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JP2010129783A - Imaging element and imaging device - Google Patents

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JP2010129783A JP2008302972A JP2008302972A JP2010129783A JP 2010129783 A JP2010129783 A JP 2010129783A JP 2008302972 A JP2008302972 A JP 2008302972A JP 2008302972 A JP2008302972 A JP 2008302972A JP 2010129783 A JP2010129783 A JP 2010129783A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To sense the focus by reducing the probability of saturating a signal output of a focus detection element with respect to an adequate signal output of an imaging element in the same light receiving condition in an imaging device having a focus detection function of a pupil division type phase difference detection system. <P>SOLUTION: A signal output of focus detection pixels 313, 314 is made smaller than a signal output of an imaging pixel by an ND filter (neutral density filter) 34 disposed between a micro lens 10 and photoelectric converting parts 13, 14 in the focus detection pixels 313, 314. The ND filter 34 transmits light in the substantially entire wavelength region of visible light. Thereby, the focus detection performance is improved. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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)。
特開平1−216306号公報
An array of a plurality of focus detection pixels that generate a pair of image signals corresponding to a pair of images formed by a pair of light beams passing through the optical system are mixed in an array of imaging pixels having the same pixel size as the focus detection pixels. A so-called pupil division type position that includes an imaging means, generates an image signal by the output of the imaging pixel, and detects a focus adjustment state of the optical system based on a shift amount of the pair of image signals generated by the focus detection pixel. An imaging apparatus having a phase difference detection type focus detection function is known (see, for example, Patent Document 1).
JP-A-1-216306

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 digital still camera 201 according to an embodiment includes an interchangeable lens 202 and a camera body 203, and various interchangeable lenses 202 are attached to the camera body 203 via a mount unit 204.

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 interchangeable lens 202 includes a lens 209, a zooming lens 208, a focusing lens 210, an aperture 211, a lens drive control device 206, and the like. The lens drive control device 206 includes a microcomputer (not shown), a memory, a drive control circuit, and the like. The lens drive control device 206 includes drive control for adjusting the focus of the focusing lens 210 and the aperture diameter of the aperture 211, zooming lens 208, and focusing. In addition to detecting the state of the lens 210 and the aperture 211, the lens information is transmitted and the camera information is received through communication with a body drive control device 214 described later. The aperture 211 forms an aperture having a variable aperture diameter at the center of the optical axis in order to adjust the amount of light and the amount of blur.

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 camera body 203 includes an imaging element 212, a body drive control device 214, a liquid crystal display element drive circuit 215, a liquid crystal display element 216, an eyepiece lens 217, a memory card 219, and the like. In the imaging element 212, imaging pixels are two-dimensionally arranged, and focus detection pixels are incorporated in portions corresponding to focus detection positions. Details of the image sensor 212 will be described later.

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 drive control device 214 includes a microcomputer, a memory, a drive control circuit, and the like. The adjustment is repeated, and image signal processing and recording, camera operation control, and the like are performed. The body drive control device 214 communicates with the lens drive control device 206 via the electrical contact 213 to receive lens information and send camera information (defocus amount, aperture value, etc.).

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 crystal display element 216 functions as an electric view finder (EVF). The liquid crystal display element driving circuit 215 displays a through image by the imaging element 212 on the liquid crystal display element 216, and the photographer can observe the through image through the eyepiece lens 217. The memory card 219 is an image storage that stores an image captured by the image sensor 212.

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 image sensor 212 by the light beam that has passed through the interchangeable lens 202. This subject image is photoelectrically converted by the image sensor 212, and an image signal and a focus detection signal are sent to the body drive control device 214.

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 drive control device 214 calculates the defocus amount based on the focus detection signal from the focus detection pixel of the image sensor 212 and sends the defocus amount to the lens drive control device 206. The body drive control device 214 processes the image signal from the image sensor 212 to generate image data, stores the image data in the memory card 219, and transmits the through image signal from the image sensor 212 to the liquid crystal display element drive circuit 215. The through image is displayed on the liquid crystal display element 216. Further, the body drive control device 214 sends aperture control information to the lens drive control device 206 to control the aperture of the aperture 211.

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 lens drive controller 206 updates the lens information according to the focusing state, zooming state, aperture setting state, aperture opening F value, and the like. Specifically, the positions of the zooming lens 208 and the focusing lens 210 and the aperture value of the aperture 211 are detected, and lens information is calculated according to these lens positions and aperture values, or a lookup prepared in advance. Lens information corresponding to the lens position and aperture value is selected from the table.

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 drive control device 206 calculates a lens drive amount based on the received defocus amount, and drives the focusing lens 210 to the in-focus position according to the lens drive amount. Further, the lens drive control device 206 drives the diaphragm 211 in accordance with the received diaphragm value.

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 interchangeable lens 202, and a region (focus detection) in which a focus detection pixel array on the image sensor 212 described later samples an image on the photographing screen when focus detection is performed. An example of an area and a focus detection position is shown. In this example, focus detection areas 101 to 103 are arranged at the center and three left and right positions on the rectangular shooting screen 100. The focus detection areas 101 to 103 indicated by rectangles extend in the vertical direction on the photographing screen 100, and the focus detection pixels are linearly arranged in the longitudinal direction of each focus detection area.

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 image sensor 212, the principle of the pupil division type phase difference detection method disclosed in Patent Document 1 will be described with reference to FIG.

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 focus detection pixels 111 are arranged on the imaging surface 110. The focus detection pixel 111 includes a microlens 112 and a pair of photoelectric conversion units 113 and 114. The pair of photoelectric conversion units 113 and 114 is projected by the microlens 112 onto the distance measuring pupil plane 120 at a distance d ahead of the imaging surface 110, thereby forming a pair of distance measuring pupils 123 and 124. In other words, the luminous flux of the distance measuring pupil 123 out of the light flux passing through the distance measuring pupil plane 120 at a distance d ahead of the imaging surface 110 is received by the photoelectric conversion unit 113 of the focus detection pixel 111 and is measured. Of the light beams passing through the pupil plane 120, the light beam of the distance measuring pupil 124 is received by the photoelectric conversion unit 114 of the focus detection pixel 111. The relative shift amount (phase difference, image shift amount) between the image signal of the photoelectric conversion unit 113 in the array of the focus detection pixels 111 and the image signal of the photoelectric conversion unit 114 is an image on the imaging surface. Since it changes according to the focus adjustment state of the optical system to be formed, the focus adjustment state of the optical system can be detected by calculating this shift amount by processing a pair of image signals generated by the focus detection pixels. .

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 distance measurement pupils 123 and 124 do not have a distribution obtained by simply projecting the pair of photoelectric conversion units 113 and 114, but the light diffraction effect according to the aperture diameter (substantially coincides with the pixel size) of the microlens 111. Due to this, the distribution is blurred and has a base. In FIG. 3, when the pair of distance measurement pupils 123 and 124 are scanned in the alignment direction using the slit in the direction perpendicular to the alignment direction of the pair of distance measurement pupils 123 and 124, a pair of distance measurement pupil distributions 133 and 134 are obtained. . Due to the diffraction effect, the pair of distance measuring pupil distributions 133 and 134 have overlapping portions 135 at adjacent portions. As the ratio of the superimposing unit 135 increases with respect to the entire distance measurement pupil distribution 133 or 134, the pair of distance measurement pupils 123 and 124 are not completely separated, and the focus detection performance decreases. In particular, when the aperture value F value of the optical system is large and the aperture diameter is small, the pair of light beams transmitted through the optical system pass through the region in the vicinity of the optical axis in the pair of distance measuring pupils 123 and 124. Then, the light enters the focus detection pixel 111. For this reason, the pair of light fluxes used for focus detection is incompletely separated, so that the focus detection performance is deteriorated or the focus detection becomes impossible.

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。

Figure 2010129783
Table 1 shows the relationship between the aperture F value of the optical system and the diameter of the spread of the point image distribution by diffraction, and the Airy disk formula (diameter of point image = 1.22 × 2 × wavelength × F value). And the wavelength = 500 nm). For a bright optical system (small aperture F value), the diameter of the point image is on the order of μm, so that the resolution can be expected to be improved by setting the pixel size of the imaging pixel to be equal to or smaller than the diameter of the point image.
Figure 2010129783

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。

Figure 2010129783
Table 2 shows the pixel size (opening diameter D of the circular microlens) and the F value corresponding to the superimposition unit 135 obtained by dividing the distance d in FIG. 3 by the dimension x of the superposition unit 135 of the pair of distance measurement pupil distributions. The relationship is shown, and is obtained from the Airy disk equation (when F = D / (1.22 × 2 × wavelength) and wavelength = 500 nm). When the pixel size is 7 μm or less, the F value of the overlapping portion 135 is 5.7 or less.
Figure 2010129783

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 image sensor 212, and shows an enlarged vicinity of the focus detection area 101 on the image sensor 212. Imaging pixels 310 are densely arranged on the imaging element 212 in a two-dimensional square lattice pattern. The imaging pixel 310 includes a red pixel (R), a green pixel (G), and a blue pixel (B), and is arranged according to a Bayer arrangement rule. In the position corresponding to the focus detection area 101, focus detection focus detection pixels 313 and 314 having the same pixel size as the imaging pixels are alternately arranged, and the green pixels and the blue pixels originally should be continuously arranged in the vertical direction. Arranged continuously on a straight line.

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 microlens 10 has a shape cut out from a circular microlens 9 larger than the pixel size into a square shape corresponding to the pixel size. The cross section 10A in the diagonal direction passing through the optical axis of the microlens 10 and the cross section 10B in the horizontal direction passing through the optical axis of the microlens 10 have shapes shown in FIG.

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 focus detection areas 102 and 103 is the same as the configuration shown in FIG.

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 imaging pixel 310 includes a rectangular microlens 10, a photoelectric conversion unit 11 whose light receiving area is limited by a light shielding mask described later, and a color filter (not shown). There are three types of color filters, red (R), green (G), and blue (B), and the respective spectral sensitivities have the characteristics shown in FIG. In the image pickup device 212, image pickup pixels 310 having respective color filters are arranged in a Bayer array.

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 focus detection pixel 313 includes a rectangular microlens 10, a photoelectric conversion unit 13 in which a light receiving area is limited by a light shielding mask described later, and an ND filter (not shown). The shape of the photoelectric conversion unit 13 whose light receiving area is limited by the mask is rectangular. Further, as shown in FIG. 6C, the focus detection pixel 314 includes a rectangular microlens 10, a photoelectric conversion unit 14 whose light receiving area is limited by a light shielding mask described later, and an ND filter (not shown) described later. The shape of the photoelectric conversion unit 14 that is configured and whose light receiving area is limited by a light shielding mask having a smaller opening than the light shielding mask of the imaging pixel 310 is rectangular. When the focus detection pixel 313 and the focus detection pixel 314 are displayed with the microlens 10 superimposed, the photoelectric conversion units 13 and 14 whose light receiving areas are limited by the light shielding mask are arranged in the vertical direction.

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 imaging pixel 310. In the imaging pixel 310, a light shielding mask 30 is formed in proximity to the imaging photoelectric conversion unit 11, and the photoelectric conversion unit 11 receives light that has passed through the opening 30 a of the light shielding mask 30. A planarizing layer 31 is formed on the light shielding mask 30, and a color filter 38 is formed thereon. A planarizing layer 32 is formed on the color filter 38, and the microlens 10 is formed thereon. The shape of the opening 30 a is projected forward by the microlens 10. The photoelectric conversion unit 11 is formed on the semiconductor circuit substrate 29.

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 focus detection pixels 313 and 314. In the focus detection pixels 313 and 314, a light shielding mask 30 is formed in proximity to the focus detection photoelectric conversion units 13 and 14, and the photoelectric conversion units 13 and 14 have passed through the openings 30 b and 30 c of the light shielding mask 30. Receives light. A planarizing layer 31 is formed on the light shielding mask 30, and an ND filter (neutral density filter) 34 is formed thereon. A planarizing layer 32 is formed on the ND filter 34, and the microlens 10 is formed thereon. The shapes of the openings 30b and 30c are projected forward by the microlens 10. The photoelectric conversion units 13 and 14 are formed on the semiconductor circuit substrate 29.

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 focus detection pixels 313 and 314 are not provided with a color filter for performing focus detection on all colors, but instead are provided with an ND filter 34 for reducing the amount of incident light. The spectral characteristics are shown in FIG. In other words, the spectral characteristics are obtained by adding the spectral characteristics of the green pixel, red pixel, and blue pixel shown in FIG. 7, and the light wavelength region of the sensitivity includes the light wavelength regions of the sensitivity of the green pixel, red pixel, and blue pixel. ing. The density of the ND filter 34 is, for example, 3/4 (75%) of the output level of the focus detection pixels 313 and 314 with respect to the output level of the green pixel of the imaging pixel 310 when the imaging device 212 is irradiated with white light. It is determined to be as follows. This is due to the action of the ND filter 34 described below.

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 filter 34 is as follows. As described above, the imaging pixel 310 includes the color filter 38 having the spectral sensitivity shown in FIG. Therefore, the amount of light incident on the photoelectric conversion unit 11 is reduced by the color filter 38. On the other hand, since there is no color filter in the focus detection pixels 313 and 314 and the above-described reduction in the amount of incident light does not occur, the output level of the focus detection pixels 313 and 314 may exceed the output level of the imaging pixel 310. . In order to prevent this, the ND filter 34 of the focus detection pixel reduces the amount of light incident on the photoelectric conversion units 13 and 14.

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 ND filter 34 is as follows. Vignetting of the focus detection light flux occurs in a region where the image height is high on the screen (focus detection areas 102 and 103), the output balance of the pair of focus detection pixels 313 and 314 is lost, and the output level of one focus detection pixel increases. Even in this case, the output level of the green pixel in the imaging pixel 310 is not exceeded.

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 focus detection pixels 313 and 314 are arranged in a column where B and G of the imaging pixel 310 are to be arranged according to the arrangement rule of the Bayer array. This is because when an interpolation error occurs in the interpolation processing for obtaining the image signal at the position of the focus detection pixels 313 and 314, the interpolation error of the blue pixel is compared with the interpolation error of the red pixel due to human visual characteristics. This is because it is not conspicuous.

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 imaging pixel 310 is designed in such a shape that the photoelectric conversion unit 11 receives all the light flux that passes through the exit pupil diameter (for example, F1.0) of the brightest interchangeable lens by the microlens 10. In addition, the focus detection pixels 313 and 314 are designed in such a shape that the photoelectric conversion units 13 and 14 respectively receive a pair of focus detection light beams that pass through a pair of predetermined regions of the exit pupil of the interchangeable lens by the microlens 10. Is done.

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 exit pupil 90 is set at a position of a distance d forward from the microlens arranged on the planned imaging plane of the interchangeable lens 202 (see FIG. 1). This distance d is a distance determined according to the curvature and refractive index of the microlens, the distance between the microlens and the photoelectric conversion unit, and is referred to as a distance measuring pupil distance in this specification. FIG. 11 also shows the optical axis 91 of the interchangeable lens, the microlens 10, the photoelectric conversion units 13 and 14, focus detection pixels 313 and 314, the photographing light beam 71, and the focus detection light beams 73 and 74.

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 distance measuring pupil 93 is a projection of the region of the opening 30b by the microlens 10. Similarly, the distance measuring pupil 94 is obtained by projecting the region of the opening 30 c by the microlens 10. In FIG. 11, the distance measuring pupils 93 and 94 are shown in clear areas for easy understanding, but in reality, the shapes of the openings 30 b and 30 c are enlarged and projected and become blurred due to diffraction. .

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 focus detection area 102 in the periphery of the screen also in the other focus detection pixels and imaging pixels of the focus detection area 101. , 103 also, the photoelectric conversion units are configured to receive light beams that arrive at the microlenses from the corresponding distance measurement pupils 93 and 94, respectively. The arrangement direction of the focus detection pixels is made to coincide with the arrangement direction of the pair of distance measuring pupils, that is, the arrangement direction of the pair of photoelectric conversion units.

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 microlens 10 is disposed in the vicinity of the planned imaging plane of the interchangeable lens 202 (see FIG. 1), and the shape of the openings 30b and 30c disposed in the vicinity of the photoelectric conversion units 13 and 14 by the microlens 10 is micro. The projection is performed on the exit pupil 90 separated from the lens 10 by the distance measurement pupil distance d, and the projection shape forms distance measurement pupils 93 and 94.

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 photoelectric conversion unit 13 passes through the distance measuring pupil 93 and outputs a signal corresponding to the intensity of the image formed on the microlens 10 by the light flux 73 directed to the microlens 10 of the focus detection pixel 313. Further, the photoelectric conversion unit 14 outputs a signal corresponding to the intensity of the image formed on the microlens 10 by the light flux 74 that passes through the distance measuring pupil 94 and travels toward the microlens 10 of the focus detection pixel 314.

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 distance measurement pupil 93 and an output group corresponding to the distance measurement pupil 94, thereby measuring the distance measurement pupil 93 and the measurement pupil 93. Information on the intensity distribution of the pair of images formed on the pixel array by the focus detection light beams that respectively pass through the distance pupil 94 is obtained. By applying an image shift detection calculation process (correlation calculation process, phase difference detection process), which will be described later, to this information, an image shift amount of a pair of images is detected by a so-called pupil division type phase difference detection method. Furthermore, by performing a conversion calculation according to the proportional relationship between the distance between the center of gravity of the pair of distance measurement pupils and the distance measurement pupil distance to the image displacement amount, the current image formation plane (micrometer on the planned image formation plane) A deviation (defocus amount) of the imaging plane at the focus detection position corresponding to the position of the lens array is calculated.

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 imaging pixel 310 of the imaging device 212 shown in FIG. 4 in comparison with FIG. 11, and description of portions overlapping those in FIG. 11 is omitted.

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 imaging pixel 310 includes the microlens 10 and the photoelectric conversion unit 11 disposed behind the microlens 10, and the shape of the opening 30 a (see FIG. 9) disposed close to the photoelectric conversion unit 11 is measured from the microlens 10. Projection is performed on the exit pupil 90 separated by the distance pupil distance d, and the projection shape forms a region 95 that is substantially circumscribed by the distance measurement pupils 93 and 94.

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 photoelectric conversion unit 11 outputs a signal corresponding to the intensity of the image formed on the microlens 11 by the imaging light beam 71 that passes through the region 95 and travels toward the microlens 10.

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 image sensor 212 is configured as a CMOS image sensor will be described. FIG. 13 is a conceptual diagram of a circuit configuration of the image sensor 212.

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 image sensor 212 that is a CMOS image sensor is set to detect a detection error when detecting an image shift described later. They are set so as to be aligned in the same direction as the focus detection areas 101 to 103 in FIG. 2 (the short side direction of the rectangular screen). However, it is not limited to that.

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 image sensor 212 is simplified to a layout of 8 pixels in the horizontal direction × 4 pixels in the vertical direction. In the vertical direction, focus detection pixels 313 and 314 (◯: two pixels indicated by circles) are arranged at the second and third pixels in the sixth column, and the imaging pixels 310 (□: pixels indicated by squares) are at other positions. Arranged. The detailed operation of the circuit of FIG. 13 will be described below.

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 line memory 320 is a buffer that samples and holds pixel signals of pixels for one column and temporarily holds them, and a control in which the horizontal scanning circuit 522 generates pixel signals of the same column output to the signal line Vout. Sample and hold simultaneously based on the signal ΦS. The pixel signal held in the line memory 320 is reset in synchronization with the rise of the control signals ΦH1 to ΦH8.

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 imaging pixel 310 and the focus detection pixels 313 and 314 are controlled independently for each column by control signals (ΦH1 to ΦH8) generated by the horizontal scanning circuit. Pixel signals of the pixels in the column selected by the control signals (ΦH1 to ΦH8) are output to the signal line 501. The pixel signals held in the line memory 320 are sequentially transferred to the output circuit 330 by the control signals (ΦV1 to ΦV4) generated by the vertical scanning circuit 502, amplified by the amplification degree set by the output circuit 330, and output to the outside. The After the pixel signal is sampled and held, the imaging pixel 310 is reset by a control signal (ΦR1 to ΦR8) generated by the reset circuit 504, and starts charge accumulation for the next pixel signal.

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 imaging pixel 310 and the focus detection pixels 313 and 314. The photoelectric conversion unit is composed of a photodiode (PD). The charge accumulated in the PD is accumulated in a floating diffusion layer (floating diffusion: FD). The FD is connected to the gate of the amplification MOS transistor (AMP), and the AMP generates a signal corresponding to the amount of charge accumulated in the FD.

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 image sensor 212 shown in FIG. The imaging pixels 310 in the first column are selected by the control signal ΦH1 generated by the horizontal scanning circuit 522, and the pixel signals of the selected imaging pixels 310 are output to the signal line 501. The pixel signal in the first column output to the signal line 501 by the control signal ΦS generated in synchronization with the control signal ΦH1 is temporarily held in the line memory 320. The pixel signals of the imaging pixels 310 in the first column held in the line memory 320 are transferred to the output circuit 330 according to the control signals ΦV1 to ΦV4 sequentially issued from the vertical scanning circuit 502, and with the amplification degree set by the output circuit 330. Amplified and output to the outside.

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 imaging pixels 310 in the first column to the line memory 320 is completed, the imaging pixels 310 in the first column are reset by the control signal ΦR1 issued from the reset circuit 504, and the falling edge of the control signal ΦR1 Then, the next charge accumulation of the imaging pixels in the first column is started. When the output of the pixel signal of the imaging pixel 310 in the first column from the output circuit 330 is completed, the imaging pixel 310 in the second column is selected by the control signal ΦH2 generated by the horizontal scanning circuit 522, and the selected imaging pixel 310 is selected. The pixel signal is output to the signal line 501. Thereafter, similarly, the pixel signal of the imaging pixels 310 in the second column is held, the focus detection pixels 313 and 314 are reset, the pixel signal is output, and the next charge accumulation is started.

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 imaging pixels 310 and the focus detection pixels 313 and 314 in the third to eighth columns are retained, the imaging pixels 310 and the focus detection pixels 313 and 314 are reset, and the imaging pixels 310 and the focus detection pixels 313 and 314 are reset. The pixel signal is output and the next charge accumulation is started. When the output of the pixel signals of all the pixels is completed, the operation returns to the first column again and the above operation is repeated periodically. Further, by changing the pulse width of the control signals ΦR1 to ΦR8, it is possible to adjust the charge accumulation time (exposure time) of the imaging pixel 310 and the focus detection pixels 313 and 314.

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 rectangular imaging region 100 of the image sensor 310, the scanned pixel signals are sequentially output to the outside, and the scanning lines are shifted from the left to the right of the screen. To sequentially output the pixel signals of the entire screen to the outside. Since the direction of the scanning line coincides with the short side direction of the rectangular screen and also coincides with the arrangement direction of the focus detection pixels 313 and 314, the same charge accumulation timing is obtained in the focus detection pixels 313 and 314 arranged in the same column. Can be maintained.

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 still camera 201 is turned on in step S100, the body drive control device 214 starts an imaging operation after step S110. In step S110, the data of the imaging pixels is read out and displayed on the electronic viewfinder. In subsequent step S120, a pair of image data corresponding to the pair of images is read from the focus detection pixel array. The focus detection area is assumed to be selected in advance by the photographer using one of the focus detection areas 101 to 103 using a focus detection area selection member (not shown).

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 lens drive controller 206, and the focusing lens 210 of the interchangeable lens 202 is driven to the focus position. Then, it returns to step S110 and repeats the operation | movement mentioned above.

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 drive control device 206, and the focusing lens 210 of the interchangeable lens 202 is driven to scan from infinity to the nearest. Then, it returns to step S110 and repeats the operation | movement mentioned above.

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 drive control unit 206, and the aperture value of the interchangeable lens 202 is set to the control F value (F set by the photographer or automatically). Value). When the aperture control is finished, the image sensor 212 is caused to perform an imaging operation, and image data is read from the image pickup pixel 310 and all the focus detection pixels 313 and 314 of the image pickup element 212.

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 imaging pixels 310 around the focus detection pixels 313 and 314 and the data of the focus detection pixels 313 and 314. In subsequent step S190, image data composed of the data of the imaging pixel 310 and the interpolated data is stored in the memory card 219, and the process returns to step S110 to repeat the above-described operation.

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,・・・,A1、A2,・・・,A2: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。

Figure 2010129783
In the pair of images detected by the focus detection pixels 313 and 314, the distance measurement pupils 93 and 94 may be displaced by the aperture of the lens and the light amount balance may be lost. A type of correlation operation that can maintain the above is applied. Japanese Patent Application Laid-Open (JP-A) No. 2004-A-1993 based on the application of the present applicant for a pair of data strings (A1 1 ,..., A1 M , A2 1 ,..., A2 M : M is the number of data) The correlation calculation formula (1) disclosed in 2007-333720 is performed to calculate the correlation amount C (k).
Figure 2010129783

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A1、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=k=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。

Figure 2010129783
Figure 2010129783
Figure 2010129783
Figure 2010129783
As shown in FIG. 17A, the calculation result of the expression (1) indicates that the correlation amount C (k) is obtained when the pair of data has a high correlation amount (k = k j = 2 in FIG. 17A). Minimal (the smaller the value, the higher the correlation). The shift amount x that gives the minimum value C (x) when the correlation amount is regarded as continuous is obtained using the three-point interpolation method according to the equations (2) to (5).
Figure 2010129783
Figure 2010129783
Figure 2010129783
Figure 2010129783

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。

Figure 2010129783
Alternatively, if SLOP that is proportional to the contrast is equal to or smaller than a predetermined value, it is determined that the subject has low contrast and the reliability of the calculated shift amount x is low, and the calculated shift amount x is canceled. . As shown in FIG. 17C, when the correlation between the pair of data is low and there is no drop in the correlation amount C (k) between the shift range kmin and kmax , the minimum value C (x) is obtained. In such a case, it is determined that the focus cannot be detected. When it is determined that the calculated shift amount x is reliable, it is converted into the image shift amount shft by the equation (6).
Figure 2010129783

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。

Figure 2010129783
In Expression (6), PY is twice the pixel pitch (detection pitch) of the focus detection pixels 313 and 314. The image shift amount calculated by Expression (6) is multiplied by a predetermined conversion coefficient Kd to convert it to a defocus amount def.
Figure 2010129783

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 focus detection pixels 313 and 314 rectangular. By disposing an ND filter as an adjustment means in the focus detection pixels 313 and 314, it is possible to prevent the output of the focus detection pixels 313 and 314 from increasing due to an increase in the aperture area of the microlens and the like and exceeding the output of the imaging pixel 310, It is guaranteed that the output of the focus detection pixels 313 and 314 is 3/4 or less of the output of the imaging pixel 310 in the same exposure time. As a result, the pair of focus detection light beams are unevenly vignetted in the region corresponding to the peripheral portion of the screen range, and the amount of light beams incident on one of the pair of focus detection pixels 313 and 314 increases. In addition, the probability that the outputs of the focus detection pixels 313 and 314 are saturated can be reduced.

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 imaging pixel 310 may saturate in an area corresponding to a part on the screen. However, the focus detection pixel is also in an area where the output of the imaging pixel 310 slightly exceeds the saturation level. Since the outputs of 313 and 314 are not yet saturated, focus detection is possible even in this region.

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 focus detection pixels 313 and 314 is also used for pixel interpolation processing. However, the probability of saturation of the output of the focus detection pixels 313 and 314 due to the vignetting of the focus detection light beam is reduced, so that the pixel interpolation performance is improved. Image quality is improved.
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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 focus detection pixels 313 and 314 with the ND filter, the signal output level of the focus detection pixels 313 and 314 has the signal output level of the imaging pixel 310 under the same exposure condition. Although it is adjusted so that it does not exceed the value, it may be adjusted by means other than this.

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 focus detection pixel 313 corresponding to FIG. 6B, and a light shielding member 39 for adjusting the light amount is added instead of the ND filter. A focus detection pixel 314 (not shown) is similarly configured. FIG. 19 is a cross-sectional view of the focus detection pixels 313 and 314 shown in FIG. A light shielding mask 30 is formed in proximity to the focus detection photoelectric conversion units 13 and 14, and the light beam conversion units 13 and 14 receive light that has passed through the openings 30 b and 30 c of the light shielding mask 30. A planarization layer 31 is formed on the light shielding mask 30, and a light shielding member 39 is formed thereon. A planarizing layer 32 is formed on the light shielding member 39, and the microlens 10 is formed thereon. The shapes of the openings 30b and 30c are projected forward by the microlens 10. The photoelectric conversion units 13 and 14 are formed on the semiconductor circuit substrate 29.

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 light shielding member 39 is disposed in the vicinity of the microlens 10 and shields the light beam passing through the vicinity of the optical axis of the microlens 10. As a result, the amount of light can be adjusted, and blurring can be reduced in the diffraction of the projected images of the openings 30b and 30c by the effect of apodization, thereby improving the pupil division performance.

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 focus detection pixels 313 and 314, a half mirror (beam splitter) member is disposed in the optical path from the microlens 10 to the photoelectric conversion units 13 and 14, and a part of the light beam incident on the focus detection pixels 313 and 314 is obtained. May be adjusted so that the signal output level of the focus detection pixels 313 and 314 does not exceed the signal output level of the imaging pixel 310 under the same exposure conditions. Specifically, a thin film having a half mirror function can be formed on the surface of the microlens 10 of the focus detection pixels 313 and 314 and the surfaces of the photoelectric conversion units 13 and 14 by a multilayer film or the like.

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 focus detection pixels 313 and 314 does not exceed the signal output level of the imaging pixel 310 under the same exposure conditions. However, it may be adjusted by other means.

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 focus detection pixels 313 and 314 lower than the amplification degree of the amplification MOS transistor (AMP) of the imaging pixel 310. It is possible to adjust so that the signal output level of the focus detection pixels 313 and 314 does not exceed the signal output level of the imaging pixel 310 under the conditions.

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 photoelectric conversion units 13 and 14 of the focus detection pixels 313 and 314 to be lower than the quantum efficiency of the photoelectric conversion unit 11 of the imaging pixel 310, the signal output of the focus detection pixels 313 and 314 under the same exposure conditions. The level can be adjusted so as not to exceed the signal output level of the imaging pixel 310. Specifically, when a photodiode (PN junction) serving as a photoelectric conversion portion is formed on a semiconductor substrate, the quantum efficiency can be controlled by controlling the depth.

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 focus detection pixels 313 and 314 to be shorter than the charge accumulation time of the imaging pixel 310, the signal output level of the focus detection pixels 313 and 314 becomes the signal output level of the imaging pixel 310 under the same exposure condition. It is possible to adjust so as not to exceed.

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 image sensor 310 corresponding to FIGS. 13 and 15, and description of overlapping portions is omitted. The difference between FIG. 20 and FIG. 13 is that the image pickup pixel 310 and the focus detection pixels 313 and 314 in the sixth column are reset by different control signals ΦR6 and ΦR6a generated by the reset circuit 504, and charge for the next pixel signal is obtained. This is the point where accumulation starts.

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 focus detection pixels 313 and 314 in the sixth column rises simultaneously with the control signal ΦR6 and is controlled by the control signal ΦR6a falling after the control signal ΦR6. As a result, the charge accumulation time of the image pickup pixel 310 becomes the time T1 from the fall to the rise of the control signals ΦR1 to ΦR8, while the charge accumulation time of the focus detection pixels 313 and 314 is the time from the fall to the rise of the control signal ΦR6a. T2 (shorter than time T1), and the signal output level of the focus detection pixels 313 and 314 becomes smaller than the signal output level of the imaging pixel 310 under the same exposure condition. The time T2 is set by the reset circuit 522 so as to be 3/4 or less of the time T1.

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 imaging device 212 illustrated in FIG. 4, an example in which each pixel includes a pair of focus detection pixels 313 and 314 having one photoelectric conversion unit is illustrated. However, a pair of photoelectric conversion units are provided in one focus detection pixel. It may be. FIG. 22 is a partially enlarged view of such an image sensor 212. The focus detection pixel 311 includes a pair of photoelectric conversion units. The focus detection pixel 311 illustrated in FIG. 23 performs a function corresponding to the pair of the focus detection pixel 313 and the focus detection pixel 314 illustrated in FIGS. 6B and 6C. The focus detection pixel 311 includes a microlens 10 and a pair of photoelectric conversion units 13 and 14 as shown in FIG. The focus detection pixel 311 is not provided with a color filter in order to increase the amount of light, and its spectral characteristic is a spectral that combines the spectral sensitivity of a photodiode that performs photoelectric conversion and the spectral characteristic of an infrared cut filter (not shown). Characteristics (see FIG. 7). In other words, the spectral characteristics are obtained by adding the spectral characteristics of the green pixel, red pixel, and blue pixel shown in FIG. 8, and the light wavelength region of the sensitivity includes the light wavelength regions of the sensitivity of the green pixel, red pixel, and blue pixel. ing.

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 focus detection pixel 311 shown in FIG. 23, in which a light shielding mask 30 is formed close to the photoelectric conversion units 13 and 14, and light that has passed through the opening 30 d of the light shielding mask 30 is reflected. The photoelectric conversion units 13 and 14 receive light. A planarizing layer 31 is formed on the light shielding mask 30, and an ND filter 34 is formed thereon. A planarizing layer 32 is formed on the ND filter 34, and the microlens 10 is formed thereon. The shape of the photoelectric conversion units 13 and 14 limited to the opening 30d by the microlens 10 is projected forward to form a pair of distance measuring pupils. The photoelectric conversion units 13 and 14 are formed on the semiconductor circuit substrate 29.

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 image sensor 212 and the optical system, but a necessary optical element can be appropriately inserted. For example, an infrared cut filter, an optical low-pass filter, a half mirror, or the like may be installed. In the case of the configuration of the imaging device as shown in FIG. 4, the characteristics of the optical low-pass filter are such that the high-frequency cut effect of the optical low-pass filter is more effective in the alignment direction of the focus detection pixels than in the direction perpendicular to the alignment direction of the focus detection pixels. By setting, the adverse effect on the focus detection accuracy when an image having a high frequency component enters between the focus detection pixels can be mitigated.

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 imaging pixel 310 shown in FIG. 9 and the cross-sectional views of the focus detection pixels 313, 314, and 311 shown in FIGS. By making the thickness of the filter 38 and the ND filter 34 substantially equal, each distance between the photoelectric conversion units 13, 14, 11 and the microlens 10 can be made equal. Further, since the focus detection pixels 313, 314, and 311 are provided with the ND filter 34 instead of the color filter 38 in the image pickup pixel 310, the manufacturing process of the image pickup pixel 310 and the focus detection pixels 313, 314, and 311 is omitted. It can be shared. Therefore, an integrated microlens array can be easily manufactured by the focus detection pixels 313, 314, 311 and the imaging pixel 310. On the other hand, as described above, by providing means other than the ND filter 34 to the focus detection pixels 313, 314, 311, the signal output level of the focus detection pixels 313, 314, 311 is the signal of the imaging pixel 310 under the same exposure conditions. It is possible to adjust so as not to exceed the output level. In that case, by providing the focus detection pixels 313, 314, and 311 with a colorless filter or the like instead of the ND filter 34, the distances between the photoelectric conversion units 13, 14, and 11 and the microlens 10 are made equal to each other. It is preferable that the manufacturing process of the 310 and the focus detection pixels 313, 314, and 311 can be made substantially common.

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 imaging element 212 in the above-described embodiment, an example in which the imaging pixel includes a Bayer color filter is shown, but the configuration and arrangement of the color filter are not limited to this, and a complementary color filter (green: G, yellow). : Ye, magenta: Mg, cyan: Cy) and other arrangements other than the Bayer arrangement.

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.

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。1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a lens interchangeable digital still camera equipped with an image sensor according to an embodiment. 交換レンズの撮影画面上における焦点検出位置を示す図。The figure which shows the focus detection position on the imaging | photography screen of an interchangeable lens. 瞳分割型位相差検出方式の原理について説明する図。The figure explaining the principle of a pupil division type phase difference detection system. 撮像素子の詳細な構成を示す部分拡大正面図。The partial enlarged front view which shows the detailed structure of an image pick-up element. 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。The figure which shows the shape of the micro lens of an imaging pixel and a focus detection pixel. 撮像画素と焦点検出画素の正面図。The front view of an imaging pixel and a focus detection pixel. 緑画素、赤画素および青画素の分光特性を示す図。The figure which shows the spectral characteristic of a green pixel, a red pixel, and a blue pixel. 焦点検出画素の分光特性を示す図。The figure which shows the spectral characteristic of a focus detection pixel. 撮像画素の断面図。Sectional drawing of an imaging pixel. 焦点検出画素の断面図。Sectional drawing of a focus detection pixel. 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図。The figure which shows the structure of the focus detection optical system of the pupil division type phase difference detection system using a micro lens. 撮像画素が受光する撮影光束の様子を示す図。The figure which shows the mode of the imaging | photography light beam which an imaging pixel receives. 撮像素子の回路構成を簡略化して示す図。FIG. 6 is a diagram showing a simplified circuit configuration of an image sensor. 撮像画素および焦点検出画素における1つの光電変換部に対する基本回路構成を示す図。The figure which shows the basic circuit structure with respect to one photoelectric conversion part in an imaging pixel and a focus detection pixel. 撮像素子の動作タイミングチャート。The operation timing chart of an image sensor. デジタルスチルカメラの撮像動作を示すフローチャート。The flowchart which shows the imaging operation of a digital still camera. 一対のデータのシフト量kに対する相関量C(k)の関係を示す図。The figure which shows the relationship of the correlation amount C (k) with respect to the shift amount k of a pair of data. 他の実施の形態の撮像素子における焦点検出画素の構成を示す図。The figure which shows the structure of the focus detection pixel in the image pick-up element of other embodiment. 焦点検出画素の断面図。Sectional drawing of a focus detection pixel. 撮像素子の回路構成を簡略化して示す図。FIG. 6 is a diagram showing a simplified circuit configuration of an image sensor. 撮像素子の動作タイミングチャート。The operation timing chart of an image sensor. 撮像素子の詳細な構成を示す部分拡大正面図。The partial enlarged front view which shows the detailed structure of an image pick-up element. 焦点検出画素の正面図。The front view of a focus detection pixel. 焦点検出画素の断面図。Sectional drawing of a focus detection pixel.

符号の説明Explanation of symbols

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、前記第1マイクロレンズと前記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、前記第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、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.
請求項1に記載された撮像素子において、
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.
請求項2に記載された撮像素子において、
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.
請求項2に記載された撮像素子において、
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.
請求項2に記載された撮像素子において、
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.
請求項1に記載された撮像素子において、
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.
請求項1に記載された撮像素子において、
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.
請求項1に記載された撮像素子において、
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.
請求項1に記載された撮像素子において、
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.
請求項1に記載された撮像素子において、
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.
請求項10に記載された撮像素子において、
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.
請求項1に記載された撮像素子において、
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.
請求項1〜12に記載された撮像素子と、
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.
請求項13に記載の撮像装置において、
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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