JP2012182824A - 焦点検出用信号の生成機能を有する固体撮像装置、および電子カメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 カラー画像を撮像する固体撮像装置において、良質な焦点検出用信号を生成する技術を提供することを目的とする。
【解決手段】 撮像面の画素単位に配置されたマイクロレンズと、画素単位に配置され、少なくとも行方向で隣接する画素単位と異なる色を有し隣接する画素単位と所定の最小色配列をなす色フィルタと、画素単位に配置され、マイクロレンズおよび色フィルタを透過した光を光電変換して画素信号を生成する光電変換域とを備え、少なくとも一部の最小色配列をなす画素単位それぞれに配置される光電変換域は、マイクロレンズの通過光束の中心軸に対して所定の瞳分割方向に偏って配置され、近接する最小色配列の同色画素間において、光電変換域の偏りは対称関係をなす。
【選択図】 図１

Description

本発明は、焦点検出用信号の生成機能を有する固体撮像装置に関する。
また、本発明は、その固体撮像装置を搭載した電子カメラに関する。

従来、焦点検出技術の１つとして瞳分割位相差方式が知られている。この方式では、撮影レンズの通過光束を分割して一対の分割像を形成する。この一対の分割像のパターンズレを検出することによって、撮影レンズのデフォーカス量を検出できる。
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が知られている。特許文献１には、マイクロレンズ１つの下方に、光電変換域を２つずつ並べることで瞳分割を行い、焦点検出用信号を生成する。

特開２００３−２４４７１２号公報

上述した特許文献１では、焦点検出用画素の色フィルタを省略して、焦点検出用画素の受光効率を高めている。しかしながら、この特許文献１の構成では、焦点検出用画素から色情報を生成することができず、良質なカラー画像信号を生成できないという問題点があった。
そこで、本発明は、カラー画像を撮像する固体撮像装置において、良質な焦点検出用信号と、良質なカラー画像信号を生成する技術を提供することを目的とする。

本発明を例示する固体撮像装置の一態様は、マイクロレンズ、色フィルタ、および光電変換域を備える。
マイクロレンズは、撮像面の画素単位に配置される。
色フィルタは、画素単位に配置され、少なくとも行方向で隣接する画素単位と異なる色を有し隣接する画素単位と所定の最小色配列をなす。
光電変換域は、画素単位に配置され、マイクロレンズおよび色フィルタを透過した光を光電変換して画素信号を生成する。
上述の構成において、少なくとも一部の最小色配列をなす画素単位それぞれに配置される光電変換域は、マイクロレンズの通過光束の中心軸に対して所定の瞳分割方向に偏って配置される。
この光電変換域の偏りは、近接する最小色配列の同色画素間において、対称関係をなす。
なお好ましくは、色フィルタは、行方向および列方向で隣接する画素単位と異なる色を有し隣接する画素単位と最小色配列をなす。
なお好ましくは、最小色配列は、縦２画素×横２画素のベイヤ配列であり、近接する縦２画素×横２画素の画素ブロック間において、光電変換域の偏りは対称関係をなす。
本発明を例示する電子カメラの一態様は、本発明の固体撮像装置、焦点演算部、および画像処理部とを備える。
焦点演算部は、固体撮像装置から、偏って配置された光電変換域の画素信号を読み出し、同色かつ対称関係にある画素信号の位相差に基づいて焦点検出を行う。
一方、画像処理部は、固体撮像装置から、光電変換域の画素信号を読み出し、同色かつ対称関係にある画素信号を均等に参照して欠落色情報を補間する。

上述した特許文献１では、１つ分の画素区画内に、２つの光電変換域を配置していた。そのため、高解像度化によって画素サイズが微細化するに従って、焦点検出用信号の信号レベルやダイナミックレンジが低下していた。
本発明者は、この点に鑑みて、画素区画内の光電変換域を偏らせることで、１つの画素区画から瞳分割信号の片方を得るようにした。この構成では、複数の画素区画を組み合わせて、一組の瞳分割信号を得る。その結果、画素区画内の光電変換域のスペースを大きく確保して、焦点検出用信号の信号レベルやダイナミックレンジを大きくできる。このような本発明の固体撮像装置により、焦点検出精度の高いカメラシステムを構築することが可能になる。

また、本発明では、近接する最小色配列の相互間において、同色画素の偏りを対称関係にレイアウトする。その結果、この対称関係にある同色同士の画素出力を組み合わせて、同色同士の焦点検出信号を生成することが可能になる。この場合、瞳分割方向における同色画素の距離程度まで、焦点検出信号の位相差検出精度を高めることが可能になる。

さらに、本発明の固体撮像装置を搭載した電子カメラでは、偏りが対称な同色同士の画素出力を参照することで、偏りの少ない良質な色補間を実施できる。その結果、良質なカラー画像信号の最終出力を得ることが可能になる。

本実施形態の電子カメラ１０を示すブロック図である。 固体撮像装置１１の画素構成を示す図である。 固体撮像装置１１の画素断面を示す図である。 固体撮像装置１１の回路を説明する図である。 焦点検出信号の読み出し動作を説明するタイミングチャートである。 分割像の色配列パターンを示す図である。 ベイヤ配列の固体撮像装置１１ａの画素構成を示す図である。 補色配列の固体撮像装置１１ｂの画素構成を示す図である。 ストライプ配列の固体撮像装置１１ｃの画素構成を示す図である。

《第１実施形態》
［電子カメラの構成説明］
図１は、本実施形態の電子カメラ１０を示すブロック図である。
図１において、電子カメラ１０には、撮影レンズ１２が装着される。この撮影レンズ１２は、レンズ制御部１２ａによってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ１２の像空間には、固体撮像装置１１の撮像面が配置される。この固体撮像装置１１は、撮像制御部１４によって駆動される。固体撮像装置１１から出力される画像データは、信号処理部１５、およびＡ／Ｄ変換部１６を介して処理された後、メモリ１７に一時蓄積される。
このメモリ１７は、バス１８に接続される。このバス１８には、レンズ制御部１２ａ、撮像制御部１４、マイクロプロセッサ１９、焦点演算部２０、記録部２２、画像圧縮部２４および画像処理部２５なども接続される。
上記のマイクロプロセッサ１９には、レリーズ釦などの操作部１９ａが接続される。また、上記の記録部２２には、記録媒体２２ａが着脱自在に装着される。

［画素レイアウトの説明］
図２は、固体撮像装置１１の画素構成を説明する図である。図３は、固体撮像装置１１のＧＲ行の画素断面を示す図である。なお、ＧＢ行の画素断面は、図３と同様であるため、図示を省略している。
以下、図２および図３を参照しながら、固体撮像装置１１の構成を説明する。まず、固体撮像装置１１の撮像面には、単位画素３１の画素区画が複数設けられる。この単位画素３１には、マイクロレンズ３２がそれぞれ設けられる。このマイクロレンズ３２の下層には、色フィルタ３３を介して、光電変換域３４が設けられる。

この色フィルタ３３は、ＲＧＢベイヤ配列の最小色配列（縦２画素×横２画素）の配色繰り返しに従って色分けされる。
一方、光電変換域３４は、マイクロレンズ３２の通過光束の中心軸に対して片側にずらすことで偏向配置される。この配置により、光電変換域３４は、マイクロレンズ３２の通過光束の一部（瞳分割光束）を光電変換する。

瞳分割方向に近接する最小色配列Ｃ１，Ｃ２の同色画素間では、この光電変換域３４の偏向方向は、おのおの正反対の向きに設定される。すなわち、最小色配列Ｃ１では、光電変換域３４が図面の右方向に偏る。最小色配列Ｃ２では、光電変換域３４が図面の左方向に偏る。この偏り方は、マイクロレンズ３２の中心または、通過光束の断面中心に対して、対称関係をなす。
なお、瞳分割方向の直交方向に近接する最小色配列Ｃ１，Ｃ３の同色画素間においても、偏向方向が対称関係をなすことが更に好ましい。

［回路説明］
図４は、固体撮像装置１１の等価回路と半導体パターンを示す図である。
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などの周辺回路、および画素部から概略構成される。
以下、この画素部の構成について説明する。画素部には、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には、リセットトランジスタＱＲのゲート１３４を介して、リセットドレイン１３８が隣接配置される。このフローティングデフージョンＦＤと光電変換域３４との間には、転送トランジスタＱＴの転送ゲート１３３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１３５に印加される。増幅素子ＱＡのソース１３９は、行選択トランジスタＱＳのゲート１３６をオン制御することにより、垂直読み出し線２に電気的に接続される。

［焦点検出信号の読み出し動作］
図５は、焦点検出信号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４および図５を参照しながら、この読み出す動作を説明する。
まず、垂直転送回路３は、電子カメラ１０側から指示される焦点検出エリアに該当する画素行（ここではｎ行目）について、制御信号φＲＳ（ｎ）と制御信号φＴＧ（ｎ）を立ち上げる。これにより、ｎ行目の光電変換域３４の不要電荷は、転送トランジスタＱＴ、フローティングデフージョンＦＤ、およびリセットトランジスタＱＲを順に介して、リセットドレイン１３８に排出される。

その後、垂直転送回路３は、ｎ行目の制御信号φＴＧ（ｎ）を立ち下げて、転送トランジスタＱＴを非導通に変化させる。この時点から、ｎ行目の光電変換域３４は信号電荷の蓄積を開始する。
この状態で、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し、ｎ行目の行選択トランジスタＱＳを導通させる。なお、ｎ行目のリセットトランジスタＱＲの導通状態は更に期間Ｔ２だけ維持される。この導通状態の維持によって、ｎ行目のフローティングデフージョンＦＤは、リセットドレイン１３８の電位にリセットされる。

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る。フローティングデフージョンＦＤは、このスイッチングの瞬間の電圧（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。
このように垂直読み出し線２からは、ｎ行目のリセット電圧が列単位に出力される。これらのリセット電圧は、制御信号φＳＨの立ち下げタイミング（期間Ｔ３の終了時点）に同期して、相関二重サンプリング回路５（回路内のコンデンサ群）に保持される。

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、ｎ行目の光電変換域３４に蓄積された信号電荷が、フローティングデフージョンＦＤに転送される。この転送動作に伴って、フローティングデフージョンＦＤの電圧はリセット電圧から信号電荷の転送分だけ相対変化する。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。

このように垂直読み出し線２を介して列単位に出力されるｎ行目の信号電圧は、相関二重サンプリング回路５に印加される。相関二重サンプリング回路５からは、この信号電圧とリセット電圧の差に相当する真の信号電圧が出力される。
この状態で、水平転送回路４は、焦点検出エリアに該当する画素列の制御信号φＨ１，φＨ２・・を順次駆動し、真の信号電圧をＶｏｕｔから順次に読み出す。

以上の動作を、電子カメラ１０側から指示される焦点検出エリアに限定し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。
また、このような読み出し動作では、行方向に並ぶ光電変換域３４において、光電変換の期間を一致させることができる。そのため、時間差なく瞳分割を行うことが可能となり、動体被写体であっても瞳分割像の一致度が損なわれない。その結果、正確かつ確実な焦点検出が可能になる。
なお、ここでは電子シャッタ制御（不要電荷の事前排出）を併用する読み出し動作を説明したが、機械シャッタの開閉制御を併用した読み出し動作を行うことも可能である。

［焦点検出の動作について］
続いて、焦点検出用信号を用いた焦点検出の原理を説明する。
まず、マイクロレンズ３２の通過光束は、撮影レンズ１２の射出瞳を出た略コーン状の光束である。マイクロレンズ３２は、この通過光束を集光することにより、射出瞳の実像を形成する。マイクロレンズ３２は、この像形成によって、射出瞳の半分から入射する光束（図３に示す実線の光束）を実像の片側へ集め、射出瞳のもう半分から入射する光束（図３に示す点線の光束）を実像のもう片側へ集める。この射出瞳の実像の像面近傍には、光電変換域３４が偏向配置される。この配置により、光電変換域３４は、射出瞳の片側を通過した光束（瞳分割光束）を光電変換する。

なお、近接する最小色配列Ｃ１と最小色配列Ｃ２，Ｃ３間では、光電変換域３４の偏向方向が、正反対の向きに設定される。この対称形の配置により、近接する同色画素は、撮影レンズ１２の射出瞳の異なる箇所を通った瞳分割光束をそれぞれ受光するようになる。その結果、近接する同色画素を組にした焦点検出信号を生成することが可能になる。
焦点演算部２０では、この焦点検出信号を、光電変換域３４の偏向方向に応じて分配することにより、一組の分割像パターンを求める。焦点演算部２０は、この分割像を瞳分割方向にずらしてパターンマッチングを行うことで、分割像の位相差（像ズレ）を検出する。この位相差に基づいて撮影レンズ１２の合焦状況やデフォーカス量を検出することができる。

図６は、一組の分割像の色配列パターンを示す図である。近接する同色画素は分割像にそれぞれ分配されるため、この図６に示すように分割後の色配列パターンはほぼ等しくなる。この色配列の相似により、分割像Ｘ，Ｙの位相差を同色画素の近接距離程度の精度で正確に検出することが可能になる。
なお、瞳分割方向に並ぶ最小色配列Ｃ１，Ｃ２間で位相差を検出すれば、被写体の斜めエッジなどに影響されずに正確に焦点検出を行うことが可能になる。
さらに、瞳分割方向に直交して並ぶ最小色配列Ｃ１，Ｃ３間で位相差を検出すれば、瞳分割方向の近接距離がほぼゼロとなるので、高精度に焦点検出（特に合焦判定）を行うことが可能になる。

［画像信号の読み出し動作について］
なお、固体撮像装置１１から画像信号を読み出す動作については、上述した焦点検出用信号と同様の読み出し手順を、単位画素３１ごとに繰り返すことによって可能となる。この場合、画像処理部２５は、偏りが対称な同色同士の画素出力を参照して色補間を実施することにより、偏りの少ない良質なカラー画像信号を生成することが可能になる。

［第１実施形態の効果など］
以上説明したように、第１実施形態では、同色同士を組にした焦点検出信号を生成することが可能になる。そのため、分割像の位相差検出が容易かつ正確になる。
また、第１実施形態では、近接する同色画素を対称に偏向配置するため、偏りの少ない良質な色補間を実施できる。

さらに、第１実施形態では、１つの画素区画に１つの光電変換域３４を設ける。そのため、１つの画素区画に２つの光電変換域を設ける従来技術に比べ、画素区画内の回路構成を簡略化できる。

特に、従来技術では、画素区画の中央に２つの光電変換域の分離領域を例えば０．３〜０．６μｍ程度設ける必要があった。この場合、撮影レンズ１２の絞りを閉じるに従って、マイクロレンズ３２の通過光束が細くなって分離領域に集中し、撮像不能および焦点検出不能になるという問題点があった。しかしながら、第１実施形態では、１つの画素区画に１つの光電変換域３４を設けるため、マイクロレンズ３２の通過光束の中心軸ぎりぎりまで光電変換域３４を配置することが容易となる。その結果、撮影レンズ１２をある程度絞った状態でも、撮像および焦点検出が可能になる。
次に、別の実施形態について説明する。

《第２実施形態》
図７は、ベイヤ配列の固体撮像装置１１ａの画素構成を示す図である。なお、その他のカメラ構成や動作などについては第１実施形態と同じため、ここでの重複説明を省略する。
図７に示すように、最小色配列Ｃ１，Ｃ２は、縦２画素×横２画素の画素ブロックによって構成される。この最小色配列Ｃ１では、Ｇｒ画素（ＧＲ行のＧ）およびＧｂ画素（ＧＢ行のＧ）が図面右方向に偏り、Ｒ画素およびＢ画素が図面左方向に偏る。一方、最小色配列Ｃ１に近接する最小色配列Ｃ２，Ｃ３では、Ｇｒ画素（ＧＲ行のＧ）およびＧｂ画素（ＧＢ行のＧ）が図面左方向に偏り、Ｒ画素およびＢ画素が図面右方向に偏る。
第２実施形態も、最小色配列Ｃ１，Ｃ２間および最小色配列Ｃ１，Ｃ３間において、同色画素の偏りが対称関係を成す。そのため、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。

《第３実施形態》
図８は、補色配列の固体撮像装置１１ｂの画素構成を示す図である。なお、その他のカメラ構成や動作などについては第１実施形態と同じため、ここでの重複説明を省略する。
図８に示すように、最小色配列Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は、縦２画素×横２画素の画素ブロックによって構成される。この最小色配列Ｃ１では、Ｇ画素およびＣｙ画素が図面右方向に偏り、Ｍｇ画素およびＹｅ画素が図面左方向に偏る。一方、最小色配列Ｃ２，Ｃ３では、Ｇ画素およびＣｙ画素が図面左方向に偏り、Ｍｇ画素およびＹｅ画素が図面右方向に偏る。
第３実施形態も、最小色配列Ｃ１，Ｃ２間および最小色配列Ｃ１，Ｃ３間において、同色画素の偏りは対称関係を成す。そのため、第３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。

《第４実施形態》
図９は、ストライプ配列の固体撮像装置１１ｃの画素構成を示す図である。なお、その他のカメラ構成や動作などについては第１実施形態と同じため、ここでの重複説明を省略する。
図９に示すように、最小色配列Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は、３画素×１画素の画素ブロックによって構成される。この最小色配列Ｃ１では、Ｇ画素が図面右方向に偏り、Ｒ画素およびＢ画素が図面左方向に偏る。一方、最小色配列Ｃ２，Ｃ３では、Ｇ画素が図面左方向に偏り、Ｒ画素およびＢ画素が図面右方向に偏る。
第４実施形態も、最小色配列Ｃ１，Ｃ２間および最小色配列Ｃ１，Ｃ３間において、同色画素の偏りは対称関係を成す。そのため、第４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。

《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態では、上述したような瞳分割を図面横向きに行うケースを説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。撮像面上の光電変換域３４には、瞳分割方向を縦／横／斜めなどに変えた複数のバリエーションが存在してもよい。このように瞳分割方向を多様化することによって、縦エッジ／横エッジ／斜めエッジのいずれの被写体についても確実な焦点検出が可能になる。

また、上述した実施形態では、色フィルタ３３の配列パターンについて具体例をあげて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。配列パターンに応じて最小色配列を決定し、近接する最小色配列間において同色画素の偏向方向が対称関係を成すように設計すればよい。

なお、上述した実施形態では、撮像面の全域にわたって、光電変換域３４を偏向配置する。この構成によって、所望の領域を柔軟に選択して、その領域から焦点検出用信号を読み出すことが可能になる。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、予め定められた焦点検出エリア内に限って、光電変換域３４を偏向配置してもよい。

また、上述した実施形態では、ＸＹアドレス方式（ＣＭＯＳ型など）の固体撮像装置のケースについて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。ＣＣＤ型固体撮像装置などに本発明を適用してもよい。

なお、上述した実施形態において、最小色配列内において斜めに近接する同色画素（Ｇｂ画素とＧｒ画素など）間において光電変換域３４が対称関係をなすように配置してもよい。この場合、斜めの同色画素を組み合わせて焦点検出信号を生成することができる。

以上説明したように、本発明は、焦点検出信号の生成機能を有する固体撮像装置などに利用可能な技術である。

Ｃ１…最小色配列，Ｃ２…最小色配列，１０…電子カメラ，１１…固体撮像装置，１２…撮影レンズ，１２ａ…レンズ制御部，１４…撮像制御部，１５…信号処理部，２０…焦点演算部，２５…画像処理部，３１…単位画素，３２…マイクロレンズ，３３…色フィルタ，３４…光電変換域

Claims (4)

1. 撮像面の画素単位に配置されたマイクロレンズと、
   前記画素単位に配置され、少なくとも行方向で隣接する前記画素単位と異なる色を有し前記隣接する画素単位と所定の最小色配列をなす色フィルタと、
   前記画素単位に配置され、前記マイクロレンズおよび前記色フィルタを透過した光を光電変換して画素信号を生成する光電変換域とを備え、
   少なくとも一部の前記最小色配列をなす前記画素単位それぞれに配置される前記光電変換域は、前記マイクロレンズの通過光束の中心軸に対して所定の瞳分割方向に偏って配置され、
   近接する前記最小色配列の同色画素間において、前記光電変換域の偏りは対称関係をなす
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記色フィルタは、前記行方向および列方向で隣接する前記画素単位と異なる色を有し前記隣接する画素単位と前記最小色配列をなすことを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項２に記載の固体撮像装置において、
   前記最小色配列は、縦２画素×横２画素のベイヤ配列であり、
   近接する前記縦２画素×横２画素の画素ブロック間において、前記光電変換域の偏りは対称関係をなす
   ことを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置から、偏って配置された前記光電変換域の画素信号を読み出し、同色かつ対称関係にある画素信号の位相差に基づいて焦点検出を行う焦点演算部と、
   前記固体撮像装置から、前記光電変換域の画素信号を読み出し、同色かつ対称関係にある画素信号を均等に参照して欠落色情報を補間する画像処理部と
   を備えたことを特徴とする電子カメラ。

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