JP2010129783A - Imaging element and imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging element and an imaging apparatus.
光学系を通過する一対の光束が形成する一対の像に対応した一対の像信号を生成する複数個の焦点検出画素の配列を、焦点検出画素と同じ画素サイズの撮像画素の配列に混在させた撮像手段を備え、撮像画素の出力により画像信号を生成するとともに、焦点検出画素が生成する前記一対の像信号のズレ量に基づいて、光学系の焦点調節状態を検出する、いわゆる瞳分割型位相差検出方式の焦点検出機能を備えた撮像装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら上述した撮像装置においては、撮像画素と焦点検出画素の構成が異なるため、同一の露光時間で露光した場合に撮像画素の出力は飽和しなくても焦点検出画素の出力が飽和してしまい、焦点検出が不能になってしまう場合があった。例えば電子ビューファインダーに撮像画素の出力を表示しながら同時に焦点検出を行うような場合には、焦点検出画素の出力が飽和しないように露光時間を短くすると撮像画素の出力が不足して暗い画像になってしまうので、撮像画素の出力が適切になるように露光時間を制御するが、このような場合には焦点検出画素の出力が飽和してしまい焦点検出不能になることがあった。 However, in the imaging apparatus described above, the configuration of the imaging pixel and the focus detection pixel is different, so that when the exposure is performed with the same exposure time, the output of the focus detection pixel is saturated even if the output of the imaging pixel is not saturated. In some cases, focus detection could be disabled. For example, when focus detection is performed simultaneously while displaying the output of the imaging pixel on the electronic viewfinder, if the exposure time is shortened so that the output of the focus detection pixel does not saturate, the output of the imaging pixel is insufficient and a dark image is obtained. Therefore, the exposure time is controlled so that the output of the image pickup pixel is appropriate. In such a case, the output of the focus detection pixel may be saturated and focus detection may become impossible.
請求項1の発明による撮像素子は、第1マイクロレンズと、可視光の中の特定の波長領域の光を通す色フィルターと、第1マイクロレンズと色フィルターとを介した光を受光する第1光電変換手段と、第1光電変換手段で光電変換された電気信号を増幅して出力する第1信号出力部とを有し、光学系が形成する光像に対応する出力信号を生成する異なる分光感度特性を有する複数種類の複数の撮像画素と、第2マイクロレンズと、第2マイクロレンズを介した光を受光する第2光電変換手段と、第2光電変換手段で光電変換された電気信号を増幅して出力する第2信号出力部とを有し、光学系を通過する1対の光束が形成する1対の像に対応した1対の出力信号を生成する複数の焦点検出画素と、同一の受光条件における焦点検出画素の信号レベルと撮像素子の信号レベルとについて、焦点検出画素の信号レベルが撮像画素の信号レベルよりも小さくなるように調整する調整手段とを備え、複数の撮像画素と複数の焦点検出画素とは2次元的に配置されていることを特徴とする。
請求項13の発明による撮像装置は、請求項1等の発明による撮像素子と、撮像画素の信号出力に基づき、光像に関する画像データを生成する画像生成手段と、焦点検出画素の信号出力に基づき光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段とを備えることを特徴とする。
An image pickup device according to a first aspect of the present invention receives a first microlens, a color filter that transmits light in a specific wavelength region in visible light, and a first light that receives light via the first microlens and the color filter. Different spectral components having a photoelectric conversion unit and a first signal output unit that amplifies and outputs an electric signal photoelectrically converted by the first photoelectric conversion unit, and generates an output signal corresponding to an optical image formed by the optical system A plurality of types of imaging pixels having sensitivity characteristics, a second microlens, a second photoelectric conversion means for receiving light via the second microlens, and an electrical signal photoelectrically converted by the second photoelectric conversion means A plurality of focus detection pixels that generate a pair of output signals corresponding to a pair of images formed by a pair of light fluxes that pass through the optical system and that have a second signal output unit that amplifies and outputs Of focus detection pixels under the light receiving conditions of Adjusting means for adjusting the signal level of the focus detection pixel so that the signal level of the focus detection pixel is lower than the signal level of the image pickup pixel, and the plurality of image pickup pixels and the plurality of focus detection pixels are two-dimensional. It is characterized by being arranged.
An image pickup apparatus according to a thirteenth aspect of the invention is based on the image pickup element according to the first aspect of the invention, an image generation means for generating image data relating to an optical image based on the signal output of the image pickup pixel, and the signal output of the focus detection pixel. And a focus detection means for detecting a focus adjustment state of the optical system.
本発明によれば、撮像画素の信号出力レベルより焦点検出画素の信号出力レベルを小さくできるので、焦点検出画素の出力が飽和して焦点検出が不能になる状況を減少させることができる。 According to the present invention, since the signal output level of the focus detection pixel can be made smaller than the signal output level of the imaging pixel, it is possible to reduce the situation where the focus detection pixel output is saturated and focus detection becomes impossible.
本発明の一実施の形態の撮像素子および撮像装置を説明する。図1は一実施の形態の撮像素子を搭載したレンズ交換式デジタルスチルカメラの構成を示す横断面図である。一実施の形態のデジタルスチルカメラ201は交換レンズ202とカメラボディ203から構成され、種々の交換レンズ202がマウント部204を介してカメラボディ203に装着される。
An imaging device and an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a lens interchangeable digital still camera equipped with an image sensor according to an embodiment. A
交換レンズ202はレンズ209、ズーミング用レンズ208、フォーカシング用レンズ210、絞り211、レンズ駆動制御装置206などを備えている。レンズ駆動制御装置206は不図示のマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、フォーカシング用レンズ210の焦点調節と絞り211の開口径調節のための駆動制御や、ズーミング用レンズ208、フォーカシング用レンズ210および絞り211の状態検出などを行う他、後述するボディ駆動制御装置214との通信によりレンズ情報の送信とカメラ情報の受信を行う。絞り211は、光量およびボケ量調整のために光軸中心に開口径が可変な開口を形成する。
The
カメラボディ203は撮像素子212、ボディ駆動制御装置214、液晶表示素子駆動回路215、液晶表示素子216、接眼レンズ217、メモリカード219などを備えている。撮像素子212には、撮像画素が二次元状に配置されるとともに、焦点検出位置に対応した部分に焦点検出画素が組み込まれている。この撮像素子212については詳細を後述する。
The
ボディ駆動制御装置214はマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、撮像素子212の駆動制御と画像信号および焦点検出信号の読み出しと、焦点検出信号に基づく焦点検出演算と交換レンズ202の焦点調節を繰り返し行うとともに、画像信号の処理と記録、カメラの動作制御などを行う。また、ボディ駆動制御装置214は電気接点213を介してレンズ駆動制御装置206と通信を行い、レンズ情報の受信とカメラ情報(デフォーカス量や絞り値など)の送信を行う。
The body
液晶表示素子216は電気的なビューファインダー(EVF:Electronic View Finder)として機能する。液晶表示素子駆動回路215は撮像素子212によるスルー画像を液晶表示素子216に表示し、撮影者は接眼レンズ217を介してスルー画像を観察することができる。メモリカード219は、撮像素子212により撮像された画像を記憶する画像ストレージである。
The liquid
交換レンズ202を通過した光束により、撮像素子212の受光面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子212により光電変換され、画像信号と焦点検出信号がボディ駆動制御装置214へ送られる。
A subject image is formed on the light receiving surface of the
ボディ駆動制御装置214は、撮像素子212の焦点検出画素からの焦点検出信号に基づいてデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量をレンズ駆動制御装置206へ送る。また、ボディ駆動制御装置214は、撮像素子212からの画像信号を処理して画像データを生成し、メモリカード219に格納するとともに、撮像素子212からのスルー画像信号を液晶表示素子駆動回路215へ送り、スルー画像を液晶表示素子216に表示させる。さらに、ボディ駆動制御装置214は、レンズ駆動制御装置206へ絞り制御情報を送って絞り211の開口制御を行う。
The body
レンズ駆動制御装置206は、フォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態、絞り開放F値などに応じてレンズ情報を更新する。具体的には、ズーミング用レンズ208とフォーカシング用レンズ210の位置と絞り211の絞り値を検出し、これらのレンズ位置と絞り値に応じてレンズ情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからレンズ位置と絞り値に応じたレンズ情報を選択する。
The
レンズ駆動制御装置206は、受信したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を算出し、レンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ210を合焦位置へ駆動する。また、レンズ駆動制御装置206は受信した絞り値に応じて絞り211を駆動する。
The lens
図2は、交換レンズ202の撮影画面上における焦点検出位置を示す図であり、後述する撮像素子212上の焦点検出画素列が焦点検出の際に撮影画面上で像をサンプリングする領域(焦点検出エリア、焦点検出位置)の一例を示す。この例では、矩形の撮影画面100上の中央および左右の3箇所に焦点検出エリア101〜103が配置される。長方形で示す焦点検出エリア101〜103は、撮影画面100において垂直方向に延在し、各焦点検出エリアの長手方向に焦点検出画素が直線的に配列される。
FIG. 2 is a diagram showing a focus detection position on the photographing screen of the
撮像素子212の詳細な構成について説明する前に、特許文献1に開示されている瞳分割型位相差検出方式の原理について、図3を用いて説明する。
Before describing the detailed configuration of the
撮像面110上に焦点検出画素111が複数配列される。焦点検出画素111はマイクロレンズ112と一対の光電変換部113,114から構成される。一対の光電変換部113,114はマイクロレンズ112により撮像面110から前方の距離dにある測距瞳面120に投影され、一対の測距瞳123,124が形成される。逆に言うと、撮像面110から前方の距離dにある測距瞳面120上を通過する光束のうち測距瞳123の光束が、焦点検出画素111の光電変換部113により受光され、測距瞳面120上を通過する光束のうち測距瞳124の光束が、焦点検出画素111の光電変換部114により受光される。焦点検出画素111の配列の光電変換部113の系列の像信号と、光電変換部114の系列の像信号との相対的なズレ量(位相差、像ズレ量)は、撮像面上に像を形成する光学系の焦点調節状態に応じて変化するので、このズレ量を焦点検出画素が生成する一対の像信号を演算処理することによって求めれば、光学系の焦点調節状態を検出することができる。
A plurality of
ところで上記一対の測距瞳123,124は一対の光電変換部113,114を単純に投影した分布とはならず、マイクロレンズ111の開口径(画素サイズと略一致)に応じた光の回折効果により、ボケを生じて裾野を引いた分布となる。図3において一対の測距瞳123,124の並び方向と垂直な方向のスリットを用いて一対の測距瞳123,124を並び方向に走査すると、一対の測距瞳分布133,134が得られる。上記回折効果により一対の測距瞳分布133,134は隣接した部分で互いに重畳部135を有する。測距瞳分布133あるいは134の全体に対して、重畳部135の割合が増えるほど、一対の測距瞳123,124の分離が不完全となり、焦点検出性能は低下する。特に光学系の絞り値F値が大きく、絞り開口径が小さくなってきた場合には、光学系を透過した一対の光束は、一対の測距瞳123,124内の光軸近傍の領域を通過して焦点検出画素111に入射する。このため、焦点検出に用いる一対の光束の分離が不完全になるので、焦点検出性能が低下したり、焦点検出が不能になってしまう。
By the way, the pair of
表1は光学系の絞りF値と回折による点像分布の広がりの直径との関係を示したものであって、エアリーディスクの式(点像の直径=1.22×2×波長×F値とし、波長=500nmとした場合)より求めたものである。明るい光学系(絞りF値が小さい)に対しては点像の直径がμmオーダーとなるために、撮像画素の画素サイズは点像の直径以下にすることにより、解像度の向上が期待できる。
一方前述したように、画素サイズが小さくなると回折の影響が増大して測距瞳の分離が不完全になるために、焦点検出性能は低下する。 On the other hand, as described above, when the pixel size is reduced, the influence of diffraction increases and the separation of the distance measuring pupil becomes incomplete, so that the focus detection performance is degraded.
表2は画素サイズ(円形マイクロレンズの開口径D)と図3の距離dを一対の測距瞳分布の重畳部135の寸法xで除して求めた重畳部135に対応するF値との関係を示したものであって、エアリーディスクの式(F=D/(1.22×2×波長)とし、波長=500nmとした場合)より求めたものである。画素サイズ7μm以下においては重畳部135のF値が5.7以下となる。
多くのカメラ用交換レンズの開放F値がF5.6と設定されているので、これらの交換レンズを使用した場合には、焦点検出画素の画素サイズを7μm以下とすると、F5.6の開口を通る一対の焦点検出光束が全体に亘って重畳するため、焦点検出性能の低下が顕在化してくる。さらに焦点検出画素の画素サイズを4μm以下とすると、略F2.8の開口を通る一対の焦点検出光束が全体に亘って重畳するため、焦点検出性能の低下が顕著になる。 Since the open F value of many interchangeable lenses for cameras is set to F5.6, when these interchangeable lenses are used, if the pixel size of the focus detection pixel is 7 μm or less, the aperture of F5.6 is set. Since the pair of focus detection light fluxes that pass through overlap each other, a drop in focus detection performance becomes obvious. Further, when the pixel size of the focus detection pixel is 4 μm or less, a pair of focus detection light beams passing through the aperture of approximately F2.8 are superimposed over the entire area, so that the focus detection performance is significantly deteriorated.
図4は撮像素子212の詳細な構成を示す正面図であり、撮像素子212上の焦点検出エリア101の近傍を拡大して示す。撮像素子212には撮像画素310が二次元正方格子状に稠密に配列される。撮像画素310は赤画素(R)、緑画素(G)、青画素(B)からなり、ベイヤー配列の配置規則によって配置されている。焦点検出エリア101に対応する位置には撮像画素と同一の画素サイズを有する焦点検出用の焦点検出画素313と314が交互に、本来緑画素と青画素が連続的に配置されるべき垂直方向の直線上に連続して配列される。
FIG. 4 is a front view showing a detailed configuration of the
図5は撮像画素と焦点検出画素のマイクロレンズの形状を示す図であって、マイクロレンズ10は、画素サイズより大きな円形のマイクロレンズ9から画素サイズに対応した正方形の形状で切り出した形状をしており、マイクロレンズ10の光軸を通る対角線の方向の断面10Aとマイクロレンズ10の光軸を通る水平線の方向の断面10Bとはそれぞれ図5に示す形状になっている。
FIG. 5 is a diagram showing the shape of the microlens of the image pickup pixel and the focus detection pixel. The
このようにマイクロレンズの形状を矩形(正方形)にすることにより、上述の回折効果による測距瞳の広がりを減少させ、焦点検出性能を向上させることができるが、同じ画素サイズの円形レンズの場合よりも開口面積が増大するので焦点検出画素の出力は矩形マイクロレンズの場合のほうが増大してしまう。 By making the shape of the microlens rectangular (square) in this way, the spread of the distance measuring pupil due to the diffraction effect described above can be reduced and the focus detection performance can be improved, but in the case of a circular lens of the same pixel size Since the aperture area increases, the output of the focus detection pixel increases in the case of the rectangular microlens.
撮像画素と焦点検出画素の画素サイズは3μである。なお、図示を省略するが、焦点検出エリア102、103の近傍の構成も図4に示す構成と同様である。
The pixel size of the imaging pixel and the focus detection pixel is 3μ. Although not shown, the configuration in the vicinity of the
撮像画素310は、図6(a)に示すように矩形のマイクロレンズ10、後述の遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部11、および色フィルター(不図示)を有している。色フィルターは赤(R)、緑(G)、青(B)の3種類からなり、それぞれの分光感度は図7に示す特性になっている。撮像素子212には、各色フィルターを備えた撮像画素310がベイヤー配列されている。
As shown in FIG. 6A, the
焦点検出画素313は、図6(b)に示すように矩形のマイクロレンズ10と後述の遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部13、およびNDフィルター(不図示)とから構成され、遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部13の形状は矩形である。また、焦点検出画素314は、図6(c)に示すように矩形のマイクロレンズ10と後述の遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部14、および後述するNDフィルター(不図示)とから構成され、撮像画素310の遮光マスクよりも開口部の小さな遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部14の形状は矩形である。焦点検出画素313と焦点検出画素314とをマイクロレンズ10を重ね合わせて表示すると、遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部13と14が垂直方向に並んでいる。
As shown in FIG. 6B, the
図9は撮像画素310の断面図である。撮像画素310では撮像用の光電変換部11の上に近接して遮光マスク30が形成され、光電変換部11は、遮光マスク30の開口部30aを通過した光を受光する。遮光マスク30の上には平坦化層31が形成され、その上に色フィルター38が形成される。色フィルター38の上には平坦化層32が形成され、その上にマイクロレンズ10が形成される。マイクロレンズ10により開口部30aの形状が前方に投影される。光電変換部11は半導体回路基板29上に形成される。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the
図10は焦点検出画素313、314の断面図である。焦点検出画素313、314では焦点検出用の光電変換部13,14の上に近接して遮光マスク30が形成され、光電変換部13,14は、遮光マスク30の開口部30b、30cを通過した光を受光する。遮光マスク30の上には平坦化層31が形成され、その上にNDフィルター(ニュートラルデンシティフィルター)34が形成される。NDフィルター34の上には平坦化層32が形成され、その上にマイクロレンズ10が形成される。マイクロレンズ10により開口部30b、30cの形状が前方に投影される。光電変換部13,14は半導体回路基板29上に形成される。
FIG. 10 is a cross-sectional view of the
上述のように、焦点検出画素313、314には全ての色に対して焦点検出を行うために色フィルターが設けられておらずその代わりに入射光量を減ずるNDフィルター34が設けられており、その分光特性は図8に示す特性となる。つまり、図7に示す緑画素、赤画素および青画素の分光特性を加算したような分光特性となり、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の感度の光波長領域を包括している。NDフィルター34の濃度は、白色光で撮像素子212を照射した場合に、例えば焦点検出画素313,314の出力レベルが撮像画素310のうちの緑画素の出力レベルに対し3/4(75%)以下となるように定められる。これは、以下に説明するNDフィルター34の働きによるものである。
As described above, the
NDフィルター34の第1の働きは次の通りである。上述したように、撮像画素310には図7に示す分光感度を有する色フィルター38が存在する。したがって、この色フィルター38によって光電変換部11への入射光量が低減される。他方、焦点検出画素313,314には色フィルターが存在せず上述のような入射光量の低減が生じないため、焦点検出画素313,314の出力レベルが撮像画素310の出力レベルを上回るおそれがある。これを防止する為に焦点検出画素のNDフィルター34は、光電変換部13,14への入射光量を低減する。
The first function of the
NDフィルター34の第2の働きは次の通りである。画面上の像高が高い領域(焦点検出エリア102,103)において焦点検出光束のケラレが発生し、一対の焦点検出画素313,314の出力バランスが崩れ、一方の焦点検出画素の出力レベルが上昇した場合においても撮像画素310のうちの緑画素の出力レベルを上回らないようにする。
The second function of the
焦点検出画素313、314は、ベイヤー配列の配置規則によれば撮像画素310のBとGが配置されるべき列に配置されている。これは、焦点検出画素313,314の位置における画像信号を求めるための補間処理において補間誤差が生じた場合に、人間の視覚特性上、赤画素の補間誤差に比較して青画素の補間誤差の方が目立たないためである。
The
撮像画素310は、マイクロレンズ10によって最も明るい交換レンズの射出瞳径(例えばF1.0)を通過する光束を、光電変換部11がすべて受光するような形状に設計される。また、焦点検出画素313、314は、マイクロレンズ10によって交換レンズの射出瞳の一対の所定の領域を通過する一対の焦点検出光束を、光電変換部13,14がそれぞれ受光するような形状に設計される。
The
図11は、マイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す。なお、焦点検出画素の部分は拡大して示す。図11において、射出瞳90は、交換レンズ202(図1参照)の予定結像面に配置されたマイクロレンズから前方に距離dの位置に設定されている。この距離dは、マイクロレンズの曲率、屈折率、マイクロレンズと光電変換部との間の距離などに応じて決まる距離であって、この明細書では測距瞳距離と呼ぶ。図11には他に、交換レンズの光軸91、マイクロレンズ10、光電変換部13、14、焦点検出画素313、314、撮影光束71、焦点検出光束73、74が示されている。
FIG. 11 shows a configuration of a pupil division type phase difference detection type focus detection optical system using a microlens. The focus detection pixel portion is shown in an enlarged manner. In FIG. 11, the
測距瞳93は、開口部30bの領域がマイクロレンズ10により投影されたものである。同様に、測距瞳94は、開口部30cの領域がマイクロレンズ10により投影されたものである。図11では、説明を解りやすくするために測距瞳93,94を明瞭な領域で示しているが、実際には開口部30b、30cの形状が拡大投影されるとともに回折によりぼやけた形状になる。
The
図11では、撮影光軸に隣接する5つの焦点検出画素を模式的に例示しているが、焦点検出エリア101のその他の焦点検出画素および撮像画素においても、また画面周辺部の焦点検出エリア102、103の焦点検出画素においても、各光電変換部はそれぞれ対応した測距瞳93、94から各マイクロレンズに到来する光束を受光するように構成されている。焦点検出画素の配列方向は一対の測距瞳の並び方向、すなわち一対の光電変換部の並び方向と一致させる。
In FIG. 11, five focus detection pixels adjacent to the photographing optical axis are schematically illustrated, but the
マイクロレンズ10は交換レンズ202(図1参照)の予定結像面近傍に配置されており、マイクロレンズ10により光電変換部13、14に近接して配置された開口部30b、30cの形状がマイクロレンズ10から測距瞳距離dだけ離間した射出瞳90上に投影され、その投影形状は測距瞳93,94を形成する。
The
光電変換部13は測距瞳93を通過し、焦点検出画素313のマイクロレンズ10に向かう光束73によりマイクロレンズ10上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部14は測距瞳94を通過し、焦点検出画素314のマイクロレンズ10に向う光束74によりマイクロレンズ10上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
The
上述した2種類の焦点検出画素を直線状に多数配置し、各画素の光電変換部の出力を測距瞳93および測距瞳94に対応した出力グループにまとめることによって、測距瞳93と測距瞳94をそれぞれ通過する焦点検出用光束が画素列上に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に対して後述する像ズレ検出演算処理(相関演算処理、位相差検出処理)を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に一対の測距瞳の重心間隔と測距瞳距離の比例関係に応じた変換演算を行うことによって、予定結像面に対する現在の結像面(予定結像面上のマイクロレンズアレイの位置に対応した焦点検出位置における結像面)の偏差(デフォーカス量)が算出される。
A large number of the two types of focus detection pixels described above are arranged in a straight line, and the output of the photoelectric conversion unit of each pixel is grouped into a
図12は、図4に示す撮像素子212の撮像画素310が受光する撮影光束の様子を図11と比較して説明するための図であって、図11と重複する部分の説明は省略する。
FIG. 12 is a diagram for explaining the state of the imaging light beam received by the
撮像画素310はマイクロレンズ10とその背後に配置された光電変換部11等から構成され、光電変換部11に近接して配置された開口部30a(図9参照)の形状がマイクロレンズ10から測距瞳距離dだけ離間した射出瞳90上に投影され、その投影形状は測距瞳93、94に略外接する領域95を形成する。
The
光電変換部11は、領域95を通過してマイクロレンズ10へ向かう撮影光束71によってマイクロレンズ11上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
The
撮像素子212をCMOSイメージセンサーとして構成した場合の回路構成について述べる。図13は、撮像素子212の回路構成概念図である。
A circuit configuration when the
CMOSイメージセンサーにおいては周知のように同一走査ラインの画素間の電荷蓄積タイミングは同一であるが、異なる走査ラインの画素間の電荷蓄積タイミングは異なる。前述した焦点検出画素配列においては電荷蓄積タイミングが異なると、移動する被写体に対して焦点検出を行った場合、焦点検出画素配列が生成する一対の像の同時性(同一性)が崩れることにより、後述する像ズレ検出の際に検出誤差を生じてしまうので、焦点検出画素配列の電荷蓄積タイミングを揃えるために、本実施の形態においては、CMOSイメージセンサーである撮像素子212の走査ラインの方向は図2の焦点検出領域101〜103と同じ方向(矩形画面の短辺方向)に揃えて設定される。ただし、それに限られるものではない。
In a CMOS image sensor, as is well known, the charge accumulation timing between pixels on the same scan line is the same, but the charge accumulation timing between pixels on different scan lines is different. If the charge accumulation timing is different in the focus detection pixel array described above, when focus detection is performed on a moving subject, the simultaneity (identity) of a pair of images generated by the focus detection pixel array is lost. In order to align the charge accumulation timing of the focus detection pixel array, in this embodiment, the scanning line direction of the
図13では、撮像素子212の回路構成を、水平方向8画素×垂直方向4画素のレイアウトに簡略化している。垂直方向において6列目の2画素目と3画素目に焦点検出画素313、314(○:円で示す2画素)が配列され、撮像画素310(□:正方形で示す画素)がそれ以外の位置に配列される。以下図13の回路の詳細な動作について説明する。
In FIG. 13, the circuit configuration of the
図13においてラインメモリ320は1列分の画素の画素信号をサンプルホールドして一時的に保持するバッファであり、信号線Voutに出力されている同一列の画素信号を水平走査回路522が発する制御信号ΦSに基づいて同時にサンプルホールドする。なおラインメモリ320に保持される画素信号は制御信号ΦH1〜ΦH8の立ち上がりに同期してリセットされる。
In FIG. 13, a
撮像画素310および焦点検出画素313,314からの画素信号の出力は水平走査回路が発する制御信号(ΦH1〜ΦH8)により列ごとに独立に制御される。制御信号(ΦH1〜ΦH8)により選択された列の画素の画素信号は信号線501に出力される。ラインメモリ320に保持された画素信号は垂直走査回路502が発する制御信号(ΦV1〜ΦV4)により、順次出力回路330に転送され、出力回路330で設定された増幅度で増幅されて外部に出力される。撮像画素310は、画素信号がサンプルホールドされた後、リセット回路504が発する制御信号(ΦR1〜ΦR8)によりリセットされ、次回の画素信号のための電荷蓄積を開始する。
Outputs of pixel signals from the
図14は撮像画素310および焦点検出画素313,314における1つの光電変換部に対する基本回路構成を示す図である。光電変換部はフォトダイオード(PD)で構成される。PDで蓄積された電荷は浮遊拡散層(フローティングディフュージョン:FD)に蓄積される。FDは増幅MOSトランジスタ(AMP)のゲートに接続されており、AMPはFDに蓄積された電荷の量に応じた信号を発生する。
FIG. 14 is a diagram illustrating a basic circuit configuration for one photoelectric conversion unit in the
FD部はリセットMOSトランジスタSW1を介し、電源電圧Vddに接続されており、制御信号ΦRnによりリセットMOSトランジスタSW1がONすることにより、FDおよびPDに溜まった電荷がクリアされリセット状態となる。AMPの出力は行選択MOSトランジスタSW2を介して垂直出力線Voutに接続されており、制御信号ΦSnにより行選択MOSトランジスタSW2がONすることにより、AMPの出力が垂直出力線Voutに出力される。 The FD portion is connected to the power supply voltage Vdd via the reset MOS transistor SW1, and when the reset MOS transistor SW1 is turned on by the control signal ΦRn, the charges accumulated in the FD and PD are cleared and set in a reset state. The output of AMP is connected to the vertical output line Vout via the row selection MOS transistor SW2. When the row selection MOS transistor SW2 is turned on by the control signal ΦSn, the output of AMP is output to the vertical output line Vout.
図15は、図13に示す撮像素子212の動作タイミングチャートである。1列目の撮像画素310は水平走査回路522が発する制御信号ΦH1により選択され、選択された撮像画素310の画素信号は信号線501に出力される。制御信号ΦH1と同期して発せられる制御信号ΦSにより信号線501に出力された1列目の画素信号はラインメモリ320に一時的に保持される。ラインメモリ320に保持された1列目の撮像画素310の画素信号は垂直走査回路502から順次発せられる制御信号ΦV1〜ΦV4にしたがって出力回路330に転送され、出力回路330で設定された増幅度で増幅されて外部に出力される。
FIG. 15 is an operation timing chart of the
1列目の撮像画素310の画素信号のラインメモリ320への転送が終了した時点で、リセット回路504より発せられる制御信号ΦR1により1列目の撮像画素310がリセットされ、制御信号ΦR1の立ち下がりで1列目の撮像画素の次の電荷蓄積が開始される。1列目の撮像画素310の画素信号の出力回路330からの出力が終了した時点で2列目の撮像画素310は水平走査回路522が発する制御信号ΦH2により選択され、選択された撮像画素310の画素信号は信号線501に出力される。以下同様にして2列目の撮像画素310の画素信号の保持および焦点検出画素313,314のリセット、画素信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。
When the transfer of the pixel signals of the
続いて3列目〜8列目の撮像画素310および焦点検出画素313,314の画素信号の保持および撮像画素310および焦点検出画素313,314のリセット、撮像画素310および焦点検出画素313,314の画素信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。全ての画素の画素信号の出力が終了すると、再び1列目に戻って上記動作が周期的に繰り返される。また制御信号ΦR1〜ΦR8のパルス幅を変更することにより、撮像画素310および焦点検出画素313,314の電荷蓄積時間(露光時間)を調整することが可能である。
Subsequently, the pixel signals of the
以上のような動作により、撮像素子310の矩形の撮像領域100において画面の下から上に画素が走査され、走査された画素の信号が順次外部に出力されるとともに、走査線が画面左から右に順次移動して全画面の画素の信号を外部に出力する。走査線の方向は矩形画面の短辺方向に一致し、焦点検出画素313,314の配列方向とも一致しているために、同一列に配列した焦点検出画素313,314において電荷蓄積タイミングの同一性を維持することができる。
Through the operation as described above, pixels are scanned from the bottom to the top of the
図16は、一実施の形態のデジタルスチルカメラ(撮像装置)201の撮像動作を示すフローチャートである。ボディ駆動制御装置214は、ステップS100でデジタルスチルカメラ201の電源がオンされると、ステップS110以降の撮像動作を開始する。ステップS110において撮像画素のデータを間引き読み出しし、電子ビューファインダーに表示させる。続くステップS120では焦点検出画素列から一対の像に対応した一対の像データを読み出す。なお、焦点検出エリアは、撮影者が焦点検出エリア選択部材(不図示)を用いて焦点検出エリア101〜103の内のいずれかを予め選択しているものとする。
FIG. 16 is a flowchart illustrating an imaging operation of the digital still camera (imaging device) 201 according to the embodiment. When the power of the digital
ステップS130では読み出された一対の像データに基づいて後述する像ズレ検出演算処理(相関演算処理、位相差検出処理)を行い、像ズレ量を演算してデフォーカス量に変換する。ステップS140で合焦近傍か否か、すなわち算出されたデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるか否かを調べる。合焦近傍でないと判定された場合はステップS150へ進み、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置206へ送信し、交換レンズ202のフォーカシングレンズ210を合焦位置に駆動させる。その後、ステップS110へ戻って上述した動作を繰り返す。
In step S130, an image shift detection calculation process (correlation calculation process, phase difference detection process) to be described later is performed based on the read pair of image data, and the image shift amount is calculated and converted into a defocus amount. In step S140, it is checked whether or not the focus is close, that is, whether or not the calculated absolute value of the defocus amount is within a predetermined value. If it is determined that the lens is not in focus, the process proceeds to step S150, the defocus amount is transmitted to the
なお、焦点検出不能な場合もこのステップに分岐し、レンズ駆動制御装置206へスキャン駆動命令を送信し、交換レンズ202のフォーカシングレンズ210を無限から至近までの間でスキャン駆動させる。その後、ステップS110へ戻って上述した動作を繰り返す。
Even when focus detection is impossible, the process branches to this step, a scan drive command is transmitted to the lens
ステップS140で合焦近傍であると判定された場合はステップS160へ進み、シャッターボタン(不図示)の操作によりシャッターレリーズがなされたか否かを判別する。シャッターレリーズがなされていないと判定された場合はステップS110へ戻り、上述した動作を繰り返す。一方、シャッターレリーズがなされたと判定された場合はステップS170へ進み、レンズ駆動制御装置206へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ202の絞り値を制御F値(撮影者または自動により設定されたF値)にする。絞り制御が終了した時点で、撮像素子212に撮像動作を行わせ、撮像素子212の撮像画素310および全ての焦点検出画素313,314から画像データを読み出す。
If it is determined in step S140 that the focus is close, the process proceeds to step S160, and it is determined whether or not a shutter release has been performed by operating a shutter button (not shown). If it is determined that the shutter release has not been performed, the process returns to step S110 and the above-described operation is repeated. On the other hand, if it is determined that the shutter release has been performed, the process proceeds to step S170, where an aperture adjustment command is transmitted to the lens
ステップS180において、焦点検出画素列の各画素位置の画素データを焦点検出画素313,314の周囲の撮像画素310のデータと焦点検出画素313,314のデータに基づいて画素補間する。続くステップS190では、撮像画素310のデータおよび補間されたデータからなる画像データをメモリカード219に記憶し、ステップS110へ戻って上述した動作を繰り返す。
In step S180, pixel interpolation of pixel data at each pixel position in the focus detection pixel row is performed based on the data of the
図16のステップS130における像ズレ検出演算処理(相関演算処理、位相差検出処理)の詳細について以下説明する。 Details of the image shift detection calculation process (correlation calculation process, phase difference detection process) in step S130 of FIG. 16 will be described below.
焦点検出画素313,314が検出する一対の像は、測距瞳93,94がレンズの絞り開口によりけられて光量バランスが崩れている可能性があるので、光量バランスに対して像ズレ検出精度を維持できるタイプの相関演算を施す。焦点検出画素列から読み出された一対のデータ列(A11,・・・,A1M、A21,・・・,A2M:Mはデータ数)に対し本出願人の出願に基づく特開2007−333720号公報に開示された相関演算式(1)を行い、相関量C(k)を演算する。
式(1)において、Σ演算はnについて累積される。nのとる範囲は、像シフト量kに応じてA1n、A1n+1、A2n+k、A2n+1+kのデータが存在する範囲に限定される。像シフト量kは整数であり、データ列のデータ間隔を単位とした相対的シフト量である。 In equation (1), Σ operations are accumulated for n. The range taken by n is limited to a range in which data of A1 n , A1 n + 1 , A2 n + k , A2 n + 1 + k exists according to the image shift amount k. The image shift amount k is an integer and is a relative shift amount with the data interval of the data string as a unit.
式(1)の演算結果は、図17(a)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量(図17(a)ではk=kj=2)において相関量C(k)が極小(小さいほど相関度が高い)になる。式(2)〜(5)による3点内挿の手法を用いて相関量を連続的とみなした場合の極小値C(x)を与えるシフト量xを求める。
式(2)で算出されたシフト量xの信頼性があるかどうかは、以下のようにして判定される。図17(b)に示すように、一対のデータの相関度が低い場合は、内挿された相関量の極小値C(x)の値が大きくなる。したがって、C(x)が所定の閾値以上の場合は算出されたシフト量xの信頼性が低いと判定し、算出されたシフト量xをキャンセルする。あるいは、C(x)をデータのコントラストで規格化するために、コントラストに比例した値となるSLOPでC(x)を除した値が所定値以上の場合は、算出されたシフト量xの信頼性が低いと判定し、算出されたシフト量xをキャンセルする。 Whether the shift amount x calculated by the equation (2) is reliable is determined as follows. As shown in FIG. 17B, when the degree of correlation between a pair of data is low, the minimum value C (x) of the interpolated correlation amount increases. Therefore, when C (x) is equal to or greater than a predetermined threshold, it is determined that the reliability of the calculated shift amount x is low, and the calculated shift amount x is canceled. Alternatively, in order to normalize C (x) with the contrast of data, when the value obtained by dividing C (x) by SLOP that is proportional to the contrast is equal to or greater than a predetermined value, the reliability of the calculated shift amount x The calculated shift amount x is cancelled.
あるいはまた、コントラストに比例した値となるSLOPが所定値以下の場合は、被写体が低コントラストであり、算出されたシフト量xの信頼性が低いと判定し、算出されたシフト量xをキャンセルする。図17(c)に示すように、一対のデータの相関度が低く、シフト範囲kminからkmaxの間で相関量C(k)の落ち込みがない場合は、極小値C(x)を求めることができず、このような場合は焦点検出不能と判定する。算出されたシフト量xの信頼性があると判定された場合は、式(6)により像ズレ量shftに換算される。
式(6)において、PYは焦点検出画素313、314の画素ピッチの2倍(検出ピッチ)である。式(6)で算出された像ズレ量に所定の変換係数Kdを乗じてデフォーカス量defへ変換する。
上記実施形態においては、焦点検出画素313、314のマイクロレンズの形状を矩形にすることにより回折による焦点検出性能劣化を防止している。焦点検出画素313、314に調整手段としてNDフィルターを配置することにより、マイクロレンズの開口面積増加等により焦点検出画素313、314の出力が増大して撮像画素310の出力を超えることを防止し、同一露光時間において焦点検出画素313、314の出力が撮像画素310の出力の3/4以下になることを保証している。これにより、画面範囲の周辺部分に対応する領域において一対の焦点検出光束が不均一にケラレて、一対の焦点検出画素313、314の一方に入射する光束の量が増大するような場合であっても、焦点検出画素313、314の出力が飽和する確率を減少させることができる。
In the above embodiment, the focus detection performance deterioration due to diffraction is prevented by making the shape of the micro lens of the
ダイナミックレンジの広い画像においては画面上の一部分に対応する領域において撮像画素310の出力が飽和する場合が発生するが、撮像画素310の出力が飽和レベルを若干超えたような領域においても焦点検出画素313、314の出力はまだ飽和していないので、この領域においても焦点検出が可能になる。
In an image with a wide dynamic range, the output of the
また、焦点検出画素313、314の出力は画素補間処理にも利用されるが、焦点検出光束のケラレにより焦点検出画素313、314の出力が飽和する確率が減少するので、画素補間性能が向上し画像品質が向上する。
《発明の他の実施の形態》
The output of the
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上述した本発明の一実施の形態においては、焦点検出画素313、314にNDフィルターを設けることにより、同一の露光条件において焦点検出画素313、314の信号出力レベルが撮像画素310の信号出力レベルを上回らないように調整しているが、これ以外の手段によって調整するようにしても構わない。
In the above-described embodiment of the present invention, by providing the
図18は図6(b)に対応する焦点検出画素313の構成を示す図であって、NDフィルターの代わりに光量調整用の遮光部材39が追加されている。不図示の焦点検出画素314も同様に構成される。図19は図18に示す焦点検出画素313、314の断面図である。焦点検出用の光電変換部13,14の上に近接して遮光マスク30が形成され、遮光マスク30の開口部30b、30cを通過した光を光線変換部13,14は受光する。遮光マスク30の上には平坦化層31が形成され、その上に遮光部材39が形成される。遮光部材39の上には平坦化層32が形成され、その上にマイクロレンズ10が形成される。マイクロレンズ10により開口部30b、30cの形状が前方に投影される。光電変換部13,14は半導体回路基板29上に形成される。
FIG. 18 is a diagram showing a configuration of the
遮光部材39はマイクロレンズ10に近接して配置され、マイクロレンズ10の光軸近傍を通る光束を遮光する。これにより光量調整が可能になるとともに、アポダイゼーションの効果により開口部30b、30cの投影像の回折にボケを低減することができ、瞳分割性能が向上する。
The
また焦点検出画素313、314の構成において、マイクロレンズ10から光電変換部13,14に至る光路中にハーフミラー(ビームスプリッター)部材を配置して焦点検出画素313、314に入射する光束の一部を焦点検出画素313、314の外部へ反射することにより、同一の露光条件において焦点検出画素313、314の信号出力レベルが撮像画素310の信号出力レベルを上回らないように調整してもよい。具体的には焦点検出画素313、314のマイクロレンズ10の表面や光電変換部13,14の表面に多層膜等によりハーフミラー機能を備えた薄膜を形成することが可能である。
In the configuration of the
上述した本発明の各実施の形態においては、光学的な手段を用いて、同一の露光条件において焦点検出画素313、314の信号出力レベルが撮像画素310の信号出力レベルを上回らないように調整しているが、これ以外の手段によって調整するようにしても構わない。
In each of the embodiments of the present invention described above, optical means are used so that the signal output level of the
例えば図14に示す画素の回路構成において、焦点検出画素313、314の増幅MOSトランジスタ(AMP)の増幅度を撮像画素310の増幅MOSトランジスタ(AMP)の増幅度より低くすることによって、同一の露光条件において焦点検出画素313、314の信号出力レベルが撮像画素310の信号出力レベルを上回らないように調整することが可能である。
For example, in the circuit configuration of the pixel shown in FIG. 14, the same exposure is achieved by making the amplification degree of the amplification MOS transistor (AMP) of the
また焦点検出画素313、314の光電変換部13,14の量子効率を撮像画素310の光電変換部11の量子効率より低く設定することにより、同一の露光条件において焦点検出画素313、314の信号出力レベルが撮像画素310の信号出力レベルを上回らないように調整することが可能である。具体的には光電変換部となるフォトダイオード(PN接合)を半導体基板上に形成する際に、その深さをコントロールすることで量子効率をコントロールすることが可能である。
Further, by setting the quantum efficiency of the
また焦点検出画素313、314の電荷蓄積時間を撮像画素310の電荷蓄積時間より短く設定することにより、同一の露光条件において焦点検出画素313、314の信号出力レベルが撮像画素310の信号出力レベルを上回らないように調整することが可能である。
Further, by setting the charge accumulation time of the
図20、図21は図13、図15に対応する撮像素子310の回路構成および動作タイミングチャートであり、重複部分の説明は省略する。図20と図13の相違点は、6列目の撮像画素310と焦点検出画素313、314とが、リセット回路504が発する異なる制御信号ΦR6、ΦR6aによりリセットされ、次回の画素信号のための電荷蓄積を開始する点である。
FIGS. 20 and 21 are circuit configurations and operation timing charts of the
このような構成により、図21に示すように6列目の焦点検出画素313、314のリセットは制御信号ΦR6と同時に立ち上がり、制御信号ΦR6より後に立ち下がる制御信号ΦR6aに制御される。これにより撮像画素310の電荷蓄積時間は制御信号ΦR1〜ΦR8の立下りから立上がりまでの時間T1になるが、焦点検出画素313、314の電荷蓄積時間は制御信号ΦR6aの立下りから立上がりまでの時間T2(時間T1より短い)となり、同一の露光条件において焦点検出画素313、314の信号出力レベルは撮像画素310の信号出力レベルより小さくなる。時間T2は時間T1の3/4以下となるようにリセット回路522にて設定される。
With this configuration, as shown in FIG. 21, the reset of the
図4に示す撮像素子212では、各画素に1つの光電変換部を有する一対の焦点検出画素313,314を備える例を示したが、ひとつの焦点検出画素内に一対の光電変換部を備えるようにしてもよい。図22は、このような撮像素子212の部分拡大図であり、焦点検出画素311には一対の光電変換部を備える。図23に示す焦点検出画素311は、図6(b)および図6(c)に示す焦点検出画素313と焦点検出画素314のペアに相当した機能を果たす。焦点検出画素311は、図23に示すようにマイクロレンズ10と一対の光電変換部13,14から構成される。焦点検出画素311には光量をかせぐために色フィルターは配置されておらず、その分光特性は光電変換を行うフォトダイオードの分光感度と、赤外カットフィルター(不図示)の分光特性とを総合した分光特性(図7参照)となる。つまり、図8に示す緑画素、赤画素および青画素の分光特性を加算したような分光特性となり、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の感度の光波長領域を包括している。
In the
図24は図23に示した焦点検出画素311の断面図であって、光電変換部13,14の上に近接して遮光マスク30が形成され、遮光マスク30の開口部30dを通過した光を光電変換部13,14は受光する。遮光マスク30の上には平坦化層31が形成され、その上にNDフィルター34が形成される。NDフィルター34の上には平坦化層32が形成され、その上にマイクロレンズ10が形成される。マイクロレンズ10により開口部30dに制限された光電変換部13,14の形状が前方に投影されて、一対の測距瞳を形成する。光電変換部13,14は半導体回路基板29上に形成される。
FIG. 24 is a cross-sectional view of the
上述した実施形態においては撮像素子212と光学系の間に光学要素を何も配置していないが、適宜必要な光学要素を挿入することが可能である。例えば赤外カットフィルタや光学的ローパスフィルタやハーフミラーなどを設置してもよい。図4のような撮像素子の構成の場合には光学的ローパスフィルタの高周波カット効果が焦点検出画素の並び方向と垂直な方向より焦点検出画素の並び方向に強く効くように光学的ローパスフィルタの特性を設定することによって、高周波成分を持った像が焦点検出画素の間に入った場合の焦点検出精度に対する悪影響を緩和することができる。
In the above-described embodiment, no optical element is arranged between the
上述した実施形態においては、図9に示す撮像画素310の断面図と、図10および図24に示す焦点検出画素313、314、311の断面図とに示された構成は類似しており、色フィルター38とNDフィルター34との厚さを略等しくすることにより、光電変換部13,14,11とマイクロレンズ10との各距離を等しくすることができる。また、焦点検出画素313、314、311は、撮像画素310における色フィルター38の代わりにNDフィルター34が設けられていることから、撮像画素310および焦点検出画素313、314、311の作製プロセスを略共通化することが可能である。したがって、焦点検出画素313、314、311と撮像画素310とで一体のマイクロレンズアレイを容易に製造し得る。一方、上述したように、焦点検出画素313、314、311にNDフィルター34以外の手段を設けることにより、同一の露光条件において焦点検出画素313、314、311の信号出力レベルが撮像画素310の信号出力レベルを上回らないように調整することが可能である。その場合、焦点検出画素313、314、311に、NDフィルター34の代わりに無色フィルター等を設けることにより、光電変換部13,14,11とマイクロレンズ10との各距離を等しいものとし、撮像画素310および焦点検出画素313、314、311の作製プロセスを略共通化することが可能であることが好ましい。
In the above-described embodiment, the configuration shown in the cross-sectional view of the
上述した実施形態における撮像素子212では撮像画素がベイヤー配列の色フィルターを備えた例を示したが、色フィルターの構成や配列はこれに限定されることはなく、補色フィルター(緑:G、イエロー:Ye、マゼンタ:Mg,シアン:Cy)の配列やベイヤー配列以外の配列にも本発明を適用することができる。
In the
また、上述した実施形態における焦点検出画素では、遮光マスクの開口形状を矩形にした例を示したが、遮光マスクの開口形状はこれらに限定されず、他の形状であってもよく、例えば半円形や楕円や多角形にすることも可能である。 In the focus detection pixel in the above-described embodiment, an example in which the opening shape of the light shielding mask is rectangular has been described. However, the opening shape of the light shielding mask is not limited thereto, and may be other shapes, for example, half It can also be a circle, ellipse or polygon.
なお、撮像装置としては、上述したようなカメラボディに交換レンズが装着される構成のデジタルスチルカメラやフィルムスチルカメラに限定されない。例えばレンズ一体型のデジタルスチルカメラ、フィルムスチルカメラ、あるいはビデオカメラにも本発明を適用することができる。さらには、携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュール、監視カメラやロボット用の視覚認識装置、車載カメラなどにも適用できる。 Note that the imaging apparatus is not limited to a digital still camera or a film still camera in which an interchangeable lens is mounted on the camera body as described above. For example, the present invention can be applied to a lens-integrated digital still camera, film still camera, or video camera. Furthermore, the present invention can be applied to a small camera module built in a mobile phone, a surveillance camera, a visual recognition device for a robot, an in-vehicle camera, and the like.
100 撮影画面、101〜103、焦点検出エリア、110 撮像面、111 焦点検出画素、112 マイクロレンズ、113、114 光電変換部、120 測距瞳面、123、124 測距瞳、133、134 測距瞳分布、135 重畳部、201 デジタルスチルカメラ、202 交換レンズ、203 カメラボディ、204 マウント部、206 レンズ駆動制御装置、208 ズーミング用レンズ、209 レンズ、210 フォーカシング用レンズ、211 絞り、212 撮像素子、213 電気接点、214 ボディ駆動制御装置、215 液晶表示素子駆動回路、216 液晶表示素子、217 接眼レンズ、219 メモリカード、310 撮像画素、311、313、314 焦点検出画素、320 ラインメモリ、330 出力回路、501 信号線、502 垂直走査回路、504 リセット回路、522 水平走査回路 100 Shooting screen, 101 to 103, Focus detection area, 110 Imaging surface, 111 Focus detection pixel, 112 Micro lens, 113, 114 Photoelectric conversion unit, 120 Distance pupil surface, 123, 124 Distance pupil, 133, 134 Distance measurement Pupil distribution, 135 superimposing unit, 201 digital still camera, 202 interchangeable lens, 203 camera body, 204 mount unit, 206 lens driving control device, 208 zooming lens, 209 lens, 210 focusing lens, 211 aperture, 212 imaging device, 213 Electrical contact, 214 Body drive control device, 215 Liquid crystal display element drive circuit, 216 Liquid crystal display element, 217 Eyepiece lens, 219 Memory card, 310 Imaging pixel, 311, 313, 314 Focus detection pixel, 320 line memory, 330 Output times Path, 501 signal line, 502 vertical scanning circuit, 504 reset circuit, 522 horizontal scanning circuit
Claims (14)
第2マイクロレンズと、前記第2マイクロレンズを介した光を受光する第2光電変換手段と、前記第2光電変換手段で光電変換された電気信号を増幅して出力する第2信号出力部とを有し、前記光学系を通過する1対の光束が形成する1対の像に対応した1対の出力信号を生成する複数の焦点検出画素と、
同一の受光条件における前記焦点検出画素の信号レベルと前記撮像素子の信号レベルとについて、前記焦点検出画素の信号レベルが前記撮像画素の信号レベルよりも小さくなるように調整する調整手段とを備え、
前記複数の撮像画素と前記複数の焦点検出画素とは2次元的に配置されていることを特徴とする撮像素子。 A first microlens, a color filter that transmits light in a specific wavelength region in visible light, a first photoelectric conversion unit that receives light via the first microlens and the color filter, and the first A first signal output unit that amplifies and outputs an electrical signal photoelectrically converted by the photoelectric conversion means, and generates a plurality of types of spectral sensitivity characteristics that generate output signals corresponding to an optical image formed by the optical system. A plurality of imaging pixels;
A second microlens, a second photoelectric conversion unit that receives light via the second microlens, and a second signal output unit that amplifies and outputs an electrical signal photoelectrically converted by the second photoelectric conversion unit; A plurality of focus detection pixels that generate a pair of output signals corresponding to a pair of images formed by a pair of light beams passing through the optical system;
Adjusting means for adjusting the signal level of the focus detection pixel and the signal level of the imaging element under the same light receiving condition so that the signal level of the focus detection pixel is smaller than the signal level of the imaging pixel;
The imaging device, wherein the plurality of imaging pixels and the plurality of focus detection pixels are two-dimensionally arranged.
前記調整手段は、前記第2光電変換手段に入射する光量を減少させる減光手段であることを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 1,
The image pickup device according to claim 1, wherein the adjusting unit is a dimming unit that reduces the amount of light incident on the second photoelectric conversion unit.
前記減光手段は、前記第2マイクロレンズと前記第2光電変換手段との間に配置された減光フィルタであり、
前記減光フィルタは、可視光のほぼ全波長領域の光を透過することを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 2,
The dimming means is a neutral density filter disposed between the second microlens and the second photoelectric conversion means,
The image-capturing element, wherein the neutral density filter transmits light in almost all wavelength regions of visible light.
前記減光手段は、前記第2マイクロレンズと前記第2光電変換手段との間に配置された遮光部材であり、
前記遮光部材は、前記第2光電変換手段に入射する光束の一部を遮光することを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 2,
The dimming means is a light shielding member disposed between the second microlens and the second photoelectric conversion means,
The image-capturing element, wherein the light-shielding member shields part of a light beam incident on the second photoelectric conversion means.
前記減光手段は、前記焦点検出画素に設けられたビームスプリッターであり、
前記ビームスプリッターは、前記第2光電変換手段に入射する光束の一部を前記第2光電変換手段以外に偏向することを特徴する撮像素子。 The imaging device according to claim 2,
The dimming means is a beam splitter provided in the focus detection pixel,
The image pickup device, wherein the beam splitter deflects a part of a light beam incident on the second photoelectric conversion unit to a part other than the second photoelectric conversion unit.
前記調整手段は、前記第2信号出力部の増幅度を前記第1信号出力部の増幅度よりも小さく定めることよって、前記同一の受光条件における前記焦点検出画素の信号レベルと前記撮像画素の信号レベルとを調整することを特徴する撮像素子。 The imaging device according to claim 1,
The adjusting means determines the amplification level of the second signal output unit to be smaller than the amplification level of the first signal output unit, so that the signal level of the focus detection pixel and the signal of the imaging pixel in the same light receiving condition An imaging device characterized by adjusting a level.
前記調整手段は、前記第2光電変換手段の量子効率を前記第1光電変換手段の量子効率よりも小さく定めることよって、前記同一の受光条件における前記焦点検出画素の信号レベルと前記撮像画素の信号レベルとを調整することを特徴する撮像素子。 The imaging device according to claim 1,
The adjusting means determines the quantum efficiency of the second photoelectric conversion means to be smaller than the quantum efficiency of the first photoelectric conversion means, whereby the signal level of the focus detection pixel and the signal of the imaging pixel under the same light receiving condition An imaging device characterized by adjusting a level.
前記調整手段は、前記第2光電変換手段の電荷蓄積時間を前記第1光電変換手段の電荷蓄積時間よりも小さく定める電荷蓄積時間制御手段であることを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 1,
The image pickup device according to claim 1, wherein the adjusting means is charge accumulation time control means for determining a charge accumulation time of the second photoelectric conversion means to be smaller than a charge accumulation time of the first photoelectric conversion means.
前記調整手段は、前記同一の受光条件における前記焦点検出画素の信号レベルと前記撮像画素の信号レベルとについて、前記焦点検出画素の信号レベルが前記撮像画素の信号レベルの略75%以下になるように調整することを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 1,
The adjustment unit is configured such that the signal level of the focus detection pixel is approximately 75% or less of the signal level of the imaging pixel with respect to the signal level of the focus detection pixel and the signal level of the imaging pixel in the same light receiving condition. An image pickup device that is adjusted to the above.
前記撮像画素と前記焦点検出画素とは正方格子状に配置されており、前記第1マイクロレンズの開口形状と前記第2マイクロレンズの開口形状とは同一であることを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 1,
The image pickup element and the focus detection pixel are arranged in a square lattice shape, and the opening shape of the first microlens and the opening shape of the second microlens are the same.
前記第1マイクロレンズおよび前記第2マイクロレンズの開口形状は矩形であることを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 10,
An imaging device, wherein the opening shape of the first microlens and the second microlens is a rectangle.
前記複数種類の撮像画素は、赤画素、緑画素、および青画素であり、ベイヤー配列されることを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 1,
The plurality of types of imaging pixels are a red pixel, a green pixel, and a blue pixel, and are arranged in a Bayer array.
前記撮像画素の信号出力に基づき、前記光像に関する画像データを生成する画像生成手段と、
前記焦点検出画素の信号出力に基づき前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段とを備えることを特徴とする撮像装置。 The imaging device according to claim 1,
Image generating means for generating image data relating to the optical image based on a signal output of the imaging pixel;
An imaging apparatus comprising: a focus detection unit that detects a focus adjustment state of the optical system based on a signal output of the focus detection pixel.
前記画像生成手段は、前記焦点検出画素上に形成された前記光像に関する画素データを前記焦点検出画素のデータと前記焦点検出画素の周囲の前記撮像画素のデータとにより補間して生成する補間手段を有することを特徴とする撮像装置。 The imaging device according to claim 13.
The image generation means interpolates and generates pixel data relating to the optical image formed on the focus detection pixel by interpolating data of the focus detection pixel and data of the imaging pixels around the focus detection pixel. An imaging device comprising:
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