攝像元件和攝像裝置的制造方法
【專利說明】攝像元件和攝像裝置
[0001]技術區域
[0002]本發明涉及攝像元件和攝像裝置。
【背景技術】
[0003]公知有專利文獻I中公開的攝像裝置。在該攝像裝置中，排列由微透鏡和配置在其背后的一對光電轉換部構成的焦點檢測像素而成的攝像元件配置在攝影鏡頭(光學系統)的預定焦點面上。與通過光學系統的一對焦點檢測光束形成的一對像對應的一對像信號通過一對光電轉換部而生成為模擬信號。將該一對模擬信號獨立地從攝像元件讀取，通過檢測一對像信號間的像偏移量(相位差)，檢測攝影鏡頭的焦點調節狀態(離焦量)。將由焦點檢測像素的一對光電轉換部生成的模擬信號在焦點檢測像素內模擬相加，并且將相加后的模擬信號作為圖像信號從攝像元件讀取，從而生成圖像信息。
[0004]現有技術文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開2001-83407號公報
【發明內容】
[0007]發明所要解決的課題
[0008]在如上所述的攝像裝置中，在焦點檢測像素內進行一對模擬信號的模擬相加處理。因此，在焦點檢測時需要從攝像元件獨立地讀取一對模擬信號，并且在圖像信息生成時需要將一對模擬信號相加并從攝像元件讀取。即，存在在從攝像元件讀取I幀量的信號時不能同時進行焦點檢測和圖像信息生成的問題。
[0009]用于解決課題的手段
[0010]根據本發明的第I方式，攝像元件具有:第I像素，接收一對光束并輸出一對第I模擬信號；AD轉換部，將一對第I模擬信號轉換為一對第I數字信號；數字加法部，將一對第I數字信號彼此相加而生成加法數字信號；第I輸出部，將一對第I數字信號輸出到外部；以及第2輸出部，將加法數字信號輸出到外部。
[0011 ] 根據本發明的第2方式，優選的是，在第I方式的攝像元件中，攝像元件還具有:像素陣列部，具有在第I方向上排列第I像素而成的第I像素組，第I像素組在與第I方向交叉的第2方向上排列；和掃描部，在像素陣列部中在第2方向上對第I像素組進行掃描。AD轉換部將通過在由掃描部掃描的第I像素組中排列的第I像素輸出的一對第I模擬信號在第I像素組內并列地轉換為一對第I數字信號。
[0012]根據本發明的第3方式，優選的是，在第2方式的攝像元件中，像素陣列部還具有接收光束并輸出第2模擬信號的第2像素，在第I像素組中，在第I方向上排列第I像素和第2像素，AD轉換部將一對第I模擬信號和第2模擬信號在第2方向上并列地轉換為一對第I數字信號和第2數字信號，第2輸出部將加法數字信號和AD轉換部對第2模擬信號進行轉換而得到的第2數字信號輸出到外部。
[0013]根據本發明的第4方式，優選的是，在第3方式的攝像元件中，當輸入與相鄰的第I像素和第2像素分別對應的一對第I數字信號和第2數字信號時，數字加法部將通過輸出一對第I數字信號的開關輸出的一對第I數字信號彼此相加。
[0014]根據本發明的第5方式，優選的是，在第4方式的攝像元件中，攝像元件還具有多根信號線，該多根信號線通過在由掃描部掃描的第I像素組上排列的第I像素和第2像素，分別輸出一對第I模擬信號和第2模擬信號。多根信號線中與一對第I模擬信號中的一個對應的一根信號線還與通過在由掃描部下一次掃描的第I像素組上排列的第2像素輸出的第2模擬信號對應。
[0015]根據本發明的第6方式，優選的是，在第3?第5中的任意一個方式的攝像元件中，第I輸出部和第2輸出部具有輸出掃描信號的共用的掃描電路，第I輸出部根據掃描信號將一對第I數字信號輸出到外部，第2輸出部根據掃描信號將加法數字信號和第2數字信號輸出到外部。
[0016]根據本發明的第7方式，優選的是，在第6方式的攝像元件中，像素陣列部所得具有的包含第I像素和第2像素的多個像素根據拜耳排列具有紅色、綠色以及藍色中的任意一個顏色的彩色濾光片，并且第I像素具有綠色的彩色濾光片。
[0017]根據本發明的第8方式，優選的是，在第7方式的攝像元件中，在像素陣列部中具有在第I方向上排列接收一對光束并輸出一對第3模擬信號的第3像素與第2像素而成的第2像素組，以交替地并列配置第I像素組與第2像素組的方式在第2方向上排列多個第2像素組，第I像素具有在第I方向上并列配置的一對第I光電轉換部，第3像素具有在第2方向上并列配置的一對第3光電轉換部。
[0018]根據本發明的第9方式，優選的是，在第I方式的攝像元件中，攝像元件還具有:第I存儲器，存儲AD轉換部對一對第I模擬信號進行轉換而得到的一對第I數字信號；和第2存儲器，存儲數字加法部將一對第I數字信號彼此相加而得到的加法數字信號。第I輸出部將由第I存儲器存儲的一對第I數字信號輸出到外部，第2輸出部將由第2存儲器存儲的加法數字信號輸出到外部。
[0019]根據本發明的第10方式，優選的是，在第3?第8中的任意一個方式的攝像元件中，攝像元件還具有:第I存儲器，存儲AD轉換部對一對第I模擬信號進行轉換而得到的一對第I數字信號；和第2存儲器，存儲數字加法部將一對第I數字信號彼此相加而得到的加法數字信號和AD轉換部對第2模擬信號進行轉換而得到的第2數字信號。第I輸出部將由第I存儲器存儲的一對第I數字信號輸出到外部，第2輸出部將由第2存儲器存儲的加法數字信號和第2數字信號輸出到外部。
[0020]根據本發明的第11方式，優選的是，在第2?第10中的任意一個方式的攝像元件中，第I像素具有微透鏡，通過微透鏡，第I像素所具有的一對光電轉換部與由第I像素所具有的一對光電轉換部接收的一對光束通過的出瞳中的彼此不同的部分區域彼此成為共軛關系。
[0021]根據本發明的第12方式，優選的是，在第11方式的攝像元件中，攝像元件為相對于第I像素所具有的一對光電轉換部在微透鏡的相對側配置有配線層的背面照射型的攝像元件。
[0022]根據本發明的第13方式，攝像裝置具有:第I?第12中的任意一個方式的攝像元件；焦點檢測部，根據通過第I輸出部輸出的一對第I數字信號，通過相位差檢測方式計算光學系統的離焦量，從而對光學系統的焦點狀態進行檢測；焦點調節部，根據通過焦點檢測部計算出的離焦量來調節焦點狀態；以及圖像生成部，根據通過第2輸出部輸出的加法數字信號，生成圖像數據。
[0023]根據本發明的第14方式，優選的是，在第13方式的攝像裝置中，圖像生成部根據通過第2輸出部輸出的加法數字信號和第2數字信號，生成圖像數據。
[0024]根據本發明的第15方式，攝像元件具有:接收一對光束并反復輸出一對信號的像素；第I輸出部，每當由像素輸出一對信號時，將所輸出的一對信號輸出到外部；加法部，每當由像素輸出一對信號時，將所輸出的一對信號彼此相加而生成加法信號；以及第2輸出部，每當由加法部生成加法信號時，將所生成的加法信號輸出到外部。
[0025]發明效果
[0026]根據本發明，能夠提供一種攝像元件和攝像裝置，能夠高速地讀取用于焦點檢測的信號和用于圖像生成的信號。
【附圖說明】
[0027]圖1是示出搭載了第I實施方式的攝像元件的鏡頭可換式數碼靜態相機的結構的橫剖視圖。
[0028]圖2是示出可換鏡頭的攝影畫面上的焦點檢測位置的圖。
[0029]圖3是示出攝像元件的詳細結構的主視圖。
[0030]圖4是示出攝像元件的詳細結構的主視圖。
[0031]圖5是示出各彩色濾光片的光譜靈敏度特性的圖。
[0032]圖6是示出焦點檢測像素的結構的圖。
[0033]圖7是焦點檢測像素的剖視圖。
[0034]圖8是示出光瞳分割型相位差檢測方式的焦點檢測光學系統的結構的圖。
[0035]圖9是詳細地示出攝像元件與機身驅動控制裝置之間的關系的框圖。
[0036]圖10是示出攝像元件的結構的框圖。
[0037]圖11是示出在I幀期間內并行進行焦點檢測像素的一對光電轉換部的輸出信號的分別讀取動作和將一對光電轉換部的輸出信號相加而得的加法信號的讀取動作時的時序圖。
[0038]圖12是示出在I幀期間內并行進行焦點檢測像素的一對光電轉換部的輸出信號的分別讀取動作和將一對光電轉換部的輸出信號相加而得的加法信號的讀取動作時的時序圖。
[0039]圖13是數碼靜態相機具有的機身驅動控制裝置的焦點檢測用的CPUa的動作流程圖。
[0040]圖14是數碼靜態相機具有的機身驅動控制裝置的圖像處理用的CPUb的動作流程圖。
[0041]圖15是示出一對數據列的相關運算結果的圖。
[0042]圖16是進行行部分讀取時的時序圖。
[0043]圖17是示出焦點檢測像素的結構的圖。
[0044]圖18是示出攝像元件的詳細結構的主視圖。
[0045]圖19是示出攝像元件的結構的框圖。
[0046]圖20是示出攝像元件的詳細結構的主視圖。
[0047]圖21是示出攝像元件的詳細結構的主視圖。
[0048]圖22是示出攝像像素的結構的圖。
[0049]圖23是攝像像素的剖視圖。
[0050]圖24是用于說明攝影光束的情況的圖。
[0051]圖25是示出攝像元件的詳細結構的主視圖。
[0052]圖26是示出攝像元件的結構的框圖。
[0053]圖27是說明設置在相鄰2列的像素列的開關的選擇動作的圖。
[0054]圖28是說明設置在相鄰2列的像素列的開關的選擇動作的圖。
[0055]圖29是示出在I幀期間內并行進行焦點檢測像素的一對光電轉換部的輸出信號的分別讀取動作和與攝像像素的輸出信號相當的輸出信號的讀取動作時的時序圖。
[0056]圖30是進行行部分讀取時的時序圖。
[0057]圖31是示出攝像元件的結構的框圖。
[0058]圖32是說明設置在相鄰2列的像素列的開關的選擇動作的圖。
[0059]圖33是示出攝像元件的詳細結構的主視圖。
[0060]圖34是示出攝像元件的結構的框圖。
[0061]圖35是示出攝像元件的結構的框圖。
[0062]圖36是示出攝像元件的詳細結構的主視圖。
[0063]圖37是示出攝像元件的詳細結構的主視圖。
[0064]圖38是示出攝像元件的結構的框圖。
[0065]圖39是示出攝像元件的詳細結構的主視圖。
[0066]圖40是示出攝像元件的結構的框圖。
[0067]圖41是示出攝像元件的結構的框圖。
【具體實施方式】
[0068](第I實施方式)
[0069]對本發明的第I實施方式的攝像元件和攝像裝置進行說明。圖1是示出搭載了第I實施方式的攝像元件的鏡頭可換式數碼靜態相機的結構的橫剖視圖。第I實施方式的數碼靜態相機201由可換鏡頭202和相機機身203構成，各種可換鏡頭202通過安裝部204安裝在相機機身203上。
[0070]可換鏡頭202具有透鏡209、變焦用透鏡208、聚焦用透鏡210、光圈211以及鏡頭驅動控制裝置206等。鏡頭驅動控制裝置206由未圖示的微型計算機、存儲器、驅動控制電路等構成。鏡頭驅動控制裝置206除了進行用于聚焦用透鏡210的焦點調節和光圈211的開口直徑調節的驅動控制和變焦用透鏡208、聚焦用透鏡210以及光圈211的狀態檢測等以夕卜，還通過與后述的機身驅動控制裝置214之間的通信進行鏡頭信息的發送和相機信息的接收。光圈211為了光量和模糊量調整而在光軸中心形成開口直徑可變的開口。
[0071]相機機身203具有攝像元件212、機身驅動控制裝置214、液晶顯示元件驅動電路215、液晶顯示元件216、目鏡217、存儲卡219等。在攝像元件212上以二維狀配置有作為攝像像素兼焦點檢測像素發揮功能的像素。后面將對該攝像元件212進行詳細敘述。
[0072]機身驅動控制裝置214由微型計算機、存儲器、驅動控制電路等構成。機身驅動控制裝置214反復進行攝像元件212的驅動控制和從攝像元件212的輸出信號的讀取、基于該輸出信號的焦點檢測運算和可換鏡頭202的焦點調節，并且進行基于該輸出信號的圖像處理運算和記錄、相機的動作控制等。另外，機身驅動控制裝置214通過電接點213與鏡頭驅動控制裝置206進行通信，進行鏡頭信息的接收和相機信息(離焦量和光圈值等)的發送。
[0073]液晶顯示元件216作為電子取景器(EVF-Electronic View Finder)發揮功能。液晶顯示元件驅動電路215將基于攝像元件212的取景圖像顯示在液晶顯示元件216上，因此攝影者能夠通過目鏡217觀察取景圖像。存儲卡219是對通過攝像元件212攝像的圖像進行存儲的圖像存儲器。
[0074]通過穿過了可換鏡頭202的光束，在攝像元件212的受光面上形成被攝體像。該被攝體像通過攝像元件212的各像素而被光電轉換，各像素的輸出信號發送到機身驅動控制裝置214。
[0075]機身驅動控制裝置214根據來自攝像元件212的各像素的輸出信號計算離焦量，將該離焦量發送到鏡頭驅動控制裝置206。另外，機身驅動控制裝置214對來自攝像元件212的各像素的輸出信號進行處理而生成圖像數據并存儲到存儲卡219，并且將來自攝像元件212的取景圖像信號發送到液晶顯示元件驅動電路215，將取景圖像顯示在液晶顯示元件216上。而且，機身驅動控制裝置214向鏡頭驅動控制裝置206發送光圈控制信息而進行光圈211的開口控制。
[0076]鏡頭驅動控制裝置206根據聚焦狀態、變焦狀態、光圈設定狀態、光圈開放F值等來更新鏡頭信息。具體地講，鏡頭驅動控制裝置206對變焦用透鏡208和聚焦用透鏡210的位置、光圈211的光圈值進行檢測，根據這些透鏡位置和光圈值運算鏡頭信息，或者從預先準備的查閱表選擇與透鏡位置和光圈值相對應的鏡頭信息。
[0077]鏡頭驅動控制裝置206根據接收到的離焦量計算透鏡驅動量，根據透鏡驅動量將聚焦用透鏡210驅動到對焦位置。另外，鏡頭驅動控制裝置206根據接收到的光圈值對光圈211進行驅動。
[0078]圖2是示出可換鏡頭202的攝影畫面上的焦點檢測位置(在圖1中由用戶通過未圖示的操作部件的操作而設定)的圖，示出后述的攝像元件212上的像素列在進行焦點檢測時在攝影畫面上對像進行采樣的區域(焦點檢測區域、焦點檢測位置)的一例。在該例子中，在矩形的攝影畫面100上的中央配置有焦點檢測區域101。由長方形表示的焦點檢測區域101在攝影畫面100上向水平方向延伸，沿著焦點檢測區域101的長度方向直線排列的像素的輸出信號被用于焦點檢測。
[0079]圖3、圖4是示出攝像元件212的詳細結構的主視圖，放大地示出了攝像元件212上的焦點檢測區域101的附近。圖3是示出成為攝像像素兼焦點檢測像素的像素311 (以后稱為焦點檢測像素311)的布局的圖，焦點檢測像素311在行方向(水平方向)和列方向(垂直方向)上以二維正方格子狀密集地排列。圖4是示出圖3所示的焦點檢測像素311的排列中的彩色濾光片的排列的圖，在焦點檢測像素311上按照拜耳排列的規則配置有彩色濾光片(R:紅色濾光片，G:綠色濾光片，B:藍色濾光片)，各彩色濾光片的光譜靈敏度成為圖5所示的特性。
[0080]如圖6所示，焦點檢測像素311由矩形的微透鏡10、通過在垂直方向上延伸的元件分離區域15 —分為二的一對光電轉換部13、14構成。當合并一對光電轉換部13、14時，成為與通常的攝像像素的光電轉換部相同的尺寸。另外，為了簡潔在圖6中未圖示彩色濾光片。在將對焦點檢測像素311的一對光電轉換部13、14的輸出相加時，由于相加后的輸出與通常的攝像像素的光電轉換部的輸出相同，因此優選使元件分離區域15的寬度盡可能窄，使一對光電轉換部13、14靠近。
[0081]圖7是圖6所示的焦點檢測像素311的剖視圖，靠近光電轉換部13、14地形成有遮光罩30，由光電轉換部13、14接收通過了遮光罩30的開口部30d的光。在遮光罩30上形成有平坦化層31，在其之上形成有彩色濾光片38。在彩色濾光片38上形成有平坦化層32，在其之上形成有微透鏡10。被開口部30d限制的光電轉換部13、14的形狀通過微透鏡10而投影到前方，形成一對測距光瞳。光電轉換部13、14形成在半導體電路基板29上。另夕卜，為了分離光電轉換部13、14而形成有元件分離區域15。通過如上所述的結構，光電轉換部13、14分別接收通過可換鏡頭的出瞳的一對測距光瞳的一對焦點檢測光束。
[0082]圖8示出使用了微透鏡的光瞳分割型相位差檢測方式的焦點檢測光學系統的結構。另外，放大示出焦點檢測區域101的焦點檢測像素排列的一部分。在圖8中，出瞳90設置在從配置于可換鏡頭202 (參照圖1)的預定成像面上的微透鏡10向前方距離d的位置。該距離d是根據微透鏡10的曲率、折射率、微透鏡10與光電轉換部13、14之間的距離等而確定的距離。將該距離d稱為測距光瞳距離。在圖11中，除此之外還示出可換鏡頭的光軸91、微透鏡10、光電轉換部13、14、焦點檢測像素311、焦點檢測光束73、74。
[0083]測距光瞳93是被開口部30d限制的光電轉換部13通過微透鏡10投影而得到的光瞳。同樣地，測距光瞳94是被開口部30d制限的光電轉換部14通過微透鏡10投影而得到的光瞳。測距光瞳93、94是出瞳90中的彼此不同的部分區域，在水平方向上排列，并且成為相對于通過光軸91的垂直線呈線對稱的形狀。
[0084]在圖8中，示意地例示攝影光軸91附近的焦點檢測區域101中的相鄰的五個焦點檢測像素311，在配置于畫面周邊的焦點檢測像素311中，各光電轉換部也構成為分別接收從對應的測距光瞳93、94送到各微透鏡的光束。通過微透鏡10，一對光電轉換部13和14與上述彼此不同的部分區域、即一對測距光瞳93和94彼此成為共軛關系。
[0085]通過如上所述的結構，光電轉換部13輸出與由通過測距光瞳93并朝向焦點檢測像素311的微透鏡10的光束73在微透鏡10上形成的像的強度對應的信號。另外，光電轉換部14輸出與由通過測距光瞳94并朝向焦點檢測像素311的微透鏡10的光束74在微透鏡10上形成的像的強度對應的信號。
[0086]在上述焦點檢測區域101上沿水平方向排列的多個焦點檢測像素311的光電轉換部13、14的輸出被匯總成與測距光瞳93和測距光瞳94對應的輸出組，從而得到與分別通過測距光瞳93和測距光瞳94的焦點檢測用光束73、74在焦點檢測像素311的排列上形成的一對像的強度分布有關的信息。對該信息實施后述的像偏移檢測運算處理(相關運算處理、相位差檢測處理)，從而通過所謂的光瞳分割型相位差檢測方式檢測一對像的像偏移量。而且，對像偏移量進行對應于一對測距光瞳93、94的重心間隔與測距光瞳距離的比例關系的轉換運算，從而計算當前成像面(與預定成像面上的微透鏡陣列的位置對應的焦點檢測位置上的成像面)相對于預定成像面的偏差(離焦量)。具體地講，對像偏移量(與光軸91垂直的面內的量)乘上預定的轉換系數(測距光瞳距離d除以測距光瞳93、94的重心間隔而得的值)，從而計算離焦量(光軸9