JP2005175232A

JP2005175232A - 撮像及び焦点検出用固体撮像素子

Info

Publication number: JP2005175232A
Application number: JP2003414028A
Authority: JP
Inventors: Terutake Kadohara; 輝岳門原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】きれいな動画撮影も可能なＣＣＤセンサでの位相作検出方式による焦点検出可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】水平方向に一対のフォト・ダイオード１０１−１、１０１−２を隣接して配置するとともに、一対の垂直ＣＣＤ電荷転送路１０２−１、１０２−２を交互に配置し、前記一対の一対のフォト・ダイオード１０１−１、１０１−２毎に１個のオンチップマイクロレンズを配置する。さらには、前記一対のフォト・ダイオード１０１−１、１０１−２間には隔離のための障壁を設けず、感度のクロストークを持たせることで、上記課題を解決した。
【選択図】図１

Description

本発明はデジタルスティルカメラ、ビデオカメラ等撮影装置の撮影用固体撮像素子に関するものであり、特に焦点検出用撮像素子としても用いるものである。

従来、受光部（フォト・ダイオード）と垂直転送部（CCD：Charge Coupled Device で
構成）が蓄積電荷用読み出しゲートを挟んで縦に交互に配置されているインターライン型ＣＣＤセンサがデジタルカメラ、ビデオ等の撮影用としてよく用いられている。

図５は従来の一般的なインターライン型ＣＣＤセンサの概略構成図である。１０１は
開口部を備えた受光部であるフォト・ダイオードで、入射光に応じて光電変換を行い、電荷信号を発生する。１０２は垂直転送部で、フォト・ダイオード１０１で発生した電荷信号を不図示の蓄積電荷用読み出しゲートを介して矢印のように取り出す。

このＣＣＤセンサの受光領域での１画素単位の領域は図中の１０３（波線で囲まれた範囲）となり、実際には縦・横に密に接した状態で配置されることとなる。垂直転送部１０２に取り出された電荷信号は図での縦方向の矢印のように水平転送部１０４へ順に送り出され、水平転送部１０４により水平方向の矢印のようにセンサの外部へと送り出される。なお、いわゆるオンチップマイクロレンズ１０５は図のように受光部１０１と中心を合わせて配置されるのが基本的である。ただし、撮影領域の周辺領域においてはオンチップマイクロレンズを若干シフトさせ、撮影光束を無駄なく受光させるのが一般的である。

一方、特許文献１では図６のように、１つのフォト・ダイオード１０１に対し２系統の垂直転送部１０２−１、１０２−２を受光部の両側にほぼ対象的に配置した例が開示されている。これは、同じ受光部の電荷信号を異なるタイミングで取り出し、後で差を取ることで暗電流とスミアの影響を排除するためとしている。なお、このＣＣＤセンサの受光領域での１画素単位の領域を図５と同様に示すと、１０３（波線で囲まれた範囲）となり、オンチップマイクロレンズ１０５も図のように受光部１０１と中心を合わせて配置されることとなる。

また、特許文献２では図７のような平面図の開示は無いが、一対２つのフォト・ダイオード受光部１０１−１、１０１−２の両側にそれぞれ垂直転送部１０２−１、１０２−２を受光部の両側に配置し、更にオンチップマイクロレンズを２つのフォト・ダイオードに対して１つを配置する例が開示されている。これにより、フォト・ダイオードの面積を増加させて光感度の向上とスミア防止が可能としている。このＣＣＤセンサの受光領域での１画素単位の領域も同様に示すと、１０３（波線で囲まれた範囲）となり、オンチップマイクロレンズ１０５は図のように二つの受光部１０１−１と１０１−２の中間に中心を合わせて配置されることになる。なお、図中の１０６はチャンネルストップ領域で、隣接画素単位間の隔離を目的としたものである。

他方、特許文献３は本出願人により開示されている位相作検出方式による焦点検出可能な撮像素子及び装置である。ここでは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）構造のセンサにより、１つの受光部を２分割し、それぞれの受光電荷を加算して
読み出す撮影モードと別々に読み出す焦点検出モードを特徴としたものである。
特開平０７−２６４４９１号公報特開平０９−０６４３２９号公報特開２００１−０８３４０７号公報

上記本出願人による開示例はＣＭＯＳセンサによるものであるが、ＣＭＯＳセンサとＣＣＤセンサの特徴はそれぞれ一長一短である。特に動画撮影時に撮影画面全体の同時性が保たれる電子シャッター機能は今のところＣＣＤに顕著な優位性がある。

そこで本発明では、きれいな動画撮影も可能なＣＣＤセンサでの位相作検出方式による焦点検出可能な固体撮像素子を実現することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明では、同一半導体基板上に二次元状に形成された光電変換素子群と、前記光電変換素子群からの信号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤレジスタ群と前記垂直ＣＣＤレジスタ群の転送ゲートと共用化され前記光電変換素子群からの信号電荷を前記垂直ＣＣＤレジスタ群に転送する選択ゲートを備える垂直ＣＣＤ電荷転送路部と、前記各垂直ＣＣＤ電荷転送路からの信号電荷を水平方向に転送する水平読み出し部とを有する固体撮像素子において、水平方向に一対の前記光電変換素子と一対の前記垂直ＣＣＤ電荷転送路を交互に配置し、前記各光電変換素子における信号電荷は隣接した前記垂直ＣＣＤ電荷転送路へ読み出され、前記一対の光電変換素子間には隔離のための障壁を設けず感度のクロストークを持たせ、前記一対の光電変換素子毎に１個のオンチップマイクロレンズを設けた固体撮像素子を採用し、
更に、オンチップマイクロレンズを４つの光電変換素子毎に設け、同一のマイクロレンズの領域下にある４つの光電変換素子の間には障壁を設けない事を特徴とする固体撮像素子も提案するものである。

なお、上記固体撮像素子は撮影用と焦点検出用を兼用するものである。

これにより１つの固体撮像素子においても、動画及び静止画での撮像機能と測距機能の両立が可能になる。

以上説明した本発明によれば、ＣＣＤ撮像素子を用いた一眼レフレックスカメラにおいても専用の焦点検出用センサを備えることなく、ずれ検出方式による焦点検出・調節動作が可能になり、測距時間が短く軽快なずれ検出方式の有効性を十分引き出すことが可能になる。

また、撮像素子自身であるため、コンパクトタイプのデジタルカメラで一般的なコントラスト検出方式であるぼけＡＦでの合焦確認も容易となる。

以下に本発明の実施例について説明する。
以下、本発明の実施例に係る撮像及び焦点検出用の固体撮像素子について、図を参照しながら詳細に説明する。

一般的に、撮影レンズを通過した光束をセンサ上に再結像させて自動的に焦点調節させる方法は大きく二つの方式に分類され、ぼけ方式とずれ方式などと呼ばれている。
現在、ずれ方式と呼ばれる一対のセンサ上の像信号における相対的位置ずれを検出する方法が一眼レフカメラ等では一般的となっている。

ここでは、このずれ方式について図８を用いて簡単に説明する。基本的構成要素は図８に示したように、撮影レンズ（LNS）による被写体像が形成される予定結像面近傍に視野
マスク（MSK）とフィールドレンズ（FLDL）を配置し、その後方に多孔の絞り（DP-a、b）と２次結像レンズを有する２次光学系（AFL-a、b）を、更にその後方に複数の光電変換素子列（SNS-a、b）を配置したものである。

そして、上記の構成により撮影レンズの異なる２つの瞳領域（PUP-a、b）を通過した光束による２つの被写体像をそれぞれ異なる光電変換素子列上に再結像し、この２つの被写体像の相対的位置関係、即ち『ずれ』が撮影レンズの合焦状態により変化する事を利用して自動焦点検出装置が実現されている。

上記２つの被写体像の相対位置関係であるずれ量はその相関を求めることで得られる。これを具体的に求める演算方法の一例について図９を用いて説明する。

図９に示した２つの被写体像（Ａ、Ｂ像）のＡＮＤ領域の面積Ｕ（Ａ、Ｂ像の小さい方の値の総和）を片方の像（図ではＡ像）を光電変換素子１画素（ビット）ずつシフトさせ、その最大値を求めていく。２像が一致していれば必然的に最大値となるので、最大値をもたらすシフト量が２像の相対的ずれ量となる。

以上のような構成からなるずれ方式を撮像素子にて実現する場合、上記特許文献３により開示されているように、２つの受光部をひとつのマイクロレンズ下で隣接して配置する必要がある。

そこで実施例１では、水平方向に一対の光電変換素子と一対の垂直ＣＣＤ電荷転送路を交互に配置し、各光電変換素子における信号電荷を隣接する垂直ＣＣＤ電荷転送路へ読み出すものとし、一対の光電変換素子毎に1個のオンチップマイクロレンズを設けるものと
する。図１は上記構成の具体的一例を示すものである。なお、以下の説明では図５等に準拠した表記を行うものとする。

図１に示すように、開口部を備えた受光部であるフォト・ダイオード１０１−１、１０１−２は隣接して配置され、入射光に応じて光電変換を行い、電荷信号を発生する。垂直転送部１０２−１、１０２−２は、フォト・ダイオード１０１−１、１０１−２で発生した電荷信号を不図示の蓄積電荷用読み出しゲートを介して矢印のように左右に振り分けて取り出すものである。

このＣＣＤセンサの受光領域での撮像における１画素単位の領域は図中の１０３（波線で囲まれた範囲）となり、実際には縦・横に密に接した状態で配置されることとなる。

垂直転送部１０２−１、１０２−２に取り出された電荷信号は図での縦方向の矢印のように水平転送部１０４へ順に送り出され、水平転送部１０４により水平方向の矢印のようにセンサの外部へと送り出される。

撮像動作においては、１画素単位の電荷信号を得るために外部でフォト・ダイオード１０１−１、１０１−２で発生した電荷信号を加算するが、焦点検出動作では加算せずにそれぞれを図２におけるＡ、Ｂ像を構成する信号として扱う。

また、オンチップマイクロレンズ１０５は図のように受光部１０１−１、１０１−２の隣接部と中心を合わせて配置する。ただし、撮影領域の周辺領域においてはオンチップマイクロレンズを若干シフトさせ、撮影光束を無駄なく受光させることは有効となる。

なお、図中の１０６はチャンネルストップ領域であるが、本提案の構成上、隣接する垂直転送部の間にのみ設ける事とする。これにより、フォト・ダイオード１０１−１、１０１−２間で感度のクロストークが発生するが、これは焦点検出動作における瞳分割像の形状を滑らかにする効果がある。

この実施例２では、画素及びオンチップマイクロレンズの配置関係と焦点検出動作における視野（基線長）方向の関係について説明する。

上述の実施例1では、一つのオンチップマイクロレンズ下に対し2つの受光部が構成されている。この構成例では，焦点検出動作において検出可能な視野（基線長）方向は横方向、すなわち画素の並び方向であり、信号としては縦線の検知が可能となる。
図２に受光部の並び方向と視野方向の関係を示した。

同図において、（Ａ）は縦線検知可能な配置、（Ｂ）は横線検知可能な配置である。それぞれにおいて矢印方向の『ずれ』が検出可能となり、従ってそれに垂直方向の成分に対しての焦点検出が有効となる。

一般的な被写体に対し焦点検出可能とするには、上記のような横あるいは縦方向のみに検出可能なだけでは不充分で、両方向での焦点検出能力（縦横検知）が望まれる。

この実施例２は、図３に示すように、上記問題に対し横方向のみでなく縦方向にも同時に焦点検出可能とするため、一つのオンチップマイクロレンズ下に対し４つの受光部を構成したものである。

図３において、受光部であるフォト・ダイオードは１０１−１、１０１−２、１０１−３、１０１−４で、図示のように隣接して配置され、入射光に応じて光電変換を行い、電荷信号を発生する。また、図１同様に垂直転送部１０２−１、１０２−２が設けられて、各々のフォト・ダイオード１０１−１、１０１−３及び１０１−２、１０１−４で発生した電荷信号を不図示の蓄積電荷用読み出しゲートを介して矢印のように左右に振り分けて取り出す。

また、オンチップマイクロレンズ１０５は図示のように４つの受光部１０１−１、１０１−２、１０１−３、１０１−４の中央部と中心を合わせて配置する。

このCCDセンサの受光領域での撮像における１画素単位の領域は図中の１０３（波線で
囲まれた範囲）となり、実際には図１同様縦・横に密に接した状態で配置される。図中１０６はチャンネルストップ領域であるが、本実施例でも、隣接する垂直転送部の間にのみ設け、フォト・ダイオード１０１−１、１０１−２、１０１−３、１０１−４間で感度のクロストークを発生させる。この構成を採用することで図４に示したように、横方向のみでなく縦方向にも焦点検出用視野を設定することが可能となり、エリア上に受光部が配置されながらも縦横密にずれ方式での焦点検出領域の設定が可能になる。

本発明の実施例１の説明図である。本発明の実施例１での焦点検出視野方向の説明図である。本発明の実施例２の説明図である。本発明の実施例２での焦点検出視野方向の説明図である。本発明の実施例に係る従来例の説明図である。本発明の実施例に係る従来例の説明図である。本発明の実施例に係る従来例の説明図である。ずれ方式による焦点検出方法の説明図である。ずれ方式による焦点検出方法の説明図である。

符号の説明

LNS 撮影レンズ
PUP 撮影レンズの瞳領域
SNS 焦点検出用光電変換素子列
MSK 焦点検出用視野マスク
FLDL 焦点検出用フィールドレンズ
DP 焦点検出用絞り
AFL 焦点検出用２次光学系
101-1、101-2 フォト・ダイオード
101-3、101-4 フォト・ダイオード
102 垂直転送部
104 水平転送部
105 オンチップマイクロレンズ
106 チャンネルストップ領域

Claims

同一半導体基板上に二次元状に形成された光電変換素子群と、前記光電変換素子群からの信号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤレジスタ群と、前記垂直ＣＣＤレジスタ群の転送ゲートと共用化されるとともに前記光電変換素子群からの信号電荷を前記垂直ＣＣＤレジスタ群に転送する選択ゲートを備える垂直ＣＣＤ電荷転送路部と、前記各垂直ＣＣＤ電荷転送路からの信号電荷を水平方向に転送する水平読み出し部とを有する固体撮像素子において、
水平方向に一対の前記光電変換素子と一対の前記垂直ＣＣＤ電荷転送路が交互に配置されて、前記各光電変換素子における信号電荷が隣接した前記垂直ＣＣＤ電荷転送路へ読み出され、
前記一対の光電変換素子間には隔離のための障壁を設けず、感度のクロストークを持たせるとともに、
前記一対の光電変換素子毎に１個のオンチップマイクロレンズを設けることを特徴とする固体撮像素子。
請求項１記載の固体撮像素子において、オンチップマイクロレンズを４つの光電変換素子毎に設け、同一のマイクロレンズの領域下にある４つの光電変換素子の間には障壁を設けないことを特徴とする固体撮像素子。
請求項１又は２記載の固体撮像素子において、撮影用と焦点検出用とを兼用することを特徴とする固体撮像素子。