焦点検出装置
【課題】ブルーミングを抑制しながら、広いダイナミックレンジで焦点検出を行う。
【解決手段】ＡＦモジュールの焦点検出部の基板表面に配置されるラインセンサを、複数のフォトダイオードおよびラインセンサ用画素信号読み出し回路によって構成し、余剰電荷を切替制御によって排出するアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）をフォトダイオードの傍に設ける。そして、アンチブルーミングゲートの閾値電圧Ｖｔ、およびフォトダイオードの空乏化電圧ＶＰＤ０を、最大照度時の発生電荷数Ｑｍａｘよりもアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を通って排出される流出電荷数ＬＱの方が多く、かつ、最小照度時であって電荷蓄積容量（ＭＥＭ）の飽和電荷量ＱＭＥＭＳだけフォトダイオードに電荷蓄積された状態で発生する電荷数Ｑｍｉｎよりも流出電荷数ＬＱが少なくなるように、規定する。
【解決手段】ＡＦモジュールの焦点検出部の基板表面に配置されるラインセンサを、複数のフォトダイオードおよびラインセンサ用画素信号読み出し回路によって構成し、余剰電荷を切替制御によって排出するアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）をフォトダイオードの傍に設ける。そして、アンチブルーミングゲートの閾値電圧Ｖｔ、およびフォトダイオードの空乏化電圧ＶＰＤ０を、最大照度時の発生電荷数Ｑｍａｘよりもアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を通って排出される流出電荷数ＬＱの方が多く、かつ、最小照度時であって電荷蓄積容量（ＭＥＭ）の飽和電荷量ＱＭＥＭＳだけフォトダイオードに電荷蓄積された状態で発生する電荷数Ｑｍｉｎよりも流出電荷数ＬＱが少なくなるように、規定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一眼レフ型カメラなどの撮影装置に搭載される焦点検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一眼レフ型カメラでは、自動焦点調節（ＡＦ）機構として位相差方式の焦点検出装置が搭載されている。焦点検出装置の被写体像が投影されるエリアには、ラインセンサをそれぞれ並列させた複数のラインセンサ群が２つ１組となって２次元的に配置されている。各ラインセンサは、複数のフォトダイオードを並列させた配置構成であり、各フォトダイオードに生じる信号電荷は画素信号として読み出される。
【０００３】
通常、ラインセンサは電荷蓄積型センサであり、ラインセンサの傍に配置されるモニタセンサによって電荷蓄積時間が調整される（例えば、特許文献１、２参照）。ラインセンサの各フォトダイオードの受ける光量は被写体の明るさ分布によって異なるため、ラインセンサの電荷蓄積時間はそれぞれ独立して制御されている。
【０００４】
フォトダイオードなどの光電変換素子を備えたモニタセンサは、モニタ対象となっているフォトダイオードの光強度（光量）をリアルタイムで検出する。モニタセンサから出力される信号が所定の閾値を超えると、対応するラインセンサの電荷蓄積（積分）を終了させる。これにより、フォトダイオードがダイナミックレンジを超える光を受光してオーバフローするのを防ぐ。
【０００５】
ラインセンサに蓄積された電荷は、一時的にキャパシタ等のメモリ部に格納される。すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると、一連の画素信号が被写体像の画像信号として出力され、デフォーカス量を求める演算処理が行われる。
【０００６】
強い光の入射によってフォトダイオードの飽和電荷量を超えた電荷が生成されると、光電変換素子から電荷が溢れ出し、隣接画素へ流出する、いわゆるブルーミング現象が生じる。また、電荷を転送してからフォトダイオードに生じる電荷が電荷蓄積部に漏れることによっても、同様の問題が生じる。
【０００７】
このようなブルーミングを防ぐため、ＣＭＯＳセンサなどのアドレス型撮像素子では、光電変換部に生じた不要電荷を排出する制御スイッチ、すなわちアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）が配設される（特許文献３参照）。
【０００８】
露光期間においてＡＢＧはＯＦＦ状態であり、ＡＢＧが障壁となって蓄積電荷は排出されることなく、過剰な光によって生じた不要電荷はＡＢＧの障壁を越えてドレインなどに排出される。蓄積電荷が転送された状態になると、ＡＢＧがＯＮ状態に切り替えられる。そのため、電荷転送の後生成された不要電荷はそのままＡＢＧを通って排出され、隣接画素へ流出することを防ぐ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１４５７９２号公報
【特許文献２】特開２００４−２７２２３８号公報
【特許文献３】特開２００４−１１１５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、各ラインセンサの光電変換素子の電荷蓄積時間は被写体の明るさ分布に応じてバラツキがあり、被写体の非常に明るい部分と暗い部分どちらも検出する必要がある。そのため、非常に広いダイナミックレンジが焦点検出装置の光電変換素子に要求される。このことは、引用文献２のような各光電変換素子の電荷蓄積時間が一定であるイメージセンサと大きく相違する。
【００１１】
したがって、焦点検出装置に使用されるラインセンサでは、光量が極端に少ないときに電荷漏れを極力無くし、光量が過剰なときには不要電荷を十分に排出できるように構成しなければならない。すなわち、幅広いダイナミックレンジで焦点検出を可能にするため、ＡＢＧなどの電荷排出ゲートによる電荷流出の障壁をより精緻に設定しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の焦点検出装置は、被写体像の投影領域に並ぶ複数のラインセンサと、複数のラインセンサの側にそれぞれ配置され、それぞれ対応するラインセンサの受光量をモニタリングする複数のモニタセンサと、複数のラインセンサに蓄積された電荷に基づいて被写体像の画像信号を出力する画像信号出力手段とを備える。例えば、焦点検出装置は一眼レフ型カメラなどの撮影装置に適用される。また、ラインセンサは、例えばＣＭＯＳセンサなどアドレス型撮像素子によって構成される。
【００１３】
本発明のラインセンサは、フォトダイオードなどの光電変換素子と、光電変換素子に蓄積された電荷を格納する電荷格納部と、光電変換素子に蓄積された電荷を電荷格納部に転送する電荷転送ゲートと、光電変換素子に蓄積される電荷を排出する電荷排出ゲートとを備える。電荷排出ゲートは、露光期間中に電荷流出の電気的障壁を形成し、例えば、光電変換素子に関して電荷格納部の反対側にトランジスタなどで構成される電荷排出ゲートが設けられ、露光期間中はゲートを閉じた状態に設定される。
【００１４】
本発明では、ラインセンサの電荷排出ゲートの電気的障壁が所定条件に基づいて定められる。すなわち、電荷排出ゲートから排出される電荷数が、最大照度のときには光電変換素子に発生する電荷数より大きく、かつ、最小照度のときであって電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が光電変換素子に蓄積された状態のときには光電変換素子に発生する電荷数よりも小さくなるように、電荷排出ゲートの閾値電圧および光電変換素子の空乏化電圧が定められる。
【００１５】
ここで、閾値電圧は、電荷流出の電気的障壁を規定する電荷排出ゲートの電位を示し、空乏化電圧は、電荷が蓄積されていないときの光電変換素子の電位を示す。また、最大照度、最小照度は、ラインセンサの性能特性などによってあらかじめ定められている。
【００１６】
本発明では、露光期間中に電気的障壁を形成する電荷排出ゲートから流出する電荷数が、非常に強い光、弱い光どちらによっても適正なものとなるように設定されている。オーバフローが生じるような露光量になっても不要電荷排出ゲートを通って不要電荷が十分に排出されるため、ブルーミングの発生を防ぐことが可能となり、また、光量が非常に少ない場合には流出する電荷数が十分に少ないため、ラインセンサの電荷蓄積期間を適切な期間で終了させることが可能となり、ダイナミックレンジの広い焦点検出が行われる。
【００１７】
照度が低いときにはできる限り流出する電荷数を抑えるのが望ましい。そのため、最小照度のときであって電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が光電変換素子に蓄積された状態のときには、光電変換素子に発生する電荷数の１／１０、さらには１／１００以下となるように、電荷排出ゲートの閾値電圧および光電変換素子の空乏化電圧を定めるのがよい。
【００１８】
例えば、空乏化電圧が以下の式を満たすように設定される。
ΔＶＭＥＭｍａｘ≦Ｖｒｓｔ−（ＶＰＤ０＋ΔＶＦＤ）
ただし、電荷格納部の飽和電荷量に相当するフォトダイオード電圧をΔＶＭＥＭｍａｘ、空乏化電圧をＶＰＤ０、リセット電圧をＶｒｓｔ、フローティングディフュージョン（ＦＤ）における所望電圧であるＦＤ出力電圧をΔＶＦＤと表す。
【００１９】
また、以下の式を満足するように空乏化電圧ＶＰＤ０が設定される。ただし、電荷蓄積容量の飽和電荷量をＱＭＥＭＳ、飽和電荷量ＱＭＥＭＳだけ電荷が蓄積されたときのフォトダイオード電圧をＶＰＤＱ、フォトダイオードの飽和電荷量をＱＰＤＭとする。
ＱＰＤＭ≧ＱＭＥＭＳ×ＶＰＤ０／（ＶＰＤ０−ＶＰＤＱ）
【００２０】
本発明の他の局面における焦点検出装置用ラインセンサは、光電変換素子と、光電変換素子に蓄積された電荷を格納する電荷格納部と、光電変換素子に蓄積された電荷を電荷格納部に転送する電荷転送ゲートと、電荷格納部に転送された蓄積電荷を画素信号として出力する画素信号読み出し回路と、光電変換素子に蓄積される電荷を排出する電荷排出ゲートとを備え、電荷排出ゲートから排出される電荷数が、最大照度のときには光電変換素子に発生する電荷数より大きく、かつ、最小照度のときであって電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が光電変換素子に蓄積された状態のときには光電変換素子に発生する電荷数よりも小さくなるように、電荷排出ゲートの閾値電圧および光電変換素子の空乏化電圧が定められることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
このように本発明によれば、ブルーミングを抑制しながら、広いダイナミックレンジで焦点検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態であるデジタルカメラの模式的内部構成図である。
【図２】焦点検出部の基板配置を示した図である。
【図３】焦点検出部のブロック図である。
【図４】ラインセンサ、モニタセンサ、ＡＧＣ回路の接続関係を示した図である。
【図５】ラインセンサ用画素信号読み出し回路の電気回路図である。
【図６】図５の画素信号読み出し回路の模式的な断面図である。
【図７】モニタセンサの電気回路図である。
【図８】被写体からの光を受けてフォトダイオードに電荷が蓄積されている状態を示した図である。
【図９】電荷がフォトダイオードから転送される状態を示した図である。
【図１０】不要電荷がフォトダイオードから排出されている状態を示した図である。
【図１１】フローティングディフュージョンのリセット状態を示した図である。
【図１２】フローティングディフュージョンのリセット状態を示した図である。
【図１３】電荷蓄積容量からフローティングディフュージョンへの電荷転送を示した図である。
【図１４】電荷蓄積容量からフローティングディフュージョンへの電荷転送を示した図である。
【図１５】アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を超えてフォトダイオードから流出する（リークする）電荷数とフォトダイオード電圧との関係を示した図である。
【図１６】最大照度時の電荷流出を示した図である。
【図１７】最小照度時の電荷流出を示した図である。
【図１８】空乏化電圧と電荷蓄積容量の最大電圧との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本実施形態について説明する。
【００２４】
図１は、本実施形態であるデジタルカメラの模式的内部構成図である。
【００２５】
一眼レフ型デジタルカメラ１０は、本体１２と、本体１２に着脱自在な交換レンズ１４とを備え、本体１２内部には、ペンタゴナルダハプリズム（以下、ペンタプリズムという）１６、クイックリターンミラー１８、フォーカルプレーンシャッタ２０、ＣＣＤなどの撮像素子２２が設けられている。
【００２６】
ＲＯＭ３６、ＲＡＭ３７、ＣＰＵ３８を含むシステムコントロール回路３０は、カメラ１０の撮影動作を制御し、周辺制御回路３２、表示部３３、ＡＦモジュール２４、測光ＩＣ２３、ＥＥＰＲＯＭ３９等に制御信号を出力する。周辺制御回路３２は、フォーカルプレーンシャッタ２０、絞り（図示せず）、撮像素子２２など露光機構を制御し、また、レンズメモリ１３からレンズ情報を取得する。
【００２７】
電源ボタン（図示せず）の操作によってカメラ１０がＯＮ状態になると、撮影可能な撮影モードに設定される。撮影光学系１５を通った光は、クイックリターンミラー１８によってペンタプリズム１６の方向へ導かれ、被写体像がピント板１７に形成される。ユーザーは、ファインダ窓（図示せず）を通して被写体像を視認する。撮影のためレリーズボタン（図示せず）が半押しされると、ペンタプリズム１６の傍に配置される測光ＩＣ２３が、ＴＴＬ測光方式に従い、被写体の明るさを検出する。また、クイックリターンミラー１８の下方に配置されるＡＦモジュール２４が、位相差方式に従って合焦状態を検出する。
【００２８】
撮影光学系１５を通った光の一部は、クイックリターンミラー１８を透過し、サブミラー１９によってＡＦモジュール２４に導かれる。ＡＦモジュール２４は、コンデンサーレンズ２６、セパレータレンズ２７、視野マスク２９、焦点検出部４０を備え、撮像面（撮像素子２２の受光面）と等価な位置（共役面）に配置された視野マスク２９によって分割された被写体像は、セパレータレンズ２７によって焦点検出部４０に再結像される。焦点検出部４０は、対になって投影された被写体像の画像信号を出力する。
【００２９】
システムコントロール回路３０は、ＡＦモジュール２４から送られてくる画像信号に基づき、デフォーカス量および焦点調節を行う。すなわち、ＡＦモジュール２４によって検出されるデフォーカス量およびピントずれの方向に従い、ＡＦモータドライバ３４へ制御信号を出力する。ＡＦモータ３５は、ＡＦモータドライバ３４からの駆動信号に基づき、撮影光学系１５内のフォーカシングレンズをシフトさせる。合焦状態に達するまで一連の焦点検出、レンズ駆動が行われる。
【００３０】
レリーズ半押し状態において焦点調整が行われ、被写体の明るさが検出されると、システムコントロール回路３０は、露出値、すなわちシャッタースピードおよび絞り値を演算、決定する。そしてレリーズボタンが全押しされると、一連の記録動作処理が実行される。すなわち、クイックリターンミラー１８、絞り、およびシャッタ２０の動作によって被写体像が撮像素子２２に形成され、１フレーム分の画像信号が撮像素子２２から信号処理回路２５へ出力される。信号処理回路２５ではデジタル画像データが生成され、画像データがＥＥＰＲＯＭ３９へ格納される。
【００３１】
図２は、焦点検出部の基板配置を示した図である。
【００３２】
焦点検出部４０は、ＣＭＯＳ型ラインセンサを複数配設させた一体型基板によって構成される。焦点検出デバイス４０の表面には、被写体像の縦方向に沿った基板上下方向にラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２が設置され、被写体像の横方向に沿った基板左右方向にラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２が設置されている。ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２、およびＥＢＡ１、ＥＢ２はそれぞれ基板中心部を挟んで互いに対向する。
【００３３】
視野マスク２９、コンデンサーレンズ２６、セパレータレンズ２７を含む結像光学系は、瞳分割によって２組の被写体像対を形成し、ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２の配置された投影領域、およびラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２の配置された投影領域に対し、一対の被写体像をそれぞれ結像させる。
【００３４】
各ラインセンサ群は、所定間隔で左右もしくは上下方向に並ぶ複数のラインセンサによって構成され、ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２のラインセンサは左右方向に沿って並列し、ラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２のラインセンサは上下方向に沿って並列している。各ラインセンサは、複数のフォトダイオード、画素信号読み出し回路（ともにここでは図示せず）を備える。
【００３５】
ラインセンサ群ＥＡ１は、９つのラインセンサＬＳＡ１〜ＬＳＡ９によって構成されており、基準ラインセンサとして機能する。一方、ラインセンサ群ＥＡ２を構成するラインセンサＬＳＡ１１〜ＬＳＡ１９は、参照ラインセンサとして機能する。同様に、ラインセンサ群ＥＢ１を構成するラインセンサＬＳＢ１〜ＬＳＢ５は基準センサ、ラインセンサ群ＥＢ２を構成するラインセンサＬＳＢ６〜ＬＳＢ１０は参照ラインセンサとして機能する。
【００３６】
ラインセンサ群ＥＡ１のＬＳＡ１〜ＬＳＡ９、ラインセンサ群ＥＢ１のラインセンサＬＳＢ１〜ＬＳＢ５の側には、電荷転送用の垂直シフトレジスタＶＳＲ１〜ＶＳＲ９、ＶＳＳ１〜ＶＳＳ５が設置されており、ラインセンサ群ＥＡ２、ＥＢ２の各ラインセンサに対しても、垂直シフトレジスタＶＳＲ１１〜ＶＳＲ１９、ＶＳＳ６〜ＶＳＳ１０が同様に配置されている。
【００３７】
ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＢ１には、一連のモニタセンサＬＭＡ１〜ＬＭＡ９、ＬＭＢ１〜ＬＭＢ５がそれぞれ対応するラインセンサの側に配置されている。モニタセンサＬＭＡ１〜ＬＭＡ９、ＬＭＢ１〜ＬＭＢ５は、複数の微小センサをラインセンサに沿って並列させた構成であり、対応するラインセンサの領域を複数のエリアに分割してモニタリングする。
【００３８】
モニタセンサＬＭＡ１〜ＬＭＡ９は、それぞれラインセンサＬＳＡ１〜ＬＳＡ９の側面に沿ってライン状に配置され、対応するラインセンサの受ける光量（光強度）と同じ光量を受け、光量に応じた信号をモニタ信号として出力する。モニタセンサＬＭＢ１〜ＬＭＢ５も、ラインセンサＬＳＢ１〜ＬＳＢ５の受光量をモニタリングするためモニタ信号を出力する。
【００３９】
また、ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＢ１の各モニタセンサの傍には、暗電流成分を検知するＯＢ（Optical Black）モニタセンサＯＢＡ１〜ＯＢＡ９、ＯＢＢ１〜ＯＢＢ５が配置されており、検出される暗電流成分に基づいてモニタセンサから出力されるモニタ信号が補正される。
【００４０】
ＡＧＣ回路４２は、各モニタセンサから逐次出力されるモニタ信号値を閾値と比較し、オートゲインコントロールによってラインセンサの積分時間を制御する。閾値は、焦点検出に必要な光量が対象となるラインセンサに入射しているか否かを判断する指標値であり、ラインセンサのオーバフローを防ぐように設定されている。
【００４１】
モニタ信号値が閾値を超えると、積分終了を示すモニタ信号が論理回路４４に送られる。論理回路４４は、対応するラインセンサ、すなわちモニタリング対象となっているラインセンサの電荷蓄積（積分）を終了させるための制御信号を出力する。ラインセンサに制御信号が送信されると、電荷蓄積が終了するとともに、一時的に電荷がラインセンサ内で格納される。
【００４２】
ラインセンサの電荷蓄積時間は、ライセンサのモニタリング対象エリア毎に独立制御されており、被写体の光強度分布に応じて各ラインセンサの電荷蓄積時間が調整される。すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると、各ラインセンサの垂直シフトレジスタ、および電荷転送機能をもつ列回路４５、４６の水平シフトレジスタによって画素信号が順番に読み出されていく。これにより、各ラインセンサの画素信号読み出し回路（ここでは図示せず）において蓄積電荷が電圧変換、増幅処理され、画素信号が出力される。
【００４３】
各ラインセンサから読み出された一連の画素信号は、列回路４５、４６においてノイズ除去処理、増幅処理される。そして、一連の画素信号は、被写体像の画像信号としてシステムコントロール回路３０へ送られる。システムコントロール回路３０では、対になっているラインセンサ群の画像信号に基づいて位相差が検出され、デフォーカス量が求められる。
【００４４】
図３は、焦点検出部のブロック図である。図４は、ラインセンサ、モニタセンサ、ＡＧＣ回路の接続関係を示した図である。図３、図４を用いて、ラインセンサの電荷蓄積時間（積分時間）の制御について説明する。
【００４５】
なお、図３では、垂直方向に沿って延びるラインセンサ対ＬＳＡ５、ＬＳＡ１５、水平方向に沿って延びるラインセンサ対ＬＳＢ３、ＬＳＢ８と、それに応じたモニタセンサＬＭＡ５およびＬＭＢ３のみを図示し、それ以外のラインセンサ、モニタセンサは省略している。また、図４では、ラインセンサの電荷蓄積終了タイミングをわかりやすく説明のため、図２に示す実際の配置とは異なる配置でラインセンサ、モニタセンサを図示している。
【００４６】
ラインセンサＬＳＡ５は、ラインセンサ用画素信号読み出し回路ＰＳＡ５を挟んで向かい合うフォトダイオード対を上下方向に沿って並べた構成であり、ラインセンサ用画素信号読み出し回路によって各フォトダイオードから電荷が読み出される。他のラインセンサＬＳＡ１５、ＬＳＢ３、ＬＳＢ８も同様に画素信号読み出し回路ＰＳＡ１５、ＰＳＢ３、ＰＳＢ８を挟んで向かい合うフォトダイオード対を並列させた構成になっている。
【００４７】
ラインセンサＬＳＡ５の傍に配置されたモニタセンサＬＭＡ５は、フォトダイオードを有する微小センサを垂直方向に沿って複数個並べた構成であり、モニタセンサ用画素信号読み出し回路（ここでは図示せず）によって蓄積電荷が読み出される。ラインセンサＬＳＢ３の傍に配置されたモニタセンサＬＳＢ３も同様の構成になっている。
【００４８】
ＡＧＣ回路４２ＨＳは、モニタセンサＬＭＢ３から出力されるモニタ信号の電圧レベルが閾値を超えるか否かを検知し、閾値に達すると電荷蓄積（積分）終了を知らせるモニタ信号を論理回路４４に出力する。モニタリング対象となっているラインセンサＬＳＢ３の電荷蓄積時間（積分時間）は、ＡＧＣ回路４２ＨＳによって調整される。ＡＧＣ回路４２ＨＳの閾値は、ラインセンサＬＳＢ３のダイナミックレンジを考慮した値に設定されており、論理回路４４からのＶＭＳ信号によって設定される。モニタセンサＬＭＡ５をモニタリングするＡＧＣ回路４２Ｖ５も同様の構成である。
【００４９】
図４では、１つのラインセンサＬＳＢ３を図示している。対向位置にあるモニタセンサＬＭＢ３は、それぞれフォトダイオードを有する複数の微小センサから構成されており、ここでは、便宜上３つの微小センサＭ１〜Ｍ３、Ｍ４〜Ｍ６、Ｍ７〜Ｍ９から構成されるものとする。
【００５０】
上述したように、ラインセンサＬＳＢ３は、多数のフォトダイオード対を配列させた構成であり、モニタセンサＬＭＢ３の微小センサＭ１〜Ｍ９は、それぞれ割り当てられた所定数のフォトダイオードの領域についてモニタリングを行っている。
【００５１】
ここでは、３つの測距ゾーンＳＺ１〜ＳＺ３がラインセンサＬＳＢ３に対して規定されており、ＡＧＣ回路４２ＨＳは、モニタセンサＭ１〜Ｍ３、Ｍ４〜Ｍ６、Ｍ７〜Ｍ９とそれぞれ接続されるモニタセンサ群４２Ｈ３１、４２Ｈ３２、４２Ｈ３３から構成されており、測距ゾーンＳＺ１〜ＳＺ３の積分時間をそれぞれ調整する。モニタセンサ群４２Ｈ３１、４２Ｈ３２、４２Ｈ３３は、微小センサＭ１〜Ｍ３、Ｍ４〜Ｍ６、Ｍ７〜Ｍ９からの出力信号をそれぞれ検知するため、測距ゾーンＳＺ１〜ＳＺ３に合わせて３つのモニタセンサ検出部ＡＧＣ１〜ＡＧＣ３、ＡＧＣ４〜ＡＧＣ６、ＡＧＣ７〜ＡＧＣ９をそれぞれ備えている。
【００５２】
ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ１を例に挙げると、瞳分割による一対の被写体像が焦点検出部４０に投影されると、ラインセンサＬＳＡ１の測距ゾーンＳＺ１およびモニタセンサＭ１〜Ｍ３に電荷が蓄積される。３つの微小センサＭ１〜Ｍ３に入力される光量は、被写体の明るさ分布によってそれぞれ異なるため、モニタセンサ検出部ＡＧＣ１〜ＡＧＣ３が積分終了を知らせるモニタ信号を出力するタイミングは異なる。
【００５３】
例えば、モニタセンサＭ１〜Ｍ３の微小センサＭ１に強い光が入射する一方で微小センサＭ２、Ｍ３に入射する光が弱い場合、検出部ＡＧＣ１に入力するモニタ信号の電圧値が検出部ＡＧ２、ＡＧ３よりも先に閾値を超え、電荷蓄積終了を知らせるモニタ信号を論理回路４４へ出力する。
【００５４】
論理回路４４は、検出部ＡＧＣ１から終了信号を受けると、ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンの電荷蓄積を終了させる。ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ１の各フォトダイオードに蓄積された電荷は、電荷蓄積容量（ここでは図示せず）に一時的に格納される。検出部ＡＧＣ２、あるいは検出部ＡＧＣ３が最も早く積分終了のモニタ信号を出力した場合も、ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ１の電荷蓄積が同様に終了する。
【００５５】
このようなラインセンサの電荷蓄積が、ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ２、ＳＺ３についても、同じように行われる。すなわち、微小センサＭ４〜Ｍ６、Ｍ７〜Ｍ９のいずれかにおいて閾値を超えるモニタ信号が出力されると、ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ２、ＳＺ３の電荷蓄積をその時点で終了する。
【００５６】
すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると（あるいはその前に所定時間が経過すると）、各ラインセンサから画素信号が出力される。上下方向にあるラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２（図２参照）から出力される画素信号は、列回路４６に転送される（図２、３参照）。一方、左右方向にあるラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２から出力される画素信号は、列回路４５へ転送される。
【００５７】
列回路４５、４６においては、出力された画素信号に対してノイズ除去、増幅処理が画素信号に対して行われる。これにより、ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２に対する一対の被写体像に応じた画像信号は、オフセット回路６４においてオフセットされた後、出力切替回路６６を通じてシステムコントロール回路３０へ出力される。一方、ラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２に対する一対の被写体像に応じた画像信号は、オフセット回路６２においてオフセットされた後、出力切替回路６８を通じてシステムコントロール回路３０へ出力される。
【００５８】
システムコントロール回路３０は、論理回路４４の動作を制御するとともに、各ＡＧＣ回路からのモニタ信号を選択的に検知する。モニタ出力選択回路５６では、システムコントロール回路３０により指定されたモニタ信号が出力され、出力切替回路６８からシステムコントロール回路３０に送られる。また、ＯＢモニタ出力選択回路５２から選択的に出力されるＯＢモニタ信号は、出力切替回路６６を介してシステムコントロール回路３０に送られる。なお、ＯＢモニタ信号、モニタ信号は、レベルシフト回路５３、５５によってそれぞれ出力信号の基準電位がシフトされる。
【００５９】
論理回路４４は、ラインセンサの電荷蓄積を終了させるとき、選択回路５８を通じて電荷蓄積終了を知らせる信号をシステムコントロール回路３０に出力する。また、すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると、選択回路６０を通じて電荷蓄積終了を知らせる信号をシステムコントロール回路３０へ送る。システムコントロール回路３０は、これらのモニタ信号、終了信号に基づいて、各ラインセンサの積分時間、ＡＧＣ回路のゲインを制御する。
【００６０】
図５は、ラインセンサ用画素信号読み出し回路の電気回路図である。図６は、図５の画素信号読み出し回路の模式的な断面図である。図７は、モニタセンサの電気回路図である。
【００６１】
図５には、ラインセンサＬＳＢ３における一組のフォトダイオード対１２０Ａｊ、１２０Ｂｊおよびそれに接続されるラインセンサ用画素信号読み出し回路１３０ｊに関する回路構成を示している。フォトダイオード対１２０Ａｊ、１２０Ｂｊは、ともにラインセンサ用画素信号読み出し回路１３０ｊと接続されている。
【００６２】
ラインセンサ用画素信号読み出し回路１３０ｊは、不要電荷の掃き出しをスイッチ制御するアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）１２１Ａ、１２１Ｂ、一時的に電荷を格納する電荷蓄積容量（ＭＥＭ）１２４Ａ、１２４Ｂ、フォトダイオード対１２０Ａｊ、１２０Ｂｊに蓄積された電荷を電荷蓄積容量１２４Ａ、１２４Ｂに転送する転送ゲート（ＴＧ）１２２Ａ、１２２Ｂを備える。
【００６３】
さらに、ラインセンサ用画素信号読み出し回路１３０ｊは、ＦＤＡ（Floating Diffusion Amplifier）に基づく電荷検出機構を備え、電荷注入されるフローティングディフュージョン（ＦＤ）１２５、電荷蓄積容量１２４Ａ、１２４Ｂの蓄積電荷を転送するフローティングディフュージョンゲート（ＦＤＧ）１２３Ａ、１２３Ｂ、リセットゲート（ＲＧ）２６、ソースフォロアアンプ１２７、および選択ゲート１２８を備える。
【００６４】
図６には、フォトダイオード１２０Ａｊ付近の焦点検出部４０の基板断面が図示されている。ｎ−ｓｕｂ基板の上にｐ型層（ｐ−ｗｅｌｌ）を形成し、その上にｐｎ接合のフォトダイオード１２０Ａｊが構成される。また、フォトダイオード１２０Ａｊの表面にｐ＋層を形成することにより、埋め込み型フォトダイオードが構成される。電荷蓄積容量１２４Ａも同様のＭＯＳ型ダイオードの構成になっている。
【００６５】
なお、フォトダイオード１２０Ａｊの上方には開口部（図示せず）が設けられており、開口部を除く部分を遮光膜で覆うことによってフォトダイオード１２０Ａｊ以外の光入射が防止されている。
【００６６】
アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）１２１Ａ、転送ゲート（ＴＧ）１２２Ａ、フローティングディフュージョンゲート（ＦＤＧ）１２３Ａ、リセットゲート（ＲＧ）１２４Ａは、それぞれ表面に電荷転送電極（ゲート電極）を配設したトランジスタによって構成されており、それぞれ電荷読み出しタイミングに合わせてパルス信号が入力される。
【００６７】
転送ゲート（ＴＧ）１２２Ａ、フローティングディフュージョンゲート（ＦＤＧ）１２３Ａの開閉により、電荷蓄積容量１２４Ａ、およびｎ＋層から成るフローティングディフュージョン（ＦＤ）１２５にそれぞれ電荷が転送される。また、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）１２１Ａの開閉により、フォトダイオード１２０Ａｊの不要電荷が、ｎ＋層１２９を介してドレインとなる電源ＶＤＤＡに掃き出される。
【００６８】
図７には、フォトダイオード１２０Ａｊをモニタリングする微小センサ１４０ｍを示している。フォトダイオード１４２に接続されるモニタセンサ用画素信号読み出し回路１４４は、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）１５１、転送ゲート（ＴＧ）１５２、リセットゲート（ＲＧ）１５４、さらには電荷蓄積容量（ＭＥＭ）１５３、ソースフォロアアンプ１５５を備える。
【００６９】
被写体からの光がラインセンサに到達すると、フォトダイオード１２０Ａｊ、１２０Ｂｊの光電変換によって信号電荷（画素信号）が生じ、光量に応じて電荷が蓄積されていく。一方、モニタセンサ１４０ｍの光電変換部１４２に生じる信号電荷は、電荷蓄積１５３を介して図２、３に示したＡＧＣ回路へ随時出力される。
【００７０】
モニタ信号が閾値を超えると、フォトダイオード１２０Ａｊの電荷蓄積が終了し、蓄積電荷は転送ゲート１２２Ａ、１２２Ｂを通って電荷蓄積容量１２３Ａ、１２３Ｂに一時的に転送される。他のフォトダイオード対の電荷蓄積がすべて終了するまで、蓄積電荷は電荷蓄積容量１２３Ａ、１２３Ｂにそれぞれ保存される。
【００７１】
他のラインセンサの電荷蓄積が終了すると、フォトダイオード１２０Ａｊ、１２０Ｂｊにおいて生じ、電荷蓄積容量１２３Ａ、１２３Ｂにそれぞれ格納されていた電荷は、別々に、または混合されてフローティングディフュージョン（ＦＤ）１２５に注入される。そして、ソースフォロアアンプ１２７によって画素信号（電圧信号）が出力される。画素信号が出力されると、リセットゲート１２６の動作によってフローティングディフュージョン１２４がリセットされる。
【００７２】
次に、図８〜図１４を用いて電荷生成〜画素信号読み出しまでのフローを説明する。図８〜図１４では、図６に示した回路断面に合わせて基板の各構成要素の電位状態を示している。
【００７３】
図８は、被写体からの光を受けてフォトダイオードに電荷が蓄積されている状態を示した図である。フォトダイオード１２０Ａｊに電荷が蓄積されていないときの空乏化電圧をＶＰＤ０で表し、焦点検出部４０の基板表面を基準電圧０とする。
【００７４】
電荷蓄積中、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）１２１Ａ、転送ゲート（ＴＧ）１２２Ａはローレベルであり、フォトダイオード１２０Ａｊに電荷が蓄積されていく。電荷蓄積の間、ＡＢＧ１２１Ａを通って電荷が排出されないように、ＡＢＧ１２１Ａはローレベル、ＯＦＦ状態に設定されている。ＡＢＧ１２１Ａのローレベルにおける電圧（以下、閾値電圧という）Ｖｔは、電荷蓄積中に電気的障壁となって電荷漏出を防ぐ一方、過剰な光によって発生する不要電荷に対してはＡＢＧ１２１Ａの障壁を越えて十分排出されるように設定されている。
【００７５】
図９は、電荷がフォトダイオードから転送される状態を示した図である。フォトダイオード１２０Ａｊの電荷蓄積が終了すると、転送ゲート（ＴＧ）１２２Ａがハイレベル、すなわちＯＮ状態となる。これにより、フォトダイオード１２０Ａｊに蓄積された電荷が電荷蓄積容量１２４Ａへ一時的に格納される。
【００７６】
図１０は、不要電荷がフォトダイオードから排出されている状態を示した図である。電荷が電荷蓄積容量１２４Ａに転送されると、ブルーミングが生じないようにＡＢＧ１２１Ａがハイレベルとなる。これにより、フォトダイオード１２０Ａｊに発生する不要電荷は排出される。
【００７７】
図１１、１２は、フローティングディフュージョンのリセット状態を示した図である。リセットゲート（ＲＧ）１２６をハイレベルに切り替えることによって、フローティングディフュージョン１２５の電位を初期状態にリセットし、リセットゲート（ＲＧ）１２６を再びローレベルにしてリセット電圧Ｖｒｓｔを検知する。
【００７８】
図１３、１４は、電荷蓄積容量からフローティングディフュージョンへの電荷転送を示した図である。フローティングディフュージョンゲート（ＦＤＧ）１２５をハイレベルにすることによって、電荷蓄積容量１２４Ａに保存されていた電荷がフローティングディフュージョン（ＦＤ）１２５に転送される。そして、フローティングディフュージョンゲート（ＦＤＧ）１２５を再びローレベルに切り替えることによって、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１２５の電圧変化が画素信号の電圧として検出される。
【００７９】
図１５は、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を超えてフォトダイオードから流出する（リークする）電荷数とフォトダイオード電圧との関係を示した図である。図１６は、最大照度時の電荷流出を示した図である。図１７は、最小照度時の電荷流出を示した図である。図１５〜図１７を用いて、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）の閾値電圧設定について説明する。
【００８０】
図１５に示すグラフでは、横軸をフォトダイオードの電圧ＶＰＤ（Ｖ）、縦軸をアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）からのリーク電子数（以下では、流出電荷数という）ＬＱ（ｅ−／ｓ）とし、フォトダイオード電圧ＶＰＤと流出電荷数ＬＱとの関係をグラフ化している。フォトダイオード電圧ＶＰＤは、電荷が蓄積されていないとき、すなわち光が照射されないときの空乏化電圧ＶＰＤ０が最大となり、光強度が大きくなるに従ってフォトダイオード電圧ＶＰＤが下がっていく。
【００８１】
フォトダイオード電圧ＶＰＤと流出電荷数ＬＱは指数関数の関係にあり、フォトダイオード電圧ＶＰＤ（蓄積電荷）が大きくなるほど流出電荷数ＬＱも多くなる。アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）の閾値電圧Ｖｔと空乏化電圧ＶＰＤ０が定められると、フォトダイオード電圧ＶＰＤと流出電荷数ＬＱの関係は、図１５に示す直線Ｌｓに従う。すなわち、あるフォトダイオード電圧ＶＰＤにおける流出電荷数ＬＱは直線Ｌｓによって求められる。
【００８２】
ここでは、空乏化電圧ＶＰＤ０＝１Ｖ、飽和電荷量のフォトダイオード電圧（以下、飽和フォトダイオード電圧という）ＶＰＤＱ＝０Ｖ、閾値電圧ＶｔがＶｔｓ（＝０．５Ｖ）のときに直線Ｌｓが規定される。フォトダイオード電圧ＶＰＤと流出電荷数ＬＱの関係を示す直線Ｌｓは、ラインセンサの性能特性、空乏化電圧ＶＰＤ０、閾値電圧Ｖｔｓを変えることによって直線の傾き（比例の大きさ）、切片も変わる。
【００８３】
閾値電圧Ｖｔは電荷がアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を超えるときの障壁の大きさを示すことから、閾値電圧Ｖｔの大きさによって流出電荷数ＬＱも変化する。閾値電圧Ｖｔが大きくなると、電荷がフローティングディフュージョンゲート（ＡＢＧ）の障壁を越えにくくなって流出電荷数ＬＱが下がる。逆に、閾値電圧Ｖｔが小さく設定されると電荷がフローティングディフュージョンゲート（ＡＢＧ）から容易に漏れ出る。
【００８４】
図１６では、非常に強い光によるフォトダイオードの蓄積電荷を示している。強い光によってフォトダイオードの飽和電荷量ＱＰＤｍ付近まで電荷が蓄積されると、電荷がフォトダイオードから溢れやすくなる。そのため、転送ゲート（ＴＧ）へ漏れることなくアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を介して電荷を流出させるような閾値電圧Ｖｔを設定しなければならない。
【００８５】
一方、図１７では、非常に弱い光によるフォトダイオードの蓄積電荷を示している。光強度が小さい場合であっても、一部電荷はフローティングディフュージョンゲート（ＡＢＧ）の障壁を超えて流出する。弱い光のときに流出電荷数ＬＱを極力抑えなければ、ＡＧＣ回路の閾値電圧付近までフォトダイオードに電荷が蓄積されても、フォトダイオードに発生する電荷数を上回るペースで電荷が流出してしまい、いつまでもＡＧＣ回路の閾値に応じた電荷数まで電荷が蓄積されない。すなわち、電荷蓄積容量（ＭＥＭ）の飽和電荷量ＱＭＥＭＳに相当する電荷がフォトダイオードに蓄積された状況でリークする電荷数を抑えなければならない。
【００８６】
このように、照度が非常に大きいときには発生する過剰電荷を十分排出し、照度が非常に小さい場合にはリークする電荷数を十分に小さくしなければならない。そのため、閾値電圧Ｖｔを、最大照度のときフォトダイオードに発生する電荷数Ｑｍａｘと最小照度のときフォトダイオードに発生する電荷数Ｑｍｉｎを考慮した値に設定する。
【００８７】
ただし、最大照度は、フォトダイオードのリニア出力可能な限界照度であり、フォトダイオードの性能特性によってあらかじめ定められている。最小照度は、光電変換可能な限界照度を示し、同様にフォトダイオードの性能特性によって規定される。
【００８８】
図１５の直線Ｌｓは、最大照度のときにアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を通って流出する電荷数が、発生電荷数Ｑｍａｘと等しい。上述したように、直線Ｌｓの閾値電圧Ｖｔｓをさらに小さくすると、流出電荷数が増加するために直線Ｌｓは上に移動する。したがって、直線Ｌｓの閾値電圧Ｖｔｓよりも小さい閾値電圧Ｖｔを設定することにより、最大照度のときに発生する余剰電荷はアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を介して排出され、電荷蓄積容量などに流入しない。
【００８９】
一方、最小照度のときの閾値電圧Ｖｔの限度を考えると、電荷蓄積容量の飽和電荷量分だけフォトダイオードに電荷が蓄積されている状態で限界となる閾値電圧Ｖｔを設定する必要がある。光強度が非常に小さい場合、長い露光期間かけて電荷蓄積容量の飽和電荷量ＱＭＥＭｓにまで達する。この状況でフォトダイオードに発生する電荷数以上にフォトダイオードの蓄積電荷がＡＢＧを介して漏れ出てしまうと、最小照度の条件下でいつまでも蓄積電荷を転送可能な状況にならない。
【００９０】
したがって、フォトダイオード電圧ＶＰＤが電荷蓄積容量（ＭＥＭ）の飽和電荷量ＱＭＥＭＳに相当する飽和フォトダイオード電圧ＶＰＤＱであるとき（図１５参照）、フォトダイオードに発生する最小照度時の電荷数Ｑｍｉｎと比べて漏出する電荷数は十分小さくなければならない。
【００９１】
図１５に示す直線Ｌｍは、閾値電圧Ｖｔｍ、空乏化電圧Ｖ’ＰＤ０に従って定められており、フォトダイオード電圧ＶＰＤが飽和フォトダイオード電圧ＶＰＤＱであるときの流出電荷数ＬＱは、最小照度時の発生電荷数Ｑｍｉｎと等しい。したがって、直線Ｌｍの閾値電圧Ｖｔｍよりも大きい閾値電圧Ｖｔを設定することにより、漏出する電荷数を発生電荷数よりも少なくすることができる。
【００９２】
直線Ｌｍと直線Ｌｓに挟まれた領域ＴＲは、最大照度、最小照度のとき必要とされる条件を満足する。したがって、フォトダイオード電圧ＶＰＤと流出電荷数ＬＱの比例関係が領域ＴＲに収まるように、フォトダイオードの空乏化電圧ＶＰＤ０、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）の閾値電圧Ｖｔを定めればよい。
【００９３】
しかしながら、広いダイナミックレンジを確保するためには、最小照度のときの流出電荷数ＬＱを、発生電荷数Ｑｍｉｎの１／１００倍以下に抑えることが望まれる。この場合、流出電荷数ＬＱが１／１００倍になる直線Ｌｎと直線Ｌｓに挟まれた領域ＴＳに収まるように、フォトダイオードの空乏化電圧ＶＰＤ０、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）の閾値電圧Ｖｔが設定される。
【００９４】
このような条件に基づいて設定されたアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）の閾値電圧Ｖｔとフォトダイオードの空乏化電圧ＶＰＤ０は、アンチブルーミングの発生防止と広いダイナミックレンジ確保の両方を満足する。その一方で、焦点検出部４０の基板川迫にお家は、以下に述べる条件を満足する空乏化電圧ＶＰＤ０が求められる。
【００９５】
図１８は、空乏化電圧と電荷蓄積容量の最大電圧との関係を示した図である。電荷蓄積容量の飽和電荷量に相当する電圧ΔＶＭＥＭｍａｘと、空乏化電圧ＶＰＤ０と、リセット電圧Ｖｒｓｔと、ＦＤ出力電圧ΔＶＦＤは、以下の関係式を満たす必要がある。ただし、ＦＤ出力電圧ΔＶＦＤは、フローティングディフュージョン（ＦＤ）における所望電圧を示す。
ΔＶＭＥＭｍａｘ≦Ｖｒｓｔ−（ＶＰＤ０＋ΔＶＦＤ） ・・・・（１）
【００９６】
（１）式は、図１８に示す電位差ΔＶＧがあることを要求し、上記（１）式を満たすように、空乏化電圧が設定される。
【００９７】
さらに、以下の式を満足するように空乏化電圧ＶＰＤ０が設定される。ただし、電荷蓄積容量の飽和電荷量をＱＭＥＭＳ、飽和電荷量ＱＭＥＭＳだけ電荷が蓄積されたときのフォトダイオード電圧をＶＰＤＱ、フォトダイオードの飽和電荷量をＱＰＤＭとする。
ＱＰＤＭ≧ＱＭＥＭＳ×ＶＰＤ０／（ＶＰＤ０−ＶＰＤＭ） ・・・・（２）
【００９８】
（２）式は、フォトダイオードの飽和電荷量ＱＰＤＭが電荷蓄積容量（ＭＥＭ）の飽和電荷量ＱＭＥＭＳよりも十分大きいか、すなわち、フォトダイオードが電荷蓄積容量と比べて十分に電荷を蓄積できるか否かを判別する。
【００９９】
このように本実施形態によれば、ＡＦモジュール２４の焦点検出部４０の基板表面には、複数のラインセンサから成るクロス状のラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２、ＥＢ１、ＥＢ２を構成し、ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２の各ラインセンサに傍にはラインセンサの入射光をモニタリングするモニタセンサＭＡ１〜ＭＡ９、ＭＢ１〜ＭＢ５を配置させる。
【０１００】
各ラインセンサを構成する複数のフォトダイオードおよびラインセンサ用画素信号読み出し回路では、余剰電荷を切替制御によって排出するアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）をフォトダイオードの傍に設け、フォトダイオードに電荷を蓄積している間、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）は電荷リークの障壁となる。
【０１０１】
そして、アンチブルーミングゲートの閾値電圧Ｖｔ、およびフォトダイオードの空乏化電圧ＶＰＤ０は、最大照度時の発生電荷数Ｑｍａｘよりもアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を通って排出される流出電荷数ＬＱの方が多く、かつ、最小照度時であって電荷蓄積容量（ＭＥＭ）の飽和電荷量ＱＭＥＭＳだけフォトダイオードに電荷蓄積された状態で発生する電荷数Ｑｍｉｎよりも流出電荷数ＬＱが少なくなるように、規定される。
【０１０２】
焦点検出の場合、イメージセンサとは異なり、各ラインセンサの電荷蓄積時間は別々に制御され、また、エッジ部分などの輝度変化を弱い光強度でも検出する必要があるため、広いダイナミックレンズが必要とされる。本実施形態によれば、ラインセンサのダイナミックレンジを十分広く設定してもブルーミングが生じず、光強度に関係なくフォトダイオードの蓄積電荷を出力し、各画素の輝度レベルを精度よく出力することが可能となる。
【０１０３】
測距については、多点測距、あるいは画面中心部のみ測距するように構成してもよく、ラインセンサ数、ラインセンサ群の数、および、ラインセンサの配列方向は任意である。また、一眼レフ型カメラ以外のカメラに適用してもよく、携帯電話などカメラ機能を備えた撮影装置に適用してもよい。
【符号の説明】
【０１０４】
１０ 一眼レフ型デジタルカメラ
２４ ＡＦモジュール（焦点検出装置）
４０ 焦点検出部
１２０Ａｊ、１２０Ｂｊ フォトダイオード（光電変換素子）
１２１Ａ アンチブルーミングゲート（電荷排出ゲート）
１２２Ａ 転送ゲート
１２４Ａ 電荷蓄積容量（電荷格納部）
Ｖｔ 閾値電圧
ＶＰＤ０ 空乏化電圧
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一眼レフ型カメラなどの撮影装置に搭載される焦点検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一眼レフ型カメラでは、自動焦点調節（ＡＦ）機構として位相差方式の焦点検出装置が搭載されている。焦点検出装置の被写体像が投影されるエリアには、ラインセンサをそれぞれ並列させた複数のラインセンサ群が２つ１組となって２次元的に配置されている。各ラインセンサは、複数のフォトダイオードを並列させた配置構成であり、各フォトダイオードに生じる信号電荷は画素信号として読み出される。
【０００３】
通常、ラインセンサは電荷蓄積型センサであり、ラインセンサの傍に配置されるモニタセンサによって電荷蓄積時間が調整される（例えば、特許文献１、２参照）。ラインセンサの各フォトダイオードの受ける光量は被写体の明るさ分布によって異なるため、ラインセンサの電荷蓄積時間はそれぞれ独立して制御されている。
【０００４】
フォトダイオードなどの光電変換素子を備えたモニタセンサは、モニタ対象となっているフォトダイオードの光強度（光量）をリアルタイムで検出する。モニタセンサから出力される信号が所定の閾値を超えると、対応するラインセンサの電荷蓄積（積分）を終了させる。これにより、フォトダイオードがダイナミックレンジを超える光を受光してオーバフローするのを防ぐ。
【０００５】
ラインセンサに蓄積された電荷は、一時的にキャパシタ等のメモリ部に格納される。すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると、一連の画素信号が被写体像の画像信号として出力され、デフォーカス量を求める演算処理が行われる。
【０００６】
強い光の入射によってフォトダイオードの飽和電荷量を超えた電荷が生成されると、光電変換素子から電荷が溢れ出し、隣接画素へ流出する、いわゆるブルーミング現象が生じる。また、電荷を転送してからフォトダイオードに生じる電荷が電荷蓄積部に漏れることによっても、同様の問題が生じる。
【０００７】
このようなブルーミングを防ぐため、ＣＭＯＳセンサなどのアドレス型撮像素子では、光電変換部に生じた不要電荷を排出する制御スイッチ、すなわちアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）が配設される（特許文献３参照）。
【０００８】
露光期間においてＡＢＧはＯＦＦ状態であり、ＡＢＧが障壁となって蓄積電荷は排出されることなく、過剰な光によって生じた不要電荷はＡＢＧの障壁を越えてドレインなどに排出される。蓄積電荷が転送された状態になると、ＡＢＧがＯＮ状態に切り替えられる。そのため、電荷転送の後生成された不要電荷はそのままＡＢＧを通って排出され、隣接画素へ流出することを防ぐ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１４５７９２号公報
【特許文献２】特開２００４−２７２２３８号公報
【特許文献３】特開２００４−１１１５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、各ラインセンサの光電変換素子の電荷蓄積時間は被写体の明るさ分布に応じてバラツキがあり、被写体の非常に明るい部分と暗い部分どちらも検出する必要がある。そのため、非常に広いダイナミックレンジが焦点検出装置の光電変換素子に要求される。このことは、引用文献２のような各光電変換素子の電荷蓄積時間が一定であるイメージセンサと大きく相違する。
【００１１】
したがって、焦点検出装置に使用されるラインセンサでは、光量が極端に少ないときに電荷漏れを極力無くし、光量が過剰なときには不要電荷を十分に排出できるように構成しなければならない。すなわち、幅広いダイナミックレンジで焦点検出を可能にするため、ＡＢＧなどの電荷排出ゲートによる電荷流出の障壁をより精緻に設定しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の焦点検出装置は、被写体像の投影領域に並ぶ複数のラインセンサと、複数のラインセンサの側にそれぞれ配置され、それぞれ対応するラインセンサの受光量をモニタリングする複数のモニタセンサと、複数のラインセンサに蓄積された電荷に基づいて被写体像の画像信号を出力する画像信号出力手段とを備える。例えば、焦点検出装置は一眼レフ型カメラなどの撮影装置に適用される。また、ラインセンサは、例えばＣＭＯＳセンサなどアドレス型撮像素子によって構成される。
【００１３】
本発明のラインセンサは、フォトダイオードなどの光電変換素子と、光電変換素子に蓄積された電荷を格納する電荷格納部と、光電変換素子に蓄積された電荷を電荷格納部に転送する電荷転送ゲートと、光電変換素子に蓄積される電荷を排出する電荷排出ゲートとを備える。電荷排出ゲートは、露光期間中に電荷流出の電気的障壁を形成し、例えば、光電変換素子に関して電荷格納部の反対側にトランジスタなどで構成される電荷排出ゲートが設けられ、露光期間中はゲートを閉じた状態に設定される。
【００１４】
本発明では、ラインセンサの電荷排出ゲートの電気的障壁が所定条件に基づいて定められる。すなわち、電荷排出ゲートから排出される電荷数が、最大照度のときには光電変換素子に発生する電荷数より大きく、かつ、最小照度のときであって電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が光電変換素子に蓄積された状態のときには光電変換素子に発生する電荷数よりも小さくなるように、電荷排出ゲートの閾値電圧および光電変換素子の空乏化電圧が定められる。
【００１５】
ここで、閾値電圧は、電荷流出の電気的障壁を規定する電荷排出ゲートの電位を示し、空乏化電圧は、電荷が蓄積されていないときの光電変換素子の電位を示す。また、最大照度、最小照度は、ラインセンサの性能特性などによってあらかじめ定められている。
【００１６】
本発明では、露光期間中に電気的障壁を形成する電荷排出ゲートから流出する電荷数が、非常に強い光、弱い光どちらによっても適正なものとなるように設定されている。オーバフローが生じるような露光量になっても不要電荷排出ゲートを通って不要電荷が十分に排出されるため、ブルーミングの発生を防ぐことが可能となり、また、光量が非常に少ない場合には流出する電荷数が十分に少ないため、ラインセンサの電荷蓄積期間を適切な期間で終了させることが可能となり、ダイナミックレンジの広い焦点検出が行われる。
【００１７】
照度が低いときにはできる限り流出する電荷数を抑えるのが望ましい。そのため、最小照度のときであって電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が光電変換素子に蓄積された状態のときには、光電変換素子に発生する電荷数の１／１０、さらには１／１００以下となるように、電荷排出ゲートの閾値電圧および光電変換素子の空乏化電圧を定めるのがよい。
【００１８】
例えば、空乏化電圧が以下の式を満たすように設定される。
ΔＶＭＥＭｍａｘ≦Ｖｒｓｔ−（ＶＰＤ０＋ΔＶＦＤ）
ただし、電荷格納部の飽和電荷量に相当するフォトダイオード電圧をΔＶＭＥＭｍａｘ、空乏化電圧をＶＰＤ０、リセット電圧をＶｒｓｔ、フローティングディフュージョン（ＦＤ）における所望電圧であるＦＤ出力電圧をΔＶＦＤと表す。
【００１９】
また、以下の式を満足するように空乏化電圧ＶＰＤ０が設定される。ただし、電荷蓄積容量の飽和電荷量をＱＭＥＭＳ、飽和電荷量ＱＭＥＭＳだけ電荷が蓄積されたときのフォトダイオード電圧をＶＰＤＱ、フォトダイオードの飽和電荷量をＱＰＤＭとする。
ＱＰＤＭ≧ＱＭＥＭＳ×ＶＰＤ０／（ＶＰＤ０−ＶＰＤＱ）
【００２０】
本発明の他の局面における焦点検出装置用ラインセンサは、光電変換素子と、光電変換素子に蓄積された電荷を格納する電荷格納部と、光電変換素子に蓄積された電荷を電荷格納部に転送する電荷転送ゲートと、電荷格納部に転送された蓄積電荷を画素信号として出力する画素信号読み出し回路と、光電変換素子に蓄積される電荷を排出する電荷排出ゲートとを備え、電荷排出ゲートから排出される電荷数が、最大照度のときには光電変換素子に発生する電荷数より大きく、かつ、最小照度のときであって電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が光電変換素子に蓄積された状態のときには光電変換素子に発生する電荷数よりも小さくなるように、電荷排出ゲートの閾値電圧および光電変換素子の空乏化電圧が定められることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
このように本発明によれば、ブルーミングを抑制しながら、広いダイナミックレンジで焦点検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態であるデジタルカメラの模式的内部構成図である。
【図２】焦点検出部の基板配置を示した図である。
【図３】焦点検出部のブロック図である。
【図４】ラインセンサ、モニタセンサ、ＡＧＣ回路の接続関係を示した図である。
【図５】ラインセンサ用画素信号読み出し回路の電気回路図である。
【図６】図５の画素信号読み出し回路の模式的な断面図である。
【図７】モニタセンサの電気回路図である。
【図８】被写体からの光を受けてフォトダイオードに電荷が蓄積されている状態を示した図である。
【図９】電荷がフォトダイオードから転送される状態を示した図である。
【図１０】不要電荷がフォトダイオードから排出されている状態を示した図である。
【図１１】フローティングディフュージョンのリセット状態を示した図である。
【図１２】フローティングディフュージョンのリセット状態を示した図である。
【図１３】電荷蓄積容量からフローティングディフュージョンへの電荷転送を示した図である。
【図１４】電荷蓄積容量からフローティングディフュージョンへの電荷転送を示した図である。
【図１５】アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を超えてフォトダイオードから流出する（リークする）電荷数とフォトダイオード電圧との関係を示した図である。
【図１６】最大照度時の電荷流出を示した図である。
【図１７】最小照度時の電荷流出を示した図である。
【図１８】空乏化電圧と電荷蓄積容量の最大電圧との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本実施形態について説明する。
【００２４】
図１は、本実施形態であるデジタルカメラの模式的内部構成図である。
【００２５】
一眼レフ型デジタルカメラ１０は、本体１２と、本体１２に着脱自在な交換レンズ１４とを備え、本体１２内部には、ペンタゴナルダハプリズム（以下、ペンタプリズムという）１６、クイックリターンミラー１８、フォーカルプレーンシャッタ２０、ＣＣＤなどの撮像素子２２が設けられている。
【００２６】
ＲＯＭ３６、ＲＡＭ３７、ＣＰＵ３８を含むシステムコントロール回路３０は、カメラ１０の撮影動作を制御し、周辺制御回路３２、表示部３３、ＡＦモジュール２４、測光ＩＣ２３、ＥＥＰＲＯＭ３９等に制御信号を出力する。周辺制御回路３２は、フォーカルプレーンシャッタ２０、絞り（図示せず）、撮像素子２２など露光機構を制御し、また、レンズメモリ１３からレンズ情報を取得する。
【００２７】
電源ボタン（図示せず）の操作によってカメラ１０がＯＮ状態になると、撮影可能な撮影モードに設定される。撮影光学系１５を通った光は、クイックリターンミラー１８によってペンタプリズム１６の方向へ導かれ、被写体像がピント板１７に形成される。ユーザーは、ファインダ窓（図示せず）を通して被写体像を視認する。撮影のためレリーズボタン（図示せず）が半押しされると、ペンタプリズム１６の傍に配置される測光ＩＣ２３が、ＴＴＬ測光方式に従い、被写体の明るさを検出する。また、クイックリターンミラー１８の下方に配置されるＡＦモジュール２４が、位相差方式に従って合焦状態を検出する。
【００２８】
撮影光学系１５を通った光の一部は、クイックリターンミラー１８を透過し、サブミラー１９によってＡＦモジュール２４に導かれる。ＡＦモジュール２４は、コンデンサーレンズ２６、セパレータレンズ２７、視野マスク２９、焦点検出部４０を備え、撮像面（撮像素子２２の受光面）と等価な位置（共役面）に配置された視野マスク２９によって分割された被写体像は、セパレータレンズ２７によって焦点検出部４０に再結像される。焦点検出部４０は、対になって投影された被写体像の画像信号を出力する。
【００２９】
システムコントロール回路３０は、ＡＦモジュール２４から送られてくる画像信号に基づき、デフォーカス量および焦点調節を行う。すなわち、ＡＦモジュール２４によって検出されるデフォーカス量およびピントずれの方向に従い、ＡＦモータドライバ３４へ制御信号を出力する。ＡＦモータ３５は、ＡＦモータドライバ３４からの駆動信号に基づき、撮影光学系１５内のフォーカシングレンズをシフトさせる。合焦状態に達するまで一連の焦点検出、レンズ駆動が行われる。
【００３０】
レリーズ半押し状態において焦点調整が行われ、被写体の明るさが検出されると、システムコントロール回路３０は、露出値、すなわちシャッタースピードおよび絞り値を演算、決定する。そしてレリーズボタンが全押しされると、一連の記録動作処理が実行される。すなわち、クイックリターンミラー１８、絞り、およびシャッタ２０の動作によって被写体像が撮像素子２２に形成され、１フレーム分の画像信号が撮像素子２２から信号処理回路２５へ出力される。信号処理回路２５ではデジタル画像データが生成され、画像データがＥＥＰＲＯＭ３９へ格納される。
【００３１】
図２は、焦点検出部の基板配置を示した図である。
【００３２】
焦点検出部４０は、ＣＭＯＳ型ラインセンサを複数配設させた一体型基板によって構成される。焦点検出デバイス４０の表面には、被写体像の縦方向に沿った基板上下方向にラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２が設置され、被写体像の横方向に沿った基板左右方向にラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２が設置されている。ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２、およびＥＢＡ１、ＥＢ２はそれぞれ基板中心部を挟んで互いに対向する。
【００３３】
視野マスク２９、コンデンサーレンズ２６、セパレータレンズ２７を含む結像光学系は、瞳分割によって２組の被写体像対を形成し、ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２の配置された投影領域、およびラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２の配置された投影領域に対し、一対の被写体像をそれぞれ結像させる。
【００３４】
各ラインセンサ群は、所定間隔で左右もしくは上下方向に並ぶ複数のラインセンサによって構成され、ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２のラインセンサは左右方向に沿って並列し、ラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２のラインセンサは上下方向に沿って並列している。各ラインセンサは、複数のフォトダイオード、画素信号読み出し回路（ともにここでは図示せず）を備える。
【００３５】
ラインセンサ群ＥＡ１は、９つのラインセンサＬＳＡ１〜ＬＳＡ９によって構成されており、基準ラインセンサとして機能する。一方、ラインセンサ群ＥＡ２を構成するラインセンサＬＳＡ１１〜ＬＳＡ１９は、参照ラインセンサとして機能する。同様に、ラインセンサ群ＥＢ１を構成するラインセンサＬＳＢ１〜ＬＳＢ５は基準センサ、ラインセンサ群ＥＢ２を構成するラインセンサＬＳＢ６〜ＬＳＢ１０は参照ラインセンサとして機能する。
【００３６】
ラインセンサ群ＥＡ１のＬＳＡ１〜ＬＳＡ９、ラインセンサ群ＥＢ１のラインセンサＬＳＢ１〜ＬＳＢ５の側には、電荷転送用の垂直シフトレジスタＶＳＲ１〜ＶＳＲ９、ＶＳＳ１〜ＶＳＳ５が設置されており、ラインセンサ群ＥＡ２、ＥＢ２の各ラインセンサに対しても、垂直シフトレジスタＶＳＲ１１〜ＶＳＲ１９、ＶＳＳ６〜ＶＳＳ１０が同様に配置されている。
【００３７】
ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＢ１には、一連のモニタセンサＬＭＡ１〜ＬＭＡ９、ＬＭＢ１〜ＬＭＢ５がそれぞれ対応するラインセンサの側に配置されている。モニタセンサＬＭＡ１〜ＬＭＡ９、ＬＭＢ１〜ＬＭＢ５は、複数の微小センサをラインセンサに沿って並列させた構成であり、対応するラインセンサの領域を複数のエリアに分割してモニタリングする。
【００３８】
モニタセンサＬＭＡ１〜ＬＭＡ９は、それぞれラインセンサＬＳＡ１〜ＬＳＡ９の側面に沿ってライン状に配置され、対応するラインセンサの受ける光量（光強度）と同じ光量を受け、光量に応じた信号をモニタ信号として出力する。モニタセンサＬＭＢ１〜ＬＭＢ５も、ラインセンサＬＳＢ１〜ＬＳＢ５の受光量をモニタリングするためモニタ信号を出力する。
【００３９】
また、ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＢ１の各モニタセンサの傍には、暗電流成分を検知するＯＢ（Optical Black）モニタセンサＯＢＡ１〜ＯＢＡ９、ＯＢＢ１〜ＯＢＢ５が配置されており、検出される暗電流成分に基づいてモニタセンサから出力されるモニタ信号が補正される。
【００４０】
ＡＧＣ回路４２は、各モニタセンサから逐次出力されるモニタ信号値を閾値と比較し、オートゲインコントロールによってラインセンサの積分時間を制御する。閾値は、焦点検出に必要な光量が対象となるラインセンサに入射しているか否かを判断する指標値であり、ラインセンサのオーバフローを防ぐように設定されている。
【００４１】
モニタ信号値が閾値を超えると、積分終了を示すモニタ信号が論理回路４４に送られる。論理回路４４は、対応するラインセンサ、すなわちモニタリング対象となっているラインセンサの電荷蓄積（積分）を終了させるための制御信号を出力する。ラインセンサに制御信号が送信されると、電荷蓄積が終了するとともに、一時的に電荷がラインセンサ内で格納される。
【００４２】
ラインセンサの電荷蓄積時間は、ライセンサのモニタリング対象エリア毎に独立制御されており、被写体の光強度分布に応じて各ラインセンサの電荷蓄積時間が調整される。すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると、各ラインセンサの垂直シフトレジスタ、および電荷転送機能をもつ列回路４５、４６の水平シフトレジスタによって画素信号が順番に読み出されていく。これにより、各ラインセンサの画素信号読み出し回路（ここでは図示せず）において蓄積電荷が電圧変換、増幅処理され、画素信号が出力される。
【００４３】
各ラインセンサから読み出された一連の画素信号は、列回路４５、４６においてノイズ除去処理、増幅処理される。そして、一連の画素信号は、被写体像の画像信号としてシステムコントロール回路３０へ送られる。システムコントロール回路３０では、対になっているラインセンサ群の画像信号に基づいて位相差が検出され、デフォーカス量が求められる。
【００４４】
図３は、焦点検出部のブロック図である。図４は、ラインセンサ、モニタセンサ、ＡＧＣ回路の接続関係を示した図である。図３、図４を用いて、ラインセンサの電荷蓄積時間（積分時間）の制御について説明する。
【００４５】
なお、図３では、垂直方向に沿って延びるラインセンサ対ＬＳＡ５、ＬＳＡ１５、水平方向に沿って延びるラインセンサ対ＬＳＢ３、ＬＳＢ８と、それに応じたモニタセンサＬＭＡ５およびＬＭＢ３のみを図示し、それ以外のラインセンサ、モニタセンサは省略している。また、図４では、ラインセンサの電荷蓄積終了タイミングをわかりやすく説明のため、図２に示す実際の配置とは異なる配置でラインセンサ、モニタセンサを図示している。
【００４６】
ラインセンサＬＳＡ５は、ラインセンサ用画素信号読み出し回路ＰＳＡ５を挟んで向かい合うフォトダイオード対を上下方向に沿って並べた構成であり、ラインセンサ用画素信号読み出し回路によって各フォトダイオードから電荷が読み出される。他のラインセンサＬＳＡ１５、ＬＳＢ３、ＬＳＢ８も同様に画素信号読み出し回路ＰＳＡ１５、ＰＳＢ３、ＰＳＢ８を挟んで向かい合うフォトダイオード対を並列させた構成になっている。
【００４７】
ラインセンサＬＳＡ５の傍に配置されたモニタセンサＬＭＡ５は、フォトダイオードを有する微小センサを垂直方向に沿って複数個並べた構成であり、モニタセンサ用画素信号読み出し回路（ここでは図示せず）によって蓄積電荷が読み出される。ラインセンサＬＳＢ３の傍に配置されたモニタセンサＬＳＢ３も同様の構成になっている。
【００４８】
ＡＧＣ回路４２ＨＳは、モニタセンサＬＭＢ３から出力されるモニタ信号の電圧レベルが閾値を超えるか否かを検知し、閾値に達すると電荷蓄積（積分）終了を知らせるモニタ信号を論理回路４４に出力する。モニタリング対象となっているラインセンサＬＳＢ３の電荷蓄積時間（積分時間）は、ＡＧＣ回路４２ＨＳによって調整される。ＡＧＣ回路４２ＨＳの閾値は、ラインセンサＬＳＢ３のダイナミックレンジを考慮した値に設定されており、論理回路４４からのＶＭＳ信号によって設定される。モニタセンサＬＭＡ５をモニタリングするＡＧＣ回路４２Ｖ５も同様の構成である。
【００４９】
図４では、１つのラインセンサＬＳＢ３を図示している。対向位置にあるモニタセンサＬＭＢ３は、それぞれフォトダイオードを有する複数の微小センサから構成されており、ここでは、便宜上３つの微小センサＭ１〜Ｍ３、Ｍ４〜Ｍ６、Ｍ７〜Ｍ９から構成されるものとする。
【００５０】
上述したように、ラインセンサＬＳＢ３は、多数のフォトダイオード対を配列させた構成であり、モニタセンサＬＭＢ３の微小センサＭ１〜Ｍ９は、それぞれ割り当てられた所定数のフォトダイオードの領域についてモニタリングを行っている。
【００５１】
ここでは、３つの測距ゾーンＳＺ１〜ＳＺ３がラインセンサＬＳＢ３に対して規定されており、ＡＧＣ回路４２ＨＳは、モニタセンサＭ１〜Ｍ３、Ｍ４〜Ｍ６、Ｍ７〜Ｍ９とそれぞれ接続されるモニタセンサ群４２Ｈ３１、４２Ｈ３２、４２Ｈ３３から構成されており、測距ゾーンＳＺ１〜ＳＺ３の積分時間をそれぞれ調整する。モニタセンサ群４２Ｈ３１、４２Ｈ３２、４２Ｈ３３は、微小センサＭ１〜Ｍ３、Ｍ４〜Ｍ６、Ｍ７〜Ｍ９からの出力信号をそれぞれ検知するため、測距ゾーンＳＺ１〜ＳＺ３に合わせて３つのモニタセンサ検出部ＡＧＣ１〜ＡＧＣ３、ＡＧＣ４〜ＡＧＣ６、ＡＧＣ７〜ＡＧＣ９をそれぞれ備えている。
【００５２】
ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ１を例に挙げると、瞳分割による一対の被写体像が焦点検出部４０に投影されると、ラインセンサＬＳＡ１の測距ゾーンＳＺ１およびモニタセンサＭ１〜Ｍ３に電荷が蓄積される。３つの微小センサＭ１〜Ｍ３に入力される光量は、被写体の明るさ分布によってそれぞれ異なるため、モニタセンサ検出部ＡＧＣ１〜ＡＧＣ３が積分終了を知らせるモニタ信号を出力するタイミングは異なる。
【００５３】
例えば、モニタセンサＭ１〜Ｍ３の微小センサＭ１に強い光が入射する一方で微小センサＭ２、Ｍ３に入射する光が弱い場合、検出部ＡＧＣ１に入力するモニタ信号の電圧値が検出部ＡＧ２、ＡＧ３よりも先に閾値を超え、電荷蓄積終了を知らせるモニタ信号を論理回路４４へ出力する。
【００５４】
論理回路４４は、検出部ＡＧＣ１から終了信号を受けると、ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンの電荷蓄積を終了させる。ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ１の各フォトダイオードに蓄積された電荷は、電荷蓄積容量（ここでは図示せず）に一時的に格納される。検出部ＡＧＣ２、あるいは検出部ＡＧＣ３が最も早く積分終了のモニタ信号を出力した場合も、ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ１の電荷蓄積が同様に終了する。
【００５５】
このようなラインセンサの電荷蓄積が、ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ２、ＳＺ３についても、同じように行われる。すなわち、微小センサＭ４〜Ｍ６、Ｍ７〜Ｍ９のいずれかにおいて閾値を超えるモニタ信号が出力されると、ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ２、ＳＺ３の電荷蓄積をその時点で終了する。
【００５６】
すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると（あるいはその前に所定時間が経過すると）、各ラインセンサから画素信号が出力される。上下方向にあるラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２（図２参照）から出力される画素信号は、列回路４６に転送される（図２、３参照）。一方、左右方向にあるラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２から出力される画素信号は、列回路４５へ転送される。
【００５７】
列回路４５、４６においては、出力された画素信号に対してノイズ除去、増幅処理が画素信号に対して行われる。これにより、ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２に対する一対の被写体像に応じた画像信号は、オフセット回路６４においてオフセットされた後、出力切替回路６６を通じてシステムコントロール回路３０へ出力される。一方、ラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２に対する一対の被写体像に応じた画像信号は、オフセット回路６２においてオフセットされた後、出力切替回路６８を通じてシステムコントロール回路３０へ出力される。
【００５８】
システムコントロール回路３０は、論理回路４４の動作を制御するとともに、各ＡＧＣ回路からのモニタ信号を選択的に検知する。モニタ出力選択回路５６では、システムコントロール回路３０により指定されたモニタ信号が出力され、出力切替回路６８からシステムコントロール回路３０に送られる。また、ＯＢモニタ出力選択回路５２から選択的に出力されるＯＢモニタ信号は、出力切替回路６６を介してシステムコントロール回路３０に送られる。なお、ＯＢモニタ信号、モニタ信号は、レベルシフト回路５３、５５によってそれぞれ出力信号の基準電位がシフトされる。
【００５９】
論理回路４４は、ラインセンサの電荷蓄積を終了させるとき、選択回路５８を通じて電荷蓄積終了を知らせる信号をシステムコントロール回路３０に出力する。また、すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると、選択回路６０を通じて電荷蓄積終了を知らせる信号をシステムコントロール回路３０へ送る。システムコントロール回路３０は、これらのモニタ信号、終了信号に基づいて、各ラインセンサの積分時間、ＡＧＣ回路のゲインを制御する。
【００６０】
図５は、ラインセンサ用画素信号読み出し回路の電気回路図である。図６は、図５の画素信号読み出し回路の模式的な断面図である。図７は、モニタセンサの電気回路図である。
【００６１】
図５には、ラインセンサＬＳＢ３における一組のフォトダイオード対１２０Ａｊ、１２０Ｂｊおよびそれに接続されるラインセンサ用画素信号読み出し回路１３０ｊに関する回路構成を示している。フォトダイオード対１２０Ａｊ、１２０Ｂｊは、ともにラインセンサ用画素信号読み出し回路１３０ｊと接続されている。
【００６２】
ラインセンサ用画素信号読み出し回路１３０ｊは、不要電荷の掃き出しをスイッチ制御するアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）１２１Ａ、１２１Ｂ、一時的に電荷を格納する電荷蓄積容量（ＭＥＭ）１２４Ａ、１２４Ｂ、フォトダイオード対１２０Ａｊ、１２０Ｂｊに蓄積された電荷を電荷蓄積容量１２４Ａ、１２４Ｂに転送する転送ゲート（ＴＧ）１２２Ａ、１２２Ｂを備える。
【００６３】
さらに、ラインセンサ用画素信号読み出し回路１３０ｊは、ＦＤＡ（Floating Diffusion Amplifier）に基づく電荷検出機構を備え、電荷注入されるフローティングディフュージョン（ＦＤ）１２５、電荷蓄積容量１２４Ａ、１２４Ｂの蓄積電荷を転送するフローティングディフュージョンゲート（ＦＤＧ）１２３Ａ、１２３Ｂ、リセットゲート（ＲＧ）２６、ソースフォロアアンプ１２７、および選択ゲート１２８を備える。
【００６４】
図６には、フォトダイオード１２０Ａｊ付近の焦点検出部４０の基板断面が図示されている。ｎ−ｓｕｂ基板の上にｐ型層（ｐ−ｗｅｌｌ）を形成し、その上にｐｎ接合のフォトダイオード１２０Ａｊが構成される。また、フォトダイオード１２０Ａｊの表面にｐ＋層を形成することにより、埋め込み型フォトダイオードが構成される。電荷蓄積容量１２４Ａも同様のＭＯＳ型ダイオードの構成になっている。
【００６５】
なお、フォトダイオード１２０Ａｊの上方には開口部（図示せず）が設けられており、開口部を除く部分を遮光膜で覆うことによってフォトダイオード１２０Ａｊ以外の光入射が防止されている。
【００６６】
アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）１２１Ａ、転送ゲート（ＴＧ）１２２Ａ、フローティングディフュージョンゲート（ＦＤＧ）１２３Ａ、リセットゲート（ＲＧ）１２４Ａは、それぞれ表面に電荷転送電極（ゲート電極）を配設したトランジスタによって構成されており、それぞれ電荷読み出しタイミングに合わせてパルス信号が入力される。
【００６７】
転送ゲート（ＴＧ）１２２Ａ、フローティングディフュージョンゲート（ＦＤＧ）１２３Ａの開閉により、電荷蓄積容量１２４Ａ、およびｎ＋層から成るフローティングディフュージョン（ＦＤ）１２５にそれぞれ電荷が転送される。また、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）１２１Ａの開閉により、フォトダイオード１２０Ａｊの不要電荷が、ｎ＋層１２９を介してドレインとなる電源ＶＤＤＡに掃き出される。
【００６８】
図７には、フォトダイオード１２０Ａｊをモニタリングする微小センサ１４０ｍを示している。フォトダイオード１４２に接続されるモニタセンサ用画素信号読み出し回路１４４は、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）１５１、転送ゲート（ＴＧ）１５２、リセットゲート（ＲＧ）１５４、さらには電荷蓄積容量（ＭＥＭ）１５３、ソースフォロアアンプ１５５を備える。
【００６９】
被写体からの光がラインセンサに到達すると、フォトダイオード１２０Ａｊ、１２０Ｂｊの光電変換によって信号電荷（画素信号）が生じ、光量に応じて電荷が蓄積されていく。一方、モニタセンサ１４０ｍの光電変換部１４２に生じる信号電荷は、電荷蓄積１５３を介して図２、３に示したＡＧＣ回路へ随時出力される。
【００７０】
モニタ信号が閾値を超えると、フォトダイオード１２０Ａｊの電荷蓄積が終了し、蓄積電荷は転送ゲート１２２Ａ、１２２Ｂを通って電荷蓄積容量１２３Ａ、１２３Ｂに一時的に転送される。他のフォトダイオード対の電荷蓄積がすべて終了するまで、蓄積電荷は電荷蓄積容量１２３Ａ、１２３Ｂにそれぞれ保存される。
【００７１】
他のラインセンサの電荷蓄積が終了すると、フォトダイオード１２０Ａｊ、１２０Ｂｊにおいて生じ、電荷蓄積容量１２３Ａ、１２３Ｂにそれぞれ格納されていた電荷は、別々に、または混合されてフローティングディフュージョン（ＦＤ）１２５に注入される。そして、ソースフォロアアンプ１２７によって画素信号（電圧信号）が出力される。画素信号が出力されると、リセットゲート１２６の動作によってフローティングディフュージョン１２４がリセットされる。
【００７２】
次に、図８〜図１４を用いて電荷生成〜画素信号読み出しまでのフローを説明する。図８〜図１４では、図６に示した回路断面に合わせて基板の各構成要素の電位状態を示している。
【００７３】
図８は、被写体からの光を受けてフォトダイオードに電荷が蓄積されている状態を示した図である。フォトダイオード１２０Ａｊに電荷が蓄積されていないときの空乏化電圧をＶＰＤ０で表し、焦点検出部４０の基板表面を基準電圧０とする。
【００７４】
電荷蓄積中、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）１２１Ａ、転送ゲート（ＴＧ）１２２Ａはローレベルであり、フォトダイオード１２０Ａｊに電荷が蓄積されていく。電荷蓄積の間、ＡＢＧ１２１Ａを通って電荷が排出されないように、ＡＢＧ１２１Ａはローレベル、ＯＦＦ状態に設定されている。ＡＢＧ１２１Ａのローレベルにおける電圧（以下、閾値電圧という）Ｖｔは、電荷蓄積中に電気的障壁となって電荷漏出を防ぐ一方、過剰な光によって発生する不要電荷に対してはＡＢＧ１２１Ａの障壁を越えて十分排出されるように設定されている。
【００７５】
図９は、電荷がフォトダイオードから転送される状態を示した図である。フォトダイオード１２０Ａｊの電荷蓄積が終了すると、転送ゲート（ＴＧ）１２２Ａがハイレベル、すなわちＯＮ状態となる。これにより、フォトダイオード１２０Ａｊに蓄積された電荷が電荷蓄積容量１２４Ａへ一時的に格納される。
【００７６】
図１０は、不要電荷がフォトダイオードから排出されている状態を示した図である。電荷が電荷蓄積容量１２４Ａに転送されると、ブルーミングが生じないようにＡＢＧ１２１Ａがハイレベルとなる。これにより、フォトダイオード１２０Ａｊに発生する不要電荷は排出される。
【００７７】
図１１、１２は、フローティングディフュージョンのリセット状態を示した図である。リセットゲート（ＲＧ）１２６をハイレベルに切り替えることによって、フローティングディフュージョン１２５の電位を初期状態にリセットし、リセットゲート（ＲＧ）１２６を再びローレベルにしてリセット電圧Ｖｒｓｔを検知する。
【００７８】
図１３、１４は、電荷蓄積容量からフローティングディフュージョンへの電荷転送を示した図である。フローティングディフュージョンゲート（ＦＤＧ）１２５をハイレベルにすることによって、電荷蓄積容量１２４Ａに保存されていた電荷がフローティングディフュージョン（ＦＤ）１２５に転送される。そして、フローティングディフュージョンゲート（ＦＤＧ）１２５を再びローレベルに切り替えることによって、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１２５の電圧変化が画素信号の電圧として検出される。
【００７９】
図１５は、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を超えてフォトダイオードから流出する（リークする）電荷数とフォトダイオード電圧との関係を示した図である。図１６は、最大照度時の電荷流出を示した図である。図１７は、最小照度時の電荷流出を示した図である。図１５〜図１７を用いて、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）の閾値電圧設定について説明する。
【００８０】
図１５に示すグラフでは、横軸をフォトダイオードの電圧ＶＰＤ（Ｖ）、縦軸をアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）からのリーク電子数（以下では、流出電荷数という）ＬＱ（ｅ−／ｓ）とし、フォトダイオード電圧ＶＰＤと流出電荷数ＬＱとの関係をグラフ化している。フォトダイオード電圧ＶＰＤは、電荷が蓄積されていないとき、すなわち光が照射されないときの空乏化電圧ＶＰＤ０が最大となり、光強度が大きくなるに従ってフォトダイオード電圧ＶＰＤが下がっていく。
【００８１】
フォトダイオード電圧ＶＰＤと流出電荷数ＬＱは指数関数の関係にあり、フォトダイオード電圧ＶＰＤ（蓄積電荷）が大きくなるほど流出電荷数ＬＱも多くなる。アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）の閾値電圧Ｖｔと空乏化電圧ＶＰＤ０が定められると、フォトダイオード電圧ＶＰＤと流出電荷数ＬＱの関係は、図１５に示す直線Ｌｓに従う。すなわち、あるフォトダイオード電圧ＶＰＤにおける流出電荷数ＬＱは直線Ｌｓによって求められる。
【００８２】
ここでは、空乏化電圧ＶＰＤ０＝１Ｖ、飽和電荷量のフォトダイオード電圧（以下、飽和フォトダイオード電圧という）ＶＰＤＱ＝０Ｖ、閾値電圧ＶｔがＶｔｓ（＝０．５Ｖ）のときに直線Ｌｓが規定される。フォトダイオード電圧ＶＰＤと流出電荷数ＬＱの関係を示す直線Ｌｓは、ラインセンサの性能特性、空乏化電圧ＶＰＤ０、閾値電圧Ｖｔｓを変えることによって直線の傾き（比例の大きさ）、切片も変わる。
【００８３】
閾値電圧Ｖｔは電荷がアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を超えるときの障壁の大きさを示すことから、閾値電圧Ｖｔの大きさによって流出電荷数ＬＱも変化する。閾値電圧Ｖｔが大きくなると、電荷がフローティングディフュージョンゲート（ＡＢＧ）の障壁を越えにくくなって流出電荷数ＬＱが下がる。逆に、閾値電圧Ｖｔが小さく設定されると電荷がフローティングディフュージョンゲート（ＡＢＧ）から容易に漏れ出る。
【００８４】
図１６では、非常に強い光によるフォトダイオードの蓄積電荷を示している。強い光によってフォトダイオードの飽和電荷量ＱＰＤｍ付近まで電荷が蓄積されると、電荷がフォトダイオードから溢れやすくなる。そのため、転送ゲート（ＴＧ）へ漏れることなくアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を介して電荷を流出させるような閾値電圧Ｖｔを設定しなければならない。
【００８５】
一方、図１７では、非常に弱い光によるフォトダイオードの蓄積電荷を示している。光強度が小さい場合であっても、一部電荷はフローティングディフュージョンゲート（ＡＢＧ）の障壁を超えて流出する。弱い光のときに流出電荷数ＬＱを極力抑えなければ、ＡＧＣ回路の閾値電圧付近までフォトダイオードに電荷が蓄積されても、フォトダイオードに発生する電荷数を上回るペースで電荷が流出してしまい、いつまでもＡＧＣ回路の閾値に応じた電荷数まで電荷が蓄積されない。すなわち、電荷蓄積容量（ＭＥＭ）の飽和電荷量ＱＭＥＭＳに相当する電荷がフォトダイオードに蓄積された状況でリークする電荷数を抑えなければならない。
【００８６】
このように、照度が非常に大きいときには発生する過剰電荷を十分排出し、照度が非常に小さい場合にはリークする電荷数を十分に小さくしなければならない。そのため、閾値電圧Ｖｔを、最大照度のときフォトダイオードに発生する電荷数Ｑｍａｘと最小照度のときフォトダイオードに発生する電荷数Ｑｍｉｎを考慮した値に設定する。
【００８７】
ただし、最大照度は、フォトダイオードのリニア出力可能な限界照度であり、フォトダイオードの性能特性によってあらかじめ定められている。最小照度は、光電変換可能な限界照度を示し、同様にフォトダイオードの性能特性によって規定される。
【００８８】
図１５の直線Ｌｓは、最大照度のときにアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を通って流出する電荷数が、発生電荷数Ｑｍａｘと等しい。上述したように、直線Ｌｓの閾値電圧Ｖｔｓをさらに小さくすると、流出電荷数が増加するために直線Ｌｓは上に移動する。したがって、直線Ｌｓの閾値電圧Ｖｔｓよりも小さい閾値電圧Ｖｔを設定することにより、最大照度のときに発生する余剰電荷はアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を介して排出され、電荷蓄積容量などに流入しない。
【００８９】
一方、最小照度のときの閾値電圧Ｖｔの限度を考えると、電荷蓄積容量の飽和電荷量分だけフォトダイオードに電荷が蓄積されている状態で限界となる閾値電圧Ｖｔを設定する必要がある。光強度が非常に小さい場合、長い露光期間かけて電荷蓄積容量の飽和電荷量ＱＭＥＭｓにまで達する。この状況でフォトダイオードに発生する電荷数以上にフォトダイオードの蓄積電荷がＡＢＧを介して漏れ出てしまうと、最小照度の条件下でいつまでも蓄積電荷を転送可能な状況にならない。
【００９０】
したがって、フォトダイオード電圧ＶＰＤが電荷蓄積容量（ＭＥＭ）の飽和電荷量ＱＭＥＭＳに相当する飽和フォトダイオード電圧ＶＰＤＱであるとき（図１５参照）、フォトダイオードに発生する最小照度時の電荷数Ｑｍｉｎと比べて漏出する電荷数は十分小さくなければならない。
【００９１】
図１５に示す直線Ｌｍは、閾値電圧Ｖｔｍ、空乏化電圧Ｖ’ＰＤ０に従って定められており、フォトダイオード電圧ＶＰＤが飽和フォトダイオード電圧ＶＰＤＱであるときの流出電荷数ＬＱは、最小照度時の発生電荷数Ｑｍｉｎと等しい。したがって、直線Ｌｍの閾値電圧Ｖｔｍよりも大きい閾値電圧Ｖｔを設定することにより、漏出する電荷数を発生電荷数よりも少なくすることができる。
【００９２】
直線Ｌｍと直線Ｌｓに挟まれた領域ＴＲは、最大照度、最小照度のとき必要とされる条件を満足する。したがって、フォトダイオード電圧ＶＰＤと流出電荷数ＬＱの比例関係が領域ＴＲに収まるように、フォトダイオードの空乏化電圧ＶＰＤ０、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）の閾値電圧Ｖｔを定めればよい。
【００９３】
しかしながら、広いダイナミックレンジを確保するためには、最小照度のときの流出電荷数ＬＱを、発生電荷数Ｑｍｉｎの１／１００倍以下に抑えることが望まれる。この場合、流出電荷数ＬＱが１／１００倍になる直線Ｌｎと直線Ｌｓに挟まれた領域ＴＳに収まるように、フォトダイオードの空乏化電圧ＶＰＤ０、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）の閾値電圧Ｖｔが設定される。
【００９４】
このような条件に基づいて設定されたアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）の閾値電圧Ｖｔとフォトダイオードの空乏化電圧ＶＰＤ０は、アンチブルーミングの発生防止と広いダイナミックレンジ確保の両方を満足する。その一方で、焦点検出部４０の基板川迫にお家は、以下に述べる条件を満足する空乏化電圧ＶＰＤ０が求められる。
【００９５】
図１８は、空乏化電圧と電荷蓄積容量の最大電圧との関係を示した図である。電荷蓄積容量の飽和電荷量に相当する電圧ΔＶＭＥＭｍａｘと、空乏化電圧ＶＰＤ０と、リセット電圧Ｖｒｓｔと、ＦＤ出力電圧ΔＶＦＤは、以下の関係式を満たす必要がある。ただし、ＦＤ出力電圧ΔＶＦＤは、フローティングディフュージョン（ＦＤ）における所望電圧を示す。
ΔＶＭＥＭｍａｘ≦Ｖｒｓｔ−（ＶＰＤ０＋ΔＶＦＤ） ・・・・（１）
【００９６】
（１）式は、図１８に示す電位差ΔＶＧがあることを要求し、上記（１）式を満たすように、空乏化電圧が設定される。
【００９７】
さらに、以下の式を満足するように空乏化電圧ＶＰＤ０が設定される。ただし、電荷蓄積容量の飽和電荷量をＱＭＥＭＳ、飽和電荷量ＱＭＥＭＳだけ電荷が蓄積されたときのフォトダイオード電圧をＶＰＤＱ、フォトダイオードの飽和電荷量をＱＰＤＭとする。
ＱＰＤＭ≧ＱＭＥＭＳ×ＶＰＤ０／（ＶＰＤ０−ＶＰＤＭ） ・・・・（２）
【００９８】
（２）式は、フォトダイオードの飽和電荷量ＱＰＤＭが電荷蓄積容量（ＭＥＭ）の飽和電荷量ＱＭＥＭＳよりも十分大きいか、すなわち、フォトダイオードが電荷蓄積容量と比べて十分に電荷を蓄積できるか否かを判別する。
【００９９】
このように本実施形態によれば、ＡＦモジュール２４の焦点検出部４０の基板表面には、複数のラインセンサから成るクロス状のラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２、ＥＢ１、ＥＢ２を構成し、ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２の各ラインセンサに傍にはラインセンサの入射光をモニタリングするモニタセンサＭＡ１〜ＭＡ９、ＭＢ１〜ＭＢ５を配置させる。
【０１００】
各ラインセンサを構成する複数のフォトダイオードおよびラインセンサ用画素信号読み出し回路では、余剰電荷を切替制御によって排出するアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）をフォトダイオードの傍に設け、フォトダイオードに電荷を蓄積している間、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）は電荷リークの障壁となる。
【０１０１】
そして、アンチブルーミングゲートの閾値電圧Ｖｔ、およびフォトダイオードの空乏化電圧ＶＰＤ０は、最大照度時の発生電荷数Ｑｍａｘよりもアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）を通って排出される流出電荷数ＬＱの方が多く、かつ、最小照度時であって電荷蓄積容量（ＭＥＭ）の飽和電荷量ＱＭＥＭＳだけフォトダイオードに電荷蓄積された状態で発生する電荷数Ｑｍｉｎよりも流出電荷数ＬＱが少なくなるように、規定される。
【０１０２】
焦点検出の場合、イメージセンサとは異なり、各ラインセンサの電荷蓄積時間は別々に制御され、また、エッジ部分などの輝度変化を弱い光強度でも検出する必要があるため、広いダイナミックレンズが必要とされる。本実施形態によれば、ラインセンサのダイナミックレンジを十分広く設定してもブルーミングが生じず、光強度に関係なくフォトダイオードの蓄積電荷を出力し、各画素の輝度レベルを精度よく出力することが可能となる。
【０１０３】
測距については、多点測距、あるいは画面中心部のみ測距するように構成してもよく、ラインセンサ数、ラインセンサ群の数、および、ラインセンサの配列方向は任意である。また、一眼レフ型カメラ以外のカメラに適用してもよく、携帯電話などカメラ機能を備えた撮影装置に適用してもよい。
【符号の説明】
【０１０４】
１０ 一眼レフ型デジタルカメラ
２４ ＡＦモジュール（焦点検出装置）
４０ 焦点検出部
１２０Ａｊ、１２０Ｂｊ フォトダイオード（光電変換素子）
１２１Ａ アンチブルーミングゲート（電荷排出ゲート）
１２２Ａ 転送ゲート
１２４Ａ 電荷蓄積容量（電荷格納部）
Ｖｔ 閾値電圧
ＶＰＤ０ 空乏化電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体像の投影領域に並ぶ複数のラインセンサと、
前記複数のラインセンサの側にそれぞれ配置され、それぞれ対応するラインセンサの受光量をモニタリングする複数のモニタセンサと、
前記複数のラインセンサに蓄積された電荷に基づいて被写体像の画像信号を出力する画像信号出力手段とを備え、
前記ラインセンサが、光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を格納する電荷格納部と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷格納部に転送する電荷転送ゲートと、前記光電変換素子に蓄積される電荷を排出する電荷排出ゲートとを有し、
前記電荷排出ゲートから排出される電荷数が、最大照度のときには前記光電変換素子に発生する電荷数より大きく、かつ、最小照度のときであって前記電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が前記光電変換素子に蓄積された状態のときには前記光電変換素子に発生する電荷数よりも小さくなるように、前記電荷排出ゲートの閾値電圧および前記光電変換素子の空乏化電圧が定められることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】
最小照度のときであって前記電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が前記光電変換素子に蓄積された状態のときには、前記光電変換素子に発生する電荷数の１／１０以下となるように、前記不要電荷排出ゲートの閾値電圧および前記光電変換素子の空乏化電圧が定められることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項３】
前記空乏化電圧が以下の式を満たすことを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の焦点検出装置。
ΔＶＭＥＭｍａｘ≦Ｖｒｓｔ−（ＶＰＤ０＋ΔＶＦＤ） ・・・・（１）
ただし、電荷格納部の飽和電荷量に相当するフォトダイオード電圧をΔＶＭＥＭｍａｘ、空乏化電圧をＶＰＤ０、リセット電圧をＶｒｓｔ、フローティングディフュージョン（ＦＤ）における所望電圧であるＦＤ出力電圧をΔＶＦＤと表す。
焦点検出装置。
【請求項４】
空乏化電圧ＶＰＤ０が以下の式を満たすことを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の焦点検出装置。
ＱＰＤＭ≧ＱＭＥＭＳ×ＶＰＤ０／（ＶＰＤ０−ＶＰＤＱ） ・・・・（２）
ただし、電荷蓄積容量の飽和電荷量をＱＭＥＭＳ、飽和電荷量ＱＭＥＭＳだけ電荷が蓄積されたときのフォトダイオード電圧をＶＰＤＱ、フォトダイオードの飽和電荷量をＱＰＤＭとする。
【請求項５】
請求項１に記載された焦点検出装置を備えた撮影装置。
【請求項６】
光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を格納する電荷格納部と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷格納部に転送する電荷転送ゲートと、
前記電荷格納部に転送された蓄積電荷を画送信号として出力する画素信号読み出し回路と、
前記光電変換素子に蓄積される電荷を排出する電荷排出ゲートとを備え、
前記電荷排出ゲートから排出される電荷数が、最大照度のときには前記光電変換素子に発生する電荷数より大きく、かつ、最小照度のときであって前記電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が前記光電変換素子に蓄積された状態のときには前記光電変換素子に発生する電荷数よりも小さくなるように、前記電荷排出ゲートの閾値電圧および前記光電変換素子の空乏化電圧が定められることを特徴とする焦点検出用ラインセンサ。
【請求項１】
被写体像の投影領域に並ぶ複数のラインセンサと、
前記複数のラインセンサの側にそれぞれ配置され、それぞれ対応するラインセンサの受光量をモニタリングする複数のモニタセンサと、
前記複数のラインセンサに蓄積された電荷に基づいて被写体像の画像信号を出力する画像信号出力手段とを備え、
前記ラインセンサが、光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を格納する電荷格納部と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷格納部に転送する電荷転送ゲートと、前記光電変換素子に蓄積される電荷を排出する電荷排出ゲートとを有し、
前記電荷排出ゲートから排出される電荷数が、最大照度のときには前記光電変換素子に発生する電荷数より大きく、かつ、最小照度のときであって前記電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が前記光電変換素子に蓄積された状態のときには前記光電変換素子に発生する電荷数よりも小さくなるように、前記電荷排出ゲートの閾値電圧および前記光電変換素子の空乏化電圧が定められることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】
最小照度のときであって前記電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が前記光電変換素子に蓄積された状態のときには、前記光電変換素子に発生する電荷数の１／１０以下となるように、前記不要電荷排出ゲートの閾値電圧および前記光電変換素子の空乏化電圧が定められることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項３】
前記空乏化電圧が以下の式を満たすことを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の焦点検出装置。
ΔＶＭＥＭｍａｘ≦Ｖｒｓｔ−（ＶＰＤ０＋ΔＶＦＤ） ・・・・（１）
ただし、電荷格納部の飽和電荷量に相当するフォトダイオード電圧をΔＶＭＥＭｍａｘ、空乏化電圧をＶＰＤ０、リセット電圧をＶｒｓｔ、フローティングディフュージョン（ＦＤ）における所望電圧であるＦＤ出力電圧をΔＶＦＤと表す。
焦点検出装置。
【請求項４】
空乏化電圧ＶＰＤ０が以下の式を満たすことを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の焦点検出装置。
ＱＰＤＭ≧ＱＭＥＭＳ×ＶＰＤ０／（ＶＰＤ０−ＶＰＤＱ） ・・・・（２）
ただし、電荷蓄積容量の飽和電荷量をＱＭＥＭＳ、飽和電荷量ＱＭＥＭＳだけ電荷が蓄積されたときのフォトダイオード電圧をＶＰＤＱ、フォトダイオードの飽和電荷量をＱＰＤＭとする。
【請求項５】
請求項１に記載された焦点検出装置を備えた撮影装置。
【請求項６】
光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を格納する電荷格納部と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷格納部に転送する電荷転送ゲートと、
前記電荷格納部に転送された蓄積電荷を画送信号として出力する画素信号読み出し回路と、
前記光電変換素子に蓄積される電荷を排出する電荷排出ゲートとを備え、
前記電荷排出ゲートから排出される電荷数が、最大照度のときには前記光電変換素子に発生する電荷数より大きく、かつ、最小照度のときであって前記電荷格納部の飽和電荷量に相当する電荷が前記光電変換素子に蓄積された状態のときには前記光電変換素子に発生する電荷数よりも小さくなるように、前記電荷排出ゲートの閾値電圧および前記光電変換素子の空乏化電圧が定められることを特徴とする焦点検出用ラインセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１１−１０７６２８（Ｐ２０１１−１０７６２８Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６５３４５（Ｐ２００９−２６５３４５）
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（０００１１３２６３）ＨＯＹＡ株式会社 (3,820)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（０００１１３２６３）ＨＯＹＡ株式会社 (3,820)
【Ｆターム（参考）】
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