JP2004264451A - 測光測距用固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）内蔵のマイコンに適したスポット測光機能を搭載し、測光精度と動作速度を向上させ、チップサイズが小さく、かつ、低コストのスポット測光機能を搭載した測距用固体撮像装置を実現する。
【解決手段】測光測距用固体撮像装置は、測距を行うためのフォトダイオード列とこれに蓄積された電荷量に応じたＡＦ信号をマルチプレクサ（ＭＰＸ）１０４を介してマイコン１０９のＡＤコンバータ１１２に出力する駆動回路、検出回路、シフトレジスタを有するＡＦ回路ブロック１０１と、測光を行うためのフォトダイオードを含みこれで光電変換されたＡＥ信号をＭＰＸ１０４を介してマイコン１０９のＡＤＣ１１２に出力するＡＥ回路ブロック１０２とが同一半導体基板１００上に形成され、ＡＦ回路ブロック１０１のモニタ信号（最大値信号）をスポットＡＥ信号としてＭＰＸ１０４を介してマイコン１０９のＡＤＣ１１２に出力する。
【選択図】 図１
【解決手段】測光測距用固体撮像装置は、測距を行うためのフォトダイオード列とこれに蓄積された電荷量に応じたＡＦ信号をマルチプレクサ（ＭＰＸ）１０４を介してマイコン１０９のＡＤコンバータ１１２に出力する駆動回路、検出回路、シフトレジスタを有するＡＦ回路ブロック１０１と、測光を行うためのフォトダイオードを含みこれで光電変換されたＡＥ信号をＭＰＸ１０４を介してマイコン１０９のＡＤＣ１１２に出力するＡＥ回路ブロック１０２とが同一半導体基板１００上に形成され、ＡＦ回路ブロック１０１のモニタ信号（最大値信号）をスポットＡＥ信号としてＭＰＸ１０４を介してマイコン１０９のＡＤＣ１１２に出力する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測光測距用固体撮像装置に係り、とくに測光機能を有したオートフォーカス用固体撮像装置において、コンパクトカメラに用いられる外測方式のオートフォーカスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、測光機能（ＡＥ：Ａｕｔｏ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）を搭載した測距（ＡＦ：Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ）センサとして、撮像装置用自動測光装置（例えば、特許文献１参照）が知られている。この装置の回路構成図を図１４に示す。
【０００３】
図１４において、３０はＡＥ回路、３１は基準部ＣＣＤ、３２は参照部ＣＣＤ、３３は光電変換回路、３４は積分時間制御回路、３５と３６は比較回路、３７はＡＦカウンタ回路、３８はＡＥカウンタ回路、４２と４３は出力選択回路、４４と４５はアンプ、４６は相関演算回路、４７はＡＤコンバータ、４８は主制御回路、４９はマイコンである。
【０００４】
この装置において、１つの半導体チップ上に所定距離を隔てて配置され、ＡＦを行うのに適した一対のリニアセンサ（基準部ＣＣＤ３１、参照部ＣＣＤ３２）と、該一対のリニアセンサに蓄積された電荷量を検出し、光入射による電荷蓄積を制御するための積分制御信号を発生するための積分時間制御手段（積分時間制御回路３４）と、積分制御手段から入射光の強度を算出する第１の露出量検出手段（ＡＦカウンタ回路３７、主制御回路４８、マイコン４９）と、同じ半導体チップ上に配置された光電変換素子を含み、入射光量検出を行うための第２の露出量検出手段（光電変換回路３３、比較回路３６、ＡＥカウンタ回路３８、主制御回路４８、マイコン４９）を用いて露出量を決定することを特徴としている。
【０００５】
上記装置によれば、一対のリニアセンサ（基準部ＣＣＤ３１、参照部ＣＣＤ３２）でＡＦを行うと共に、主要被写体に対する露出データを得、同一半導体チップに形成された光電変換素子（光電変換回路３３）を用いて背景を含む視野全体に対する露出データを得ることができる。その両露出データを用いることにより、きめの細かい露出情報が得られる。例えば、主要被写体に対する露出データと、視野全体に対する露出データを合わせて用いることにより、日中シンクロやスローシンクロを可能とすると共に、逆光時の主要被写体に対しても適正な露出量を選択可能となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−１５８１０７号公報
【特許文献２】
特開２０００−１８０７０６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
最近、マイコンの高性能化、多機能化、低価格化により、ＡＤコンバータ内蔵のマイコンがコンパクトカメラにおいても主流となっている。そのため、ＡＦセンサとＡＥセンサにオンチップされたＡＤコンバータがあると、チップサイズが小型にできない、コストが下げられない等の不具合が発生する。
【０００８】
しかしながら上記従来例は、以前のＡＤコンバータが内蔵されていないマイコンに適した測光測距用センサであり、最近のＡＤコンバータ内蔵のマイコンには適さなくなっている。また、カウンタ回路３７、３８や相関演算回路４６も必要とするため、チップサイズを縮小できないという大きな欠点も有していた。
【０００９】
さらに上記従来例では、積分時間制御手段からの積分制御信号を用いるため、被写体の輝度により露出制御時間が異なることになる。そのため、光量が非常に微弱な場合には、積分制御手段のコンパレータが反転するのに時間がかかってしまうため、露出が決まるまでの時間が非常に長くなってしまう欠点を有していた。これはカメラのレスポンスを著しく悪化させるため、結果としては撮影者にとって非常に使い勝手の悪いカメラになってしまっていた。
【００１０】
その他にも、測距用のリニアセンサとしてＣＣＤを用いているため、ＣＭＯＳディジタル回路との整合性が良くないため、製造プロセスが複雑となり、製造コストが高くなるという欠点も有していた。
【００１１】
本発明は、以上の問題を考慮してなされたもので、ＡＤコンバータ内蔵のマイコンに適したスポット測光機能を搭載した測距用固体撮像装置を実現することを第１の目的とする。
【００１２】
また本発明は、測光測距用固体撮像装置における測光精度と動作速度を向上させることを第２の目的とする。
【００１３】
さらに本発明は、チップサイズが小さく、かつ、低コストのスポット測光機能を搭載した測距用固体撮像装置を実現することを第３の目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る測光測距用固体撮像装置は、測距を行うための測距用光電変換素子列と、前記測距用光電変換素子列に蓄積された電荷量に応じた電圧信号を出力する電圧モニタ手段と、測光を行うための測光用光電変換素子を含み且つ該測光用光電変換素子にて光電変換された信号を第１の露出量検出用信号として出力する第１の露出量検出手段とが同一半導体基板上に形成されており、前記測距用光電変換素子列のモニタ信号を第２の露出量検出用信号として出力する第２の露出量検出手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、前記測距用光電変換素子列、前記電圧モニタ手段、および前記第２の露出量検出手段は、測距のためのＡＦセンサに搭載され、前記測光用光電変換素子及び前記第１の露出量検出手段は、撮影領域のほぼ全域の測光を行うためのＡＥセンサ（以下、必要に応じ「ワイドＡＥセンサ」と呼ぶ）に搭載される。この場合、前記第２の露出量検出用信号は、ＡＦセンサのＡＧＣ（オートゲインコントロール）出力を兼用するスポットＡＥ信号（主要被写体に対する露出量検出用信号）であり、前記第１の露出量検出用信号は、ワイドＡＥセンサのワイドＡＥ信号（主要被写体を含む視野全体に対する露出量検出用信号）であることが好適である。この構成においては、例えば以下の態様が可能である。
【００１６】
第１の態様は、測距のためのＡＦセンサと、撮影領域のほぼ全域の測光を行うための専用のワイドＡＥセンサとを同一の半導体基板上に設け、ＡＦセンサの蓄積期間中におけるフォトダイオードの電圧モニタ信号をスポット測光用のＡＥ信号として、マイコンのＡＤコンバータへの出力を可能とすることを特徴とする。これによれば、ＡＤコンバータ内蔵のマイコンに適したスポット測光が行える測光測距用固体撮像装置が実現できる。また、従来において一般的であった専用のスポット測光センサを別チップで必要としないため、システムとしての小型化と低消費電力化も実現できる。
【００１７】
第２の態様は、非破壊読み出しが可能である増幅型光電変換素子をＡＦセンサとして用いることにより、リアルタイムＡＧＣとスポットＡＥが同時に行えることが可能なことを特徴とする。これによれば、蓄積時間制御とスポットＡＥ出力動作が同時に行えるため、高速駆動に対応した測光測距用固体撮像装置が可能となる。
【００１８】
第３の態様は、ワイド測光用のＡＥセンサとスポット測光を行うためのＡＦセンサの分光感度特性が同じであることを特徴とする。ここで「同じ」というのは、ＡＥセンサからの露出値とＡＦセンサからの露出値の差が、０．３ＥＶ（Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｖａｌｕｅ：露出指標）以内となることを意味する。これによれば、スポット測光とワイド測光の色温度依存性を低減できるため、露出精度の向上が可能となる。
【００１９】
第４の態様は、全体測光用のＡＥセンサは光電流の対数圧縮出力、スポット測光用のＡＧＣ信号は線形出力であることを特徴とする。これによれば、光電流の対数圧縮によるダイナミックレンジの拡大により、測光範囲を拡大した測光測距用固体撮像装置が可能となる。
【００２０】
第５の態様は、ＣＭＯＳプロセスで製造可能なＡＦセンサとＡＥセンサであることを特徴とする。これによれば、ＣＭＯＳプロセスによるマスク枚数の削減と製造工程の簡略化により、低コストの測光測距用固体撮像装置が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る測光測距用固体撮像装置の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、本実施形態の測光測距用固体撮像装置の概略回路ブロック図で、本発明の特徴を最もよく表す図面である。また図２は、本装置を成す後述のＡＦセンサブロック、ＡＥセンサブロック、アナログ系回路、及びディジタルブロックの各配置を説明する概略平面レイアウト図である。
【００２３】
図１及び図２において、１００はＳｉ半導体基板、１０１は半導体基板１００上に形成されるＡＦセンサブロック（本発明の測距用光電変換素子列、電圧モニタ手段、および第２の露出量検出手段の要部を成す）、１０２は同一半導体基板１００上に形成されるＡＥセンサブロック（本発明の測光用光電変換素子を含む第１の露出量検出手段の要部を成す）である。
【００２４】
また、１０４はマルチプレクサ（ＭＰＸ）、１０７はロジック回路であり、両者が半導体基板１００上に形成されるディジタルブロックを成す。さらに、１０３は温度計回路、１０５はオートゲインコントロール（ＡＧＣ）回路、１０６は電源回路、１０８は信号増幅回路であり、これら各回路が半導体基板１００上に形成されるアナログ系回路を成す。
【００２５】
また、１０９はＡＤコンバータ（ＡＤＣ）内蔵のマイコン（１１２はＡＤＣ）で、Ｓｉ半導体基板１００上のロジック回路１０７との間で各種制御信号等のディジタル信号を双方向にやり取りすると共に、Ｓｉ半導体基板１００上のＭＰＸ１０４を介して送られてくる後述のＡＦ信号、ＡＥ信号（本発明の第１の露出量検出用信号に相当するワイドＡＥ信号：主要被写体を含む視野全体に対する露出量検出用信号）、最大値信号（本発明の第２の露出量用検出信号（本例のスポットＡＥ信号：主要被写体に対するスポット露出量検出用信号）として用いる電圧モニタ信号）等のアナログ信号をＡＤＣ１１２にてデジタル信号に変換して入力可能となっている。
【００２６】
以下、ＡＦセンサブロック１０１（以下、必要に応じて「ＡＦセンサ」と呼ぶ）、ＡＥセンサブロック１０２（以下、必要に応じて「ＡＥセンサ」又は「ワイドＡＥセンサ」と呼ぶ）、アナログ系回路、ディジタルブロックの順にその内部構成を説明する。
（ＡＦセンサブロック）
ＡＦセンサブロック１０１には、三角測距による外測式のオートフォーカスを行うために、図１に示すように、位相差検出型ＡＦセンサ回路１１０を成すリニアセンサ回路のペア、すなわち一対の基準部ＡＦ回路１１０Ａと参照部ＡＦ回路１１０Ｂとが半導体基板１００上で所定の距離隔てて配置される。一対の基準部ＡＦ回路１１０Ａと参照部ＡＦ回路１１０Ｂには、本発明の測距用光電変換子列を成すフォトダイオードと、本発明の電圧モニタ手段及び第２の露出量検出手段を兼用する駆動回路、検出回路、及びシフトレジスタとが含まれる。図１及び図２の例では、このリニアセンサ回路のペアは、それぞれ３列配置されている（図２の例では、基準部ＡＦ回路の列１Ａ、２Ａ、３Ａ（図中の左側）と、参照部ＡＦ回路の列１Ｂ、２Ｂ、２Ｃ（図中の右側）とがそれぞれペアを成す）。
【００２７】
各リニアセンサ回路（基準部ＡＦ回路１１０Ａ、参照部ＡＦ回路１１０Ｂ）のフォトダイオード上には、ＡＦ用結像レンズ（後述の図１３参照）が設けられ、被写体像は、それぞれのＡＦ用結像レンズを介して各リニアセンサ回路のフォトダイオード上に結像される。その各リニアセンサ回路のフォトダイオード上の結像位置と結像レンズの焦点距離と結像レンズの間隔（基線長）により被写体までの距離が算出される。
【００２８】
図３は、上記リニアセンサ回路１１０Ａ、１１０Ｂの一例を示す。本例は、以前に本出願人により提案したＣＭＯＳリニア型のＡＦセンサ（例えば、特許文献２等参照）の回路を適用したものである。
【００２９】
図３において、１は光電変換を行うｐｎ接合フォトダイオード、２はそのフォトダイオード１の電位を基準電位（ＶＲＥＳ）にリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタ（φＲＥＳはリセット用制御信号）、３は差動増幅器（センサアンプ）であり、１〜３によって増幅型光電変換素子を構成する。この増幅型光電変換素子の差動増幅器３の出力側には、最小値検出回路と最大値検出回路が並列に接続される。
【００３０】
上記最小値検出回路と最大値検出回路において、４はクランプ容量、５はクランプ電位（ＶＧＲ）を入力するためのＭＯＳスイッチ（φＧＲはオンオフ制御信号）であり、４と５でクランプ回路（フィードバック型のノイズ除去回路）を構成している。また、６〜９はスイッチ用ＭＯＳトランジスタ（φＧＲ、φＳ１、φＮ１、φＮ２、φＳ２はオンオフ制御信号）、１０は最小値検出用差動増幅器、１１は最大値検出用差動増幅器であり、それぞれの差動増幅器１０、１１は電圧フォロワ回路を構成している。１２は最小値出力用ＭＯＳスイッチ（φＢＴＭはオンオフ制御信号）、１３は最大値出力用ＭＯＳスイッチ（φＰＥＡＫはオンオフ制御信号）である。上記１〜１３で構成されるＡＦセンサユニットがフォトダイオード１毎に複数配置される。
【００３１】
また、１４はＯＲ回路、１５は走査回路、１６、１７は定電流用ＭＯＳトランジスタ（φＲＥＦ１、φＲＥＦ２はオンオフ制御信号）である。最小値検出回路用には、最終段がＮＭＯＳのソースフォロワ回路、最大値検出回路用には、最終段がＰＭＯＳのソースフォロワ回路となっている。１８は画素からの信号が出力される共通出力線である。
【００３２】
本回路構成において、最大値検出回路と最小値検出回路の前段にフィードバック型のノイズクランプ回路（ノイズ除去回路）を設けることにより、フォトダイオードで発生するリセットノイズと、センサアンプ、最大値検出回路、最小値検出回路で発生するＦＰＮ（Ｆｉｘｅｄ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｎｏｉｓｅ）の除去が可能となっている。
【００３３】
また、最終出力段がソースフォロワ形式である電圧フォロワ回路を画素毎に構成し、最小値出力時には、各電圧フォロワ回路の出力段の定電流源をオフにして、定電流源に接続された出力線に共通接続することにより、映像信号の最大値を得ることができる。さらに、映像信号出力時には、各電圧フォロワ回路の出力段の定電流源をオンにして、各電圧フォロワ回路を順次、出力線に接続させることにより、シリアルな映像信号を得ることができる。この動作により、最大値検出回路と信号出力回路が兼用となるため、チップの小型化が可能となる。
【００３４】
上記最大値検出回路で兼用される信号出力回路にて得られたＡＦ信号は、信号増幅回路１０８にて増幅され、ＭＰＸ１０４を介してマイコン１０９のＡＤＣ１１２に出力される。また最大値検出回路で検出された最大値信号は、ＡＧＣ用の電圧モニタ信号として、ＡＧＣ回路１０５に出力されると共に、測光時のスポットＡＥ信号として、ＭＰＸ１０４を介してマイコン１０９のＡＤＣ１１２に出力される。
（ＡＥ回路ブロック）
ＡＥ回路ブロック１０２は、図１に示すように、ＡＥ回路１２１（本発明の測光用光電変換素子を成すＰＮ接合フォトダイオードと、本発明の第１の露出量検出手段の要部を成す対数圧縮型電流電圧変換回路）、ＩＳ補償回路１２２、及び信号増幅回路１２３から成る。このうち、図４にＡＥ回路１２２におけるをＰＮ接合フォトダイオードと対数圧縮型電流電圧変換回路を示す回路図を示す。
【００３５】
図４において、２０はＣＭＯＳ差動増幅器、２１はＰＮ接合フォトダイオード（ＰＤ）、２２はＰＮ接合ダイオード、２３は出力用ＭＯＳスイッチ（φＨＡＥはオンオフ用制御信号）である。図４に示すように、ＰＮ接合フォトダイオード２１両端の電位は基準電位（Ｖｃ）になるため、両端間の電位はゼロバイアス状態となる。従って、空乏層の広がりが抑えられるため、空乏層からの暗電流の発生が抑えられる。フォトダイオード２１で発生した光電流がＰＮ接合ダイオード２２を流れることにより、電流電圧変換される。このとき、ダイオードの電流電圧特性により、次式に従う対数変換出力（Ｖｏｕｔ）が行われる。
【００３６】
【数１】
ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは素電荷量、ＩＰは光電流、ＩＳはダイオードの逆方向飽和電流である。この式により、ＩＳがばらつくとＡＥ特性もばらつくことが理解できる。従って、ＡＥ特性のばらつきを抑えるためには、ＩＳ補償回路１２２が必須となる。
【００３７】
上記ＡＥ回路１２１の出力（Ｖｏｕｔ）は、出力用ＭＯＳスイッチ２３を介して所定タイミングで出力され、ＩＳ補償回路１２２にてそのＩＳが補償され、信号増幅回路１２３にて増幅され、ＡＥ信号（ワイドＡＥ信号）として、ＭＰＸ１０４を介して外部のマイコン１０９のＡＤＣ１１２に送られる。
（アナログ系回路）
アナログ系回路は、ＡＦ回路ブロック１０１のＡＦセンサ回路１１０（基準部ＡＦ回路１１０Ａ、参照部ＡＦ回路１１０Ｂ）の蓄積時間を制御するためのオートゲインコントロール（ＡＧＣ）回路１０５と、基準電位を発生するためのバンドギャップ回路、センサ回路に必要な中間電位（基準電位ＶＲＥＳ、Ｖｃ、クランプ電位ＶＧＲ等）を発生するための電源回路１０６と、ＡＦ回路ブロック１０１からのＡＦ信号を増幅して外部に出力するための信号増幅回路１０８と、半導体基板１００の温度を監視するための温度計回路１０３とから成る。
【００３８】
ここで、図５（ａ）にＡＧＣ回路１０５の回路図、図５（ｂ）にその動作説明図をそれぞれ示す。図５（ａ）において、２５はバッファアンプ、２６はコンパレータである。
【００３９】
ＡＧＣ回路１０５の動作を説明する。まず、前述したようにＡＦセンサ回路１１０のフォトダイオードに光が照射されると、フォトダイオードに電子が蓄積される。従って、ＡＧＣ回路１０５のバッファアンプ２５に入力される信号として、出力電圧が小さい方がＰＥＡＫ信号（モニタ信号）となる。このＰＥＡＫ信号が時間経過に従いコンパレータ２６のコンパレート電位（ＶＲＥＦ）より小さくなると、図５（ｂ）に示すように、ロジック回路１０７へのコンパレータ出力である蓄積判定信号が論理ＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに反転し、この時点でＡＦセンサ回路１１０の蓄積動作が終了する。この一連の蓄積動作に関する制御は、ロジック回路１０７からＡＦセンサ回路１１０へ出力される蓄積制御パルス（φＣＨ）により行われる。
（ディジタルブロック）
ディジタルブロックは、ＡＦ回路ブロック１０２（ＡＦセンサ回路１１０）、ＡＥ回路ブロック１０２、デジタルブロック、アナログ系回路を所定タイミングで駆動するための駆動パルス（図１中のシフトレジスタ駆動パルスφＨｓ、φＨ、蓄積制御パルスφＣＨ等）を発生するタイミング発生回路（Ｔ／Ｇ）と、外部マイコン１０９との通信を行うための通信回路（Ｉ／Ｏ）とからなるロジック回路１０７と、各信号を選択してマイコン１０９に内蔵されたＡＤコンバータ１１２へ出力するためのマルチプレクサ（ＭＰＸ）１０４とから成る。
【００４０】
上記構成によれば、ロジック回路１０７からの制御信号に基づいて、ＭＰＸ１０４により、複数のアナログ信号、すなわちＡＦ回路ブロック１０２からのＡＧＣ用の電圧モニタ信号であるスポット測光（ＡＥ）信号（最大値信号）、ＡＥ回路ブロック１０２からの全体測光信号（ワイドＡＥ信号）、ＡＦ回路ブロック１０２からのＡＦ信号、温度計回路１０３からの温度信号を一線出力で読み出すことが可能となる。
【００４１】
次に、図６の動作フローチャートを用いて、本実施形態の測光測距用固体撮像装置の動作を説明する。本動作は、マイコン１０９からの動作制御に関する制御信号（ディジタル信号）に基づいて、ロジック回路１０７の処理により制御される。
【００４２】
図６において、電源を投入して各回路の初期化を行った後（ステップＳｔ１、Ｓｔ２）、ＡＦセンサ（ＡＦ回路ブロック１０１）による光電荷の蓄積を開始する（ステップＳｔ３）。このＡＦセンサによる光電荷の蓄積開始と同時にワイドＡＥセンサ（ＡＥ回路ブロック１０２）の動作（ワイドＡＥ信号読み出し）を開始する（ステップＳｔ４）。
【００４３】
ＡＦセンサの蓄積期間中は、そのフォトダイオードの最大電位をリアルタイムでモニタする。所定の蓄積時間が経過後、各ＡＦセンサのＡＧＣ用のモニタ信号である最大値信号をスポットＡＥ信号として、ＭＰＸ１０４により順次、マイコン１０９のＡＤコンバータ１１２へ出力させる（ステップＳｔ５）。ここで、所定の蓄積時間とは、高輝度（ＥＶ１８程度）の明るさでＡＦセンサが飽和しない値で設定されていることが望ましい。
【００４４】
上記スポットＡＥ信号の読み出し後も、ＡＦセンサ回路１１０によるリアルタイムモニタリングは継続される。これは、本実施形態において非破壊読み出しが可能であるＣＭＯＳ型増幅センサをＡＦセンサに用いたことにより可能となったものである。蓄積動作は、先に説明したＡＦセンサ回路１１０の最大値モニタ信号がＡＧＣ回路１０５のリファレンス電位を越す（図５のコンパレータ２６からのコンパレート信号（蓄積判定信号）が反転する。）までか、システムで設定された最大蓄積時間に到達するまで続けられる（ステップＳｔ６、Ｓｔ７）。
【００４５】
そして、蓄積動作終了後、従来と同様にＡＦ信号の読み出しを行う（ステップＳｔ８、９）。ＡＦセンサの読み出しが終了した後は、消費電力低減のためにＡＦセンサのバイアスを切断して回路を非動作状態にすることが好ましい。
【００４６】
その後、ＡＥ回路ブロック１０２（ワイドＡＥセンサ）からの対数圧縮信号（ワイドＡＥ信号）の出力を行う。そして最後にＡＦセンサ信号の暗電流ばらつき補正とＡＥセンサ信号のゲイン補正のための温度信号出力を行う（ステップＳｔ１０）。
【００４７】
以上の測光、測距、温度検出の一連の動作（ステップＳｔ１〜Ｓｔ１０）を行った後、電源をオフにしてセンサ動作を終了させる（ステップＳｔ１１）。ここで温度信号は必ずしも毎回読み出す必要がないため、任意のタイミングで読み出してもよい。また、温度信号はＡＦ信号の出力の前に読み出しても良い。
【００４８】
本実施形態の回路形式と動作シーケンスにより、多分割ＡＥセンサを必要とせずに、スポット測光とワイド測光を行うことが可能となった。すなわち、本実施形態によれば、ＣＭＯＳ型ＡＦセンサの非破壊読み出しを利用したＡＧＣ動作を行い、そのＡＧＣ出力をスポットＡＥ信号として兼用すると共に、ワイド測光用の対数圧縮ＡＥセンサを同一基板上に設け、そのワイドＡＥ信号とスポットＡＥ信号との比較で逆光探知を行うため、多分割ＡＥを必要とせずに逆光検知可能なＡＥ搭載ＡＦセンサを実現することが可能になった。
【００４９】
また、ＡＦセンサのＡＧＣ用のモニタ信号をスポットＡＥ信号として兼用することにより、従来例において問題となった回路規模の増大と動作速度の低下を防ぐことが可能となった。すなわち、上記効果に加え、レスポンスが良く、高ダイナミックレンジである測光機能も同時に実現させることが可能となった。
【００５０】
図７に本実施形態における測光測距用固体撮像装置の概略的な断面構造図を示す。図７において、７１はＮ型Ｓｉ基板、７２はＮ−型エピタキシャル（Ｅｐｉ）層、７３はＰＷＬ（Ｐウェル）、７４はＮＷＬ（Ｎウェル）、７５はＮ＋型不純物層（Ｎ＋拡散層）であり、ＰＷＬ７３とＮ＋型不純物層７５でＰＮ接合フォトダイオードを形成する。
【００５１】
また、７６はゲート酸化膜、７７は素子分離領域である厚い酸化膜（ＬＯＣＯＳ）、７８はＭＯＳトランジスタのゲートを兼ねるＰＯＬ配線、７９は層間絶縁膜（層間膜）、８０はＡＬ配線、８２は遮光膜であるＡＬ膜（遮光層）、８３は表面保護膜であるＳｉＯＮ膜（表面保護層）である。
【００５２】
ここでＰＷＬ７３の不純物濃度は１×１０１６〜１０１７ｃｍ−３、その接合深さは１〜２μｍであり、Ｎ＋型不純物層７５の不純物濃度は１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３、その接合深さは０．２〜０．３μｍである。
【００５３】
本実施形態のようにＡＥセンサとＡＦセンサのフォトダイオードを同じ構造にすることにより、露出値の差が０．３ＥＶ以内になるような分光感度特性にすることが可能となる。
【００５４】
本実施形態におけるセンサの分光感度特性はＰＷＬの接合深さでほぼ決まるため、ＡＥセンサのフォトダイオードのＰＷＬ電位とＡＦセンサのフォトダイオードのＰＷＬ電位は必ずしも同じにする必要はなく、回路の動作点を最適にするために別電位としても良い。例えば、本実施形態の固体撮像装置において、ＡＦセンサのＰＷＬ電位はＧＮＤレベル、ＡＥセンサのＰＷＬ電位は基準電位Ｖｃと設定している。これはオペアンプの入力電位をＧＮＤでなくＶｃとすることで、オペアンプの良好な動作領域で動作させる上で有効なことである。
【００５５】
図８に本実施形態におけるＡＦセンサとＡＥセンサの分光感度特性を示す。両センサは、ウェル電位を異ならせているため、若干の分光感度の差はあるが、露出誤差０．３ＥＶに対しては十分実現できる特性となっている。このようにＡＥセンサとＡＦセンサを同一の分光感度特性とすることで露出誤差を低減することが可能になった。
【００５６】
本実施形態において、それぞれのＡＥセンサとＡＦセンサはＣＭＯＳ回路のみの構成であるため、各種のＣＭＯＳ回路（アナログ、ディジタル）のオンチップ化との整合性も良く、各種周辺回路オンチップによるインテリジェント化も同時に可能である。また、マスク枚数と製造工数も少ないため、低コスト化に対しても有利である。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態によれば、高速、高性能、低コストとなる測光測距用固体撮像装置が実現できた。なお、本発明はＣＭＯＳセンサのみならず、例えばＣＣＤ、ＢＡＳＩＳ（Ｂａｓｅ Ｓｔｏｒｅｄ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ）、ＳＩＴ（Ｓｔａｔｉｃ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＣＭＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＡＭＩ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ＭＯＳ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｉｍａｇｅｒ）等にも応用可能である。
【００５８】
［第２実施形態］
図９に、本実施形態の測光測距用固体撮像装置の動作を説明するフローチャートを示す。第１実施形態においては、図６に示すように、スポットＡＥ信号出力後にＡＦ信号を読み出していた（図６中のステップＳｔ５、Ｓｔ９参照）。これに対し、本実施形態では、図９に示すように、ＡＦ信号出力後にスポットＡＥ信号を読み出していることを特徴とする（図９中のステップＳｔ５、Ｓｔ９参照）。その他の各ステップＳｔ１〜Ｓｔ１１の処理手順及びその処理内容は、第１実施形態（図６）と同様であるので、その説明を省略する。
【００５９】
本実施形態によれば、全ての測距点のスポットＡＥ信号を読み出すのではなく、先に出力されたＡＦ信号をもとに合焦した測距点のみのスポットＡＥ信号を読み出すことができるため、更なる動作の簡略化と高速化が可能となる。
【００６０】
［第３実施形態］
図１０に本実施形態の測光測距用固体撮像装置の概略回路ブロック図を示す。図１０に示す測光測距用固体撮像装置は、上記実施形態（図１参照）と同様の構成、すなわちＳｉ半導体基板１００上に形成されたＡＦセンサブロック１０１（位相差検出型ＡＦセンサ回路１１０を成す一対の基準部ＡＦ回路１１０Ａ及び参照部ＡＦ回路１１０Ｂ）、ＡＥセンサブロック１０２（ＡＥ回路１２１、Ｉｓ補償回路１２２、信号増幅回路１２３）、アナログ系の回路（温度計回路１０３、ＡＧＣ回路１０５、電源回路１０６、信号増幅回路１０８）、及びディジタルブロック（ＭＰＸ１０４、ロジック回路１０７）を備え、ＡＤＣ１１２内蔵のマイコン１０９に接続されている。
【００６１】
上記第１及び第２実施形態において、スポットＡＥ信号としてＡＦセンサブロック１０１のフォトダイオードの最大値信号を用いているが、本実施形態では、最大値信号以外に、図１０に示すように、最小値信号も用いることを特徴とする。これによれば、最大値信号と最小値信号の両方を用いることで、更にきめ細かい露出制御が可能となる。
【００６２】
［第４実施形態］
図１１に本実施形態の測光測距用固体撮像装置の概略回路ブロック図、図１２にその概略平面レイアウト図をそれぞれ示す。
【００６３】
図１１及び図１２に示す測光測距用固体撮像装置は、上記実施形態（図１参照）と同様の構成、すなわちＳｉ半導体基板１００上に形成されたＡＦセンサブロック１０１（位相差検出型ＡＦセンサ回路１１０を成す一対の基準部ＡＦ回路１１０Ａ及び参照部ＡＦ回路１１０Ｂ）、ＡＥセンサブロック１０２（ＡＥ回路１２１、Ｉｓ補償回路１２２、信号増幅回路１２３）、アナログ系の回路（温度計回路１０３、ＡＧＣ回路１０５、電源回路１０６、信号増幅回路１０８）、及びディジタルブロック（ＭＰＸ１０４、ロジック回路１０７）を備え、ＡＤＣ１１２内蔵のマイコン１０９に接続されている。
【００６４】
図１２において、９１は広角系フォトダイオード、９２は望遠系フォトダイオードである。このように２分割されたフォトダイオード領域に対応して、ＡＥ回路ブロック１０２には、図１１に示すように、２分割されたＡＥ回路１２１、１２１が設けられる。
【００６５】
すなわち、本実施形態は、ワイドＡＥセンサを成すＡＥ回路ブロック１０２のＡＥ回路１２１（フォトダイオード領域）を複数に分割したことを特徴とする。このようにＡＥセンサのフォトダイオード領域を広角系フォトダイオード９１と望遠系フォトダイオード９２の２つに分割することにより、使用するズームレンズの領域に応じたＡＥセンサを用いることが可能となり、その結果、より正確な測光が可能となる。例えば、広角ズーム領域においては全てのＡＥセンサを用い、望遠ズーム領域においては中心のＡＥセンサのみを用いればよい。また、２分割以上の複数に分割しても同様の効果が得ることができる。
【００６６】
［第５実施形態］
本実施形態は、上記第１〜第４実施形態のＡＦ回路ブロック及びＡＥ回路ブロックを有する測光測距用固体撮像装置を用いた撮像装置（カメラ）に関する。
【００６７】
図１３は、上記測光測距用固体撮像装置をレンズシャッタディジタルコンパクトカメラ（撮像装置）に用いた場合の一実施形態を示す概略ブロック図である。図１３において、２０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、２０２は被写体の光学像を固体撮像素子２０４に結像するレンズ、２０３はレンズ２０２を通った光量を可変するための絞り、２０４はレンズ２０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子である。
【００６８】
また、２０５は上記第１〜第４実施形態で説明した測光測距用固体撮像装置である。ここでは、例えば、上記第１実施形態（図１等参照）と同様のものを用いる。２２０は、測光測距用固体撮像装置２０５を搭載したＡＥＡＦ光学モジュールである。２２１は、ＡＥＡＦ光学モジュール２２０に搭載される一対のＡＦ用結像レンズであり、測光測距用固体撮像装置２０５のＡＦ回路ブロックの一対のリニアセンサ回路（基準部ＡＦ回路、参照部ＡＦ回路）のそれぞれのフォトダイオード上に入射光を集光させる。２２２は、ＡＥＡＦ光学モジュール２２０に搭載されるＡＥ用集光レンズであり、測光測距用固体撮像装置２０５のＡＥ回路ブロックのフォトダイオード上に入射光を集光させる。
【００６９】
また、２０６は固体撮像素子２０４や固体撮像装置２０５から出力される画像信号、測光信号、測距信号をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器、２０８はＡ／Ｄ変換器２０７より出力された画像データに各種の補正やデータを圧縮する信号処理部、２０９は固体撮像素子２０４、撮像信号処理回路２０６、Ａ／Ｄ変換器２０７、信号処理部２０８等に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、２１０は各種演算とカメラ全体を制御する全体制御・演算部、２１１は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部である。
【００７０】
さらに、２１２は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、２１３は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、２１４は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。
【００７１】
次に、このようなレンズシャッタディジタルコンパクトカメラの撮影時の動作について説明する。バリア２０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器２０７等の撮像系回路の電源がオンされる。
【００７２】
固体撮像装置２０５のＡＦ回路ブロックから出力された信号（ＡＦ信号）をもとに三角測距法により被写体までの距離の演算を全体制御・演算部２１０で行う。その後、レンズ２０２の繰り出し量を算出し、レンズ２０２を所定の位置まで駆動して合焦させる。
【００７３】
次いで、露光量を制御するために、固体撮像装置２０５のＡＥ回路ブロックから出力された信号（ワイドＡＥ信号）をＡ／Ｄ変換器２０７で変換した後、信号処理部２０８に入力する。このとき、逆光検知等、必要に応じて、前述したＡＦ回路ブロックから出力されたスポットＡＥ信号としてのモニタ信号（最大値信号のみ、又は最大値信号と最小値信号）をＡ／Ｄ変換器２０７で変換した後、信号処理部２０８に入力する。これらのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部２１０で行う。この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部２１０は絞り２０３とシャッタスピードを調節する。
【００７４】
その後、露光条件が整った後に固体撮像素子２０４での本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子２０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器２０７でＡ−Ｄ変換され、信号処理部２０８を通り全体制御・演算部２１０によりメモリ部２１１に書き込まれる。その後、メモリ部２１１に蓄積されたデータは全体制御・演算部２１０の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部２１２を通り着脱可能な記録媒体２１３に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部２１４を通り直接コンピュータ等に入力してもよい。
【００７５】
なお、本実施形態の測光測距用固体撮像装置は、ディジタルコンパクトカメラだけでなく、銀塩カメラ等にも使用できる。また、一眼レフカメラに用いても同様の効果が得られる。
【００７６】
以上本発明の各実施形態について説明したが、本発明の好適な実施の態様を以下のとおり列挙する。
［実施態様１］ 測距を行うための測距用光電変換素子列と、前記測距用光電変換素子列に蓄積された電荷量に応じた電圧信号を出力する電圧モニタ手段と、測光を行うための測光用光電変換素子を含み且つ該測光用光電変換素子にて光電変換された信号を第１の露出量検出用信号として出力する第１の露出量検出手段とが同一半導体基板上に形成されており、前記測距用光電変換素子列のモニタ信号を第２の露出量検出用信号として出力する第２の露出量検出手段を備えたことを特徴とする測光測距用固体撮像装置。
［実施態様２］ 前記測距用光電変換素子列は複数であり、それぞれが所定の距離を隔てて配置されていることを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様３］ 前記モニタ信号は、非破壊読み出しによりリアルタイムで出力されることを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様４］ 前記測距用光電変換素子からの光電荷の増幅読み出しを行う電荷増幅手段をさらに備えたことを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様５］ 前記電圧モニタ手段は、前記測距用光電変換素子列の最大値信号をリアルタイムモニタ信号として出力し、前記第２の露出量検出手段は、前記最大値信号を前記第２の露出量検出用信号として出力することを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様６］ 前記電圧モニタ手段は、前記測距用光電変換素子列の最大値信号と最小値信号の２つをリアルタイムモニタ信号として出力し、前記第２の露出量検出手段は、前記最大値信号と前記最小値信号を前記第２の露出量検出用信号として出力することを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様７］ 前記測距用光電変換素子と前記測光用光電変換素子がＰＮ接合フォトダイオードであり、該フォトダイオードを成すＰ型不純物層とそのＮ型不純物層が同一の不純物濃度と接合深さであることを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様８］ 前記測距用光電変換素子と前記測光用光電変換素子は、分光感度特性が露出指標で０．３ＥＶ以内の露出量になることを特徴とする実施態様７に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様９］ 多点測距を行うための複数の測距用光電変換素子列と、広い視野の測光を行うための測光用光電変換素子とを同一半導体基板上に形成した固体撮像装置において、前記測光用光電変換素子にて光電変換された信号を第１の露出量検出用信号として出力する第１の露出量検出手段と、選択された測距点に対応した前記測距用光電変換素子列からのモニタ信号のみを選択して第２の露出量検出用信号として出力する第２の露出量検出手段とを備えたことを特徴とする測光測距用固体撮像装置。
［実施態様１０］ 複数の前記各信号を順次出力させるためのタイミング発生回路とマルチプレクサ回路が同一半導体基板上に形成されていることを特徴とする実施態様１乃至９のいずれか１項に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様１１］ 実施態様１乃至１０のいずれか１項に記載の測光測距用固体撮像装置と、該測光測距用固体撮像装置により出力される前記第１の露出量検出用信号及び前記第２の露出量検出用信号を元に露光条件を制御する制御手段とを有することを特徴とするカメラ。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＡＤコンバータ内蔵のマイコンに適したスポット測光機能を搭載し、測光精度と動作速度を向上させ、チップサイズが小さく、かつ、低コストのスポット測光機能を搭載した測距用固体撮像装置を実現できる。すなわち、高性能な測光性能と測距性能を有する固体撮像装置が１チップで実現可能となる。このため、本発明を用いたレンズシャッタコンパクトカメラにおいて、カメラの小型化、高性能化、低価格化を実現できる。同様の効果は、コンパクトアナログ（銀塩）カメラのみならず、コンパクトディジタルカメラ等の撮像装置でも期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の回路ブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の平面レイアウト図である。
【図３】本発明の第１実施形態のＡＦ回路を示す回路図である。
【図４】本発明の第１実施形態のＡＥ回路を示す回路図である。
【図５】本発明の第１実施形態のＡＧＣ回路を示す回路図である。
【図６】本発明の第１実施形態の測光測距用固体撮像装置の動作を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の第１実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す断面構造図である。
【図８】本発明の第１実施形態のＡＦセンサとＡＥセンサの分光感度特性を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態の測光測距用固体撮像装置の動作を説明するフローチャートである。
【図１０】本発明の第３実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の回路ブロック図である。
【図１１】
本発明の第４実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の回路ブロック図である。
【図１２】本発明の第４実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の平面レイアウト図である。
【図１３】本発明の第５実施形態の測光測距用固体撮像装置を用いたカメラシステムを示す概略ブロック図である。
【図１４】従来例の撮像装置用自動測光装置を示す回路ブロック図である。
【符号の説明】
１、２１ ｐｎフォトダイオード
２ リセットＭＯＳトランジスタ
３、２０ ＣＭＯＳ差動増幅器
４ クランプ容量
５〜９ ＭＯＳスイッチ
１０ 最小値検出用差動増幅器
１１ 最大値検出用差動増幅器
１２、１３ ＭＯＳスイッチ
１４ ＯＲ回路
１５ 走査回路
１６、１７ 定電流ＭＯＳトランジスタ
１８ 共通出力線
２２ ｐｎダイオード
２５ バッファアンプ
２６ コンパレータ
３０ ＡＥ回路
３１、３２ ＣＣＤアレイ
３３ 光電変換回路
３４ 積分回路
３５、３６ 比較回路
３７ ＡＦ用カウンタ回路
３８ ＡＥ用カウンタ回路
４２、４３ 出力選択回路
４４、４５ バッファ
４６ 相関演算回路
４７ ＡＤコンバータ
４８ 主制御回路
４９ ＡＤなしマイコン
７１、１００ Ｎ型Ｓｉ基板
７２ Ｎ型エピタキシャル層
７３ ＰＷＬ
７４ ＮＷＬ
７５ Ｎ＋不純物層
７６ 薄い酸化膜
７７ ＬＯＣＯＳ
７８ ＰＯＬ配線
７９ 層間絶縁膜
８０ ＡＬ配線
８２ 遮光膜
８３ 保護膜
９１ 広角系フォトダイオード
９２ 望遠系フォトダイオード
１０１ ＡＦ回路ブロック
１０２ ＡＥ回路ブロック
１０３ 温度計回路
１０４ マルチプレクサ
１０５ ＡＧＣ回路
１０６ 電源回路
１０７ ロジック回路
１０８ 信号増幅回路
１０９ ＡＤ内蔵マイコン
１１０ 位相差検出型ＡＦセンサ回路
１１０Ａ 基準部ＡＦ回路
１１０Ｂ 参照部ＡＦ回路
１１２ ＡＤＣ（ＡＤコンバータ）
１２１ ＡＥ回路
１２２ Ｉｓ補償回路
１２３ 信号増幅回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、測光測距用固体撮像装置に係り、とくに測光機能を有したオートフォーカス用固体撮像装置において、コンパクトカメラに用いられる外測方式のオートフォーカスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、測光機能（ＡＥ：Ａｕｔｏ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）を搭載した測距（ＡＦ：Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ）センサとして、撮像装置用自動測光装置（例えば、特許文献１参照）が知られている。この装置の回路構成図を図１４に示す。
【０００３】
図１４において、３０はＡＥ回路、３１は基準部ＣＣＤ、３２は参照部ＣＣＤ、３３は光電変換回路、３４は積分時間制御回路、３５と３６は比較回路、３７はＡＦカウンタ回路、３８はＡＥカウンタ回路、４２と４３は出力選択回路、４４と４５はアンプ、４６は相関演算回路、４７はＡＤコンバータ、４８は主制御回路、４９はマイコンである。
【０００４】
この装置において、１つの半導体チップ上に所定距離を隔てて配置され、ＡＦを行うのに適した一対のリニアセンサ（基準部ＣＣＤ３１、参照部ＣＣＤ３２）と、該一対のリニアセンサに蓄積された電荷量を検出し、光入射による電荷蓄積を制御するための積分制御信号を発生するための積分時間制御手段（積分時間制御回路３４）と、積分制御手段から入射光の強度を算出する第１の露出量検出手段（ＡＦカウンタ回路３７、主制御回路４８、マイコン４９）と、同じ半導体チップ上に配置された光電変換素子を含み、入射光量検出を行うための第２の露出量検出手段（光電変換回路３３、比較回路３６、ＡＥカウンタ回路３８、主制御回路４８、マイコン４９）を用いて露出量を決定することを特徴としている。
【０００５】
上記装置によれば、一対のリニアセンサ（基準部ＣＣＤ３１、参照部ＣＣＤ３２）でＡＦを行うと共に、主要被写体に対する露出データを得、同一半導体チップに形成された光電変換素子（光電変換回路３３）を用いて背景を含む視野全体に対する露出データを得ることができる。その両露出データを用いることにより、きめの細かい露出情報が得られる。例えば、主要被写体に対する露出データと、視野全体に対する露出データを合わせて用いることにより、日中シンクロやスローシンクロを可能とすると共に、逆光時の主要被写体に対しても適正な露出量を選択可能となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−１５８１０７号公報
【特許文献２】
特開２０００−１８０７０６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
最近、マイコンの高性能化、多機能化、低価格化により、ＡＤコンバータ内蔵のマイコンがコンパクトカメラにおいても主流となっている。そのため、ＡＦセンサとＡＥセンサにオンチップされたＡＤコンバータがあると、チップサイズが小型にできない、コストが下げられない等の不具合が発生する。
【０００８】
しかしながら上記従来例は、以前のＡＤコンバータが内蔵されていないマイコンに適した測光測距用センサであり、最近のＡＤコンバータ内蔵のマイコンには適さなくなっている。また、カウンタ回路３７、３８や相関演算回路４６も必要とするため、チップサイズを縮小できないという大きな欠点も有していた。
【０００９】
さらに上記従来例では、積分時間制御手段からの積分制御信号を用いるため、被写体の輝度により露出制御時間が異なることになる。そのため、光量が非常に微弱な場合には、積分制御手段のコンパレータが反転するのに時間がかかってしまうため、露出が決まるまでの時間が非常に長くなってしまう欠点を有していた。これはカメラのレスポンスを著しく悪化させるため、結果としては撮影者にとって非常に使い勝手の悪いカメラになってしまっていた。
【００１０】
その他にも、測距用のリニアセンサとしてＣＣＤを用いているため、ＣＭＯＳディジタル回路との整合性が良くないため、製造プロセスが複雑となり、製造コストが高くなるという欠点も有していた。
【００１１】
本発明は、以上の問題を考慮してなされたもので、ＡＤコンバータ内蔵のマイコンに適したスポット測光機能を搭載した測距用固体撮像装置を実現することを第１の目的とする。
【００１２】
また本発明は、測光測距用固体撮像装置における測光精度と動作速度を向上させることを第２の目的とする。
【００１３】
さらに本発明は、チップサイズが小さく、かつ、低コストのスポット測光機能を搭載した測距用固体撮像装置を実現することを第３の目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る測光測距用固体撮像装置は、測距を行うための測距用光電変換素子列と、前記測距用光電変換素子列に蓄積された電荷量に応じた電圧信号を出力する電圧モニタ手段と、測光を行うための測光用光電変換素子を含み且つ該測光用光電変換素子にて光電変換された信号を第１の露出量検出用信号として出力する第１の露出量検出手段とが同一半導体基板上に形成されており、前記測距用光電変換素子列のモニタ信号を第２の露出量検出用信号として出力する第２の露出量検出手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、前記測距用光電変換素子列、前記電圧モニタ手段、および前記第２の露出量検出手段は、測距のためのＡＦセンサに搭載され、前記測光用光電変換素子及び前記第１の露出量検出手段は、撮影領域のほぼ全域の測光を行うためのＡＥセンサ（以下、必要に応じ「ワイドＡＥセンサ」と呼ぶ）に搭載される。この場合、前記第２の露出量検出用信号は、ＡＦセンサのＡＧＣ（オートゲインコントロール）出力を兼用するスポットＡＥ信号（主要被写体に対する露出量検出用信号）であり、前記第１の露出量検出用信号は、ワイドＡＥセンサのワイドＡＥ信号（主要被写体を含む視野全体に対する露出量検出用信号）であることが好適である。この構成においては、例えば以下の態様が可能である。
【００１６】
第１の態様は、測距のためのＡＦセンサと、撮影領域のほぼ全域の測光を行うための専用のワイドＡＥセンサとを同一の半導体基板上に設け、ＡＦセンサの蓄積期間中におけるフォトダイオードの電圧モニタ信号をスポット測光用のＡＥ信号として、マイコンのＡＤコンバータへの出力を可能とすることを特徴とする。これによれば、ＡＤコンバータ内蔵のマイコンに適したスポット測光が行える測光測距用固体撮像装置が実現できる。また、従来において一般的であった専用のスポット測光センサを別チップで必要としないため、システムとしての小型化と低消費電力化も実現できる。
【００１７】
第２の態様は、非破壊読み出しが可能である増幅型光電変換素子をＡＦセンサとして用いることにより、リアルタイムＡＧＣとスポットＡＥが同時に行えることが可能なことを特徴とする。これによれば、蓄積時間制御とスポットＡＥ出力動作が同時に行えるため、高速駆動に対応した測光測距用固体撮像装置が可能となる。
【００１８】
第３の態様は、ワイド測光用のＡＥセンサとスポット測光を行うためのＡＦセンサの分光感度特性が同じであることを特徴とする。ここで「同じ」というのは、ＡＥセンサからの露出値とＡＦセンサからの露出値の差が、０．３ＥＶ（Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｖａｌｕｅ：露出指標）以内となることを意味する。これによれば、スポット測光とワイド測光の色温度依存性を低減できるため、露出精度の向上が可能となる。
【００１９】
第４の態様は、全体測光用のＡＥセンサは光電流の対数圧縮出力、スポット測光用のＡＧＣ信号は線形出力であることを特徴とする。これによれば、光電流の対数圧縮によるダイナミックレンジの拡大により、測光範囲を拡大した測光測距用固体撮像装置が可能となる。
【００２０】
第５の態様は、ＣＭＯＳプロセスで製造可能なＡＦセンサとＡＥセンサであることを特徴とする。これによれば、ＣＭＯＳプロセスによるマスク枚数の削減と製造工程の簡略化により、低コストの測光測距用固体撮像装置が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る測光測距用固体撮像装置の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、本実施形態の測光測距用固体撮像装置の概略回路ブロック図で、本発明の特徴を最もよく表す図面である。また図２は、本装置を成す後述のＡＦセンサブロック、ＡＥセンサブロック、アナログ系回路、及びディジタルブロックの各配置を説明する概略平面レイアウト図である。
【００２３】
図１及び図２において、１００はＳｉ半導体基板、１０１は半導体基板１００上に形成されるＡＦセンサブロック（本発明の測距用光電変換素子列、電圧モニタ手段、および第２の露出量検出手段の要部を成す）、１０２は同一半導体基板１００上に形成されるＡＥセンサブロック（本発明の測光用光電変換素子を含む第１の露出量検出手段の要部を成す）である。
【００２４】
また、１０４はマルチプレクサ（ＭＰＸ）、１０７はロジック回路であり、両者が半導体基板１００上に形成されるディジタルブロックを成す。さらに、１０３は温度計回路、１０５はオートゲインコントロール（ＡＧＣ）回路、１０６は電源回路、１０８は信号増幅回路であり、これら各回路が半導体基板１００上に形成されるアナログ系回路を成す。
【００２５】
また、１０９はＡＤコンバータ（ＡＤＣ）内蔵のマイコン（１１２はＡＤＣ）で、Ｓｉ半導体基板１００上のロジック回路１０７との間で各種制御信号等のディジタル信号を双方向にやり取りすると共に、Ｓｉ半導体基板１００上のＭＰＸ１０４を介して送られてくる後述のＡＦ信号、ＡＥ信号（本発明の第１の露出量検出用信号に相当するワイドＡＥ信号：主要被写体を含む視野全体に対する露出量検出用信号）、最大値信号（本発明の第２の露出量用検出信号（本例のスポットＡＥ信号：主要被写体に対するスポット露出量検出用信号）として用いる電圧モニタ信号）等のアナログ信号をＡＤＣ１１２にてデジタル信号に変換して入力可能となっている。
【００２６】
以下、ＡＦセンサブロック１０１（以下、必要に応じて「ＡＦセンサ」と呼ぶ）、ＡＥセンサブロック１０２（以下、必要に応じて「ＡＥセンサ」又は「ワイドＡＥセンサ」と呼ぶ）、アナログ系回路、ディジタルブロックの順にその内部構成を説明する。
（ＡＦセンサブロック）
ＡＦセンサブロック１０１には、三角測距による外測式のオートフォーカスを行うために、図１に示すように、位相差検出型ＡＦセンサ回路１１０を成すリニアセンサ回路のペア、すなわち一対の基準部ＡＦ回路１１０Ａと参照部ＡＦ回路１１０Ｂとが半導体基板１００上で所定の距離隔てて配置される。一対の基準部ＡＦ回路１１０Ａと参照部ＡＦ回路１１０Ｂには、本発明の測距用光電変換子列を成すフォトダイオードと、本発明の電圧モニタ手段及び第２の露出量検出手段を兼用する駆動回路、検出回路、及びシフトレジスタとが含まれる。図１及び図２の例では、このリニアセンサ回路のペアは、それぞれ３列配置されている（図２の例では、基準部ＡＦ回路の列１Ａ、２Ａ、３Ａ（図中の左側）と、参照部ＡＦ回路の列１Ｂ、２Ｂ、２Ｃ（図中の右側）とがそれぞれペアを成す）。
【００２７】
各リニアセンサ回路（基準部ＡＦ回路１１０Ａ、参照部ＡＦ回路１１０Ｂ）のフォトダイオード上には、ＡＦ用結像レンズ（後述の図１３参照）が設けられ、被写体像は、それぞれのＡＦ用結像レンズを介して各リニアセンサ回路のフォトダイオード上に結像される。その各リニアセンサ回路のフォトダイオード上の結像位置と結像レンズの焦点距離と結像レンズの間隔（基線長）により被写体までの距離が算出される。
【００２８】
図３は、上記リニアセンサ回路１１０Ａ、１１０Ｂの一例を示す。本例は、以前に本出願人により提案したＣＭＯＳリニア型のＡＦセンサ（例えば、特許文献２等参照）の回路を適用したものである。
【００２９】
図３において、１は光電変換を行うｐｎ接合フォトダイオード、２はそのフォトダイオード１の電位を基準電位（ＶＲＥＳ）にリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタ（φＲＥＳはリセット用制御信号）、３は差動増幅器（センサアンプ）であり、１〜３によって増幅型光電変換素子を構成する。この増幅型光電変換素子の差動増幅器３の出力側には、最小値検出回路と最大値検出回路が並列に接続される。
【００３０】
上記最小値検出回路と最大値検出回路において、４はクランプ容量、５はクランプ電位（ＶＧＲ）を入力するためのＭＯＳスイッチ（φＧＲはオンオフ制御信号）であり、４と５でクランプ回路（フィードバック型のノイズ除去回路）を構成している。また、６〜９はスイッチ用ＭＯＳトランジスタ（φＧＲ、φＳ１、φＮ１、φＮ２、φＳ２はオンオフ制御信号）、１０は最小値検出用差動増幅器、１１は最大値検出用差動増幅器であり、それぞれの差動増幅器１０、１１は電圧フォロワ回路を構成している。１２は最小値出力用ＭＯＳスイッチ（φＢＴＭはオンオフ制御信号）、１３は最大値出力用ＭＯＳスイッチ（φＰＥＡＫはオンオフ制御信号）である。上記１〜１３で構成されるＡＦセンサユニットがフォトダイオード１毎に複数配置される。
【００３１】
また、１４はＯＲ回路、１５は走査回路、１６、１７は定電流用ＭＯＳトランジスタ（φＲＥＦ１、φＲＥＦ２はオンオフ制御信号）である。最小値検出回路用には、最終段がＮＭＯＳのソースフォロワ回路、最大値検出回路用には、最終段がＰＭＯＳのソースフォロワ回路となっている。１８は画素からの信号が出力される共通出力線である。
【００３２】
本回路構成において、最大値検出回路と最小値検出回路の前段にフィードバック型のノイズクランプ回路（ノイズ除去回路）を設けることにより、フォトダイオードで発生するリセットノイズと、センサアンプ、最大値検出回路、最小値検出回路で発生するＦＰＮ（Ｆｉｘｅｄ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｎｏｉｓｅ）の除去が可能となっている。
【００３３】
また、最終出力段がソースフォロワ形式である電圧フォロワ回路を画素毎に構成し、最小値出力時には、各電圧フォロワ回路の出力段の定電流源をオフにして、定電流源に接続された出力線に共通接続することにより、映像信号の最大値を得ることができる。さらに、映像信号出力時には、各電圧フォロワ回路の出力段の定電流源をオンにして、各電圧フォロワ回路を順次、出力線に接続させることにより、シリアルな映像信号を得ることができる。この動作により、最大値検出回路と信号出力回路が兼用となるため、チップの小型化が可能となる。
【００３４】
上記最大値検出回路で兼用される信号出力回路にて得られたＡＦ信号は、信号増幅回路１０８にて増幅され、ＭＰＸ１０４を介してマイコン１０９のＡＤＣ１１２に出力される。また最大値検出回路で検出された最大値信号は、ＡＧＣ用の電圧モニタ信号として、ＡＧＣ回路１０５に出力されると共に、測光時のスポットＡＥ信号として、ＭＰＸ１０４を介してマイコン１０９のＡＤＣ１１２に出力される。
（ＡＥ回路ブロック）
ＡＥ回路ブロック１０２は、図１に示すように、ＡＥ回路１２１（本発明の測光用光電変換素子を成すＰＮ接合フォトダイオードと、本発明の第１の露出量検出手段の要部を成す対数圧縮型電流電圧変換回路）、ＩＳ補償回路１２２、及び信号増幅回路１２３から成る。このうち、図４にＡＥ回路１２２におけるをＰＮ接合フォトダイオードと対数圧縮型電流電圧変換回路を示す回路図を示す。
【００３５】
図４において、２０はＣＭＯＳ差動増幅器、２１はＰＮ接合フォトダイオード（ＰＤ）、２２はＰＮ接合ダイオード、２３は出力用ＭＯＳスイッチ（φＨＡＥはオンオフ用制御信号）である。図４に示すように、ＰＮ接合フォトダイオード２１両端の電位は基準電位（Ｖｃ）になるため、両端間の電位はゼロバイアス状態となる。従って、空乏層の広がりが抑えられるため、空乏層からの暗電流の発生が抑えられる。フォトダイオード２１で発生した光電流がＰＮ接合ダイオード２２を流れることにより、電流電圧変換される。このとき、ダイオードの電流電圧特性により、次式に従う対数変換出力（Ｖｏｕｔ）が行われる。
【００３６】
【数１】
【００３７】
上記ＡＥ回路１２１の出力（Ｖｏｕｔ）は、出力用ＭＯＳスイッチ２３を介して所定タイミングで出力され、ＩＳ補償回路１２２にてそのＩＳが補償され、信号増幅回路１２３にて増幅され、ＡＥ信号（ワイドＡＥ信号）として、ＭＰＸ１０４を介して外部のマイコン１０９のＡＤＣ１１２に送られる。
（アナログ系回路）
アナログ系回路は、ＡＦ回路ブロック１０１のＡＦセンサ回路１１０（基準部ＡＦ回路１１０Ａ、参照部ＡＦ回路１１０Ｂ）の蓄積時間を制御するためのオートゲインコントロール（ＡＧＣ）回路１０５と、基準電位を発生するためのバンドギャップ回路、センサ回路に必要な中間電位（基準電位ＶＲＥＳ、Ｖｃ、クランプ電位ＶＧＲ等）を発生するための電源回路１０６と、ＡＦ回路ブロック１０１からのＡＦ信号を増幅して外部に出力するための信号増幅回路１０８と、半導体基板１００の温度を監視するための温度計回路１０３とから成る。
【００３８】
ここで、図５（ａ）にＡＧＣ回路１０５の回路図、図５（ｂ）にその動作説明図をそれぞれ示す。図５（ａ）において、２５はバッファアンプ、２６はコンパレータである。
【００３９】
ＡＧＣ回路１０５の動作を説明する。まず、前述したようにＡＦセンサ回路１１０のフォトダイオードに光が照射されると、フォトダイオードに電子が蓄積される。従って、ＡＧＣ回路１０５のバッファアンプ２５に入力される信号として、出力電圧が小さい方がＰＥＡＫ信号（モニタ信号）となる。このＰＥＡＫ信号が時間経過に従いコンパレータ２６のコンパレート電位（ＶＲＥＦ）より小さくなると、図５（ｂ）に示すように、ロジック回路１０７へのコンパレータ出力である蓄積判定信号が論理ＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに反転し、この時点でＡＦセンサ回路１１０の蓄積動作が終了する。この一連の蓄積動作に関する制御は、ロジック回路１０７からＡＦセンサ回路１１０へ出力される蓄積制御パルス（φＣＨ）により行われる。
（ディジタルブロック）
ディジタルブロックは、ＡＦ回路ブロック１０２（ＡＦセンサ回路１１０）、ＡＥ回路ブロック１０２、デジタルブロック、アナログ系回路を所定タイミングで駆動するための駆動パルス（図１中のシフトレジスタ駆動パルスφＨｓ、φＨ、蓄積制御パルスφＣＨ等）を発生するタイミング発生回路（Ｔ／Ｇ）と、外部マイコン１０９との通信を行うための通信回路（Ｉ／Ｏ）とからなるロジック回路１０７と、各信号を選択してマイコン１０９に内蔵されたＡＤコンバータ１１２へ出力するためのマルチプレクサ（ＭＰＸ）１０４とから成る。
【００４０】
上記構成によれば、ロジック回路１０７からの制御信号に基づいて、ＭＰＸ１０４により、複数のアナログ信号、すなわちＡＦ回路ブロック１０２からのＡＧＣ用の電圧モニタ信号であるスポット測光（ＡＥ）信号（最大値信号）、ＡＥ回路ブロック１０２からの全体測光信号（ワイドＡＥ信号）、ＡＦ回路ブロック１０２からのＡＦ信号、温度計回路１０３からの温度信号を一線出力で読み出すことが可能となる。
【００４１】
次に、図６の動作フローチャートを用いて、本実施形態の測光測距用固体撮像装置の動作を説明する。本動作は、マイコン１０９からの動作制御に関する制御信号（ディジタル信号）に基づいて、ロジック回路１０７の処理により制御される。
【００４２】
図６において、電源を投入して各回路の初期化を行った後（ステップＳｔ１、Ｓｔ２）、ＡＦセンサ（ＡＦ回路ブロック１０１）による光電荷の蓄積を開始する（ステップＳｔ３）。このＡＦセンサによる光電荷の蓄積開始と同時にワイドＡＥセンサ（ＡＥ回路ブロック１０２）の動作（ワイドＡＥ信号読み出し）を開始する（ステップＳｔ４）。
【００４３】
ＡＦセンサの蓄積期間中は、そのフォトダイオードの最大電位をリアルタイムでモニタする。所定の蓄積時間が経過後、各ＡＦセンサのＡＧＣ用のモニタ信号である最大値信号をスポットＡＥ信号として、ＭＰＸ１０４により順次、マイコン１０９のＡＤコンバータ１１２へ出力させる（ステップＳｔ５）。ここで、所定の蓄積時間とは、高輝度（ＥＶ１８程度）の明るさでＡＦセンサが飽和しない値で設定されていることが望ましい。
【００４４】
上記スポットＡＥ信号の読み出し後も、ＡＦセンサ回路１１０によるリアルタイムモニタリングは継続される。これは、本実施形態において非破壊読み出しが可能であるＣＭＯＳ型増幅センサをＡＦセンサに用いたことにより可能となったものである。蓄積動作は、先に説明したＡＦセンサ回路１１０の最大値モニタ信号がＡＧＣ回路１０５のリファレンス電位を越す（図５のコンパレータ２６からのコンパレート信号（蓄積判定信号）が反転する。）までか、システムで設定された最大蓄積時間に到達するまで続けられる（ステップＳｔ６、Ｓｔ７）。
【００４５】
そして、蓄積動作終了後、従来と同様にＡＦ信号の読み出しを行う（ステップＳｔ８、９）。ＡＦセンサの読み出しが終了した後は、消費電力低減のためにＡＦセンサのバイアスを切断して回路を非動作状態にすることが好ましい。
【００４６】
その後、ＡＥ回路ブロック１０２（ワイドＡＥセンサ）からの対数圧縮信号（ワイドＡＥ信号）の出力を行う。そして最後にＡＦセンサ信号の暗電流ばらつき補正とＡＥセンサ信号のゲイン補正のための温度信号出力を行う（ステップＳｔ１０）。
【００４７】
以上の測光、測距、温度検出の一連の動作（ステップＳｔ１〜Ｓｔ１０）を行った後、電源をオフにしてセンサ動作を終了させる（ステップＳｔ１１）。ここで温度信号は必ずしも毎回読み出す必要がないため、任意のタイミングで読み出してもよい。また、温度信号はＡＦ信号の出力の前に読み出しても良い。
【００４８】
本実施形態の回路形式と動作シーケンスにより、多分割ＡＥセンサを必要とせずに、スポット測光とワイド測光を行うことが可能となった。すなわち、本実施形態によれば、ＣＭＯＳ型ＡＦセンサの非破壊読み出しを利用したＡＧＣ動作を行い、そのＡＧＣ出力をスポットＡＥ信号として兼用すると共に、ワイド測光用の対数圧縮ＡＥセンサを同一基板上に設け、そのワイドＡＥ信号とスポットＡＥ信号との比較で逆光探知を行うため、多分割ＡＥを必要とせずに逆光検知可能なＡＥ搭載ＡＦセンサを実現することが可能になった。
【００４９】
また、ＡＦセンサのＡＧＣ用のモニタ信号をスポットＡＥ信号として兼用することにより、従来例において問題となった回路規模の増大と動作速度の低下を防ぐことが可能となった。すなわち、上記効果に加え、レスポンスが良く、高ダイナミックレンジである測光機能も同時に実現させることが可能となった。
【００５０】
図７に本実施形態における測光測距用固体撮像装置の概略的な断面構造図を示す。図７において、７１はＮ型Ｓｉ基板、７２はＮ−型エピタキシャル（Ｅｐｉ）層、７３はＰＷＬ（Ｐウェル）、７４はＮＷＬ（Ｎウェル）、７５はＮ＋型不純物層（Ｎ＋拡散層）であり、ＰＷＬ７３とＮ＋型不純物層７５でＰＮ接合フォトダイオードを形成する。
【００５１】
また、７６はゲート酸化膜、７７は素子分離領域である厚い酸化膜（ＬＯＣＯＳ）、７８はＭＯＳトランジスタのゲートを兼ねるＰＯＬ配線、７９は層間絶縁膜（層間膜）、８０はＡＬ配線、８２は遮光膜であるＡＬ膜（遮光層）、８３は表面保護膜であるＳｉＯＮ膜（表面保護層）である。
【００５２】
ここでＰＷＬ７３の不純物濃度は１×１０１６〜１０１７ｃｍ−３、その接合深さは１〜２μｍであり、Ｎ＋型不純物層７５の不純物濃度は１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３、その接合深さは０．２〜０．３μｍである。
【００５３】
本実施形態のようにＡＥセンサとＡＦセンサのフォトダイオードを同じ構造にすることにより、露出値の差が０．３ＥＶ以内になるような分光感度特性にすることが可能となる。
【００５４】
本実施形態におけるセンサの分光感度特性はＰＷＬの接合深さでほぼ決まるため、ＡＥセンサのフォトダイオードのＰＷＬ電位とＡＦセンサのフォトダイオードのＰＷＬ電位は必ずしも同じにする必要はなく、回路の動作点を最適にするために別電位としても良い。例えば、本実施形態の固体撮像装置において、ＡＦセンサのＰＷＬ電位はＧＮＤレベル、ＡＥセンサのＰＷＬ電位は基準電位Ｖｃと設定している。これはオペアンプの入力電位をＧＮＤでなくＶｃとすることで、オペアンプの良好な動作領域で動作させる上で有効なことである。
【００５５】
図８に本実施形態におけるＡＦセンサとＡＥセンサの分光感度特性を示す。両センサは、ウェル電位を異ならせているため、若干の分光感度の差はあるが、露出誤差０．３ＥＶに対しては十分実現できる特性となっている。このようにＡＥセンサとＡＦセンサを同一の分光感度特性とすることで露出誤差を低減することが可能になった。
【００５６】
本実施形態において、それぞれのＡＥセンサとＡＦセンサはＣＭＯＳ回路のみの構成であるため、各種のＣＭＯＳ回路（アナログ、ディジタル）のオンチップ化との整合性も良く、各種周辺回路オンチップによるインテリジェント化も同時に可能である。また、マスク枚数と製造工数も少ないため、低コスト化に対しても有利である。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態によれば、高速、高性能、低コストとなる測光測距用固体撮像装置が実現できた。なお、本発明はＣＭＯＳセンサのみならず、例えばＣＣＤ、ＢＡＳＩＳ（Ｂａｓｅ Ｓｔｏｒｅｄ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ）、ＳＩＴ（Ｓｔａｔｉｃ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＣＭＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＡＭＩ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ＭＯＳ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｉｍａｇｅｒ）等にも応用可能である。
【００５８】
［第２実施形態］
図９に、本実施形態の測光測距用固体撮像装置の動作を説明するフローチャートを示す。第１実施形態においては、図６に示すように、スポットＡＥ信号出力後にＡＦ信号を読み出していた（図６中のステップＳｔ５、Ｓｔ９参照）。これに対し、本実施形態では、図９に示すように、ＡＦ信号出力後にスポットＡＥ信号を読み出していることを特徴とする（図９中のステップＳｔ５、Ｓｔ９参照）。その他の各ステップＳｔ１〜Ｓｔ１１の処理手順及びその処理内容は、第１実施形態（図６）と同様であるので、その説明を省略する。
【００５９】
本実施形態によれば、全ての測距点のスポットＡＥ信号を読み出すのではなく、先に出力されたＡＦ信号をもとに合焦した測距点のみのスポットＡＥ信号を読み出すことができるため、更なる動作の簡略化と高速化が可能となる。
【００６０】
［第３実施形態］
図１０に本実施形態の測光測距用固体撮像装置の概略回路ブロック図を示す。図１０に示す測光測距用固体撮像装置は、上記実施形態（図１参照）と同様の構成、すなわちＳｉ半導体基板１００上に形成されたＡＦセンサブロック１０１（位相差検出型ＡＦセンサ回路１１０を成す一対の基準部ＡＦ回路１１０Ａ及び参照部ＡＦ回路１１０Ｂ）、ＡＥセンサブロック１０２（ＡＥ回路１２１、Ｉｓ補償回路１２２、信号増幅回路１２３）、アナログ系の回路（温度計回路１０３、ＡＧＣ回路１０５、電源回路１０６、信号増幅回路１０８）、及びディジタルブロック（ＭＰＸ１０４、ロジック回路１０７）を備え、ＡＤＣ１１２内蔵のマイコン１０９に接続されている。
【００６１】
上記第１及び第２実施形態において、スポットＡＥ信号としてＡＦセンサブロック１０１のフォトダイオードの最大値信号を用いているが、本実施形態では、最大値信号以外に、図１０に示すように、最小値信号も用いることを特徴とする。これによれば、最大値信号と最小値信号の両方を用いることで、更にきめ細かい露出制御が可能となる。
【００６２】
［第４実施形態］
図１１に本実施形態の測光測距用固体撮像装置の概略回路ブロック図、図１２にその概略平面レイアウト図をそれぞれ示す。
【００６３】
図１１及び図１２に示す測光測距用固体撮像装置は、上記実施形態（図１参照）と同様の構成、すなわちＳｉ半導体基板１００上に形成されたＡＦセンサブロック１０１（位相差検出型ＡＦセンサ回路１１０を成す一対の基準部ＡＦ回路１１０Ａ及び参照部ＡＦ回路１１０Ｂ）、ＡＥセンサブロック１０２（ＡＥ回路１２１、Ｉｓ補償回路１２２、信号増幅回路１２３）、アナログ系の回路（温度計回路１０３、ＡＧＣ回路１０５、電源回路１０６、信号増幅回路１０８）、及びディジタルブロック（ＭＰＸ１０４、ロジック回路１０７）を備え、ＡＤＣ１１２内蔵のマイコン１０９に接続されている。
【００６４】
図１２において、９１は広角系フォトダイオード、９２は望遠系フォトダイオードである。このように２分割されたフォトダイオード領域に対応して、ＡＥ回路ブロック１０２には、図１１に示すように、２分割されたＡＥ回路１２１、１２１が設けられる。
【００６５】
すなわち、本実施形態は、ワイドＡＥセンサを成すＡＥ回路ブロック１０２のＡＥ回路１２１（フォトダイオード領域）を複数に分割したことを特徴とする。このようにＡＥセンサのフォトダイオード領域を広角系フォトダイオード９１と望遠系フォトダイオード９２の２つに分割することにより、使用するズームレンズの領域に応じたＡＥセンサを用いることが可能となり、その結果、より正確な測光が可能となる。例えば、広角ズーム領域においては全てのＡＥセンサを用い、望遠ズーム領域においては中心のＡＥセンサのみを用いればよい。また、２分割以上の複数に分割しても同様の効果が得ることができる。
【００６６】
［第５実施形態］
本実施形態は、上記第１〜第４実施形態のＡＦ回路ブロック及びＡＥ回路ブロックを有する測光測距用固体撮像装置を用いた撮像装置（カメラ）に関する。
【００６７】
図１３は、上記測光測距用固体撮像装置をレンズシャッタディジタルコンパクトカメラ（撮像装置）に用いた場合の一実施形態を示す概略ブロック図である。図１３において、２０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、２０２は被写体の光学像を固体撮像素子２０４に結像するレンズ、２０３はレンズ２０２を通った光量を可変するための絞り、２０４はレンズ２０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子である。
【００６８】
また、２０５は上記第１〜第４実施形態で説明した測光測距用固体撮像装置である。ここでは、例えば、上記第１実施形態（図１等参照）と同様のものを用いる。２２０は、測光測距用固体撮像装置２０５を搭載したＡＥＡＦ光学モジュールである。２２１は、ＡＥＡＦ光学モジュール２２０に搭載される一対のＡＦ用結像レンズであり、測光測距用固体撮像装置２０５のＡＦ回路ブロックの一対のリニアセンサ回路（基準部ＡＦ回路、参照部ＡＦ回路）のそれぞれのフォトダイオード上に入射光を集光させる。２２２は、ＡＥＡＦ光学モジュール２２０に搭載されるＡＥ用集光レンズであり、測光測距用固体撮像装置２０５のＡＥ回路ブロックのフォトダイオード上に入射光を集光させる。
【００６９】
また、２０６は固体撮像素子２０４や固体撮像装置２０５から出力される画像信号、測光信号、測距信号をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器、２０８はＡ／Ｄ変換器２０７より出力された画像データに各種の補正やデータを圧縮する信号処理部、２０９は固体撮像素子２０４、撮像信号処理回路２０６、Ａ／Ｄ変換器２０７、信号処理部２０８等に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、２１０は各種演算とカメラ全体を制御する全体制御・演算部、２１１は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部である。
【００７０】
さらに、２１２は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、２１３は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、２１４は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。
【００７１】
次に、このようなレンズシャッタディジタルコンパクトカメラの撮影時の動作について説明する。バリア２０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器２０７等の撮像系回路の電源がオンされる。
【００７２】
固体撮像装置２０５のＡＦ回路ブロックから出力された信号（ＡＦ信号）をもとに三角測距法により被写体までの距離の演算を全体制御・演算部２１０で行う。その後、レンズ２０２の繰り出し量を算出し、レンズ２０２を所定の位置まで駆動して合焦させる。
【００７３】
次いで、露光量を制御するために、固体撮像装置２０５のＡＥ回路ブロックから出力された信号（ワイドＡＥ信号）をＡ／Ｄ変換器２０７で変換した後、信号処理部２０８に入力する。このとき、逆光検知等、必要に応じて、前述したＡＦ回路ブロックから出力されたスポットＡＥ信号としてのモニタ信号（最大値信号のみ、又は最大値信号と最小値信号）をＡ／Ｄ変換器２０７で変換した後、信号処理部２０８に入力する。これらのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部２１０で行う。この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部２１０は絞り２０３とシャッタスピードを調節する。
【００７４】
その後、露光条件が整った後に固体撮像素子２０４での本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子２０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器２０７でＡ−Ｄ変換され、信号処理部２０８を通り全体制御・演算部２１０によりメモリ部２１１に書き込まれる。その後、メモリ部２１１に蓄積されたデータは全体制御・演算部２１０の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部２１２を通り着脱可能な記録媒体２１３に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部２１４を通り直接コンピュータ等に入力してもよい。
【００７５】
なお、本実施形態の測光測距用固体撮像装置は、ディジタルコンパクトカメラだけでなく、銀塩カメラ等にも使用できる。また、一眼レフカメラに用いても同様の効果が得られる。
【００７６】
以上本発明の各実施形態について説明したが、本発明の好適な実施の態様を以下のとおり列挙する。
［実施態様１］ 測距を行うための測距用光電変換素子列と、前記測距用光電変換素子列に蓄積された電荷量に応じた電圧信号を出力する電圧モニタ手段と、測光を行うための測光用光電変換素子を含み且つ該測光用光電変換素子にて光電変換された信号を第１の露出量検出用信号として出力する第１の露出量検出手段とが同一半導体基板上に形成されており、前記測距用光電変換素子列のモニタ信号を第２の露出量検出用信号として出力する第２の露出量検出手段を備えたことを特徴とする測光測距用固体撮像装置。
［実施態様２］ 前記測距用光電変換素子列は複数であり、それぞれが所定の距離を隔てて配置されていることを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様３］ 前記モニタ信号は、非破壊読み出しによりリアルタイムで出力されることを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様４］ 前記測距用光電変換素子からの光電荷の増幅読み出しを行う電荷増幅手段をさらに備えたことを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様５］ 前記電圧モニタ手段は、前記測距用光電変換素子列の最大値信号をリアルタイムモニタ信号として出力し、前記第２の露出量検出手段は、前記最大値信号を前記第２の露出量検出用信号として出力することを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様６］ 前記電圧モニタ手段は、前記測距用光電変換素子列の最大値信号と最小値信号の２つをリアルタイムモニタ信号として出力し、前記第２の露出量検出手段は、前記最大値信号と前記最小値信号を前記第２の露出量検出用信号として出力することを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様７］ 前記測距用光電変換素子と前記測光用光電変換素子がＰＮ接合フォトダイオードであり、該フォトダイオードを成すＰ型不純物層とそのＮ型不純物層が同一の不純物濃度と接合深さであることを特徴とする実施態様１に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様８］ 前記測距用光電変換素子と前記測光用光電変換素子は、分光感度特性が露出指標で０．３ＥＶ以内の露出量になることを特徴とする実施態様７に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様９］ 多点測距を行うための複数の測距用光電変換素子列と、広い視野の測光を行うための測光用光電変換素子とを同一半導体基板上に形成した固体撮像装置において、前記測光用光電変換素子にて光電変換された信号を第１の露出量検出用信号として出力する第１の露出量検出手段と、選択された測距点に対応した前記測距用光電変換素子列からのモニタ信号のみを選択して第２の露出量検出用信号として出力する第２の露出量検出手段とを備えたことを特徴とする測光測距用固体撮像装置。
［実施態様１０］ 複数の前記各信号を順次出力させるためのタイミング発生回路とマルチプレクサ回路が同一半導体基板上に形成されていることを特徴とする実施態様１乃至９のいずれか１項に記載の測光測距用固体撮像装置。
［実施態様１１］ 実施態様１乃至１０のいずれか１項に記載の測光測距用固体撮像装置と、該測光測距用固体撮像装置により出力される前記第１の露出量検出用信号及び前記第２の露出量検出用信号を元に露光条件を制御する制御手段とを有することを特徴とするカメラ。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＡＤコンバータ内蔵のマイコンに適したスポット測光機能を搭載し、測光精度と動作速度を向上させ、チップサイズが小さく、かつ、低コストのスポット測光機能を搭載した測距用固体撮像装置を実現できる。すなわち、高性能な測光性能と測距性能を有する固体撮像装置が１チップで実現可能となる。このため、本発明を用いたレンズシャッタコンパクトカメラにおいて、カメラの小型化、高性能化、低価格化を実現できる。同様の効果は、コンパクトアナログ（銀塩）カメラのみならず、コンパクトディジタルカメラ等の撮像装置でも期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の回路ブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の平面レイアウト図である。
【図３】本発明の第１実施形態のＡＦ回路を示す回路図である。
【図４】本発明の第１実施形態のＡＥ回路を示す回路図である。
【図５】本発明の第１実施形態のＡＧＣ回路を示す回路図である。
【図６】本発明の第１実施形態の測光測距用固体撮像装置の動作を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の第１実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す断面構造図である。
【図８】本発明の第１実施形態のＡＦセンサとＡＥセンサの分光感度特性を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態の測光測距用固体撮像装置の動作を説明するフローチャートである。
【図１０】本発明の第３実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の回路ブロック図である。
【図１１】
本発明の第４実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の回路ブロック図である。
【図１２】本発明の第４実施形態の測光測距用固体撮像装置を示す概略の平面レイアウト図である。
【図１３】本発明の第５実施形態の測光測距用固体撮像装置を用いたカメラシステムを示す概略ブロック図である。
【図１４】従来例の撮像装置用自動測光装置を示す回路ブロック図である。
【符号の説明】
１、２１ ｐｎフォトダイオード
２ リセットＭＯＳトランジスタ
３、２０ ＣＭＯＳ差動増幅器
４ クランプ容量
５〜９ ＭＯＳスイッチ
１０ 最小値検出用差動増幅器
１１ 最大値検出用差動増幅器
１２、１３ ＭＯＳスイッチ
１４ ＯＲ回路
１５ 走査回路
１６、１７ 定電流ＭＯＳトランジスタ
１８ 共通出力線
２２ ｐｎダイオード
２５ バッファアンプ
２６ コンパレータ
３０ ＡＥ回路
３１、３２ ＣＣＤアレイ
３３ 光電変換回路
３４ 積分回路
３５、３６ 比較回路
３７ ＡＦ用カウンタ回路
３８ ＡＥ用カウンタ回路
４２、４３ 出力選択回路
４４、４５ バッファ
４６ 相関演算回路
４７ ＡＤコンバータ
４８ 主制御回路
４９ ＡＤなしマイコン
７１、１００ Ｎ型Ｓｉ基板
７２ Ｎ型エピタキシャル層
７３ ＰＷＬ
７４ ＮＷＬ
７５ Ｎ＋不純物層
７６ 薄い酸化膜
７７ ＬＯＣＯＳ
７８ ＰＯＬ配線
７９ 層間絶縁膜
８０ ＡＬ配線
８２ 遮光膜
８３ 保護膜
９１ 広角系フォトダイオード
９２ 望遠系フォトダイオード
１０１ ＡＦ回路ブロック
１０２ ＡＥ回路ブロック
１０３ 温度計回路
１０４ マルチプレクサ
１０５ ＡＧＣ回路
１０６ 電源回路
１０７ ロジック回路
１０８ 信号増幅回路
１０９ ＡＤ内蔵マイコン
１１０ 位相差検出型ＡＦセンサ回路
１１０Ａ 基準部ＡＦ回路
１１０Ｂ 参照部ＡＦ回路
１１２ ＡＤＣ（ＡＤコンバータ）
１２１ ＡＥ回路
１２２ Ｉｓ補償回路
１２３ 信号増幅回路
Claims (1)
- 測距を行うための測距用光電変換素子列と、前記測距用光電変換素子列に蓄積された電荷量に応じた電圧信号を出力する電圧モニタ手段と、測光を行うための測光用光電変換素子を含み且つ該測光用光電変換素子にて光電変換された信号を第１の露出量検出用信号として出力する第１の露出量検出手段とが同一半導体基板上に形成されており、前記測距用光電変換素子列のモニタ信号を第２の露出量検出用信号として出力する第２の露出量検出手段を備えたことを特徴とする測光測距用固体撮像装置。
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