이오드(PD11) 및 포토 다이오드(PD21)의 리셋을 수행한다. 트랜지스터 회로 종류, 배선 종류는 모든 화소가 포토 다이오드(PD)의 좌측에 배치되고, 포토 다이오드(PD)의 위치도 수평 수직 모두 등간격, 주기적으로 배치된다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 촬상소자의 회로 평면도 이다. 도 17은 도 9에 도시된 HA형 화소 구성으로, 2 화소에서 리셋 트랜지스터 및 증폭 트랜지스터를 겸용하는 타입이다. 도 17을 참조하면, 포토 다이오드 RLa41, GLa31, GLa42, BLa32를 포함하는 4 화소가 베이어 배열 단위의 R, G, G, B를 나타낸다. 이들은 위상차이 화소의 L 화소에 대응하고 위상차 연산으로는 제1 화소열을 구성하게 된다. 한편, 포토 다이오드 RRa22, GRa12, GRa23, BRa13를 포함하는 4 화소가 베이어 배열 단위의 R, G, G, B를 나타내고, 이들은 위상차 화소의 R 화소에 대응하며 위상차이 연산으로는 제2 화소열을 구성하게 된다.
위상차이 검출에서 제1 화소열의 포토 다이오드 RLa41, GLa31를 포함하는 화소에 대응하는 화소는 제2 화소열의 포토 다이오드 RRa22, GRa12를 포함하는 화소가 된다. 마찬가지로, 제1 화소열의 포토 다이오드 GLa42, BLa32를 포함하는 화소에 대응하는 화소가 제2 화소열의 포토 다이오드 GRa23, BRa13를 포함하는 화소가 된다. 독출 라인은 다르지만, 상관 연산 시에는 메모리에 일시 저장된 화소 신호를 사용하므로, 문제가 되지 않는다.
L 화소의 포토 다이오드(RLa41, GLa31)의 좌측에는 각각 전송 트랜지스터(Tr41, Tr31)가 구성된다. 그리고, 전송 트랜지스터(Tr41, Tr31)의 출력은 배선 접속되어 있고, 리셋 트랜지스터(TrR31)와 접속되어 있다. 또한 전송 트랜지스터(Tr41)와 전송 트랜지스터(Tr31) 사이는 증폭 트랜지스터(TrA31)에 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(TrA31)의 출력은 신호 독출 배선(LV1)으로 접속되어 있다.
R 화소의 포토 다이오드(GRa21, Bra11)의 우측에는 각각 전송 트랜지스터(Tr21, Tr11)가 구성된다. 그리고, 전송 트랜지스터(Tr21, Tr11)의 출력은 배선 접속되어 있다. 전송 트랜지스터(Tr21)와 전송 트랜지스터(Tr11) 사이는 증폭 트랜지스터(TrA11)에 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(TrA31)의 출력은 신호 독출 배선(LV1)으로 접속되어 있다. 그리고, L 화소 및 R 화소는 각각 반복하여 배치됨으로써, L 화소 계열 및 R 화소 계열이 구성된다. 각 트랜지스터 회로의 동작은 도 16과 동일하다.
이와 같이 L 화소 계열 및 R 화소 계열 에서 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 증폭 트랜지스터 및 배선은 포토 다이오드를 사이에 두고 반대의 배치로 되어 있다. 개구부의 면적을 축소하지 않으면서 L 화소 및 R 화소를 상기와 같이 구성한다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 촬상소자의 회로 평면도 이다. 도 18은 도 9에 도시된 HA형 화소 구성으로, 수직 방향 4 화소에서 리셋 트랜지스터 및 증폭 트랜지스터를 겸용하는 타입이다. 도 18을 참조하면, 도 17과 같이 포토 다이오드 RLa41, GLa31, GLa42, BLa32를 포함하는 4 화소가 베이어 배열 단위의 R, G, G, B를 나타낸다. 이들은 위상차이 화소의 L 화소에 대응하고 위상차 연산으로는 제1 화소열을 구성하게 된다. 한편, 포토 다이오드 RRa22, GRa12, GRa23, BRa13를 포함하는 4 화소가 베이어 배열 단위의 R, G, G, B를 나타내고, 이들은 위상차 화소의 R 화소에 대응하며 위상차이 연산으로는 제2 화소열을 구성하게 된다. 위상차이 검출에서 제1 화소열의 포토 다이오드 RLa41, GLa31를 포함하는 화소에 대응하는 화소는 제2 화소열의 포토 다이오드 GRa21, BRa11를 포함하는 화소가 된다.
L 화소의 포토 다이오드(RLa41, GLa31)의 좌측에는 각각 전송 트랜지스터(Tr41, Tr31)가 구성된다. 그리고, 전송 트랜지스터(Tr41, Tr31)의 출력은 배선으로 접속되어 있다. R 화소의 포토 다이오드(GRa21, Bra11)의 우측에는 각각 전송 트랜지스터(Tr21, Tr11)가 구성된다. 그리고, 전송 트랜지스터(Tr21, Tr11)의 출력은 배선 접속되어 있다. 상기 L 화소의 출력 배선으로도 접속되어 있다. 각 전송 트랜지스터(Tr41, Tr31, Tr21, Tr11)는 수평 신호(TX4, TX3, TX2, TX1)의 타이밍에 의해 선택적으로 전송된다. 전송된 전하는 N형 부유 확산층(FD)을 통과하고, 그 화소 신호는 증폭 트랜지스터(TrA11)에서 증폭되어 수직 화소 독출 배선(LV1)을 통과하여 출력된다. 한편 상기 출력 배선(LV1)은 리셋 트랜지스터(TrR11)에도 접속되어 있고, RES 신호에 의해 포토 다이오드(RLa41, GLa31, GRa21, Bra11)의 출력이 리셋된다. 이와 같이 L 화소 계열로는 포토 다이오드의 좌측에 전송 트랜지스터 및 증폭 트랜지스터가 있고, R 화소 계열로는 포토 다이오드 우측에 전송 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터가 있다. L 화소 계열 및 R 화소 계열로는 전송 트랜지스터와 배선이 포토 다이오드를 사이에 두고 반대로 배치된다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 촬상소자의 회로 평면도 이다. 도 19는 도 9에 도시된 HA형 화소 구성으로, 수평 수직 방향 4 화소에서 리셋 트랜지스터 및 증폭 트랜지스터를 겸용하는 타입이다. 도 19를 참조하면, 도 17 및 도 18과 같이 포토 다이오드 RLa41, GLa31, GLa42, BLa32를 포함하는 4 화소가 베이어 배열 단위의 R, G, G, B를 나타낸다. 이들은 위상차이 화소의 L 화소에 대응하고 위상차 연산으로는 제1 화소열을 구성하게 된다. 한편, 포토 다이오드 RRa21, GRa11, GRa22, BRa12를 포함하는 4 화소가 베이어 배열 단위의 R, G, G, B를 나타내고, 이들은 위상차 화소의 R 화소에 대응하며 위상차이 연산으로는 제2 화소열을 구성하게 된다. 위상차이 검출에서 제1 화소열의 포토 다이오드 RLa41, GLa31를 포함하는 화소에 대응하는 화소는 제2 화소열의 포토 다이오드 RRa21, GRa11를 포함하는 화소가 된다.
L 화소의 포토 다이오드(GLa42, BLa32)의 좌측에는 각각 전송 트랜지스터(Tr42, Tr32)가 구성된다. 그리고, 전송 트랜지스터(Tr42, Tr32)의 출력은 배선에 접속된다. L 화소의 포토 다이오드(RLa41)의 하측에는 전송 트랜지스터(Tr41)이 구성되고 포토 다이오드(GLa31)의 상측에 전송 트랜지스터(Tr31)가 구성된다. 그리고 이들 4개 화소 출력은 배선 접속되고, 증폭 트랜지스터(TrA31)와도 접속되어 있다. 동시에 리셋 트랜지스터(TrR31)에도 접속되어 있다. 각 전송 트랜지스터(Tr41, Tr31, Tr42, Tr32)는 수평 신호(TX4, TX3, TX2, TX1)의 타이밍에 의해 선택적으로 전송된다. 전송된 전하는 N형 부유 확산층(FD)을 통과하고, 그 화소 신호는 증폭 트랜지스터(TrA31)에서 증폭되어 수직 화소 독출 배선(LV1)을 통과하여 출력된다. 한편 상기 출력 배선(LV1)에는 리셋 트랜지스터(TrR31)가 접속되고, RES 신호에 의해 포토 다이오드(RLa41, GLa31, GLa42, BLa32)의 출력이 리셋된다. 한편 R 화소인 RRa21, Gra11의 우측에는 각각 전송 트랜지스터(Tr21, Tr11)가 구성된다. 그리고, 전송 트랜지스터(Tr21, Tr11)의 출력은 배선 접속되어 있다. 포토 다이오드(GRa22)의 하측에 전송 트랜지스터(Tr22)가 구성되고, 포토 다이오드(BRa12)의 상측에 전송 트랜지스터(Tr12)가 구성된다.
그리고 이들 4개의 포토 다이오드 출력은 배선 접속되고 증폭 트랜지스터(TrA11)와 접속되고, 또한 동시에 리셋 트랜지스터(TrR11)에 접속되어 있다. 각 전송 트랜지스터(Tr21, Tr11, Tr22, Tr12)는 수평 신호(TX4, TX3, TX2, TX1)의 타이밍에 의해 선택적으로 전송된다. 이와 같이 L 화소 계열에서는 4개의 포토 다이오드의 주로 좌측에 전송 트랜지스터, 증폭 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터가 구성되고, R 화소 계열에서는 4개의 포토 다이오드의 주로 우측에 전송 트랜지스터, 증폭 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터가 구성된다. L 화소 계열 및 R 화소 계열로는 트랜지스터 회로 및 배선이 포토 다이오드를 사이에 두고 반대로 배치된다.
도 20은 본 발명은 또 다른 실시 예에 따른 촬상소자의 회로 평면도 이다. 도 20은 도 10에 도시된 VA형 화소 구성으로, 수직 방향의 위상차이를 검출하는 목적의 위상차이 화소 구성이다. 도 20은 도 19와 같이 수평 수직 방향의 4 화소에서 리셋 트랜지스터 및 증폭 트랜지스터를 겸용하는 타입이다. 각 화소의 구성은 도 19와 동일한데, L 화소 계열과 R 화소 계열에서 트랜지스터 회로 및 배선이 포토 다이오드에 대해 같은 방향으로 배치된다. 위상차이 화소로 구성하기 위해, L 화소 계열과 R 화소 계열에서 평면 방향 상하로 화소를 배치하고 배선마다 시프트 시키고 있다. 이는 수평 수직 4 화소에서 증폭 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터를 공용하는 배치 이기 때문에, 4 화소 단위마다 시프트 가능한 배선 간격을 확보할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 화소의 좌우에 같은 화소의 반복 설계가 가능하다. 즉 도 10의 패턴을 반복하는 것도 가능하다. 수평방향의 화소 간격도 같은 설계가 가능하다.
도 21은 복수의 위상차 화소 구성을 조합하여 구성한 촬상소자를 나타내는 도면이다. 실제 촬상소자는 예를 들면, 수평 방향이 4670 화소이고, 수직 방향이 3100 화소인 14.6M 화소이지만, 여기서는 모식적으로 설명하기 위해 적은 화소수로 표시한다. 위상차이 화소 구성(HA)과 위상차이 화소 구성(VA)을 이용한 촬상 소자의 실시 예 이다. 광 축 중앙 부근에는 수평 방향의 위상차이가 검출 가능한, 예를 들면 도 19와 같은 HA형 화소를 배치하고, 광 축으로부터 떨어진 좌우에는 수직 방향의 위상차이 검출이 가능한, 예를 들면 도 20과 같은 VA형의 화소를 배치한다. 모든 화면에서 위상차이에 의한 초점 검출이 가능하다. 또한 화소 정보를 이용하여 모든 화면에서 콘트라스트 AF 도 가능하다.
도 22는 일반적인 촬상 화소와 위상차이 화소 구성을 조합시킨 촬상소자를 나타내는 도면이다.
도 22를 참조하면, 도21과 같이 모식적으로 설명하기 위해 적은 화소수로 나타내었다. 도16과 같은 통상의 촬상화소 N 중에서, 도17과 같은 위상차이 화소구성 HA가 촬상소자의 중앙 부근 3라인으로 구성된다. 이는 위상차이를 검출하기 위해 촬영렌즈의 동일한 조건에 따라, 어두운 F 값의 렌즈에서 위상차이 검출이 가능하도록 중앙부에만 배치한 것이다. 이처럼 전화면 위상차이 검출이 아닌 구성도 가능하다. 단, 통상의 촬상화소 N과 위상차이 화소구성 HA의 접속 부분에서는 세로방향으로 이동하여 타이밍 신호선이 계단모양으로 설계된 도 20과 같이 가로 방향으로 이동하여, 출력 신호선이 계단모양으로 설계됨으로써 연결 가능하다. 이 촬상소자는 촬상소자 중 위상차이 화소부분만 회로배치를 변화시킨 구성이다.
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
100: 디지털 영상 촬영 장치
11,31,36: 촬영 렌즈
108: 촬상소자
14,21: 마이크로 렌즈
27,28: 마스크
33,38: 화소

Claims (15)

  1. 광학계를 통해 결상된 화상을 수광하는 화소가 2차원 배열로 구성되어 촬상 및 위상차이 검출이 가능한 촬상소자에 있어서,
    상기 촬상소자는 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열을 포함하고,
    상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은
    위상차이 검출용 화소마다 형성되는 회로가 광전 변환 화소의 개구부에 대해 서로 반대 방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상소자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 촬상소자의 모든 화소가 위상차이를 얻기 위한 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 촬상소자.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은
    각 광전 변환 화소에 형성되는 트랜지스터 회로를 포함하고,
    상기 트랜지스터 회로에 포함되는 증폭회로 또는 리셋회로를 복수의 광전 변환 화소에서 공유하여 사용하는 것을 특징으로 하는 촬상소자.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 위상차이 검출용 화소마다 형성되는 회로는 전송회로, 리셋회로, 증폭회로 또는 배선회로 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상소자.
  5. 제 1항에 있어서, 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은
    각 광전 변환 화소 상에 마이크로 렌즈를 형성하고,
    상기 마이크로 렌즈와 광전 변환부 사이에 하나의 개구부를 가지며,
    상기 개구부는 상기 마이크로 렌즈 광 축 중심에 대해 편심되어 구성되며,
    상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 서로 반대 방향인 것을 특징으로 하는 촬상소자.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은
    각 광전 변환 화소를 제외한 영역에 마스크가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상소자.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열을 구성하는 화소는 각각 컬러 필터를 형성하고, 상기 화소는 베이어 배열로 구성되며, 적어도 상기 베이어 배열 단위로 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열을 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 촬상소자.
  8. 광학계를 통해 결상된 화상을 수광하는 화소가 2차원 배열로 구성되어 촬상 및 위상차이 검출이 가능한 촬상소자에 있어서,
    상기 촬상소자는 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열을 포함하고,
    상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은
    베이어 배열의 4개 화소마다 형성되는 회로의 위치를 위상차이 검출 방향으로 이동시키는 배치인 것을 특징으로 하는 촬상소자.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은
    각 광전 변환 화소를 제외한 영역에 마스크가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상소자.
  10. 광학계를 통해 결상된 화상을 수광하는 화소가 2차원 배열로 구성되어 촬상 및 위상차이 검출이 가능한 촬상소자에 있어서,
    상기 촬상소자는 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열을 포함하고,
    상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은
    위상차이 검출용 화소마다 형성되는 회로가 광전 변환 화소의 개구부에 대해 서로 반대 방향으로 배치되어 있는 화소와,
    베이어 배열의 기본 4개 화소마다 형성되는 회로의 배치를 위상차이 검출방향으로 이동시키는 배치인 것을 특징으로 하는 촬상소자.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은
    각 광전 변환 화소를 제외한 영역에 마스크가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상소자.
  12. 광학계를 통해 결상된 화상을 수광하는 화소가 2차원 배열로 구성되어 촬상 및 위상차이 검출이 가능한 촬상소자에 있어서,
    상기 촬상소자는 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열을 포함하고,
    상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은
    위상차이 검출용 화소마다 형성되는 회로가 광전 변환 화소의 개구부에 대해 서로 반대 방향으로 배치되고,
    상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은 각 광전 변환 화소에 형성되는 트랜지스터 회로의 증폭회로 또는 리셋회로를 복수의 광전 변환 화소에서 공유하여 사용하는 것을 특징으로 하는 촬상소자.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 제1 광전 변환 화소열 및 제2 광전 변환 화소열은
    각 광전 변환 화소를 제외한 영역에 마스크가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상소자.
  14. 광학계를 통해 결상된 화상을 수광하는 화소가 2차원 배열로 구성되어 촬상 및 위상차이 검출이 가능한 촬상소자에 있어서,
    상기 촬상소자는 위상차이 검출을 수행하기 위해 제1 화소열 및 제2 화소열을 포함하고,
    상기 제1 화소열 및 제2 화소열은
    상기 위상차이 검출용 화소마다 형성되는 회로가 상기 화소의 개구부에 대해서 서로 반대 방향으로 배치되어 있는 화소로 구성되고,
    상기 위상차이 검출을 실시하지 않는 화소는 상기 화소마다 형성되는 회로가 상기 화소의 개구부에 대해서 동방향으로 배치되어 있는 화소로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상소자.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 제1 화소열 및 제2 화소열은
    상기 각 화소 상에 마이크로 렌즈를 형성하고,
    상기 마이크로 렌즈와 광전 변환부 사이에 하나의 개구부를 가지며,
    상기 개구부는 상기 마이크로 렌즈 광 축 중심에 대해 편심되어 구성되며,
    상기 제1 화소열 및 제2 화소열은 서로 반대 방향인 것을 특징으로 하는 촬상소자.
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