JP5034215B2 - 焦点検出用信号の生成機能を有する固体撮像装置 - Google Patents
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このような瞳分割位相差方式の原理を適用した固体撮像装置として、特許文献1,2が知られている。
このような理由から、従来の固体撮像装置では、焦点検出用信号の信号レベルが小さく、焦点検出精度の向上が難しいという問題点があった。
そこで、本発明では、焦点検出用信号の信号レベルを増大させることが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
本願発明者は、この点に着目して、焦点検出用に使用する画素サイズを、撮像用画素よりも大きくした。これによって、撮像用画素を微細化しても、焦点検出用画素の信号レベルを大きく確保することが可能になる。
その結果、撮像画像の高解像度化と、焦点検出精度の向上という従来相反する課題を同時に解決することが可能になる。また、低照度の環境下でも焦点検出可能なカメラシステムを構築することなどが可能になる。
[画素レイアウトの説明]
図1は、固体撮像装置11の焦点検出エリア(焦点検出用画素13の配置エリア)を示す図である。このような焦点検出エリアは、撮像面上の複数箇所に設けられる。
以下、図1を参照しながら、固体撮像装置11の画素構成を説明する。まず、固体撮像装置11の撮像面には、撮像用画素12の群が配置される。個々の撮像用画素12には、画素単位に受光光束を集光するマイクロレンズ12cと、集光された受光光束を光電変換する光電変換域12eが設けられる。この撮像面には、不図示の撮影レンズを介して被写体像が投影される。撮像用画素12の群は、この被写体像を画素単位に光電変換することによって、画像信号を生成する。
焦点検出用画素13には、その大きな区画をカバーするように、マイクロレンズ12cより大きなマイクロレンズ13cが配置される。このマイクロレンズ13cの集光範囲に収まるように、一組の光電変換域13a,13bが並べて配置される。この光電変換域13a,13bはいずれも長方形状を成し、その長辺方向が複数の撮像用画素12に跨るサイズを有する。
例えば、撮像面の横方向に並べた光電変換域13a,13bは、射出瞳を横方向に分割した瞳分割光束をそれぞれ受光する。
また例えば、撮像面の縦方向に並べた光電変換域13a,13bについては、射出瞳を縦方向に分割した瞳分割光束をそれぞれ受光する。
撮像面上では、これらの焦点検出用画素13が、その瞳分割の方向に並ぶように、所定のピッチごとに配置される。なお、図1では、これらの焦点検出用画素13が単純に一直線に並ばないよう、その並び方を千鳥足状にずらしている。
図2は、固体撮像装置11の半導体パターンを示す図である。
図3は、固体撮像装置11の等価回路を示す図である。
固体撮像装置11は、垂直転送回路3、水平転送回路4、相関二重サンプリング回路5、および画素読み出し回路から概略構成される。この内、画素読み出し回路は、光電変換域12e,13a,13bごとに1つずつ設けられる。
読み出し回路内には、フローティングデフージョンFDが設けられる。このフローティングデフージョンFDの隣には、リセットトランジスタQRのゲート34を介して、リセットドレイン38が配置される。このフローティングデフージョンFDと光電変換域12e,13a,13bとの間には、転送トランジスタQTの転送ゲート33が配置される。このようなフローティングデフージョンFDの電圧は、配線を介して増幅素子QAのゲート35に印加される。増幅素子QAのソース39は、行選択トランジスタQSのゲート36をオン制御することにより、垂直読み出し線2に接続される。
図4は、固体撮像装置11の読み出し動作を説明するタイミングチャートである。
以下、図2〜4を参照しながら、焦点検出用信号の読み出し動作について説明する。
まず、垂直転送回路3は、期間T1の間、制御信号φL(n)をハイレベルに設定することにより、焦点検出用画素13の存在するn行目の行選択トランジスタQSを選択的に導通させる。
期間T2の後、リセットトランジスタQRが非導通に変化すると、フローティングデフージョンFDは、フローティング状態に戻り、その瞬間の電圧(リセット電圧)を保持する。このn行目のリセット電圧は、増幅素子QAを介して垂直読み出し線2にソースホロワ出力される。
次に、垂直転送回路3は、制御信号φTG(n)を用いて、n行目の転送トランジスタQTを期間T4だけ導通させる。この導通によって、信号電荷がフローティングデフージョンFDに転送され、フローティングデフージョンFDの電圧がリセット電圧から信号電圧に変化する。このn行目の信号電圧は、増幅素子QAを介して垂直読み出し線2にソースホロワ出力される。
この状態で、水平転送回路4は、焦点検出用画素13が存在する列の制御信号φH1,φH2を用いて、光電変換域13a,13bの真の信号電圧をVoutから順次に読み出す。
以上の動作を個々の焦点検出用画素13について繰り返すことにより、全画素を読み出すことなく、焦点検出用信号を短時間に読み出すことが可能になる。
ここでは、上述した焦点検出用信号を用いた焦点検出の原理について説明する。
まず、1つの焦点検出用画素13に到達する受光光束は、撮影レンズの射出瞳を通過した光束である。この画素単位の受光光束は、焦点検出用画素13内に配置した一組の光電変換域13a,13bに分かれて光電変換される。その結果、一組の光電変換域13a,13bは、撮影レンズの射出瞳の異なる位置を通過した光束(瞳分割光束)を光電変換する。なお、マイクロレンズ13cの集光中心を外した位置に光電変換域13a,13bを配置することにより、画素単位の受光光束を効率良く瞳分割することができる。
逆に、後ピン状態の被写体から出た光束は、撮影レンズの射出瞳の異なる箇所をそれぞれ通過した後、集束不足のまま撮像面上のずれた画素位置に到達する。この場合、光電変換域13a側の像パターンと、光電変換域13b側の像パターンは、前ピン状態と逆方向にずれる。
以上説明したように、撮影レンズの合焦状況に応じて、像パターン間の位相差が変化する。そこで、焦点検出用信号から双方の像パターンを求め、パターンマッチングなどで像ズレ(位相差)を検出することによって、撮影レンズの合焦状況やデフォーカス量を検出することが可能になる。
上述した焦点検出用信号の読み出し手順を、撮像用画素12ごとに順次繰り返すことにより、1画面分の画像信号を読み出すことができる。
なお、焦点検出用画素13の配置箇所については、画像信号が欠落する。この欠落部分の画像信号は、周辺の画像信号を用いて補間することが可能である。また、焦点検出用画素13の光電変換域13a,13bの信号に基づいて、欠落部分の画像信号を生成してもよい。
第1実施形態では、焦点検出用画素13のサイズが、撮像用画素12のサイズよりも大きい。そのため、焦点検出用画素13の受光効率は高く、焦点検出用信号の信号レベルは増大する。その結果、焦点検出の精度を高めることが可能になる。
図5は、固体撮像装置41の焦点検出エリア(焦点検出用画素43,53の配置エリア)を示す図である。
第2実施形態の特徴は、第1実施形態の焦点検出用画素13に代えて、撮像用画素12の(2×1)個分に相当する区画を占有する焦点検出用画素43,53を設けた点である。
この焦点検出用画素43の区画内には、楕円形のマイクロレンズ43cと光電変換域43bとが1つずつ設けられる。この光電変換域43bは、撮像用画素12の複数個に跨る長さの長方形状を成し、マイクロレンズ43cの中心から短軸方向にずらして配置される。
一方、焦点検出用画素53の区画内には、楕円形のマイクロレンズ53cと光電変換域53aとが1つずつ設けられる。この光電変換域53aは、撮像用画素12の複数個に跨る長さの長方形状を成し、マイクロレンズ53cの中心から短軸方向にずらして配置される。
このように隣接する焦点検出用画素43,53において、光電変換域43b,53aのずらし方向を逆にすることで、焦点検出用画素43,53を用いて一組の瞳分割光束を受光することが可能になる。
なお、画像信号および焦点検出用信号の読み出し動作については、第1実施形態と同様であるため、ここでの動作説明を省略する。
第2実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、第2実施形態では、光電変換域43b,53aごとにマイクロレンズ43c,53cを専用に設ける。したがって、より適切な形状のマイクロレンズ43c,53cを設けることが可能になる。
図6は、固体撮像装置51の焦点検出エリア(焦点検出用画素43,53の配置エリア)を示す図である。第3実施形態の特徴は、対を成す焦点検出用画素43,53を斜め位置にずらして配置した点である。なお、その他の構成は第2実施形態と同様であるため、ここでの説明を省略する。
なお、図7は、焦点検出用画素43,53の配列幅を広げた変形の一例である。
配列幅を広げることで、焦点検出用信号のサンプル数を増やすことが可能になる。その結果、焦点検出の結果を平均化するなどの処理が可能となり、焦点検出精度を更に高めることが可能になる。
第3実施形態においても、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、第3実施形態では、図6に示すように、対を成す焦点検出用画素43,53を斜めに配置するので、個々の焦点検出用画素43,53の上下左右には、撮像用画素12が必ず存在するようになる。その結果、焦点検出用画素43,53によって欠落する画像信号を、周囲の撮像用画素12を用いて高品質に補間することが可能になる。
図8は、第4実施形態の画素配列を示す図である。第4実施形態の特徴は、対を成す焦点検出用画素43,53を瞳分割方向と直交する方向(図8では縦方向)に並べて配置した点である。なお、その他の構成は第2実施形態と同様であるため、ここでの説明を省略する。
第4実施形態においても、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、第4実施形態では、対を成す焦点検出用画素43,53間で瞳分割方向における間隔がほぼゼロとなる。したがって、焦点検出用画素43側で得た像パターンと、焦点検出用画素53側で得た像パターンとが一致するか否かを、より正確に判定することができる。したがって、より厳密な合焦判定が可能になる。
図9は、固体撮像装置71の焦点検出エリア(焦点検出用画素73,83の配置エリア)を示す図である。第5実施形態の特徴は、焦点検出用画素73,83のマイクロレンズ73c,83cを瞳分割方向に長くする。なお、光電変換域73a,83bについては、マイクロレンズ73c,83cの短軸方向に収まる寸法まで縮小される。
焦点検出用画素73,83は、それぞれ瞳分割方向に並ぶように千鳥配置される。
なお、その他の構成は第3実施形態と同様であるため、ここでの説明を省略する。
第5実施形態においても、第3実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、第5実施形態では、マイクロレンズ73c,83cを瞳分割方向に長くする。そのため、瞳分割方向については、マイクロレンズの辺縁が遠くなり、回折現象の影響が小さくなる。したがって、瞳分割方向における光束の乱れが少なくなり、受光光束をより厳密に瞳分割することが可能になる。その結果、焦点検出の精度を高めることが可能になる。
なお、上述した実施形態において、撮像用画素にカラーフィルタを配置することで、カラー画像信号を生成してもよい。また、焦点検出用画素については、カラーフィルタを省略することで、受光効率を高めることが好ましい。
Claims (10)
- 撮像面に複数設けられ、画素単位の受光光束を光電変換して、画像信号を生成する撮像用画素の群と、
前記撮像用画素それぞれの前面に配置される円形のマイクロレンズと、
前記撮像用画素の群の中に設けられ、前記撮像用画素の群の一の配列方向における複数個の前記撮像用画素に相当する大きさの矩形状の区画を有し、区画単位の受光光束を瞳分割して光電変換し、焦点検出用信号を生成する複数の焦点検出用画素と、
前記焦点検出用画素それぞれの前面に配置される楕円形のマイクロレンズとを備え、
前記焦点検出用画素は、
前記区画のうち前記楕円形のマイクロレンズの中心から短軸方向にずれた位置に、前記複数個の撮像用画素に跨るサイズを有する長方形状の光電変換領域をさらに備え、
前記焦点検出用画素は、前記光電変換領域のずらし方向が異なる焦点検出用画素と他の配列方向で隣接して一対をなす
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 撮像面に複数設けられ、画素単位の受光光束を光電変換して、画像信号を生成する撮像用画素の群と、
前記撮像用画素それぞれの前面に配置される円形のマイクロレンズと、
前記撮像用画素の群の中に設けられ、前記撮像用画素の群の一の配列方向における複数個の前記撮像用画素に相当する大きさの矩形状の区画を有し、区画単位の受光光束を瞳分割して光電変換し、焦点検出用信号を生成する複数の焦点検出用画素と、
前記焦点検出用画素それぞれの前面に配置される楕円形のマイクロレンズとを備え、
前記焦点検出用画素は、
前記区画のうち前記楕円形のマイクロレンズの中心から短軸方向にずれた位置に、前記複数個の撮像用画素に跨るサイズを有する長方形状の光電変換領域をさらに備え、
前記焦点検出用画素は、前記光電変換領域のずらし方向が異なる焦点検出用画素と前記一の配列方向に対して斜め方向で隣接して一対をなす
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 撮像面に複数設けられ、画素単位の受光光束を光電変換して、画像信号を生成する撮像用画素の群と、
前記撮像用画素それぞれの前面に配置される円形のマイクロレンズと、
前記撮像用画素の群の中に設けられ、前記撮像用画素の群の一の配列方向における複数個の前記撮像用画素に相当する大きさの矩形状の区画を有し、区画単位の受光光束を瞳分割して光電変換し、焦点検出用信号を生成する複数の焦点検出用画素と、
前記焦点検出用画素それぞれの前面に配置される楕円形のマイクロレンズとを備え、
前記焦点検出用画素は、
前記区画のうち前記楕円形のマイクロレンズの中心から短軸方向にずれた位置に、前記複数個の撮像用画素に跨るサイズを有する長方形状の光電変換領域をさらに備え、
前記焦点検出用画素は、前記光電変換領域のずらし方向が異なる焦点検出用画素と前記一の配列方向で隣接して一対をなす
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 撮像面に複数設けられ、画素単位の受光光束を光電変換して、画像信号を生成する撮像用画素の群と、
前記撮像用画素それぞれの前面に配置される円形のマイクロレンズと、
前記撮像用画素の群の中に設けられ、前記撮像用画素の群の一の配列方向における複数個の前記撮像用画素に相当する大きさの矩形状の区画を有し、区画単位の受光光束を瞳分割して光電変換し、焦点検出用信号を生成する複数の焦点検出用画素と、
前記焦点検出用画素それぞれの前面に配置される楕円形のマイクロレンズとを備え、
前記焦点検出用画素は、
前記区画のうち前記楕円形のマイクロレンズの中心から長軸方向にずれた位置に、光電変換領域をさらに備え、
前記焦点検出用画素は、前記光電変換領域のずらし方向が異なる焦点検出用画素と前記一の配列方向に対して斜めの方向で隣接して一対をなす
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 撮像面に複数設けられ、画素単位の受光光束を光電変換して、画像信号を生成する撮像用画素の群と、
前記撮像用画素それぞれの前面に配置される円形のマイクロレンズと、
前記撮像用画素の群の中に設けられ、前記撮像用画素の群の一の配列方向における複数個の前記撮像用画素に相当する大きさの矩形状の区画を有し、区画単位の受光光束を瞳分割して光電変換し、焦点検出用信号を生成する複数の焦点検出用画素と、
前記焦点検出用画素それぞれの前面に配置される楕円形のマイクロレンズと、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項5に記載の固体撮像装置において、
前記焦点検出用画素は、
前記区画のうち前記楕円形のマイクロレンズの中心から短軸方向にずれた位置に、前記複数個の撮像用画素に跨るサイズを有する長方形状の光電変換領域をさらに備え、
前記焦点検出用画素は、前記光電変換領域のずらし方向が異なる焦点検出用画素と隣接して一対をなす
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項5に記載の固体撮像装置において、
前記焦点検出用画素は、
前記区画のうち前記楕円形のマイクロレンズの中心から長軸方向にずれた位置に光電変換領域をさらに備え、
前記焦点検出用画素は、前記光電変換領域のずらし方向が異なる焦点検出用画素と隣接して一対をなす
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項6または請求項7に記載の固体撮像装置において、
複数の一対の前記焦点検出用画素は、前記瞳分割の方向に沿って配置される
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項1ないし請求項4、請求項8のいずれか1項に記載の固体撮像装置において、
複数の一対の前記焦点検出用画素は、前記瞳分割の方向に沿って千鳥配置される
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の固体撮像装置において、
前記焦点検出用画素は、前記一の配列方向に隣接する前記撮像用画素2個に相当する区画を占有する
ことを特徴とする固体撮像装置。
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