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(shù)區(qū)域
[0002]本發(fā)明涉及攝像元件和攝像裝置。
【背景技術(shù)】
[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(zhuǎn)換部構(gòu)成的焦點檢測像素而成的攝像元件配置在攝影鏡頭(光學(xué)系統(tǒng))的預(yù)定焦點面上。與通過光學(xué)系統(tǒng)的一對焦點檢測光束形成的一對像對應(yīng)的一對像信號通過一對光電轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)狀態(tài)(離焦量)。將由焦點檢測像素的一對光電轉(zhuǎn)換部生成的模擬信號在焦點檢測像素內(nèi)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(xiàn)有技術(shù)文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開2001-83407號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)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(nèi)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(jù)本發(fā)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(zhuǎn)換部，將一對第I模擬信號轉(zhuǎn)換為一對第I數(shù)字信號；數(shù)字加法部，將一對第I數(shù)字信號彼此相加而生成加法數(shù)字信號；第I輸出部，將一對第I數(shù)字信號輸出到外部；以及第2輸出部，將加法數(shù)字信號輸出到外部。
[0011 ] 根據(jù)本發(fā)明的第2方式，優(yōu)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(zhuǎn)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(nèi)并列地轉(zhuǎn)換為一對第I數(shù)字信號。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的第3方式，優(yōu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為一對第I數(shù)字信號和第2數(shù)字信號，第2輸出部將加法數(shù)字信號和AD轉(zhuǎn)換部對第2模擬信號進行轉(zhuǎn)換而得到的第2數(shù)字信號輸出到外部。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的第4方式，優(yōu)選的是，在第3方式的攝像元件中，當(dāng)輸入與相鄰的第I像素和第2像素分別對應(yīng)的一對第I數(shù)字信號和第2數(shù)字信號時，數(shù)字加法部將通過輸出一對第I數(shù)字信號的開關(guān)輸出的一對第I數(shù)字信號彼此相加。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的第5方式，優(yōu)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(yīng)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(yīng)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的第6方式，優(yōu)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(jù)掃描信號將一對第I數(shù)字信號輸出到外部，第2輸出部根據(jù)掃描信號將加法數(shù)字信號和第2數(shù)字信號輸出到外部。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的第7方式，優(yōu)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(jù)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(jù)本發(fā)明的第8方式，優(yōu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換部。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的第9方式，優(yōu)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(zhuǎn)換部對一對第I模擬信號進行轉(zhuǎn)換而得到的一對第I數(shù)字信號；和第2存儲器，存儲數(shù)字加法部將一對第I數(shù)字信號彼此相加而得到的加法數(shù)字信號。第I輸出部將由第I存儲器存儲的一對第I數(shù)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(shù)字信號輸出到外部。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的第10方式，優(yōu)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(zhuǎn)換部對一對第I模擬信號進行轉(zhuǎn)換而得到的一對第I數(shù)字信號；和第2存儲器，存儲數(shù)字加法部將一對第I數(shù)字信號彼此相加而得到的加法數(shù)字信號和AD轉(zhuǎn)換部對第2模擬信號進行轉(zhuǎn)換而得到的第2數(shù)字信號。第I輸出部將由第I存儲器存儲的一對第I數(shù)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(shù)字信號和第2數(shù)字信號輸出到外部。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的第11方式，優(yōu)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(zhuǎn)換部與由第I像素所具有的一對光電轉(zhuǎn)換部接收的一對光束通過的出瞳中的彼此不同的部分區(qū)域彼此成為共軛關(guān)系。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的第12方式，優(yōu)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(zhuǎn)換部在微透鏡的相對側(cè)配置有配線層的背面照射型的攝像元件。
[0022]根據(jù)本發(fā)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(jù)通過第I輸出部輸出的一對第I數(shù)字信號，通過相位差檢測方式計算光學(xué)系統(tǒng)的離焦量，從而對光學(xué)系統(tǒng)的焦點狀態(tài)進行檢測；焦點調(diào)節(jié)部，根據(jù)通過焦點檢測部計算出的離焦量來調(diào)節(jié)焦點狀態(tài)；以及圖像生成部，根據(jù)通過第2輸出部輸出的加法數(shù)字信號，生成圖像數(shù)據(jù)。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的第14方式，優(yōu)選的是，在第13方式的攝像裝置中，圖像生成部根據(jù)通過第2輸出部輸出的加法數(shù)字信號和第2數(shù)字信號，生成圖像數(shù)據(jù)。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的第15方式，攝像元件具有:接收一對光束并反復(fù)輸出一對信號的像素；第I輸出部，每當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(fā)明效果
[0026]根據(jù)本發(fā)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(shù)碼靜態(tài)相機的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的主視圖。
[0030]圖4是示出攝像元件的詳細結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。
[0035]圖9是詳細地示出攝像元件與機身驅(qū)動控制裝置之間的關(guān)系的框圖。
[0036]圖10是示出攝像元件的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0037]圖11是示出在I幀期間內(nèi)并行進行焦點檢測像素的一對光電轉(zhuǎn)換部的輸出信號的分別讀取動作和將一對光電轉(zhuǎn)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(nèi)并行進行焦點檢測像素的一對光電轉(zhuǎn)換部的輸出信號的分別讀取動作和將一對光電轉(zhuǎn)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(shù)碼靜態(tài)相機具有的機身驅(qū)動控制裝置的焦點檢測用的CPUa的動作流程圖。
[0040]圖14是數(shù)碼靜態(tài)相機具有的機身驅(qū)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(shù)據(jù)列的相關(guān)運算結(jié)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(jié)構(gòu)的圖。
[0044]圖18是示出攝像元件的詳細結(jié)構(gòu)的主視圖。
[0045]圖19是示出攝像元件的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0046]圖20是示出攝像元件的詳細結(jié)構(gòu)的主視圖。
[0047]圖21是示出攝像元件的詳細結(jié)構(gòu)的主視圖。
[0048]圖22是示出攝像像素的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的主視圖。
[0052]圖26是示出攝像元件的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0053]圖27是說明設(shè)置在相鄰2列的像素列的開關(guān)的選擇動作的圖。
[0054]圖28是說明設(shè)置在相鄰2列的像素列的開關(guān)的選擇動作的圖。
[0055]圖29是示出在I幀期間內(nèi)并行進行焦點檢測像素的一對光電轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)妮敵鲂盘柕淖x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(jié)構(gòu)的框圖。
[0058]圖32是說明設(shè)置在相鄰2列的像素列的開關(guān)的選擇動作的圖。
[0059]圖33是示出攝像元件的詳細結(jié)構(gòu)的主視圖。
[0060]圖34是示出攝像元件的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0061]圖35是示出攝像元件的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0062]圖36是示出攝像元件的詳細結(jié)構(gòu)的主視圖。
[0063]圖37是示出攝像元件的詳細結(jié)構(gòu)的主視圖。
[0064]圖38是示出攝像元件的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0065]圖39是示出攝像元件的詳細結(jié)構(gòu)的主視圖。
[0066]圖40是示出攝像元件的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0067]圖41是示出攝像元件的結(jié)構(gòu)的框圖。
【具體實施方式】
[0068](第I實施方式)
[0069]對本發(fā)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(shù)碼靜態(tài)相機的結(jié)構(gòu)的橫剖視圖。第I實施方式的數(shù)碼靜態(tài)相機201由可換鏡頭202和相機機身203構(gòu)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(qū)動控制裝置206等。鏡頭驅(qū)動控制裝置206由未圖示的微型計算機、存儲器、驅(qū)動控制電路等構(gòu)成。鏡頭驅(qū)動控制裝置206除了進行用于聚焦用透鏡210的焦點調(diào)節(jié)和光圈211的開口直徑調(diào)節(jié)的驅(qū)動控制和變焦用透鏡208、聚焦用透鏡210以及光圈211的狀態(tài)檢測等以夕卜，還通過與后述的機身驅(qū)動控制裝置214之間的通信進行鏡頭信息的發(fā)送和相機信息的接收。光圈211為了光量和模糊量調(diào)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(qū)動控制裝置214、液晶顯示元件驅(qū)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(fā)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(qū)動控制裝置214由微型計算機、存儲器、驅(qū)動控制電路等構(gòu)成。機身驅(qū)動控制裝置214反復(fù)進行攝像元件212的驅(qū)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(diào)節(jié)，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(qū)動控制裝置214通過電接點213與鏡頭驅(qū)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(fā)送。
[0073]液晶顯示元件216作為電子取景器(EVF-Electronic View Finder)發(fā)揮功能。液晶顯示元件驅(qū)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(zhuǎn)換，各像素的輸出信號發(fā)送到機身驅(qū)動控制裝置214。
[0075]機身驅(qū)動控制裝置214根據(jù)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(fā)送到鏡頭驅(qū)動控制裝置206。另外，機身驅(qū)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(shù)據(jù)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(fā)送到液晶顯示元件驅(qū)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(qū)動控制裝置214向鏡頭驅(qū)動控制裝置206發(fā)送光圈控制信息而進行光圈211的開口控制。
[0076]鏡頭驅(qū)動控制裝置206根據(jù)聚焦?fàn)顟B(tài)、變焦?fàn)顟B(tài)、光圈設(shè)定狀態(tài)、光圈開放F值等來更新鏡頭信息。具體地講，鏡頭驅(qū)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(jù)這些透鏡位置和光圈值運算鏡頭信息，或者從預(yù)先準(zhǔn)備的查閱表選擇與透鏡位置和光圈值相對應(yīng)的鏡頭信息。
[0077]鏡頭驅(qū)動控制裝置206根據(jù)接收到的離焦量計算透鏡驅(qū)動量，根據(jù)透鏡驅(qū)動量將聚焦用透鏡210驅(qū)動到對焦位置。另外，鏡頭驅(qū)動控制裝置206根據(jù)接收到的光圈值對光圈211進行驅(qū)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(shè)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(qū)域(焦點檢測區(qū)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(qū)域101。由長方形表示的焦點檢測區(qū)域101在攝影畫面100上向水平方向延伸，沿著焦點檢測區(qū)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(jié)構(gòu)的主視圖，放大地示出了攝像元件212上的焦點檢測區(qū)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(guī)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(qū)域15 —分為二的一對光電轉(zhuǎn)換部13、14構(gòu)成。當(dāng)合并一對光電轉(zhuǎn)換部13、14時，成為與通常的攝像像素的光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換部的輸出相同，因此優(yōu)選使元件分離區(qū)域15的寬度盡可能窄，使一對光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換部13、14地形成有遮光罩30，由光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換部13、14形成在半導(dǎo)體電路基板29上。另夕卜，為了分離光電轉(zhuǎn)換部13、14而形成有元件分離區(qū)域15。通過如上所述的結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)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(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。另外，放大示出焦點檢測區(qū)域101的焦點檢測像素排列的一部分。在圖8中，出瞳90設(shè)置在從配置于可換鏡頭202 (參照圖1)的預(yù)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(jù)微透鏡10的曲率、折射率、微透鏡10與光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)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(qū)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(zhuǎn)換部也構(gòu)成為分別接收從對應(yīng)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(zhuǎn)換部13和14與上述彼此不同的部分區(qū)域、即一對測距光瞳93和94彼此成為共軛關(guān)系。
[0085]通過如上所述的結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)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(yīng)的信號。另外，光電轉(zhuǎn)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(yīng)的信號。
[0086]在上述焦點檢測區(qū)域101上沿水平方向排列的多個焦點檢測像素311的光電轉(zhuǎn)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(yīng)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(guān)的信息。對該信息實施后述的像偏移檢測運算處理(相關(guān)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(yīng)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(guān)系的轉(zhuǎn)換運算，從而計算當(dāng)前成像面(與預(yù)定成像面上的微透鏡陣列的位置對應(yīng)的焦點檢測位置上的成像面)相對于預(yù)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(nèi)的量)乘上預(yù)定的轉(zhuǎn)換系數(shù)(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