摄像元件和摄像装置的制造方法
【专利说明】摄像元件和摄像装置
[0001]技术区域
[0002]本发明涉及摄像元件和摄像装置。
【背景技术】
[0003]公知有专利文献I中公开的摄像装置。在该摄像装置中，排列由微透镜和配置在其背后的一对光电转换部构成的焦点检测像素而成的摄像元件配置在摄影镜头(光学系统)的预定焦点面上。与通过光学系统的一对焦点检测光束形成的一对像对应的一对像信号通过一对光电转换部而生成为模拟信号。将该一对模拟信号独立地从摄像元件读取，通过检测一对像信号间的像偏移量(相位差)，检测摄影镜头的焦点调节状态(离焦量)。将由焦点检测像素的一对光电转换部生成的模拟信号在焦点检测像素内模拟相加，并且将相加后的模拟信号作为图像信号从摄像元件读取，从而生成图像信息。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特开2001-83407号公报
【发明内容】
[0007]发明所要解决的课题
[0008]在如上所述的摄像装置中，在焦点检测像素内进行一对模拟信号的模拟相加处理。因此，在焦点检测时需要从摄像元件独立地读取一对模拟信号，并且在图像信息生成时需要将一对模拟信号相加并从摄像元件读取。即，存在在从摄像元件读取I帧量的信号时不能同时进行焦点检测和图像信息生成的问题。
[0009]用于解决课题的手段
[0010]根据本发明的第I方式，摄像元件具有:第I像素，接收一对光束并输出一对第I模拟信号；AD转换部，将一对第I模拟信号转换为一对第I数字信号；数字加法部，将一对第I数字信号彼此相加而生成加法数字信号；第I输出部，将一对第I数字信号输出到外部；以及第2输出部，将加法数字信号输出到外部。
[0011 ] 根据本发明的第2方式，优选的是，在第I方式的摄像元件中，摄像元件还具有:像素阵列部，具有在第I方向上排列第I像素而成的第I像素组，第I像素组在与第I方向交叉的第2方向上排列；和扫描部，在像素阵列部中在第2方向上对第I像素组进行扫描。AD转换部将通过在由扫描部扫描的第I像素组中排列的第I像素输出的一对第I模拟信号在第I像素组内并列地转换为一对第I数字信号。
[0012]根据本发明的第3方式，优选的是，在第2方式的摄像元件中，像素阵列部还具有接收光束并输出第2模拟信号的第2像素，在第I像素组中，在第I方向上排列第I像素和第2像素，AD转换部将一对第I模拟信号和第2模拟信号在第2方向上并列地转换为一对第I数字信号和第2数字信号，第2输出部将加法数字信号和AD转换部对第2模拟信号进行转换而得到的第2数字信号输出到外部。
[0013]根据本发明的第4方式，优选的是，在第3方式的摄像元件中，当输入与相邻的第I像素和第2像素分别对应的一对第I数字信号和第2数字信号时，数字加法部将通过输出一对第I数字信号的开关输出的一对第I数字信号彼此相加。
[0014]根据本发明的第5方式，优选的是，在第4方式的摄像元件中，摄像元件还具有多根信号线，该多根信号线通过在由扫描部扫描的第I像素组上排列的第I像素和第2像素，分别输出一对第I模拟信号和第2模拟信号。多根信号线中与一对第I模拟信号中的一个对应的一根信号线还与通过在由扫描部下一次扫描的第I像素组上排列的第2像素输出的第2模拟信号对应。
[0015]根据本发明的第6方式，优选的是，在第3?第5中的任意一个方式的摄像元件中，第I输出部和第2输出部具有输出扫描信号的共用的扫描电路，第I输出部根据扫描信号将一对第I数字信号输出到外部，第2输出部根据扫描信号将加法数字信号和第2数字信号输出到外部。
[0016]根据本发明的第7方式，优选的是，在第6方式的摄像元件中，像素阵列部所得具有的包含第I像素和第2像素的多个像素根据拜耳排列具有红色、绿色以及蓝色中的任意一个颜色的彩色滤光片，并且第I像素具有绿色的彩色滤光片。
[0017]根据本发明的第8方式，优选的是，在第7方式的摄像元件中，在像素阵列部中具有在第I方向上排列接收一对光束并输出一对第3模拟信号的第3像素与第2像素而成的第2像素组，以交替地并列配置第I像素组与第2像素组的方式在第2方向上排列多个第2像素组，第I像素具有在第I方向上并列配置的一对第I光电转换部，第3像素具有在第2方向上并列配置的一对第3光电转换部。
[0018]根据本发明的第9方式，优选的是，在第I方式的摄像元件中，摄像元件还具有:第I存储器，存储AD转换部对一对第I模拟信号进行转换而得到的一对第I数字信号；和第2存储器，存储数字加法部将一对第I数字信号彼此相加而得到的加法数字信号。第I输出部将由第I存储器存储的一对第I数字信号输出到外部，第2输出部将由第2存储器存储的加法数字信号输出到外部。
[0019]根据本发明的第10方式，优选的是，在第3?第8中的任意一个方式的摄像元件中，摄像元件还具有:第I存储器，存储AD转换部对一对第I模拟信号进行转换而得到的一对第I数字信号；和第2存储器，存储数字加法部将一对第I数字信号彼此相加而得到的加法数字信号和AD转换部对第2模拟信号进行转换而得到的第2数字信号。第I输出部将由第I存储器存储的一对第I数字信号输出到外部，第2输出部将由第2存储器存储的加法数字信号和第2数字信号输出到外部。
[0020]根据本发明的第11方式，优选的是，在第2?第10中的任意一个方式的摄像元件中，第I像素具有微透镜，通过微透镜，第I像素所具有的一对光电转换部与由第I像素所具有的一对光电转换部接收的一对光束通过的出瞳中的彼此不同的部分区域彼此成为共轭关系。
[0021]根据本发明的第12方式，优选的是，在第11方式的摄像元件中，摄像元件为相对于第I像素所具有的一对光电转换部在微透镜的相对侧配置有配线层的背面照射型的摄像元件。
[0022]根据本发明的第13方式，摄像装置具有:第I?第12中的任意一个方式的摄像元件；焦点检测部，根据通过第I输出部输出的一对第I数字信号，通过相位差检测方式计算光学系统的离焦量，从而对光学系统的焦点状态进行检测；焦点调节部，根据通过焦点检测部计算出的离焦量来调节焦点状态；以及图像生成部，根据通过第2输出部输出的加法数字信号，生成图像数据。
[0023]根据本发明的第14方式，优选的是，在第13方式的摄像装置中，图像生成部根据通过第2输出部输出的加法数字信号和第2数字信号，生成图像数据。
[0024]根据本发明的第15方式，摄像元件具有:接收一对光束并反复输出一对信号的像素；第I输出部，每当由像素输出一对信号时，将所输出的一对信号输出到外部；加法部，每当由像素输出一对信号时，将所输出的一对信号彼此相加而生成加法信号；以及第2输出部，每当由加法部生成加法信号时，将所生成的加法信号输出到外部。
[0025]发明效果
[0026]根据本发明，能够提供一种摄像元件和摄像装置，能够高速地读取用于焦点检测的信号和用于图像生成的信号。
【附图说明】
[0027]图1是示出搭载了第I实施方式的摄像元件的镜头可换式数码静态相机的结构的横剖视图。
[0028]图2是示出可换镜头的摄影画面上的焦点检测位置的图。
[0029]图3是示出摄像元件的详细结构的主视图。
[0030]图4是示出摄像元件的详细结构的主视图。
[0031]图5是示出各彩色滤光片的光谱灵敏度特性的图。
[0032]图6是示出焦点检测像素的结构的图。
[0033]图7是焦点检测像素的剖视图。
[0034]图8是示出光瞳分割型相位差检测方式的焦点检测光学系统的结构的图。
[0035]图9是详细地示出摄像元件与机身驱动控制装置之间的关系的框图。
[0036]图10是示出摄像元件的结构的框图。
[0037]图11是示出在I帧期间内并行进行焦点检测像素的一对光电转换部的输出信号的分别读取动作和将一对光电转换部的输出信号相加而得的加法信号的读取动作时的时序图。
[0038]图12是示出在I帧期间内并行进行焦点检测像素的一对光电转换部的输出信号的分别读取动作和将一对光电转换部的输出信号相加而得的加法信号的读取动作时的时序图。
[0039]图13是数码静态相机具有的机身驱动控制装置的焦点检测用的CPUa的动作流程图。
[0040]图14是数码静态相机具有的机身驱动控制装置的图像处理用的CPUb的动作流程图。
[0041]图15是示出一对数据列的相关运算结果的图。
[0042]图16是进行行部分读取时的时序图。
[0043]图17是示出焦点检测像素的结构的图。
[0044]图18是示出摄像元件的详细结构的主视图。
[0045]图19是示出摄像元件的结构的框图。
[0046]图20是示出摄像元件的详细结构的主视图。
[0047]图21是示出摄像元件的详细结构的主视图。
[0048]图22是示出摄像像素的结构的图。
[0049]图23是摄像像素的剖视图。
[0050]图24是用于说明摄影光束的情况的图。
[0051]图25是示出摄像元件的详细结构的主视图。
[0052]图26是示出摄像元件的结构的框图。
[0053]图27是说明设置在相邻2列的像素列的开关的选择动作的图。
[0054]图28是说明设置在相邻2列的像素列的开关的选择动作的图。
[0055]图29是示出在I帧期间内并行进行焦点检测像素的一对光电转换部的输出信号的分别读取动作和与摄像像素的输出信号相当的输出信号的读取动作时的时序图。
[0056]图30是进行行部分读取时的时序图。
[0057]图31是示出摄像元件的结构的框图。
[0058]图32是说明设置在相邻2列的像素列的开关的选择动作的图。
[0059]图33是示出摄像元件的详细结构的主视图。
[0060]图34是示出摄像元件的结构的框图。
[0061]图35是示出摄像元件的结构的框图。
[0062]图36是示出摄像元件的详细结构的主视图。
[0063]图37是示出摄像元件的详细结构的主视图。
[0064]图38是示出摄像元件的结构的框图。
[0065]图39是示出摄像元件的详细结构的主视图。
[0066]图40是示出摄像元件的结构的框图。
[0067]图41是示出摄像元件的结构的框图。
【具体实施方式】
[0068](第I实施方式)
[0069]对本发明的第I实施方式的摄像元件和摄像装置进行说明。图1是示出搭载了第I实施方式的摄像元件的镜头可换式数码静态相机的结构的横剖视图。第I实施方式的数码静态相机201由可换镜头202和相机机身203构成，各种可换镜头202通过安装部204安装在相机机身203上。
[0070]可换镜头202具有透镜209、变焦用透镜208、聚焦用透镜210、光圈211以及镜头驱动控制装置206等。镜头驱动控制装置206由未图示的微型计算机、存储器、驱动控制电路等构成。镜头驱动控制装置206除了进行用于聚焦用透镜210的焦点调节和光圈211的开口直径调节的驱动控制和变焦用透镜208、聚焦用透镜210以及光圈211的状态检测等以夕卜，还通过与后述的机身驱动控制装置214之间的通信进行镜头信息的发送和相机信息的接收。光圈211为了光量和模糊量调整而在光轴中心形成开口直径可变的开口。
[0071]相机机身203具有摄像元件212、机身驱动控制装置214、液晶显示元件驱动电路215、液晶显示元件216、目镜217、存储卡219等。在摄像元件212上以二维状配置有作为摄像像素兼焦点检测像素发挥功能的像素。后面将对该摄像元件212进行详细叙述。
[0072]机身驱动控制装置214由微型计算机、存储器、驱动控制电路等构成。机身驱动控制装置214反复进行摄像元件212的驱动控制和从摄像元件212的输出信号的读取、基于该输出信号的焦点检测运算和可换镜头202的焦点调节，并且进行基于该输出信号的图像处理运算和记录、相机的动作控制等。另外，机身驱动控制装置214通过电接点213与镜头驱动控制装置206进行通信，进行镜头信息的接收和相机信息(离焦量和光圈值等)的发送。
[0073]液晶显示元件216作为电子取景器(EVF-Electronic View Finder)发挥功能。液晶显示元件驱动电路215将基于摄像元件212的取景图像显示在液晶显示元件216上，因此摄影者能够通过目镜217观察取景图像。存储卡219是对通过摄像元件212摄像的图像进行存储的图像存储器。
[0074]通过穿过了可换镜头202的光束，在摄像元件212的受光面上形成被摄体像。该被摄体像通过摄像元件212的各像素而被光电转换，各像素的输出信号发送到机身驱动控制装置214。
[0075]机身驱动控制装置214根据来自摄像元件212的各像素的输出信号计算离焦量，将该离焦量发送到镜头驱动控制装置206。另外，机身驱动控制装置214对来自摄像元件212的各像素的输出信号进行处理而生成图像数据并存储到存储卡219，并且将来自摄像元件212的取景图像信号发送到液晶显示元件驱动电路215，将取景图像显示在液晶显示元件216上。而且，机身驱动控制装置214向镜头驱动控制装置206发送光圈控制信息而进行光圈211的开口控制。
[0076]镜头驱动控制装置206根据聚焦状态、变焦状态、光圈设定状态、光圈开放F值等来更新镜头信息。具体地讲，镜头驱动控制装置206对变焦用透镜208和聚焦用透镜210的位置、光圈211的光圈值进行检测，根据这些透镜位置和光圈值运算镜头信息，或者从预先准备的查阅表选择与透镜位置和光圈值相对应的镜头信息。
[0077]镜头驱动控制装置206根据接收到的离焦量计算透镜驱动量，根据透镜驱动量将聚焦用透镜210驱动到对焦位置。另外，镜头驱动控制装置206根据接收到的光圈值对光圈211进行驱动。
[0078]图2是示出可换镜头202的摄影画面上的焦点检测位置(在图1中由用户通过未图示的操作部件的操作而设定)的图，示出后述的摄像元件212上的像素列在进行焦点检测时在摄影画面上对像进行采样的区域(焦点检测区域、焦点检测位置)的一例。在该例子中，在矩形的摄影画面100上的中央配置有焦点检测区域101。由长方形表示的焦点检测区域101在摄影画面100上向水平方向延伸，沿着焦点检测区域101的长度方向直线排列的像素的输出信号被用于焦点检测。
[0079]图3、图4是示出摄像元件212的详细结构的主视图，放大地示出了摄像元件212上的焦点检测区域101的附近。图3是示出成为摄像像素兼焦点检测像素的像素311 (以后称为焦点检测像素311)的布局的图，焦点检测像素311在行方向(水平方向)和列方向(垂直方向)上以二维正方格子状密集地排列。图4是示出图3所示的焦点检测像素311的排列中的彩色滤光片的排列的图，在焦点检测像素311上按照拜耳排列的规则配置有彩色滤光片(R:红色滤光片，G:绿色滤光片，B:蓝色滤光片)，各彩色滤光片的光谱灵敏度成为图5所示的特性。
[0080]如图6所示，焦点检测像素311由矩形的微透镜10、通过在垂直方向上延伸的元件分离区域15 —分为二的一对光电转换部13、14构成。当合并一对光电转换部13、14时，成为与通常的摄像像素的光电转换部相同的尺寸。另外，为了简洁在图6中未图示彩色滤光片。在将对焦点检测像素311的一对光电转换部13、14的输出相加时，由于相加后的输出与通常的摄像像素的光电转换部的输出相同，因此优选使元件分离区域15的宽度尽可能窄，使一对光电转换部13、14靠近。
[0081]图7是图6所示的焦点检测像素311的剖视图，靠近光电转换部13、14地形成有遮光罩30，由光电转换部13、14接收通过了遮光罩30的开口部30d的光。在遮光罩30上形成有平坦化层31，在其之上形成有彩色滤光片38。在彩色滤光片38上形成有平坦化层32，在其之上形成有微透镜10。被开口部30d限制的光电转换部13、14的形状通过微透镜10而投影到前方，形成一对测距光瞳。光电转换部13、14形成在半导体电路基板29上。另夕卜，为了分离光电转换部13、14而形成有元件分离区域15。通过如上所述的结构，光电转换部13、14分别接收通过可换镜头的出瞳的一对测距光瞳的一对焦点检测光束。
[0082]图8示出使用了微透镜的光瞳分割型相位差检测方式的焦点检测光学系统的结构。另外，放大示出焦点检测区域101的焦点检测像素排列的一部分。在图8中，出瞳90设置在从配置于可换镜头202 (参照图1)的预定成像面上的微透镜10向前方距离d的位置。该距离d是根据微透镜10的曲率、折射率、微透镜10与光电转换部13、14之间的距离等而确定的距离。将该距离d称为测距光瞳距离。在图11中，除此之外还示出可换镜头的光轴91、微透镜10、光电转换部13、14、焦点检测像素311、焦点检测光束73、74。
[0083]测距光瞳93是被开口部30d限制的光电转换部13通过微透镜10投影而得到的光瞳。同样地，测距光瞳94是被开口部30d制限的光电转换部14通过微透镜10投影而得到的光瞳。测距光瞳93、94是出瞳90中的彼此不同的部分区域，在水平方向上排列，并且成为相对于通过光轴91的垂直线呈线对称的形状。
[0084]在图8中，示意地例示摄影光轴91附近的焦点检测区域101中的相邻的五个焦点检测像素311，在配置于画面周边的焦点检测像素311中，各光电转换部也构成为分别接收从对应的测距光瞳93、94送到各微透镜的光束。通过微透镜10，一对光电转换部13和14与上述彼此不同的部分区域、即一对测距光瞳93和94彼此成为共轭关系。
[0085]通过如上所述的结构，光电转换部13输出与由通过测距光瞳93并朝向焦点检测像素311的微透镜10的光束73在微透镜10上形成的像的强度对应的信号。另外，光电转换部14输出与由通过测距光瞳94并朝向焦点检测像素311的微透镜10的光束74在微透镜10上形成的像的强度对应的信号。
[0086]在上述焦点检测区域101上沿水平方向排列的多个焦点检测像素311的光电转换部13、14的输出被汇总成与测距光瞳93和测距光瞳94对应的输出组，从而得到与分别通过测距光瞳93和测距光瞳94的焦点检测用光束73、74在焦点检测像素311的排列上形成的一对像的强度分布有关的信息。对该信息实施后述的像偏移检测运算处理(相关运算处理、相位差检测处理)，从而通过所谓的光瞳分割型相位差检测方式检测一对像的像偏移量。而且，对像偏移量进行对应于一对测距光瞳93、94的重心间隔与测距光瞳距离的比例关系的转换运算，从而计算当前成像面(与预定成像面上的微透镜阵列的位置对应的焦点检测位置上的成像面)相对于预定成像面的偏差(离焦量)。具体地讲，对像偏移量(与光轴91垂直的面内的量)乘上预定的转换系数(测距光瞳距离d除以测距光瞳93、94的重心间隔而得的值)，从而计算离焦量(光轴9