JP2012090118A - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加算読み出し時に、配線レイアウトを複雑にすることなく、焦点検出用画素からの信号を通常画素からの信号とは別に読み出せるようにすること。
【解決手段】 撮像素子であって、カラーフィルタに覆われ、２次元に配置された複数の画素と、前記複数の画素から、各画素毎に信号を読み出す第１の読み出し方法と、同色のカラーフィルタに覆われた予め決められた数の画素から成る画素群ずつ、第１の方向に信号を加算して読み出す第２の読み出し方法とを切り替えて読み出し可能な読み出し手段とを有し、前記複数の画素は、離散的に配置された、第１の焦点検出用画素の複数の画素群と第２の焦点検出用画素の複数の画素群とを含み、前記第１の焦点検出用画素と前記第２の焦点検出用画素は、互いに異なる射出瞳領域を透過した光を受光するように、前記第１の方向と垂直な第２の方向に互いに異なる画素の一部が遮光されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静止画及び動画が撮影可能な撮像素子から得られた信号に基づいて、位相差検出方式の焦点検出を行うことが可能な撮像素子及び撮像装置に関する。

撮像装置の自動焦点検出・調節方法で撮影レンズを通過した光束を用いる一般的な方式として、コントラスト検出方式（ぼけ方式と呼ばれる）と位相差検出方式（ずれ方式と呼ばれる）とがある。

コントラスト検出方式は、動画撮影用のビデオムービー機器（カムコーダー）や電子スチルカメラで多く用いられる方式で、撮像素子が焦点検出用センサとして用いられるものである。撮像素子の出力信号、特に高周波成分の情報（コントラスト情報）に着目し、その評価値が最も大きくなる撮影レンズの位置を合焦位置とする方式である。しかし山登り方式とも言われるように、撮影レンズを微少量動かしながら評価値を求め、その評価値が結果的に最大であったと分かるまで動かすことが必要であるため、高速な焦点調節動作には不向きとされている。

もう一方の位相差検出方式は、銀塩フィルムによる一眼レフカメラに多く用いられ、自動焦点検出（Auto Focus：ＡＦ）一眼レフカメラの実用化に最も貢献した技術である。位相差検出方式では、まず、撮影レンズの射出瞳を通過した光束を２分割し、２分割した光束を一組の焦点検出用センサによりそれぞれ受光する。そして、その受光量に応じて出力される信号のずれ量、すなわち、光束の分割方向の相対的位置ずれ量を検出することで撮影レンズのピント方向のずれ量を直接求める。従って、焦点検出用センサにより一度蓄積動作を行えばピントずれの量と方向が得られ、高速な焦点調節動作が可能となっている。但し、撮影レンズの射出瞳を通過した光束を２分割し、それぞれの光束に対応する信号を得るためには、撮像光路中にクイックリターンミラーやハーフミラー等の光路分割手段を設け、その先に焦点検出用光学系とＡＦセンサを設けるのが一般的である。そのため、装置が大型かつ高価になる欠点がある。

以上の欠点を解消するために、撮像素子に位相差検出機能を付与し、専用のＡＦセンサを不要とし、かつ高速の位相差ＡＦを実現するための技術も開示されている。

例えば、特許文献１では、撮像素子の一部の画素の受光部を２分割することで瞳分割機能を付与している。そしてこれらの画素を焦点検出用画素とし、撮像用画素群の間に所定の間隔で配置することで、位相差式焦点検出を行う。この技術では焦点検出用画素が配置された箇所は撮像用画素が欠損しているため、周辺の撮像用画素から得られる情報から補間して画像情報を創生している。

一方、一眼レフカメラにおいても、撮像媒体として、銀塩フィルムの代わりにＣＣＤやＣＭＯＳセンサといった固体撮像素子が用いられるのが一般的になった。これに伴い、光学ファインダーだけではなく、電子ビューファインダーモードや動画記録モードを備える製品も登場している。電子ビューファインダーモードでは、クイックリターンミラーを撮像光路から退避させて動画の撮像を行い、ボディに設けられた表示装置（現在は、液晶表示装置が使われることが一般的である）に表示することで被写体の観察を可能としている。またこのようなカメラでは、静止画だけではなく、動画記録モードで動画を記録媒体に記録することができる。動画撮像時は、滑らかな画面表示を重視するために、フレームレートが重視されるため、静止画に使用される画素から間引きして読み出し、フレームレートを向上させている。

また、特許文献２には、動画時の画質向上及び低輝度の感度向上を目的として、間引き読み出しモードと加算読み出しモードとを切り替えて出力可能な撮像素子が提案されている。即ち、被写体の空間周波数が高くモアレが予想されるときは、加算モードで読み出してモアレを低減し、高輝度でスミアの発生が予想される場合には、間引き読み出しモードにするなどして、動画の画質を向上させることが提案されている。

特開２０００−２９２６８６号公報 特開２００３−１８９１８３号公報

しかしながら上述の公知技術には、以下のような欠点があった。

電子ビューファインダーや動画モードにおいては、滑らかな画面表示が重要で、通常、静止画よりも高い解像度は必要とされない。そのため、電子ビューファインダーや動画モードにおいては、固体撮像素子の出力を間引き読み出しや加算読み出しして画像を生成し、フレームレートを向上させることが一般的である。この場合、特許文献１に記載の焦点検出用画素の配置によっては、固体撮像素子の出力を間引き読み出しした場合に焦点検出用画素が読み出されず、位相差方式による焦点検出が不可能になることがある。

焦点検出用画素を間引かない行（または列）に配置することで、間引き読み出しの際も必ず焦点検出用画素を読み出すことも考えられる。しかしながら、特許文献２のように、動画時の読み出しに関して、間引き読み出しモードと加算読み出しモードをシーンに応じて切り替えた場合に、次の問題があった。すなわち、間引き読み出しの時は正しく焦点検出用画素を読み出すことができるが、加算読み出し時には通常画素と焦点検出用画素が加算されてしまうため、焦点検出用画素を正しく読み出せないという問題があった。

更に加算読み出しモードであっても、焦点検出用画素と組み合わせられた画素群では、焦点検出用画素のみを読み出すようにすることも考えられるが、制御線の配線レイアウトが複雑になるという問題があった。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、加算読み出し時に、配線レイアウトを複雑にすることなく、焦点検出用画素からの信号を通常画素からの信号とは別に読み出せるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像素子は、カラーフィルタに覆われ、２次元に配置された複数の画素と、前記複数の画素から、各画素毎に信号を読み出す第１の読み出し方法と、同色のカラーフィルタに覆われた予め決められた数の画素から成る画素群ずつ、第１の方向に信号を加算して読み出す第２の読み出し方法とを切り替えて読み出し可能な読み出し手段とを有し、前記複数の画素は、離散的に配置された、第１の焦点検出用画素の複数の画素群と第２の焦点検出用画素の複数の画素群とを含み、前記第１の焦点検出用画素と前記第２の焦点検出用画素は、互いに異なる射出瞳領域を透過した光を受光するように、前記第１の方向と垂直な第２の方向に互いに異なる画素の一部が遮光されている。

加算読み出し時に、配線レイアウトを複雑にすることなく、焦点検出用画素からの信号を通常画素からの信号とは別に読み出すことができる。

第１の実施形態における撮像素子の一部画素の画素配置例を示す図。 第１の実施形態における撮像素子の一部画素の配線を示す図。 第１の実施形態における撮像素子の一部画素セルの詳細図。 第１の実施形態における列回路の詳細構成を示す図。 第１の実施形態における撮像素子の駆動タイミングチャート。 第１の実施形態における撮像素子の別の駆動タイミングチャート。 第２の実施形態における撮像素子の一部画素の画素配置例を示す図。 第２の実施形態における撮像素子の駆動タイミングチャート。 第３の実施形態における撮像素子の一部画素の画素配置例を示す図。 第３の実施形態における列回路の詳細構成を示す図。 第３の実施形態における撮像素子の駆動タイミングチャート。 第４の実施形態における撮像装置の概略構成を示すブロック図。 第４の実施形態の撮像装置における撮影処理のフローチャート。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。ただし、本形態において例示される構成部品の寸法、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。

＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態における撮像素子の一部画素の画素配列の一例を示す図であり、ここではＣＭＯＳ型固体撮像素子の画素の配置例を示している。

図１（ａ）に示すように、ここでは、ｘ方向（水平方向）に０〜１６の１７画素、ｙ方向（垂直方向）に０〜１３の１４画素が２次元に配置され、各画素上にはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルタがベイヤー状に配置されているものとする。実際の撮像素子では、遮光画素（ＯＢ画素）などを含む、図１で示すものよりも多数の画素が配置されるが、説明を簡略化するために、ここでは上記のような１７×１４画素の配置で説明する。

図１（ａ）の画素配置例でｘ、ｙ座標が（４，６）、（４，８）、（４，１０）の画素（第１の焦点検出用画素）は、本来であればＲ画素である。また、ｘ、ｙ座標が（７，９）、（７，１１）、（７，１３）の画素（第２の焦点検出用画素）は、本来であればＢ画素である。第１の実施形態では、これらの画素を焦点検出用画素として用い、Ｇのカラーフィルタを形成するか、またはカラーフィルタを形成させないのが好ましい。ただし、本第１の実施形態で参照する図では、本来のベイヤー配列での色を表す記号（Ｒ及びＢ）を付しておく。これらの画素の受光部の水平方向の一部を遮光することで水平方向の瞳分割機能を付与し、撮像用画素群の間に所定の間隔で配置することで、位相差式焦点検出のための信号を取得することができる。図１の例では焦点検出用画素は水平方向の位相差を検出するために、互いに異なる射出瞳領域を透過した光を受光する複数対の画素が、水平方向に所定間隔をおいて配置されている。なお、異なる射出瞳領域を透過した光を受光するために、ｘ、ｙ座標が（４，６）、（４，８）、（４，１０）の画素と、ｘ、ｙ座標が（７，９）、（７，１１）、（７，１３）の画素とでは、遮光されている領域が逆である。このような焦点検出用画素群の対が、撮像素子上に離散的に配置されている。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す１７×１４画素の配置図の内、４列目と７列目の画素を抜き出し、ベイヤー配置時の色重心を考慮した垂直方向の同色３画素加算図を示している。また、図１（ｃ）は６、８、１０行目と９、１１、１３行目の垂直同色３画素加算後の画素を抜き出し、ベイヤー配置時の色重心を考慮した水平方向の１／３画素間引き図を示している。この例では、垂直画素加算及び水平画素間引き後の信号（水平画素数、垂直画素数ともに１／３に減った画素数）が撮像素子から読み出されることになる。

ここで注目するべきは、垂直方向（第１の方向）の同色画素加算が行われる３画素の全てが焦点検出用画素（位相差検出を行う為の遮光方向も同一）とする構成になっている点である。このような構成にすることで垂直同色３画素加算時に、通常画素の信号と焦点検出用画素の信号とが混合されることの無い構成を実現している。

一方、仮に６、８、１０行目のＲ画素を例にとって水平方向の同色画素加算を行おうとすると、ベイヤー画素配置時の色重心を考慮して２、４、６列目の画素を加算することになる。ここで、上記垂直画素加算時のように２、６列目の画素を焦点検出用画素にして２、４、６列目の画素を加算することも考えられるが、水平方向の位相差を検出する原理上、このような水平方向の画素加算は好ましくない。そのため、本第１の実施形態では水平方向（第１の方向と垂直な第２の方向）は間引き動作を行うようにしている。つまり水平方向の位相差を検出するために垂直方向に複数の焦点検出用画素を配置して加算するようにしている。

このような構成で垂直画素加算、水平画素間引きして読み出された各画素出力のうち、焦点検出用画素を抜き出し撮影レンズの焦点検出を行い、焦点検出用画素以外の画素から被写体の画像を生成する。このとき焦点検出用画素に対応する画像用の信号は、周辺の撮像用画素からの信号から補間して創生する。

ここで、上記説明で「加算」との記載は、「加算平均」、「加重平均」などを含み、複数の画素信号を加味して単位画素信号を生成する場合の手法はこれら方法に限らないものである。

図２は図１に示すように配置された画素のうち、一部画素とその読み出し回路を含む撮像素子の配線を示す図である。ｘ、ｙ座標（２，６）から（７，１５）に相当する画素が示されており、図１と同様にｘ、ｙ座標（４，６）、（４，８）、（４，１０）及びｘ、ｙ座標（７，９）、（７，１１）、（７，１３）の画素が焦点検出用画素である。垂直方向の３画素加算を行う場合は破線で示された画素群ａ、ｂ、ｃ、ｄ等を夫々加算することになるが、このうち、画素群ａ、ｂ、ｃの信号を加算する様子を図３にて詳述する。

垂直方向に３画素加算される画素群毎に各画素信号個別にまたは加算された信号が、セレクトトランジスタＴｓｅｌを介して垂直出力線Ｖｌｉｎｅに接続される。図２に示す配線では同一列の異色画素は、夫々異なる垂直出力線及び垂直出力線負荷の電流源２００及び列回路２３０、２３１に接続され、垂直走査回路４２１により制御されることで、２行分の信号が同時に異なる垂直出力線Ｖｌｉｎｅに読み出される構成である。列回路２３０、２３１に読み出された画素セル信号は水平走査回路４００、４０１により、順次読み出しアンプ２１６、２１７に転送され、外部に読み出される。

図３は、図２における画素群ａ、ｂ、ｃすなわち図１におけるｘ、ｙ座標（２，６）、（２，８）、（２，１０）及び（４，６）、（４，８）、（４，１０）及び（６，６）、（６，８）、（６，１０）の画素の詳細を説明している。各画素のフォトダイオードＰＤ００〜ＰＤ４４からの信号は転送トランジスタＴｘ００〜Ｔｘ４４を介して垂直３画素毎に共通の浮遊拡散層Ｃｆｄに転送することができる。そして、浮遊拡散層Ｃｆｄに転送された信号は、電源ＶＤＤにドレインが接続されたソースフォロワアンプＴｓｆ、セレクトトランジスタＴｓｅｌを介して垂直出力線Ｖｌｉｎｅに読み出される。浮遊拡散層ＣｆｄはリセットトランジスタＴｒｅｓを介して電源ＶＤＤに接続されることでリセットされ、各画素ＰＤ００〜ＰＤ４４は転送トランジスタＴｘ００〜Ｔｘ４４とリセットトランジスタＴｒｅｓとを介して電源に接続されることでリセットされる。

各リセットトランジスタＴｒｅｓ、セレクトトランジスタＴｓｅｌ、転送トランジスタＴｘ００〜４４は、図２に示す垂直走査回路４２１から出力されるＰｒｅｓ０２４、Ｐｓｅｌ０２４、Ｐｔｘ_０、Ｐｔｘ_２、Ｐｔｘ_４により行単位で制御される。

図３の構成で、例えばＰｔｘ_２によりＴｘ０２、Ｔｘ２２、Ｔｘ４２のみをＯＮすればＰＤ０２、ＰＤ２２、ＰＤ４２の８行目の各画素からの信号が独立に各浮遊拡散層Ｃｆｄに転送される。また、例えばＰｔｘ_０、Ｐｔｘ_２、Ｐｔｘ_４によりＴｘ００からＴｘ４４の全てをＯＮすれば、垂直方向の３画素からの信号が各浮遊拡散層Ｃｆｄに転送され、垂直３画素加算が実現できるようになっている。

図４は、図２に示す列回路２３０について詳細に説明する図である。なお列回路２３１も列回路２３０と同様の構成を有する。説明の都合上、図２で示すベイヤ配列された画素のうち、画素群ａ、ｂ、ｃを含むＲ画素からの信号が読み出される列回路のみ示している。

各画素の出力は電流源負荷２００が接続された垂直出力線を介して、列回路２３０内の容量２０１に入力される。２０３はオペアンプで、帰還容量２０２と容量２０１により反転増幅アンプを構成している。不図示のｐｃ０ｒ信号で制御される不図示のアナログスイッチにより帰還容量２０２の両端をショートすることにより、容量２０１、２０２のリセット及び後段の保持容量２１０、２１１のリセットを行う。オペアンプ２０３の出力はｐｔｓ及びｐｔｎパルスで駆動されるアナログスイッチ２０８、２０９を介して夫々保持容量２１０、２１１に保持される。ここで前述の画素部浮遊拡散層Ｃｆｄをリセットした直後の信号を保持容量２１１に保持し、その後画素からの信号を浮遊拡散層Ｃｆｄに転送した直後の信号を保持容量２１０に保持するものとする。

１行分の画素信号が列毎に保持容量２１０、２１１に保持されると、水平走査回路４００によりｐｈ（ｎ）パルスが順次駆動されることで、アナログスイッチ２１４、２１５が開閉され、後段の差動型読み出しアンプ２１６に入力され外部に出力される。

また、アナログスイッチ２４１〜２４４は同色隣接列の保持容量を接続するスイッチであり、phaddパルスにより駆動される。このアナログスイッチ２４１〜２４４を一旦オンしたあとオフさせると、隣接列の保持容量に保持された電位との加算平均電位が保持容量２１０、２１１に保持されることになる。

水平走査回路４００は、ｍｏｄｅ信号を判定して、列間引き読み出しする場合は、ｐｈ（ｎ）信号を間引くことで所定列の信号のみを読み出しアンプ２１６から読み出すことができるようになっている。

例えば、ｍｏｄｅ信号が全画素読み出しを示す場合は０→２→４→６→８→・・・列目への信号を出力し、間引きあるいは加算平均読み出しを示す場合は４→１０→１６→・・・列目への信号を出力するようにあらかじめ決めておき切り替えるものとする。

上記構成及び駆動により、各色毎の信号は別々の読み出し回路から読み出されることになるが、後段の処理回路（不図示）により信号の入れ替えを行うことで、撮像素子の配列と同じ配列にされるものとする。

図５は図２〜図４で説明した撮像素子を駆動するための駆動タイミングチャートであり、画素加算や画素間引きなどをせずに、全画素を読み出す場合（第１の読み出し方法）のタイミングを示している。但し、説明を簡略化するため、全画素リセット及び全画素蓄積開始のタイミングは省略し、図２における画素群ａ、ｂ、ｃの読み出し動作時のタイミングのみを示している。なお、図５においては信号レベルが「Ｈｉ」状態で駆動されるトランジスタ及びスイッチがＯＮ、「Ｌｏ」状態で駆動されるトランジスタ及びスイッチがＯＦＦするものとする。

まずＰｒｅｓ_０２４がＨｉからＬｏになることでリセットトランジスタがＯＦＦし、画素群ａ、ｂ、ｃを含む行の浮遊拡散層Ｃｆｄが電源ＶＤＤへのリセットから解除される。その後Ｐｓｅｌ_０２４がＬｏからＨｉになり画素群ａ、ｂ、ｃを含む行の各ソースフォロワ出力が各垂直出力線に接続される。その後ｐｃ０ｒ信号をＨｉにすることにより不図示の列回路帰還容量の両端をショートさせるスイッチをＯＮする。この動作とともに、ｐｔｓ、ｐｔｎ信号をＨｉにしてアナログスイッチ２０８、２０９をＯＮして保持容量２１０、２１１、帰還容量２０２、容量２０１をリセットする。その後、ｐｔｓ、ｐｔｎ信号をＬｏ、ｐｃ０ｒ信号をＬｏにすることで、各容量のリセットを解除する。

その後、画素群ａ、ｂ、ｃを含む行の浮遊拡散層Ｃｆｄ出力を保持容量２１１に保持するためにｐｔｎ信号をＬo→Ｈｉ→Ｌｏさせる。更に、画素信号を保持容量２１０に保持するためにｐｔｓ信号をＨｉにするとともに、６行目の画素信号を浮遊拡散層Ｃｆｄに転送するためにｐｔｘ_０信号をＬo→Ｈｉ→Ｌｏにする。その後ｐｔｓ信号をＬｏにすることで、６行目の画素信号が保持容量２１０に保持される。その後Ｐｓｅｌ_０２４をＬｏにしてＰｒｅｓ_０２４をＨｉにすることで画素群ａ、ｂ、ｃを含む行の浮遊拡散層Ｃｆｄを再びリセットする。そして水平走査回路４００によりｐｈ（ｎ）信号が順次出力され６行目の信号が全画素分、順次読み出しアンプ２１６に読み出される。このときｐｈａｄｄ信号はＬｏのままなので、出力信号は加算平均にはならない。ここまでが６行目の信号転送及び水平走査である。

その後Ｐｒｅｓ_０２４がＨｉからＬｏに、Ｐｓｅｌ_０２４がＬｏからＨｉに、というように前述の動作を繰り返しながら、画素信号を保持容量２１０に保持するタイミングでｐｔｓ信号をＨｉにする。更に、ｐｔｘ_２信号をＬo→Ｈｉ→Ｌｏにすることで８行目の画素信号を浮遊拡散層Ｃｆｄに転送し、保持容量２１０に８行目の画素信号を保持させることができる。同様に次の繰り返しでｐｔｘ_４信号をＬo→Ｈｉ→Ｌｏにすることで１０行目の画素信号を読み出すことができる。

ここまでの説明では偶数行についてしか述べていないが、図２の説明でも述べたが対応する奇数行も同様の制御をすることで、列回路２３１から信号を読み出すことができる。

また、ここまでの説明で画素群ａ、ｂ、ｃを含む行の読み出しが終わるが、以降の画素においても同様のタイミングで読み出しを行うことで、全行分の信号読み出しを行うことができる。

図６は図２〜図４で説明した撮像素子において、垂直３画素加算、水平１／３間引き（第２の読み出し方法）を実現するためのタイミングチャートである。

図５に示した駆動タイミングでは全画素独立で読み出すため、すなわち、各画素群の３行分の画素信号を独立して読み出す必要があったため、Ｐｔｘ_０、Ｐｔｘ_２、Ｐｔｘ_４を別々に駆動する必要があった。これに対し、図６ではＰｔｘ_０、Ｐｔｘ_２、Ｐｔｘ_４を同時に駆動させることで、垂直３画素信号を１つの浮遊拡散層に転送することで垂直３画素加算を実現している。この場合、行毎の転送が不要になるので実際の読み出し行数が減ることで読み出し時間を短縮させることができる。また、このときの水平走査回路４００は４→１０→１６→・・・列目のｐｈ（ｎ）信号のみを出力させることで、水平方向の画素数も減らして読み出すことができる。他の動作は図５における駆動タイミングと同様である。

また、Ｐｔｘ_０、Ｐｔｘ_２、Ｐｔｘ_４を同時に駆動させているタイミングで、Ｐｔｘ_２のみを駆動させることで、垂直１／３間引き、水平１／３間引きを実現することも可能である。

図１〜図６を参照して説明したように、本第１の実施形態では、垂直方向（第１の方向）の同色画素加算が行われる３画素（画素群）の全てが焦点検出用画素（位相差検出を行う為の遮光方向も同一）とする配置にする。これにより、配線を複雑にすることなく、垂直同色３画素加算時に、通常画素の信号と焦点検出用画素の信号とが混合されることの無い構成を実現するとともに、全画素読み出しをも実現することができる。

＜第２の実施形態＞
図７は本発明の第２の実施形態における撮像素子の一部画素の画素配列の一例を示す図であり、本第２の実施形態においても、ＣＭＯＳ型固体撮像素子の画素の配置例を示している。

図１（ａ）と同様に、図７（ａ）においても、ｘ方向（水平方向）に０〜１６の１７画素、ｙ方向（垂直方向）に０〜１３の１４画素が２次元に配置され、各画素上にはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルタがベイヤー状に配置されているものとする。実際の撮像素子では、遮光画素（ＯＢ画素）などを含む、図７で示すものよりも多数の画素が配置されるが、説明を簡略化するために、ここでは上記のような１７×１４画素の配置で説明する。

図７（ａ）の画素配置例でｘ、ｙ座標が（２，８）、（４，８）、（６，８）の画素（第１の焦点検出用画素）は、本来であればＲ画素である。また、ｘ、ｙ座標が（５，１１）、（７，１１）、（９，１１）の画素（第２の焦点検出用画素）は、本来であればＢ画素である。第２の実施形態では、これらの画素を焦点検出用画素として用い、Ｇのカラーフィルタを形成するか、またはカラーフィルタを形成させないのが好ましい。ただし、本第２の実施形態で参照する図では、本来のベイヤー配列での色を表す記号（Ｒ及びＢ）を付しておく。これらの画素の受光部の垂直方向の一部を遮光することで水平方向の瞳分割機能を付与し、撮像用画素群の間に所定の間隔で配置することで、位相差式焦点検出のための信号を取得することができる。図７の例は焦点検出用画素は垂直方向の位相差を検出するために、互いに異なる射出瞳領域を透過した光を受光する複数対の画素が、垂直方向に所定間隔をおいて配置されている。なお、異なる射出瞳領域を透過した光を受光するために、ｘ、ｙ座標が（２，８）、（４，８）、（６，８）の画素と、ｘ、ｙ座標が（５，１１）、（７，１１）、（９，１１）の画素とでは、遮光されている領域が逆である。このような焦点検出用画素群の対が、撮像素子上に離散的に配置されている。

図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す１７×１４画素の配置図の内、２、４、６列目と５、７、９列目の画素を抜き出し、ベイヤー配置時の色重心を考慮した垂直方向の１／３間引き図を示している。また、図７（ｃ）は８行目と１１行目の画素を抜き出し、ベイヤー配置時の色重心を考慮した水平方向の同色３画素加算図を示している。この例では、垂直画素間引き及び水平画素加算後の信号（水平画素数、垂直画素数ともに１／３に減った画素数）が撮像素子から読み出されることになる。

ここで注目するべきは、水平方向（第１の方向）の同色画素加算が行われる３画素の全てが焦点検出用画素（位相差検出を行う為の遮光方向も同一）とする構成になっている点である。このような構成にすることで水平同色３画素加算時に、通常画素の信号と焦点検出用画素の信号が混合されることの無い構成を実現している。

一方、仮に２、４、６列目のＲ画素を例にとって垂直方向の同色画素加算を行おうとすると、ベイヤー画素配置時の色重心を考慮して６、８、１０行目の画素を加算することになる。ここで、上記水平画素加算時のように６、１０行目の画素を焦点検出用画素にして６、８、１０行目の画素を加算することも考えられるが、垂直平方向の位相差を検出する原理上、このような垂直方向の画素加算は好ましくない。そのため、本第２の実施形態では垂直方向（第１の方向と垂直な第２の方向）は間引き動作を行うようにしている。つまり垂直方向の位相差を検出するために水平方向に複数の焦点検出用画素を配置して加算するようにしている。

このような構成で垂直画素間引き、水平画素加算して読み出された各画素出力のうち、焦点検出用画素を抜き出し撮影レンズの焦点検出を行い、焦点検出用画素以外の画素から被写体の画像を生成する。このとき焦点検出用画素に対応する画像用の信号は、周辺の撮像画素情報から補間して画像情報を創生する。

ここで、上記説明で「加算」との記載は、「加算平均」、「加重平均」などを含み、複数の画素信号を加味して単位画素信号を生成する場合の手法はこれら方法に限らないものである。

第２の実施形態における撮像素子及び画素、列回路の構成は図２、図３、図４とほぼ同じであり、焦点検出用画素をｘ、ｙ座標（２，８）、（４，８）、（６，８）の画素及び（５，１１）、（７，１１）、（９，１１）の画素と置き換えるものとする。

また、第２の実施形態において画素加算や画素間引きなどせず全画素を読み出す場合のタイミングは、図５と同様である。
図８は第２の実施形態で説明した撮像素子で、垂直１／３画素間引き、水平３画素加算平均（第２の読み出し方法）を実現するためのタイミングチャートである。

図６に示すフローチャートとほぼ同様であるが、図８ではＰｔｘ_０、Ｐｔｘ_２、Ｐｔｘ_４を同時に駆動させるのではなく、Ｐｔｘ_２のみを駆動することで図７の６、８、１０行目のうち、８行目の画素信号のみ読み出す（垂直１／３間引き）。更にその後ｐｈａｄｄ信号をＬo→Ｈｉ→Ｌｏにすることで、図４における２、４、６列、８、１０、１２列の信号の保持容量２１０、２１１上における加算平均を実現している。

ここでもやはり行毎の転送が不要になり実際の読み出し行数が減ることで読み出し時間を短縮させることができる。また、このときの水平走査回路４００は４→１０→１６→・・・列目のｐｈ（ｎ）信号のみを出力させることで、水平方向の画素数も減らしつつ水平３画素加算平均信号を読み出すことができる。

ここで、ｐｈａｄｄ信号を常時Ｌｏにすることで、垂直１／３間引き、水平１／３間引きを実現することも可能である。

図７〜図８を参照して説明したように、第２の実施形態によれば、水平方向（第１の方向）の同色画素加算（加算平均）が行われる３画素（画素群）の全てが焦点検出用画素（位相差検出を行う為の遮光方向も同一）とする配置にする。これにより、配線を複雑にすることなく、水平同色３画素加算時に、通常画素の信号と焦点検出用画素の信号とが混合されることの無い構成を実現するとともに、全画素読み出しをも実現することができる。

＜第３の実施形態＞
図９は本発明の第３の実施形態における撮像素子の一部画素の画素配列の一例を示す図であり、本第３の実施形態においても、ＣＭＯＳ型固体撮像素子の画素の配置例を示している。

図９に示す撮像素子と、図１に示す撮像素子とでは、図９（ｃ）に示す６、８、１０行目と９、１１、１３行目の読み出し方法が図１（ｃ）に示すものと異なるが、それ以外は図１と同様である。本第３の実施形態では、焦点検出用画素が配置されている列と同色左右画素の３画素においては焦点検出用画素のみを読み出す水平間引き読み出しを行い、焦点検出用画素が配置されていない列と同色左右画素の３画素においては加算読み出しを行う。

例えば、６、８、１０行目の垂直同色加算画素後の画素では、４列目のＲ画素に焦点検出用画素が配置されているので、左右同色の２、６列目画素は読み出さず４列目画素のみを読み出す。そして、焦点検出用画素を含まないその他の画素列においては、ベイヤー画素配置時の色重心を考慮した水平方向の３画素の加算を行うようにしている。９、１１、１３行目の垂直同色３画素加算後の画素においても同様である。

第３の実施形態における撮像素子及び画素の構成は図２、図３と同じである。第３の実施形態の列回路２３０の構成は図４に示すものと異なるため、図１０に示す。図４との違いは水平３画素加算平均を行う駆動信号をｐｈａｄｄとｐｈａｄｄ２に分け、焦点検出用画素が配置されている列を含む画素列にはｐｈａｄｄ２信号で駆動するようにしている点である。この例では２、４、６列目の水平３画素加算平均駆動信号をｐｈａｄｄ２にしている。

図１１は、このような構成を有する第３の実施形態の撮像素子で、垂直３画素加算、一部水平３画素加算平均読み出し（第２の読み出し方法）を実現するためのタイミングチャートである。図８に示すものとほぼ同様であるが、図１１ではＰｔｘ_０、Ｐｔｘ_２、Ｐｔｘ_４を同時に駆動させることで垂直３画素加算を行う。そして、ｐｈａｄｄ信号を常時Ｌo→Ｈｉ→Ｌｏにすることで、焦点検出用画素を含まない列（図１０における８、１０、１２列）の信号を保持容量２１０、２１１上で水平３画素加算平均する。

一方読み出し行が焦点検出用画素を含む行か含まない行かによって、ｐｈａｄｄ２の駆動を変える。例えば焦点検出用画素を含む６、８、１０行を読み出すときは、ｐｈａｄｄ２はＬｏのままで４列目の信号のみ読み出す水平間引き動作を行う。一方、焦点検出用画素を含まない行を読み出すときはｐｈａｄｄ２をｐｈａｄｄと同時にＬo→Ｈｉ→Ｌｏにする（図中破線）ことで水平３画素加算平均を行わせる。

第３の実施形態で注目するべき点は２つあり、１つは垂直方向（第１の方向）の同色画素加算が行われる３画素の全てが焦点検出用画素（位相差検出を行う為の遮光方向も同一）とする構成である。そして、もう１つは水平方向（第２の方向）においては焦点検出用画素列は間引き読み出しされ、焦点検出用画素を含まない画素列においては水平３画素加算を行うようにしている点である。

このように間引き読みされる画素を極力減らすことで、被写体の空間周波数が高い場合においてもモアレの発生を極力低減することができる。また、配線を複雑にすることなく、垂直画素加算時に、通常画素の信号と焦点検出用画素の信号とが混合されることの無い構成を実現するとともに、全画素読み出しをも実現することが可能となる。

またこの例でも、Ｐｔｘ_０、Ｐｔｘ_２、Ｐｔｘ_４を同時に駆動させているタイミングでＰｔｘ_２のみを駆動させ、ｐｈａｄｄ、ｐｈａｄｄ２信号を常時Ｌｏにすることで、垂直１／３間引き、水平１／３間引きを実現することも可能である。

なお、上述した第１乃至第３の実施形態では、撮像素子がＭＯＳ型固体撮像素子であるものとして説明した。しかしながら、ＭＯＳ型固体撮像素子以外に、例えば、ＣＣＤイメージセンサ、ＣｄＳ−Ｓｅ密着型イメージセンサ、ａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）密着型イメージセンサ、バイポーラ密着型イメージセンサ等があり、どのようなものを用いてもよい。

また、撮像素子がベイヤー配列のカラーフィルタにより覆われているものとしたが、カラーフィルタの種類や配列もこれに限るものではなく、例えば補色フィルタを用いたり、ベイヤー配列以外の配列にするなど、適宜変更することが可能である。

また、上述した第１〜第３の実施形態では、３つの焦点検出用画素が列方向または行方向のＲまたはＢ画素に連続している場合について説明した。しかしながら、本発明は３つに限るものではなく、２つまたは４つ以上の焦点検出用画素を連続的に配置し、加算または間引き読み出しするようにしてもよい。例えば、２つの場合には、全画素読み出しと比較して、読み出される画素数が垂直及び水平方向共に１／２となり、４つの場合には１／４となる。すなわち、全画素の画素数と、ＥＶＦ表示に用いる画素数または動画撮影用の画素数、または所望の画像サイズとの関係に応じて、連続する焦点検出用画素の数を決めることができる。

＜第４の実施形態＞
次に、上記第１〜第３の実施形態で説明した構成を有する撮像素子を、デジタルカメラなどの撮像装置に適用した場合の動作についてについて説明する。

図１２はデジタルカメラなどの撮像装置の構成を示すブロック図である。同図において、撮像素子８０１は、上記第１〜第３の実施形態のいずれかで説明した構成を有する撮像素子である。

信号処理回路（ＡＦＥ）８０２は、タイミング発生回路（ＴＧ）８０４からタイミングなどを受け取り、それに従って撮像素子８０１からの信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換等を行う。ＤＳＰ（Digital Signal Processor）８０３は、信号処理回路８０２からのデータに対して各種補正処理等を行う。またＤＳＰ８０３では、ＲＯＭ８０６、ＲＡＭ８０７等各種メモリの制御、記録媒体８０８への映像データの書き込み処理も行われる。

ＴＧ８０４は、撮像素子８０１、信号処理回路８０２、ＤＳＰ８０３にクロック信号や制御信号を供給し、ＣＰＵ８０５により制御される。

ＣＰＵ８０５は、ＤＳＰ８０３、ＴＧ８０４の制御、及び測光・測距など不図示の各部を使ったカメラ機能の制御を行う。ＣＰＵ８０５には各スイッチ８０９〜８１１が接続され、それぞれの状態に応じた処理を実行する。

ＲＯＭ８０６はカメラの制御プログラムや補正テーブルなどを記憶する。ＲＡＭ８０７はＤＳＰ８０３で処理される映像データや補正データを一時的に記憶する。ＲＡＭ８０７はＲＯＭ８０６より高速のアクセスが可能である。

８０８は撮影された映像を保存するコンパクトフラッシュ（登録商標）カード（以下ＣＦ）等の記録媒体であり、不図示のコネクタを介してデジタルカメラと接続される。

８０９はカメラを起動させるための電源スイッチ、８１０は測光処理や測距処理等の撮影準備動作開始を指示するシャッタースイッチＳＷ１である。８１１は不図示のミラー及びシャッターを駆動し、撮像素子８０１から読み出した信号を信号処理回路８０２、ＤＳＰ８０３を介して記録媒体８０８に書き込む一連の撮像動作の開始を指示するシャッタースイッチＳＷ２である。８１２はデジタルカメラの撮影モード（例えばモアレ低減動画モード（画素加算）、スミア低減モード（画素間引き）など）を指示するためのモードダイアルスイッチである。８１４は被写体輝度を測定するための測光回路、８１５は撮影した映像を外部に表示するための表示装置である。

図１３は図１〜図１１を参照して説明した撮像素子のいずれかを用いた、図１２の構成の撮像装置の撮影動作を説明するフローチャートである。

まずＳ９０１で電源スイッチ８０９がＯＮかどうかを判定し、ＯＦＦであればＳ９０１を繰り返す。ＯＮであればＳ９０２で撮影準備動作を開始させるスイッチＳＷ１（８１０）がＯＮかどうかを判定する。ＯＦＦであればＳ９０１へ戻り、ＯＮであればＳ９０３へ移行する。

Ｓ９０３では、測光回路８１４で被写体の輝度を測定し、続くＳ９０４で不図示のメカシャッタを開いて撮像素子８０１に光を入射させた状態にする。その後、Ｓ９０５では、モードダイアルスイッチ８１２を判定してモアレ低減動画モード（画素加算）か、スミア低減モード（画素間引き）を判断し、モアレ低減動画モード（画素加算）であると判定されるとＳ９０７へ移行する。この場合、信号蓄積後、第１〜第３の実施形態で説明したような垂直画素加算、水平１／３間引き、または、垂直１／３間引き、水平３画素加算平均、または、垂直３画素加算、水平一部３画素加算平均で信号読み出しを行い、Ｓ９０８に移行する。

一方、Ｓ９０５でスミア低減モード（画素間引き）であると判定されるとＳ９０６へ移行し、信号蓄積後、垂直１／３間引き、水平１／３間引きで信号読み出しを行い、Ｓ９０８に移行する。

その後、Ｓ９０８では読み出された画素信号のうち焦点検出用画素信号を周囲画素から補間しながら表示装置８１５への映像表示を行う。また、Ｓ９０９では補間される前の焦点検出用画素信号から被写体の焦点状態を検出し、被写体にピントが合うように撮影レンズを駆動することで焦点調節を行う。

Ｓ９１０では静止画撮影を開始させるためのスイッチＳＷ２（８１１）がＯＮされているかどうかを判定し、ＯＦＦであれば、Ｓ９０２へ戻って次のフレームの動作に移る。つまり、Ｓ９０２〜Ｓ９１０までの動作で、撮影と表示、焦点検出及びレンズ駆動を連続的に行う所謂ＥＶＦ動作を行っている。

Ｓ９１０でスイッチＳＷ２（８１１）がＯＮと判定されるとＳ９１１に移行し、Ｓ９０３で得られた測光、Ｓ９０９で得られた焦点位置情報を基に静止画として最適なレンズ絞りやピント位置で撮像素子の蓄積を開始する。そして、Ｓ９１２で所定の露光量に達したところで不図示のメカシャッタを閉じる。

その後、Ｓ９１３で全画素読み出しを行い、Ｓ９１４で読み出された画素信号のうち焦点検出用画素信号を周囲画素から補間しながら表示装置８１５への映像表示を行い、Ｓ９１５で静止画映像信号を記録媒体８０８に記録して終了する。

このように、第１〜第３の実施形態の撮像素子を、デジタルカメラ等の撮像装置に応用することが可能である。

Claims (8)

1. カラーフィルタに覆われ、２次元に配置された複数の画素と、
   前記複数の画素から、各画素毎に信号を読み出す第１の読み出し方法と、同色のカラーフィルタに覆われた予め決められた数の画素から成る画素群ずつ、第１の方向に信号を加算して読み出す第２の読み出し方法とを切り替えて読み出し可能な読み出し手段とを有し、
   前記複数の画素は、離散的に配置された、第１の焦点検出用画素の複数の画素群と第２の焦点検出用画素の複数の画素群とを含み、前記第１の焦点検出用画素と前記第２の焦点検出用画素は、互いに異なる射出瞳領域を透過した光を受光するように、前記第１の方向と垂直な第２の方向に互いに異なる画素の一部が遮光されていることを特徴とする撮像素子。
2. 前記読み出し手段は、前記第２の読み出し方法で読み出している場合に、前記第１の方向に加算して読み出された信号を、前記第２の方向に予め決められた数ずつ間引きしながら読み出すことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記読み出し手段は、前記第２の読み出し方法で読み出している場合に、前記第２の方向に、前記第１及び第２の焦点検出用画素の信号を読み出すように、予め決められた数の画素ずつ間引きしながら読み出し、読み出した信号を第１の方向に加算して読み出すことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
4. 前記読み出し手段は、前記第２の読み出し方法で読み出している場合に、前記第１の方向に加算して読み出された信号を、前記第２の方向に予め決められた数ずつ読み出し、該予め決められた数の信号に前記第１の焦点検出用画素または前記第２の焦点検出用画素から得られた信号が含まれない場合には、信号を加算して読み出し、該予め決められた数の信号に前記第１の焦点検出用画素または前記第２の焦点検出用画素から得られた信号が含まれている場合には、前記第１の焦点検出用画素または前記第２の焦点検出用画素を加算せずに読み出すことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
5. 前記読み出し手段は、行毎に画素信号を共通の垂直出力線に読み出し、前記垂直出力線に読み出された信号を順次、水平方向に転送して読み出す構成であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子。
6. 前記第１の方向は垂直方向であって、前記読み出し手段は、前記共通の垂直出力線に読み出されるより前に加算を行うことを特徴とする請求項５に記載の撮像素子。
7. 前記第１の方向は水平方向であって、前記読み出し手段は、前記共通の垂直出力線に読み出された後に加算を行うことを特徴とする請求項５に記載の撮像素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像素子と、
   前記第１の焦点検出用画素及び前記第２の焦点検出用画素から読み出された信号それぞれに基づいて得られた２つの画像の位相差に基づいて、焦点状態を検出する検出手段と、
   前記検出した焦点状態に基づいて、焦点を調節する焦点調節手段と
   を有することを特徴とする撮像装置。

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