KR20140122723A - 고체 촬상 장치 및 전자 카메라 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 관련된 고체 촬상 장치는, 특정 광을 투과하는 유기 광전막으로 구성되는 제 2 촬상 소자와, 상기 제 2 촬상 소자와 동일한 반도체 기판상에 적층 배치되고, 상기 제 2 촬상 소자를 투과한 특정 광을 수광하는 제 1 촬상 소자를 가지고, 상기 제 2 촬상 소자 또는 상기 제 1 촬상 소자에 초점 검출용 화소를 마련한 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 촬상용 화소와는 독립하여 AF 방식을 실현할 수 있다.

Description

고체 촬상 장치 및 전자 카메라{SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE AND ELECTRONIC CAMERA}
본 발명은, 고체 촬상 장치 및 전자 카메라에 관한 것이다.
종래, 전자 카메라로 고속 AF(오토 포커스)를 실현하는 기술로서 콘트라스트 방식이나 위상차 AF 방식 등이 알려져 있다. 콘트라스트 방식은 촬상용 화소를 이용하여 포커스 위치를 검출하는 방식이다. 또한, 위상차 AF 방식은 전용의 초점 검출용 화소를 필요로 하는데, 예를 들면 1개의 촬상 소자의 촬상용 화소의 일부에 초점 검출용 화소를 배치하는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 또한, 화상용 촬상 소자와는 별도로 배치된 전용의 초점 검출용 촬상 소자를 이용하는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조). 한편, 2개의 광전 변환 소자를 적층 배치하는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 3 참조).
일본 공개특허 공보 2007-282109호 일본 공개특허 공보 2007-011070호 일본 공개특허 공보 2009-130239호
그런데, 촬상 소자의 화상용 화소의 일부에 초점 검출용 화소를 배치하는 경우, 세로 줄무늬나 가로 줄무늬의 가짜 신호가 발생하기 쉬워지고, 고도의 화소 보간(補間) 처리가 필요해지는 문제가 있었다. 또한, 전용의 초점 검출용 촬상 소자를 이용하는 경우, 입사광을 화상용 촬상 소자와 초점 검출용 촬상 소자로 분할하기 위한 복잡한 광학계(光學系)가 필요해지는 문제가 있었다. 또한, 적층 배치하는 기술에서는 화상 촬영에 특화된 것으로, 초점 검출이나 효율적인 색 배열 등에 대해서는 고려되지 않았다.
본 발명의 목적은, 고도의 화소 보간 처리나 복잡한 광학계를 이용하지 않고, 촬상용 화소와는 독립하여 AF 방식을 실현할 수 있는 고체 촬상 장치 및 전자 카메라를 제공하는 것이다.
본 발명에 대한 고체 촬상 장치는, 특정 광을 투과하는 유기 광전막으로 구성되는 제 2 촬상 소자와, 상기 제 2 촬상 소자와 동일한 반도체 기판 상에 적층 배치되고, 상기 제 2 촬상 소자를 투과한 특정 광을 수광하는 제 1 촬상 소자를 가지고, 상기 제 2 촬상 소자 또는 상기 제 1 촬상 소자에 초점 검출용 화소를 마련한 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 제 2 촬상 소자는, 상기 제 1 촬상 소자의 컬러 필터로서 특정의 색 배열로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 촬상 소자에서 광전 변환되는 화상 신호의 색 성분과, 상기 제 1 촬상 소자에서 광전 변환되는 화상 신호의 색 성분은 보색 관계에 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 촬상 소자의 수광면과, 상기 제 1 촬상 소자의 수광면은, 동일 광로 상에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초점 검출용 화소는, 상기 제 2 촬상 소자 또는 상기 제 1 촬상 소자의 전체 화소에 균등하게 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초점 검출용 화소는, 각 화소에 입사하는 광을 동공 분할(pupil division)한 적어도 한쪽의 광속을 수광하는 광전 변환부를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 대한 전자 카메라는, 상기 고체 촬상 장치를 탑재하는 전자 카메라에 있어서, 입사하는 피사체광을 동일 광로 상에 배치된 상기 제 2 촬상 소자 및 상기 제 1 촬상 소자에 투영하는 광학계와, 상기 제 2 촬상 소자에서 출력되는 초점 검출 신호에 의해 상기 광학계의 초점 제어를 행하고, 상기 제 1 촬상 소자에서 출력되는 화상 신호에 의해 피사체 화상을 취득하는 촬상부와, 상기 피사체 화상을 기억 매체에 기록하는 기록부를 마련한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 촬상 소자의 상이한 색 성분의 화소로부터 출력되는 초점 검출 신호의 오차 보정을 행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 촬상부는, 상기 초점 검출용 화소에 입사하는 광을 동공 분할한 상에 대응하는 초점 검출 신호를 상기 초점 검출용 화소로부터 입력하여, 위상차 방식에 의한 초점 검출을 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 대한 고체 촬상 장치 및 전자 카메라는, 고도의 화소 보간 처리나 복잡한 광학계를 이용하지 않고, 촬상용 화소와는 독립하여 AF 방식을 실현할 수 있다.
도 1은 고체 촬상 소자(101)의 개요를 나타내는 도면이다.
도 2는 화소 배치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 제 1 촬상 소자(102)의 회로예를 나타내는 도면이다.
도 4는 제 2 촬상 소자(103)의 회로예를 나타내는 도면이다.
도 5는 화소의 회로예를 나타내는 도면이다.
도 6은 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 레이아웃 구성 및 단면의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 단면 A-B를 나타내는 도면이다.
도 9는 단면 C-D를 나타내는 도면이다.
도 10은 레이아웃 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 제 2 촬상 소자(103)의 수광부의 배치예를 나타내는 도면이다.
도 12는 화소 배치의 변형예 1을 나타내는 도면이다.
도 13은 화소 배치의 변형예 2를 나타내는 도면이다.
도 14는 전자 카메라(201)의 (구성예)를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명에 대한 고체 촬상 장치 및 전자 카메라의 실시 형태에 대해서 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 실시 형태에 대한 고체 촬상 소자(101)의 개요를 나타내는 도면이다. 도 1에 있어서, 고체 촬상 소자(101)는, 통상의 고체 촬상 소자와 동일하게 포토 다이오드에 의해 광전 변환을 행하는 제 1 촬상 소자(102)와, 제 1 촬상 소자(102)의 입사광측의 동일 광로 상에 배치된 제 2 촬상 소자(103)를 갖는다. 제 2 촬상 소자(103)는, 특정 광을 투과하고, 비투과 광을 광전 변환하는 유기 광전막에 의해 구성되고, 제 2 촬상 소자(103)를 투과한 특정 광은 제 1 촬상 소자(102)에서 수광된다. 여기서, 제 1 촬상 소자(102)와 제 2 촬상 소자(103)는 동일한 반도체 기판 상에 형성되고, 각 화소 위치는 1 대 1로 대응한다. 예를 들면 제 1 촬상 소자(102)의 1행 1열째의 화소는, 제 2 촬상 소자(103)의 1행 1열째의 화소에 대응한다.
도 2(a)는, 제 2 촬상 소자(103)의 화소 배열의 일례를 나타내는 도면이다. 도 2(a)에 있어서, 수평 방향을 x축, 수직 방향을 y축으로 하고, 화소(P)의 좌표를 P(x, y)로 표기한다. 도 2(a)의 제 2 촬상 소자(103)의 예에서는, 홀수행의 각 화소에 Mg(마젠타)와 Ye(옐로우)의 광을 광전 변환하는 유기 광전막을 교대로 배치하고, 짝수행의 각 화소에 Cy(시안)과 Mg(마젠타)의 광을 광전 변환하는 유기 광전막을 교대로 배치하고 있다. 그리고, 각 화소에서 수광되지 않는 광은 투과된다. 예를 들면, 화소 P(1, 1)는 Mg의 광을 광전 변환하여 Mg의 보색(G: 그린)의 광을 투과한다. 마찬가지로, 화소 P(2, 1)는 Ye의 광을 광전 변환하여 Ye의 보색(B: 블루)의 광을 투과하고, 화소 P(1, 2)는 Cy의 광을 광전 변환하여 Cy의 보색(R: 레드)의 광을 투과한다. 또한, 다음에 상세하게 설명되지만, 제 2 촬상 소자(103)의 각 화소는, 위상차 AF 방식으로 대응하는 페어가 되는 초점 검출용 화소로 구성된다.
도 2(b)는, 제 1 촬상 소자(102)의 화소 배열의 일례를 나타내는 도면이다. 또한, 도 2(b)의 각 화소 위치는, 도 2(a)와 동일하다. 예를 들면 제 2 촬상 소자(103)의 화소(1, 1)는, 제 1 촬상 소자(102)의 화소(1, 1)에 대응한다. 도 2(b)에 있어서, 제 1 촬상 소자(102)에는, 컬러 필터 등은 마련되어 있지 않고, 제 2 촬상 소자(103)를 투과하는 특정 광(유기 광전막에서 흡수되어서 광전 변환되는 광의 보색)을 광전 변환한다. 따라서, 도 2(c)에 나타내는 바와 같이, 제 1 촬상 소자(102)에 의해, 홀수행의 각 화소에 G(그린)와 B(블루)의 색 성분, 짝수행의 각 화소에 R(레드)와 G(그린)의 색 성분의 화상이 얻어진다. 예를 들면 화소 P(1, 1)에서는 제 2 촬상 소자(103)의 Mg의 보색의 G성분의 화상이 얻어진다. 마찬가지로, 화소 P(2, 1)에서는 Ye의 보색의 B성분의 화상, 화소 P(1, 2)에서는 Cy의 보색의 R성분의 화상이 각각 얻어진다.
이와 같이, 본 실시 형태에 대한 고체 촬상 소자(101)는, 유기 광전막으로 구성되는 제 2 촬상 소자(103)가 종래의 컬러 필터의 역할을 하고, 제 1 촬상 소자(102)에 의해 제 2 촬상 소자(103)의 보색 화상을 얻을 수 있다. 도 2의 예에서는, 제 1 촬상 소자(102)로부터 바이엘 배열(Bayer array)의 화상이 얻어진다. 또한, 도 2에서는 바이엘 배열의 예를 나타냈지만, 다른 배열이라도 제 1 촬상 소자(102)와 제 2 촬상 소자(103)의 각 화소가 보색 관계로 되도록 배치함에 의해, 동일하게 실현할 수 있다.
특히, 본 실시 형태에 대한 고체 촬상 소자(101)에서는, 종래의 단판(單板)식의 촬상 소자에서 필요했던 컬러 필터 대신에 유기 광전막을 이용하기 때문에, 컬러 필터에서 흡수되어 버렸던 입사광을 제 2 촬상 소자(103)에 의해 유효하게 이용할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 대한 고체 촬상 소자(101)에서는, 제 1 촬상 소자(102)에 화상용 화소를 배치하고, 제 2 촬상 소자(103)에 초점 검출용 화소를 전체면에 균등하게 배치하고 있으므로, 화상용 화소의 일부에 초점 검출용 화소를 배치하는 종래 기술과 같이 복잡한 화소 보간 처리를 행할 필요가 없고, 제 2 촬상 소자(103)에서는 초점 검출용 신호, 제 1 촬상 소자(102)에서는 컬러 화상 신호를 각각 독립적으로 얻을 수 있다.
도 3은, 제 1 촬상 소자(102)의 회로예를 나타내는 도면이다. 도 3에 있어서, 제 1 촬상 소자(102)는, 이차원 형상으로 배치된 화소 P(x, y)와, 수직 주사 회로(151)와, 수평 출력 회로(152)와, 전류원(PW)을 갖는다. 아울러, 도 3의 예에서는, 알기 쉽게, 2행 2열의 4화소의 구성을 나타냈지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 실제로는 다수의 화소가 이차원 형상으로 배치되어 있다.
도 3에 있어서, 수직 주사 회로(151)는, 각 화소로부터 신호를 읽어내기 위한 타이밍 신호(φTx(y), φR(y), φSEL(y))를 출력한다. 예를 들면 1행째의 화소 P(1, 1), P(2, 1)에 타이밍 신호(φTx(1), φR(1), φSEL(1))가 인가된다. 그리고, 각 열에 배치된 전류원 PW(1) 및 PW(2)에 각각 접속되는 수직 신호선 VLINE(1), VLINE(2) 각 화소로부터 신호가 리드아웃(readout)되어, 수평 출력 회로(152)에 일시적으로 유지된다. 그리고, 수평 출력 회로(152)에 행마다 일시적으로 유지된 각 화소의 신호는, 순서대로 외부에 출력된다(출력 신호 Vout). 아울러, 도 3에서는 나타내지 않았지만, 각 화소로부터 수직 신호선 VLINE(x)을 통하여 수평 출력 회로(152)로 리드아웃될 때, 화소간의 신호의 편차를 제거하기 위한 상관 이중 샘플링 회로(CDS 회로), AD 변환 회로, 디지탈 신호 처리 회로 등을 배치해도 좋다.
도 4는, 제 2 촬상 소자(103)의 회로예를 나타내는 도면이다. 도 4에 있어서, 제 2 촬상 소자(103)는, 이차원 형상으로 배치된 화소 P(x, y)와, 수직 주사 회로(161)와, 수평 출력 회로(162)와, 수평 출력 회로(163)와, 전류원 PW_A와, 전류원 PW_B를 갖는다. 아울러, 도 4의 예에서는, 도 3과 마찬가지로, 2행 2열의 4화소로 구성되지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 실제로는 다수의 화소가 이차원 형상으로 배치되어 있다. 또한, 도 4의 각 화소 P(x, y)는, 도 3의 각 화소 P(x, y)에 대응한다. 특히, 제 2 촬상 소자(103)는, 1개의 화소 위치에 수광부 PC_A(x, y)와 수광부 PC_B(x, y)의 2개의 유기 광전막에 의한 광전 변환부를 가지고, 위상차 AF 방식의 페어가 되는 한 쌍의 화소를 구성한다.
도 4에 있어서, 수직 주사 회로(161)는, 각 화소로부터 신호를 리드아웃하기 위한 타이밍 신호(φR_A(y), φR_B(y), φSEL_A(y), φSEL_B(y))가 출력된다. 예를 들면 1행째의 수광부 PC_A(1, 1)와 P_A(2, 1)에 타이밍 신호(φR_A(1), φSEL_A(1))가 인가되고, 수광부 PC_B(1, 1)와 P_B(2, 1)에 타이밍 신호(φR_B(1), φSEL_B(1))가 인가된다. 그리고, 수광부 PC_A(1, 1) 및 P_A(2, 1)의 신호는, 각 열에 배치된 전류원 PW_A(1) 및 PW_A(2)에 각각 접속되는 수직 신호선 VLINE_A(1) 및 VLINE_A(2)으로 리드아웃되어서, 수평 출력 회로_A(162)에 일시적으로 유지된다. 수평 출력 회로_A(162)에 행마다 일시적으로 유지된 각 화소의 신호는, 순서대로 외부에 출력된다(출력 신호 Vout_A). 마찬가지로, 수광부 PC_B(1, 1) 및 P_B(2, 1)의 신호는, 각 열에 배치된 전류원 PW_B(1) 및 PW_B(2)에 각각 접속되는 수직 신호선 VLINE_B(1) 및 VLINE_B(2)으로 리드아웃되어서, 수평 출력 회로_B(162)에 일시적으로 유지된다. 수평 출력 회로_B(162)에 행마다 일시적으로 유지된 각 화소의 신호는, 순서대로 외부에 출력된다(출력 신호 Vout_B).
이상, 제 1 촬상 소자(102) 및 제 2 촬상 소자(103)의 회로예를 도 3 및 도 4에서 각각 별도로 설명했지만, 실제로는 동일한 반도체 기판 상에 형성되고, 1개의 고체 촬상 소자(101)를 구성한다.
[고체 촬상 소자(101)의 화소의 회로예]
다음으로, 고체 촬상 소자(101)의 화소의 회로예에 대해서 설명한다. 도 5는, 이차원 형상으로 배치된 1개의 화소 P(x, y)의 회로예를 나타내는 도면이다. 도 5에 있어서, 화소 P(x, y)는, 제 1 촬상 소자(102)를 구성하기 위한 회로로서, 포토 다이오드(PD)와, 전송 트랜지스터(Tx)와, 리셋 트랜지스터(R)와, 출력 트랜지스터(SF)와, 선택 트랜지스터(SEL)를 갖는다. 포토 다이오드(PD)는, 입사광의 광량에 대응한 전하를 축적하고, 전송 트랜지스터(Tx)는, 포토 다이오드(PD)에 축적된 전하를 출력 트랜지스터(SF)측의 플로팅 확산영역(浮遊擴散領域)(FD부)에 전송한다. 출력 트랜지스터(SF)는 선택 트랜지스터(SEL)를 통하여 전류원(PW)과 소스 폴로워(source follower)를 구성하고, FD부에 축적된 전하에 대응한 전기 신호를 출력 신호(OUT)로서 수직 신호선(VLINE)에 출력한다. 또한, 리셋 트랜지스터(R)는, FD부의 전하를 전원 전압(Vcc)으로 리셋한다.
또한, 제 2 촬상 소자(103)를 구성하기 위한 회로로서, 유기 광전막에 의한 수광부(PC)와, 리셋 트랜지스터 R_A, R_B와, 출력 트랜지스터 SF_A, SF_B와, 선택 트랜지스터 SEL_A, SEL_B를 갖는다. 유기 광전막에 의한 수광부(PC)는, 도 2(a)에서 설명한 바와 같이, 비투과광의 광량에 대응한 전기 신호로 변환하고, 선택 트랜지스터 SEL_A, SEL_B를 통하여 전류원 PW_A 및 PW_B와 각각 소스 폴로워를 구성하는 출력 트랜지스터 SF_A, SF_B를 통하여 출력 신호 OUT_A, OUT_B로서 수직 신호선 VLINE_A, VLINE_B로 각각 출력된다. 또한, 리셋 트랜지스터 R_A, R_B는, 수광부(PC)의 출력 신호를 레퍼런스 전압(Vref)으로 리셋한다. 또한, 유기 광전막의 동작용으로서 고전압(Vpc)이 인가되어 있다. 여기서, 각 트랜지스터는 MOS_FET으로 구성된다.
여기서, 도 5의 회로의 동작에 대해서, 도 6의 타이밍 차트를 이용하여 설명한다. 도 6은, 도 5의 타이밍 신호의 일례를 나타낸 도면이다. 도 6(a)는, 제 1 촬상 소자(102)의 동작 타이밍을 나타내는 도면으로서, 먼저 타이밍 T1에서 선택 신호(φSEL)가 'High'로 되고, 선택 트랜지스터(SEL)가 온(on)으로 된다. 다음으로, 타이밍 T2에서 리셋 신호(φR)가 'High'로 되고, FD부에서 전원 전압(Vcc)으로 리셋되며, 출력 신호(OUT)도 리셋 레벨로 된다. 그리고, 리셋 신호(φR)가 'Low'로 된 후, 타이밍 T3에서 전송 신호(φTx)가 'High'로 되고, 포토 다이오드(PD)에 축적된 전하가 FD부에 전송되며, 출력 신호(OUT)가 전하량에 따라 변화하기 시작하여, 안정된다. 그리고, 전송 신호(φTx)가 'Low'로 되고, 화소로부터 수직 신호선(VLINE)으로 리드아웃되는 출력 신호(OUT)의 신호 레벨이 확정된다. 그리고, 수직 신호선(VLINE)으로 리드아웃된 각 화소의 출력 신호(OUT)는, 수평 출력 회로(152)에 행마다 일시적으로 유지된 후, 출력 신호 Vout로서 고체 촬상 소자(101)에서 출력된다. 이와 같이 하여, 제 1 촬상 소자(102)의 각 화소로부터 신호가 리드아웃된다.
도 6(b)는, 제 2 촬상 소자(103)의 동작 타이밍을 나타내는 도면으로서, 먼저 타이밍 T11에서 선택 신호 φSEL_A(또는 φSEL_B)가 'High'로 되고, 선택 트랜지스터 SEL_A(또는 SEL_B)가 온으로 된다. 다음으로 타이밍 T12에서 리셋 신호 φR_A(또는 φR_B)가 'High'로 되고, 출력 신호 OUT_A(또는 φOUT_B)도 리셋 레벨로 된다. 그리고, 타이밍 T13에서 리셋 신호 φR_A(또는 φR_B)가 'Low'로 된 직후로부터 유기 광전막에 의한 수광부(PC)의 전하 축적이 개시되고, 전하량에 따라 출력 신호 OUT_A(또는 OUT_B)가 변화한다. 그리고, 수평 출력 회로_A(162)(또는 수평 출력 회로_B(163))에 행마다 일시적으로 유지된 후, 출력 신호 Vout_A(또는 Vout_B)로서 고체 촬상 소자(101)에서 출력된다. 이와 같이 하여, 제 2 촬상 소자(103)의 각 화소로부터 신호가 리드아웃된다.
도 7(a)는, 고체 촬상 소자(101)의 반도체 레이아웃의 일례이다. 아울러, 도 7(a)는, 먼저 설명한 도 2 및 도 4의 각 화소 P(1, 1)에서 화소 P(2, 2)에 대응한다.
도 7(b)는, 도 7(a)의 화소 P(1, 1) 및 화소(2, 1)를 수평 방향으로 절단선 A-B로 절단했을 때의 단면도이다. 또한, 도 8(a)는, 도 7(b)를 확대한 도면이며, 도 8(b)는, 절단선 A-B의 화소 위치를 알기 쉽게 도시한 도면이다. 제 1 촬상 소자(102) 및 제 2 촬상 소자(103)의 동일한 위치의 화소 P(1, 1)는, 동일한 마이크로 렌즈 ML(1, 1)로부터 입사하는 피사체광을 수광한다. 여기서, 도 8(a)에 있어서, 배선층(301)은 3층 구조로 되어 있지만 2층 구조라도 좋고, 혹은, 4층 이상의 구조라도 좋다. 그리고, 제 2 촬상 소자(103)의 출력 신호는, 배선층(301)을 통하여 신호 출력단(302)으로부터 취출(取出)된다. 아울러, 신호 출력단(302)의 양측은 분리층(303, 304)이 배치되어 있다. 또한, 분리층(303, 304)을 사이에 두고 포토 다이오드 PD(1, 1) 및 PD(2, 1)가 배치되어 있다.
도 7(c)는, 도 7(a)의 화소 P(2, 1) 및 화소(2, 2)를 수직 방향으로 절단선 C-D로 절단했을 때의 단면도이다. 또한, 도 9(a)는, 도 7(c)를 확대한 도면이며, 도 9(b)는, 절단선 C-D의 화소 위치를 알기 쉽게 도시한 도면이다. 제 1 촬상 소자(102) 및 제 2 촬상 소자(103)의 동일한 위치의 화소 P(2, 1) 및 화소 P(2, 2)는, 동일한 마이크로 렌즈 ML(2, 1) 및 ML(2, 2)로부터 입사하는 피사체광을 각각 수광한다. 여기서, 도 9(b)가 도 8(b)와 다른 부분은, 제 2 촬상 소자(103)의 화소 P(2, 1)에 있어서 수광부 PC_A(2, 1)와 수광부 PC_B(2, 1)로 분할되고, 화소 P(2, 2)에 있어서 수광부 PC_A(2, 2)와 수광부 PC_B(2, 2)로 분할되는 것이다. 그리고, 수광부 PC_A(2, 1)와 수광부 PC_B(2, 1)는 페어로 되는 광학계의 동공(pupil) 위치의 상을 각각 수광하여, 위상차 AF 방식에 의한 초점 검출을 행할 수 있다. 마찬가지로, 수광부 PC_A(2, 2)와 수광부 PC_B(2, 2)는 페어로 되는 광학계의 동공 위치의 상을 각각 수광한다. 아울러, 위상차 AF 방식에 대해서는 주지의 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
여기서, 도 9(a)에 있어서, 도 8(a)의 배선층(301)은, 배선층 301A와 배선층 301B에 대응한다. 배선층 301A은 유기 광전막의 수광부 PC_A(2, 1)의 신호를 신호 출력단 305A에 출력하고, 배선층 301B은 유기 광전막의 수광부 PC_B(2, 1)의 신호를 신호 출력단 305B에 출력한다. 도 8(a)의 배선층(301)에서는, 배선층 301A와 배선층 301B가 겹쳐 있기 때문에 1개밖에 보이지 않는다. 마찬가지로, 화소 P(2, 2)의 유기 광전막의 수광부 PC_A(2, 2)의 신호는 신호 출력단 306A에 출력되고, 수광부 PC_B(2, 2)의 신호는 신호 출력단 306B에 출력된다. 그리고, 리드아웃 회로(307)에는, 출력 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 리셋 트랜지스터 등의 리드아웃 회로가 배치되고, 고체 촬상 소자(101)에서 외부로 각 화소의 신호가 출력된다.
도 10은, 도 7(a)의 화소 P(1, 1)의 레이아웃도를 확대한 도면이다. 도 10에 있어서, 포토 다이오드(PD)의 주변에 배치되는 회로는, 사선으로 나타낸 부분이 게이트 전극, 게이트 전극의 양측의 흰 부분이 n영역으로 구성되는 NMOS형의 트랜지스터를 나타내고 있다. 도 10에 있어서, 제 1 촬상 소자(102)의 포토 다이오드(PD)에 축적된 전하는, 전송 신호(φTx)가 전송 트랜지스터의 게이트 전극에 인가되면, FD부에 전송된다. FD부는 출력 트랜지스터(SF)의 게이트 전극에 접속되어서 전기 신호로 변환되고, 선택 신호(φSEL)가 선택 트랜지스터(SEL)의 게이트 전극에 인가되면, 수직 신호선(VLINE)으로 리드아웃된다. 아울러, 리셋 신호(φR)가 리셋 트랜지스터(R)의 게이트 전극에 인가되면, FD부의 전하를 전원 전압(Vcc)으로 리셋한다.
한편, 도 10에 있어서, 유기 광전막의 수광부 PC_A(1, 1)의 투명 전극에서 출력되는 전기 신호는, 출력 트랜지스터 SF_A의 게이트 전극에 접속되고, 선택 신호 φSEL_A가 선택 트랜지스터 SEL_A의 게이트 전극에 인가되면, 수직 신호선 VLINE_A로 리드아웃된다. 마찬가지로, 수광부 PC_B(1, 1)의 투명 전극에서 출력되는 전기 신호는, 출력 트랜지스터 SF_B의 게이트 전극에 접속되고, 선택 신호 φSEL_B가 선택 트랜지스터 SEL_B의 게이트 전극에 인가되면, 수직 신호선 VLINE_B로 리드아웃된다. 아울러, 리셋 신호 φR_A(또는 φR_B)가 리셋 트랜지스터 R_A(또는 R_B)의 게이트 전극에 인가되면, 수광부 PC_A(1, 1)(또는 PC_B(1, 1))의 신호 전압을 레퍼런스 전압(Vref)으로 리셋한다. 아울러, 유기 광전막은, 대향하는 투명 전극으로부터 입사 광량에 대응한 전기 신호를 취출하기 위한 고전압(Vpc)이 입사광측의 투명 전극에 인가된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 대한 고체 촬상 소자(101)는, 종래의 포토 다이오드에 의한 광전 변환을 행하는 제 1 촬상 소자(102)와, 유기 광전막에 의한 광전 변환을 행하는 제 2 촬상 소자(103)를 가지고, 제 1 촬상 소자(102)로부터 화상용 신호를 취득하고, 제 2 촬상 소자(103)로부터 위상차 AF 방식에 대응하는 초점 검출용 신호를 취득할 수 있다.
이에 의해, 고체 촬상 소자(101)는, 종래와 같이 화상용 화소의 일부에 초점 검출용 화소를 배치할 필요가 없고, 세로 줄무늬나 가로 줄무늬의 가짜 신호에 의한 화질의 열화나 고도의 화소 보간 처리가 불필요하게 된다. 또한, 화상용의 제 1 촬상 소자(102)와 초점 검출용의 제 2 촬상 소자(103)를 동일한 마이크로 렌즈의 입사광을 이용하도록 적층하여 배치하므로, 종래와 같이 입사광을 화상용 촬상 소자와 초점 검출용 촬상 소자로 분할하기 위한 복잡한 광학계가 불필요해진다. 특히, 본 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자(101)는, 제 1 촬상 소자(102)와 제 2 촬상 소자(103)의 2개의 촬상 소자를 이용하면서, 프리즘이나 미러 등의 광학 장치를 필요로 하지 않기 때문에, 카메라를 구성하는 경우의 광학계의 배치나 설계가 용이하다. 또한, 프리즘이나 미러 등을 이용하는 2판식 촬상 장치에서는, 2매의 촬상 소자까지의 광로 길이의 조정 등이 필수적이었지만, 본 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자(101)에서는 광로가 1개이기 때문에, 조정이 불필요하다.
또한, 제 2 촬상 소자(103)와 제 1 촬상 소자(102)는 서로 보색 관계에 있는 색 성분을 검출하고, 제 2 촬상 소자(103)의 유기 광전막을 제 1 촬상 소자(102)의 컬러 필터로서 겸용할 수 있어, 입사광을 낭비하지 않고 효율적으로 활용할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 대한 고체 촬상 소자(101)는, 고도의 화소 보간 처리나 복잡한 광학계를 이용하지 않고, 고속 동작이 가능한 위상차 AF 방식을 실현할 수 있다.
여기서, 본 실시 형태에서는, 제 2 촬상 소자(103)를 이용하여, 고속으로 포커스 위치를 찾아내는 것이 가능한 위상차 AF 방식을 실현하지만, 제 2 촬상 소자(103)를 이용하여, 콘트라스트 방식에 의해 포커스 위치를 찾아내도록 해도 좋다. 콘트라스트 방식은, 화상의 콘트라스트를 검출하면서 포커스 렌즈를 이동시켜, 가장 콘트라스트가 높은 포커스 렌즈의 위치를 포커스 위치로 하는 방식이다.
아울러, 콘트라스트 방식을 이용하는 경우, 콘트라스트는, 각 화소에 마련된 두 개의 수광부(예를 들면 도 11(a)의 PC_A(x, y) 및 PC_B(x, y))를 가산하여 산출되어도 좋고, 혹은, 제 2 촬상 소자(103)의 화소의 수광부를 분할하지 않고 하나의 수광부로 해도 좋다.
상기의 예에서는, 도 11(a)에 나타내는 바와 같이, 위상차 AF 방식에 대응하는 페어로 되는 수광부 PC_A(x, y) 및 PC_B(x, y)를 제 2 촬상 소자(103)의 각 화소 P(x, y)에 배치하도록 했다. 그리고, 각 화소의 두 개의 수광부는, 모두 초점 검출 신호로서 신호를 출력하는 것으로 설명했지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 각 화소의 두 개의 수광부는, 어느 한쪽의 수광부만으로부터 신호를 출력하도록 해도 좋다. 이 경우, 인접하는 화소의 리드아웃되는 수광부는, 두 개의 수광부 중 서로 다른 위치의 수광부이다. 이와 같이 하면, 신호의 리드아웃 구동은, 종래대로 행할 수 있다. 또한, 다른 방법으로서 도 11(b)에 나타내는 바와 같이, 수광부 PC_A(x, y) 또는 수광부 PC_B(x, y)를 어느 한쪽만을 1개의 화소 P(x, y)에 배치하도록 해도 좋다. 즉, 도 11(b)에서는, 좌측에 수광부 PC_A(1, 1)를 배치한 화소 P(1, 1)와, 우측에 수광부 PC_B(2, 1)를 배치한 화소 P(2, 1)를 페어로 하는 위상차 방식에 의한 AF 제어를 행할 수 있다.
혹은, 도 11(c)에 나타내는 바와 같이, 동공 분할 방향이 세로 방향, 가로 방향, 경사 방향 등 여러가지 방향의 초점 검출용 화소가 혼재하도록 해도 좋다. 어느 경우라도, 본 실시 형태에 대한 고체 촬상 소자(101)는, 화상용 신호를 제 1 촬상 소자(102)에서 촬상하고, 초점 검출용 신호를 제 2 촬상 소자(103)에서 취득하므로, 촬영 화상의 화질에 영향을 주지 않고, 촬영 화면 내의 어느 위치에서도 고속의 위상차 AF에 의한 포커스 검출을 행할 수 있다.
여기서, 제 2 촬상 소자(103)는, 도 2에서 설명한 바와 같이, Mg, Ye 및 Cy의 3색에 대응하는 화소가 혼재하고 있으므로, 다른 색 성분의 화소로부터 얻어지는 초점 검출용 신호가 다른 경우를 생각할 수 있다. 여기서, 초점 검출을 행할 때, 동일한 색 성분의 화소에서 얻어지는 초점 검출용 신호를 이용하여 위상차 AF 방식에 의한 포커스 검출을 행하도록 해도 좋다. 예를 들면 도 2(a)의 경우는, 화소수가 많은 Mg의 화소(홀수행의 경우는 홀수열의 화소, 짝수행의 경우는 짝수열의 화소)에서 얻어지는 초점 검출용 신호만을 이용한다. 혹은, Mg, Ye 및 Cy의 3색에 대응하는 화소간의 오차(감도나 기준 레벨(DC 옵셋) 등의 화소간의 편차)를 미리 측정해 두고, 위상차 AF 처리를 행할 때에 오차 보정을 행하도록 해도 좋다.
또한, 제 2 촬상 소자(103)의 출력 신호를 초점 검출용뿐만이 아니라, 화이트 밸런스 제어에 이용하도록 해도 좋다.
(변형예 1)
도 12는, 도 2에서 설명한 화소의 색 배열의 변형예 1을 나타내는 도면이다. 도 2의 예에서는, 제 2 촬상 소자(103)의 유기 광전막을 Mg, Ye 및 Cy의 3색에 대응하도록 하고, 제 1 촬상 소자(102)에서 R, G 및 B의 3색의 화상 신호를 검출할 수 있도록 했지만, 도 12에 나타내는 바와 같이, 제 2 촬상 소자(103)의 유기 광전막을 R, G 및 B의 3색에 대응하도록 하고, 제 1 촬상 소자(102)에서 Mg, Ye 및 Cy의 3색의 화상 신호를 검출할 수 있도록 해도 좋다. 아울러, 이 경우에서도, 제 1 촬상 소자(102)와 제 2 촬상 소자(103)가 광전 변환하는 색 성분은 서로 보색 관계로 되어 있다.
(변형예 2)
도 13은, 도 2에서 설명한 화소의 색 배열의 변형예 2를 나타내는 도면이다. 도 2의 예에서는, 제 2 촬상 소자(103)의 각 화소에 위상차 AF 방식으로 대응하는 페어가 되는 수광부를 배치했지만, 도 13의 변형예에서는, 제 2 촬상 소자(103)의 화소의 일부에 위상차 AF 방식으로 대응하는 페어가 되는 수광부를 배치하고 있다. 이에 의해, 고체 촬상 소자(101)의 회로 규모를 작게 할 수 있다.
(전자 카메라의 예)
다음으로, 고체 촬상 소자(101)를 탑재하는 전자 카메라(201)의 일례를 도 14에 나타낸다. 도 14에 있어서, 전자 카메라(101)는, 광학계(202)와, 고체 촬상 소자(101)와, 화상 버퍼(203)와, 화상 처리부(204)와, 제어부(205)와, 표시부(206)와, 메모리(207)와, 조작부(208)와, 메모리 카드 인터페이스(IF)(209)로 구성된다.
광학계(202)는, 고체 촬상 소자(101)에 피사체상을 결상(結像)한다. 고체 촬상 소자(101)는, 먼저 설명한 바와 같이, 제 1 촬상 소자(102)와 제 2 촬상 소자(103)를 가지고, 제 1 촬상 소자(102)에서 촬영되는 화상용 신호는, 화상 버퍼(203)에 취입되고, 제 2 촬상 소자(103)에서 취득되는 초점 검출용 신호는, 제어부(205)에 입력된다. 제어부(205)는, 조작부(208)에 의한 유저의 조작에 따라 전자 카메라(201) 전체의 제어를 행한다. 예를 들면 조작부(208)의 릴리스 버튼이 반 눌림되면, 제어부(205)는, 제 2 촬상 소자(103)로부터 취득한 초점 검출 신호에 의해 위상차 AF 방식에 의한 포커스 검출을 행하여 광학계(202)의 포커스 위치를 제어한다. 그리고, 유저가 조작부(208)의 릴리스 버튼을 완전히 누르면, 제어부(205)는, 포커스 제어 후에 제 1 촬상 소자(102)에 의해 촬영되어 화상을 화상 버퍼(203)에 취입한다. 또한, 화상 버퍼(203)에 취입된 화상은, 화상 처리부(204)에 의해 화이트 밸런스 처리, 색보간(色補間) 처리, 윤곽 강조 처리, 감마 보정 처리 등이 실시되고, 표시부(206)에 표시되거나, 메모리 카드 인터페이스(209)를 통하여 메모리 카드(209a)에 보존된다.
아울러, 콘트라스트 방식을 이용하는 경우는, 제 2 촬상 소자(103)는, 제 1 촬상 소자(102)와 동일하게 화상용 신호를 출력한다. 그리고, 제어부(205)는, 제 2 촬상 소자(103)가 출력하는 화상용 신호의 콘트라스트를 검출하면서, 광학계(202)의 포커스 렌즈를 이동시켜, 가장 콘트라스트가 높은 포커스 렌즈의 위치를 구하고, 이 위치를 포커스 위치로 한다.
이와 같이, 본 실시 형태에 대한 고체 촬상 소자(101)를 전자 카메라(201)에 탑재함에 의해, 화상 처리부(204)에서 고도한 화소 보간 처리를 행하거나, 광학계(202)를, 입사광을 분할하는 등의 복잡한 구성으로 할 필요없이, 고속 동작이 가능한 위상차 AF 방식을 실현할 수 있다.
아울러, 본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 대해서, 각 실시 형태에서 예를 들어 설명했지만, 그 정신 또는 그 주요한 특징으로부터 일탈됨 없이 다른 다양한 형태로 실시할 수 있다. 이 때문에, 상술한 실시 형태는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않고, 한정적으로 해석해서는 안된다. 본 발명은, 특허청구범위에 의해서 나타나는 것으로서, 본 발명은 명세서 본문에는 어떤 구속도 되지 않는다. 또한, 특허청구범위의 균등 범위에 속하는 변형이나 변경은, 모두 본 발명의 범위 내이다.
101: 고체 촬상 소자; 102: 제 1 촬상 소자;
103: 제 2 촬상 소자; 151, 161: 수직 주사 회로;
152: 수평 출력 회로; 162: 수평 출력 회로_A;
163: 수평 출력 회로_B; 201: 전자 카메라;
202: 광학계; 203: 화상 버퍼;
204: 화상 처리부; 205: 제어부;
206: 표시부; 207: 메모리;
208: 조작부; 209: 메모리 카드 인터페이스;
209a: 메모리 카드; P: 화소;
PC_A, PC_B: 수광부; PD: 포토 다이오드;
PW, PW_A, PW_B: 전류원;
SEL, SEL_A, SEL_B: 선택 트랜지스터;
SF, SF_A, SF_B: 출력 트랜지스터;
R, R_A, R_B: 리셋 트랜지스터;
Tx: 전송 트랜지스터;
φSEL, φSEL_A, φSEL_B: 선택 신호;
φR, φR_A, φR_B: 리셋 신호;
φTx: 전송 신호;
ML: 마이크로 렌즈;
VLINE: 수직 신호선

Claims (9)

  1. 특정 광을 투과하는 유기 광전막으로 구성되는 제 2 촬상 소자와,
    상기 제 2 촬상 소자와 동일한 반도체 기판 상에 적층 배치되고, 상기 제 2 촬상 소자를 투과한 특정 광을 수광하는 제 1 촬상 소자를 가지며,
    상기 제 2 촬상 소자 또는 상기 제 1 촬상 소자에 초점 검출용 화소를 마련한 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 촬상 소자는, 상기 제 1 촬상 소자의 컬러 필터로서 특정의 색 배열로 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 촬상 소자에서 광전 변환되는 화상 신호의 색 성분과, 상기 제 1 촬상 소자에서 광전 변환되는 화상 신호의 색 성분은 보색 관계에 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 촬상 소자의 수광면과, 상기 제 1 촬상 소자의 수광면은, 동일 광로 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초점 검출용 화소는, 상기 제 2 촬상 소자 또는 상기 제 1 촬상 소자의 전체 화소에 균등하게 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초점 검출용 화소는, 각 화소에 입사하는 광을 동공 분할(pupil division)한 적어도 한쪽의 광속(luminous flux)을 수광하는 광전 변환부를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 고체 촬상 장치를 탑재하는 전자 카메라에 있어서,
    입사하는 피사체광을 동일 광로 상에 배치된 상기 제 2 촬상 소자 및 상기 제 1 촬상 소자에 투영하는 광학계와,
    상기 제 2 촬상 소자에서 출력되는 초점 검출 신호에 의해 상기 광학계의 초점 제어를 행하고, 상기 제 1 촬상 소자에서 출력되는 화상 신호에 의해 피사체 화상을 취득하는 촬상부와,
    상기 피사체 화상을 기억 매체에 기록하는 기록부를 마련한 것을 특징으로 하는 전자 카메라.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 촬상 소자의 상이한 색 성분의 화소에서 출력되는 초점 검출 신호의 오차 보정을 행하는 것을 특징으로 하는 전자 카메라.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 촬상부는, 상기 초점 검출용 화소에 입사하는 광을 동공 분할한 상에 대응하는 초점 검출 신호를 상기 초점 검출용 화소로부터 입력하여, 위상차 방식에 의한 초점 검출을 행하는 것을 특징으로 하는 전자 카메라.
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