JP2017034508A - 撮像素子及びその制御方法、及び、撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】撮像素子を用いた位相差検出方式の焦点検出において、移動する被写体に対する焦点検出精度を改善する撮像素子及びその制御方法及び撮像装置を提供する。【解決手段】撮像素子は、光学系の瞳領域の互いに異なる一部の領域を通過した光を受光する、第1の行に配置された第1の焦点検出画素202と、第1の行と異なる第2の行に配置された第2の焦点検出画素203とを含む、複数の画素が行列状に配置された画素部と、各列に対して配線された複数の垂直出力線207、208と、複数の画素を複数行単位で選択し、選択した行の画素の信号を複数の垂直出力線に出力するように制御する垂直走査手段と、複数の垂直出力線に出力された信号を外部に出力する出力手段と、を有する。第1の行と第2の行は、互いに異なる前記垂直出力線に接続され、垂直走査手段は、第1の行と前記第2の行を同時に選択する。【選択図】図2
Description
本発明は、撮像素子及びその制御方法、及び、当該撮像素子を搭載した撮像装置に関し、特に撮像面位相差AFを可能とする撮像素子及びその制御方法、及び、当該撮像素子を搭載した撮像装置に関するものである。
現在、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置に用いられるCMOS型撮像素子において、行列状に配置された複数の画素の中に、位相差検出方式による焦点検出用の画素を配置した技術が開示されている。
位相差検出方式の焦点検出では、撮影レンズの異なる瞳領域を通過した光束をそれぞれ受光して、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。これにより、撮影レンズを駆動する方向と駆動量とを直接求めることができるので、位相差検出方式による焦点検出用の画素を配置した撮像素子は、ライブビューや、動画記録撮影時にも、高速に焦点調節を行うことが可能である。
特許文献1に開示された撮像素子は、撮影レンズにより結像される被写体像を光電変換して、画像生成用の信号を生成する撮像画素と、撮影レンズの異なる瞳領域を通過した被写体像を光電変換して位相差検出用の信号を生成する焦点検出画素とを備えている。そして、焦点検出画素が配置されていない、ライブビュー及び動画撮影用の各行を間引き走査し、その後、順次、焦点検出画素が配置された各行を走査するように、蓄積及び読み出しの制御を行うことが開示されている。これにより、動画像の画質劣化が起きない構成となっている。
一方、特許文献2には、CMOS型撮像素子の各画素列に複数の垂直出力線が配置されたCMOS型撮像素子において、読み出し期間を短縮する技術が開示されている。
特許文献1に開示された撮像装置では、図4に示されるように、焦点検出画素が異なる行に各々配置されている。また、CMOS型撮像素子では、ライブビューや動画記録撮影時に、所謂ローリングシャッタ駆動されるため、互いに異なる行の画素は、互いに異なるタイミングで電荷蓄積が行われる。つまり、異なる行に配置された焦点検出画素の電荷蓄積タイミングは互いにずれているため、例えば焦点を合わせようとする被写体が動いている場合に、焦点検出精度が低下してしまう。
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、撮影用の撮像素子を用いた位相差検出方式の焦点検出において、移動する被写体に対する焦点検出精度を改善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、光学系の瞳領域の互いに異なる一部の領域を通過した光を受光する、第1の行に配置された第1の焦点検出画素と、前記第1の行と異なる第2の行に配置された第2の焦点検出画素とを含む、複数の画素が行列状に配置された画素部と、各列に対して配線された複数の垂直出力線と、前記複数の画素を複数行単位で選択し、選択した行の画素の信号を前記複数の垂直出力線に出力するように制御する垂直走査手段と、前記複数の垂直出力線に出力された信号を外部に出力する出力手段と、を有し、前記第1の行と前記第2の行は、互いに異なる前記垂直出力線に接続され、前記垂直走査手段は、前記第1の行と前記第2の行を同時に制御する。
本発明によれば、撮影用の撮像素子を用いた位相差検出方式の焦点検出において、移動する被写体に対する焦点検出精度を改善することができる。
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。
<第1の実施形態>
まず、本発明の第1の実施形態における撮像素子の構成について、図1〜図3を用いて説明する。
まず、本発明の第1の実施形態における撮像素子の構成について、図1〜図3を用いて説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る撮像素子の構成を模式的に示す図である。図1に示すように、第1の実施形態の撮像素子は、画素部101、垂直走査回路102、読み出し部103、水平走査回路104を含む。画素部101には、不図示の光学系により結像された光学像を受光する複数の画素が行列状に配置されている。画素部101に配置された画素は、画像生成用の信号を生成する撮像画素と、焦点検出用の信号を生成する焦点検出画素と、を含む。なお、焦点検出画素の構成については、詳細に後述する。また、以下の説明において、「画素」とは、撮像画素と、焦点検出画素のいずれか、または両方を指している。
垂直走査回路102は、画素部101を構成する複数の行を垂直方向に順次選択し、行毎に画素の信号を読み出し部103にサンプリングする。水平走査回路104は、読み出し部103にサンプリングされた画素の信号を、水平方向に順次選択することによって、後段のAFEなどの回路へ出力する。
図2は、本発明の第1の実施形態に係る、画素部101の構成を示す模式図である。なお、説明のため、垂直方向6行、水平方向8列の画素のみを示したが、実際にはさらに多くの画素によって画素部101は構成される。
図2に示すように、画素部101は、行列状に配置された複数の撮像画素201と、複数対の焦点検出画素202,203とを含む。ここで、図2における、Hn(H0、H1、H2・・・)は画素の水平アドレスを示しており、Vn(V0、V1、V2・・・)は画素の垂直アドレスを示している。ここで、以下の説明では、各画素を、水平アドレスHnと垂直アドレスVnを用いて「画素(Hn,Vn)」と表す。例えば、撮像画素201の水平アドレスはH0、垂直アドレスはV0であるため、画素201を「画素(H0,V0)」と表す。
撮像画素201は、フォトダイオード(PD)204を含み、PD204は、光学系により結像されて撮像画素201に入射した光を受光し、その受光量に応じた信号電荷を生成して蓄積する光電変換部として機能する。画素毎の信号電荷は、読み出し部103で読み出された後、撮像素子の外部へ出力される。
焦点検出画素202,203は、各々PD205,206を含む。PD205,206は、各画素に配置された不図示のマイクロレンズの光軸に対して、互いに反対の方向に偏心させることで、光学系のそれぞれ異なる瞳領域を通過した光を受光するように構成されている。なお、焦点検出画素202,203のPDをPD204のように構成し、その一部分を遮光部材で遮光することによって、受光領域を偏心させるように構成してもよい。
なお、以下の説明において、画素部101の中で、焦点検出画素を含んで構成された行を、「焦点検出行」と呼び、撮像画素のみで構成された行を「撮像行」と呼ぶ。図2に示す構成では、焦点検出画素202,203を配置したV2行とV3行が焦点検出行である。焦点検出処理では、V2行とV3行の焦点検出画素の出力を相関演算することによって、異なる瞳領域を通過した2像の位相差を得ることができる。なお、焦点検出行はV2行とV3行に限るものではなく、画素部101の垂直方向の任意の複数箇所に構成される。
複数の垂直出力線207,208は各列に対して配線され、選択された行の画素の信号を読み出し部103に出力する。第1の実施形態の撮像素子では、隣り合う2行の画素が異なる垂直出力線207,208に接続されるように構成されている。例えば、H0列において、画素(H0,V0)、画素(H0,V2)、画素(H0,V4)は、垂直出力線208に接続しており、画素(H0,V1)、画素(H0,V3)、画素(H0,V5)は、垂直出力線207に接続している。
上記構成を有する第1の実施形態の撮像素子では、隣り合う2行を同時に(複数行単位で)選択することで、2つの垂直出力線207,208を用いて、同時に2行分の画素の信号を読み出し部103へ出力することができる。
図3は、第1の実施形態における画素の構成を示す等価回路図である。ここでは説明のため、画素(H0,V2)、画素(H0,V3)と、その信号の出力経路のみを示している。
図3において、PD401は、図2に示す撮像画素201のPD204及び焦点検出画素203のPD205に相当し、受光量に応じた信号電荷を生成して蓄積する。転送スイッチ402は、信号パルスPTXにより駆動され、PD401で蓄積された信号電荷を、フローティングディフュージョン(FD)403に転送する。FD403は、PD401から転送された信号電荷を保持可能な構成となっている。また、FD403は、保持した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部としても機能する。
リセットスイッチ404は、信号パルスPRESにより駆動され、FD403に基準電源電圧を供給する構成となっている。信号出力部405は、FD403に保持した電荷に基づく電圧信号を増幅して、画素の信号として出力する。画素(H0,V2)の信号出力部405はMOSトランジスタであり、垂直出力線208に接続された定電流源408と共にソースフォロワ回路を構成している。また、画素(H0,V3)の信号出力部405もMOSトランジスタであり、垂直出力線207に接続された定電流源407と共にソースフォロワ回路を構成している。
選択スイッチ406は、信号パルスPSELによって駆動され、信号出力部405から垂直出力線207,208に信号を出力する。垂直出力線207,208に出力された信号は、読み出し部103で垂直出力線毎にサンプリングされた後、撮像素子の外部へ出力される。
なお、V2行目の画素は画素(H0,V2)と、V3行目の画素は画素(H0,V3)と同様の構成を有し、また、1行おきに、画素(H0,V2)と同様に垂直出力線208に接続されるか、または画素(H0,V3)と同様に垂直出力線207に接続される。
また、図3では、Vn行目に入力される信号パルスPTX、PRES、PSELを、各々PTXVn、PRESVn、PSELVnとして表している。
図4は、第1の実施形態に係る撮像素子のリセット及び読み出し走査の概要を説明するための図である。図4の縦軸は画素部101の垂直アドレスを示し、横軸は時刻を示している。
第1の実施形態の撮像素子では、図2に示すように、V0行目とV1行目の各画素は、行毎に異なる垂直出力線207,208に接続した構成となっている。そのため、図4のようにV0行目とV1行目の画素のリセットを同時に行い、かつV0行目とV1行目の画素の読み出しも同時に行うことができる。すなわち、V0行目とV1行目の画素の電荷蓄積タイミングを同時にすることができる。V2行目以下の画素も同様に、2行毎に異なる垂直出力線207,208に接続した構成のため、2行毎に電荷蓄積タイミングは同時となる。
例えば、時刻t300で信号パルスPRESV2,PRESV3によりリセットスイッチ404をONにすると同時に、信号パルスPTXV2,PTXV3により転送スイッチ402をONすることにより、V2行目とV3行目のPD401のリセットを開始する。そして、時刻t301で、転送スイッチ402をOFFすることにより、V2行目とV3行目のPD401の信号電荷の蓄積を同時に開始することができる。他の行おいても、2行ずつ同時に制御することにより、順次リセットを行う。
そして、予め決められた蓄積時間の経過後、時刻t302で、V2行目とV3行目の各画素の信号電荷を読み出すことによりV2行目とV3行目の電荷蓄積は終了となるため、同じタイミングで電荷蓄積が行われることになる。
図5は、第1の実施形態に係る撮像素子の読み出し走査を示すタイミングチャートである。ここでは、V2行目とV3行目を読み出す際の信号パルスについて説明する。
図5において、時刻t501で水平同期信号HDが入力されると、所定時間後の時刻t502に、V2行目とV3行目の画素を選択する信号パルスPSELV2,PSELV3がHighレベル(以下、H)となり、V2行目とV3行目の選択スイッチ406がONとなる。これにより、信号出力部405の入力、即ち、FD403の電圧に応じた信号が、垂直出力線207,208に現れる。
そして、同時にV2行目とV3行目の画素の信号パルスPRESV2、PRESV3をHとし、V2行目とV3行目の画素のリセットスイッチ404をONする。その後所定時間後の時刻t503で、信号パルスPRESV2、PRESV3をLとし、FD403のリセット動作を解除する。これにより、垂直出力線207,208にはリセット解除した状態での信号が現れる。
次に、時刻t503〜t504の期間に、リセット解除時の垂直出力線207,208の信号が各々読み出し部103にノイズ成分としてサンプリングされる。
次に、時刻t504で、V2行目とV3行目の画素の転送スイッチ402をONにすべく、信号パルスPTXV2、PTXV3、をHとする。さらに所定時間後の時刻t505で転送スイッチ402をOFFにすると、この動作によりV2行目とV3行目の画素の信号電荷がFD403へ転送される。即ち、時刻t505が、図4のt302のタイミングに相当する。時刻t505の後に、垂直出力線207,208にはFD403に保持された信号電荷に応じた画素の出力信号が現れ、読み出し部103に信号成分としてサンプリングされる。
ここまでで、V2行目とV3行目の各画素のリセット解除直後の出力が各列のノイズ成分として、また、信号電荷に応じた出力が各列の信号成分として、読み出し部103にサンプリングされたことになる。
この後、時刻t505〜t506の期間で、読み出し部103は、水平走査回路104によって走査され、ノイズ成分と信号成分との差分を列毎に順次出力することで、V2行目とV3行目の信号の読み出しを完了する。
上記の通り第1の実施形態によれば、焦点検出行であるV2行目とV3行目の画素の電荷蓄積のタイミングを同時とすることができる。従って、相関演算に用いられる、光学系の異なる瞳領域を通過した2像には、被写体が移動している場合であっても、被写体の移動に伴う位置ズレが含まれないので、焦点検出精度を向上させることができる。
<第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、画素部101の構成が第1の実施形態と異なる。それ以外の撮像素子の構成は第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、画素部101の構成が第1の実施形態と異なる。それ以外の撮像素子の構成は第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
図6は、第2の実施形態に係る画素部101の構成を示す模式図である。第2の実施形態では、垂直出力線207,208に接続する画素の組み合わせが、第1の実施形態と異なる。図6に示すように、V0行目、V3行目、V4行目の画素は垂直出力線207に接続し、V1行目、V2行目、V5行目の画素は、垂直出力線208に接続している。
図7は、第2の実施形態における画素の構成を示す等価回路図である。ここでは説明のため、図6における画素(H0,V1)、画素(H0,V2)、画素(H0,V3)、画素(H0,V4)と、その信号の出力経路のみを示している。なお、図3に示す構成要素と同じ構成要素には、同じ参照番号を付している。
図7のように、第2の実施形態では、FD403、リセットスイッチ404、信号出力部405、選択スイッチ406を、列方向に隣接する画素(H0,V1)と画素(H0,V2)で、共有する構成となっていることに特徴がある。同様に、列方向に隣接する画素(H0,V3)と画素(H0,V4)は、FD403、リセットスイッチ404、信号出力部405、選択スイッチ406を共有している。なお、FD403、リセットスイッチ404、信号出力部405、選択スイッチ406は、垂直出力線に信号を出力するための出力部に相当する。このように画素部101を構成することで、1画素あたりのトランジスタ数を減らすことが可能となり、画素のレイアウト効率を改善させている。
上記構成を有する画素部101を有する第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様に、隣り合う2行を同時に選択して、2つの垂直出力線207,208を用いて、同時に読み出し部103へ出力することができる。すなわち、図4に示すリセット及び読み出し走査を行うことができる。ただし、読み出し走査における信号の駆動方法が第1の実施形態で図5を参照して説明したものと異なるため、図8を参照して後述する。また、焦点検出処理では、第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様に、V2行とV3行の焦点検出画素の出力を相関演算することによって、異なる瞳領域を通過した2像の位相差を得ることができる。
図8は、第2の実施形態に係る撮像素子の読み出し走査を示すタイミングチャートである。ここでは、V1行〜V4行目を読み出す際の信号パルスについて説明する。
時刻t801〜t806の期間で、垂直走査回路102は、信号パルスPTXV1、PRESV1、PSELV1、を駆動して、V1行目の信号を垂直出力線208に読み出す。この駆動方法は第1の実施形態の図5で説明した駆動と同様であり、t801はt501に対応し、t802はt502に対応し、t803はt503に対応し、t804はt504に対応し、t805はt505に対応し、t806はt506に対応している。なお、不図示ではあるが、V0行目の画素を駆動する信号パルスPTXV0、PRESV0、PSELV0も同じタイミングで駆動され、V0行目の信号を垂直出力線207に読み出している。
次に、時刻t811〜t816の期間で、垂直走査回路102は、V2行目の信号パルスPTXV2、PRESV2、PSELV2と、V3行目の信号パルスPTXV3、PRESV3、PSELV3を同じタイミングで駆動する。これにより、V2行目の信号は垂直出力線208に、V3行目の画素の信号は垂直出力線207に、同時に読み出すことができる。この駆動方法は第1の実施形態の図5で説明した駆動と同様であり、t811はt501に対応し、t812はt502に対応し、t813はt503に対応し、t814はt504に対応し、t815はt505に対応し、t816はt506に対応している。即ち、時刻t815が、図4のt302のタイミングに相当する。
次に、垂直走査回路102は、V4行目の信号パルスPTXV4、PRESV4、PSELV4と、不図示のV5行目の信号パルスPTXV5、PRESV5、PSELV5を同様に駆動する。これにより、V4行目とV5行目の画素の信号を、垂直出力線207,208に同時に読み出すことができる。
上記の通り第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
<第3の実施形態>
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。第3の実施形態では、画素部101における焦点検出行の配置が第1の実施形態と異なる。それ以外の撮像素子の構成は第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。第3の実施形態では、画素部101における焦点検出行の配置が第1の実施形態と異なる。それ以外の撮像素子の構成は第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
図9は、第3の実施形態に係る画素部101の構成を示す模式図である。図9において、V2行、V7行、V14行、V19行は焦点検出行である。焦点検出行V2、V7には、光学系の互いに異なる瞳領域を通過した光を受光する焦点検出画素を配置している。従って、焦点検出処理では、V2行とV7行の焦点検出画素の出力を相関演算することによって、2像の位相差が得られる。また同様に、焦点検出行V14、V19には、光学系の互いに異なる瞳領域を通過した光を受光する焦点検出画素を配置している。従って、焦点検出処理では、V14行とV19行の焦点検出画素の出力を相関演算することによって、2像の位相差が得られる。
そして、図9のように、焦点検出行V2は垂直出力線207に、焦点検出行V7は垂直出力線208に接続され、焦点検出行V14は垂直出力線207に、焦点検出行V19は垂直出力線208に接続される。
第3の実施形態の撮像素子では、垂直走査回路102が、離れた2行の焦点検出行を同時に選択して、2つの垂直出力線207,208を用いて同時に読み出し部103へ出力するように読み出し走査を行うことに特徴がある。以下、第3の実施形態の読み出し走査方法について、図10を用いて詳細に説明する。
図10は、第3の実施形態に係る撮像素子のリセット及び読み出し走査の概要を説明するための図である。図10の縦軸は画素部101の垂直アドレスを示し、横軸は時刻を示している。第3の実施形態では、垂直走査回路102が、4行開けて離れた2行を同時に選択して駆動する。これにより、図10のように、V0行目とV5行目の画素のリセットを同時に行うと共に、V0行目とV5行目の画素の読み出しも同時に行うことができる。すなわち、V0行目とV5行目の画素の蓄積時間のタイミングは同時となる。V2行目以下の画素も同様に、4行開けて離れた(同じ行間隔の)2行を同時に順次選択して駆動することで蓄積時間のタイミングを同時にすることができる。
図10において、時刻t1001で、V2行目とV7行目の各画素の信号電荷をリセットする駆動が終わると、V2行目とV7行目の各画素では、同時に信号電荷の蓄積が開始される。そして、時刻t1003で、V2行目とV7行目の各画素の信号電荷が読み出されると同時に電荷蓄積は終了となる。
上記の通り第3の実施形態によれば、焦点検出画素202と焦点検出画素203とが離れた焦点検出行に配置されていても、蓄積時間のタイミングが同時となるように制御することができ、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
<第4の実施形態>
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。第4の実施形態における画素部101は、第3の実施形態で説明した図9に示す構成を有する。しかしながら、第4の実施形態では、垂直走査回路102が、第3の実施形態とは異なる読み出し走査を行うことに特徴がある。
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。第4の実施形態における画素部101は、第3の実施形態で説明した図9に示す構成を有する。しかしながら、第4の実施形態では、垂直走査回路102が、第3の実施形態とは異なる読み出し走査を行うことに特徴がある。
静止画の撮影などにおいて、画素部101の全画素の信号を読み出して駆動する時、垂直走査回路102は、第3の実施形態の図10で説明したように、V0〜V21行の各行を2行ずつ順次選択して読み出し走査を行えばよい。
一方で、ライブビュー表示や、動画記録撮影時などにおいては、30フレーム/秒といった、所定のフレームレートで画像表示を更新して、滑らかな動画像を得る必要がある。なお、以下の説明では、ライブビュー表示、動画記録、動画撮影などの動作モードを総称して、動画撮影と呼ぶ。動画撮影時は、画素数を間引いて読み出すことが行われる。
図11は、第4の実施形態に係る撮像素子のリセット及び読み出し走査の概要を説明するための図である。図11の縦軸は画素部101の垂直アドレスを示し、横軸は時刻を示している。図11では、動画撮影時に、撮像行を間引いて(ここでは3行当たり、1行)読み出した後、焦点検出行をさらに走査する例を示している。すなわち、動画撮影時においては、V0、V3、V6、・・・、V18、V21行を2行ずつ順次選択し、読み出し走査を行う(図11における、A→B→C→D)。このように読み出された信号は、画像生成用の信号としてデジタル信号処理されて、表示・動画記録に用いられる。その後、V2、V7、V14、V19行を2行ずつ順次選択して、焦点検出用の信号が読み出される(図11における、a→b)。
第4の実施形態の撮像素子の駆動方法においても、焦点検出行であるV2行目とV7行目の画素の蓄積時間は、時刻t1101〜t1103の期間となり、同じタイミングとなるように制御することができる。また、焦点検出行V14行目とV19行目の画素の蓄積時間も同様に、時刻t1102〜t1104の期間で、同じタイミングとなるように制御することができる。
上記の通り本第4の実施形態によれば、動画撮影時においても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、第4の実施形態では、動画撮影時に、焦点検出行を除くように、2行おきに撮像行を読み出す飛び越し走査で読み出すものとして説明したが、本発明はこれに限るものではない。必要な解像度、あるいは必要なフレームレートに応じて、4行おきや、7行おきに撮像行を読み出す間引き走査としても良い。
<第5の実施形態>
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。第5の実施形態における画素部101も、第3の実施形態で説明した図9に示す構成を有する。しかしながら、第5の実施形態では、垂直走査回路102が、第3の実施形態及び第4の実施形態とは異なる読み出し走査を行うことに特徴がある。
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。第5の実施形態における画素部101も、第3の実施形態で説明した図9に示す構成を有する。しかしながら、第5の実施形態では、垂直走査回路102が、第3の実施形態及び第4の実施形態とは異なる読み出し走査を行うことに特徴がある。
図12は、本発明の第5の実施形態に係る撮像素子のリセット及び読み出し走査の概要を説明するための図である。図12の縦軸は画素部101の垂直アドレスを示し、横軸は時刻を示している。第5の実施形態では、垂直走査回路102が、隣り合う2行の撮像行を同時に選択すると共に、4行開けて離れた2行の焦点検出行を同時に選択して駆動することに特徴がある。つまり、図12のように、撮像行V0、V1の画素のリセットを同時刻に行い、さらに撮像行V0、V1の画素の読み出しも同時刻に行うことで、V0行目とV1行目の画素の蓄積時間のタイミングを同時にすることができる。
一方で、焦点検出行V2、V7の画素のリセットを同時刻に行い、さらに焦点検出行V2、V7の画素の読み出しも同時刻に行うことで、V0行目とV5行目の画素の蓄積時間のタイミングを同時にすることができる。そして、垂直走査回路102は、V3行目以下の画素も同様に、撮像行は隣り合う2行を同時に順次選択し、焦点検出行は4行開けて離れた2行を同時に順次選択して駆動する。
図12において、時刻t1201で、V2行目とV7行目の各画素の信号電荷をリセットする駆動が終わると、V2行目とV7行目の各画素は、同時に信号電荷の蓄積が開始される。そして、時刻t1203で、V2行目とV7行目の各画素の信号電荷が読み出されると同時に蓄積は終了となる。
上記のように第5の実施形態によれば、焦点検出行の蓄積時間のタイミングが同時になるように制御することができるため、上述した第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
<第6の実施形態>
次に、本発明の第6の実施形態について説明する。第6の実施形態は、画素部101の構成が第1〜第5の実施形態で説明したものと異なる。それ以外の撮像素子の構成は第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
次に、本発明の第6の実施形態について説明する。第6の実施形態は、画素部101の構成が第1〜第5の実施形態で説明したものと異なる。それ以外の撮像素子の構成は第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
図13は、第6の実施形態に係る画素部101の構成を示す模式図である。図13に示すように、第6の実施形態の画素部101には、焦点検出画素と撮像画素の両方の機能を備えた画素が、画素部101全面に配置されている。
1401は、画像生成用の信号を生成する撮像画素と、焦点検出用の信号を生成する焦点検出画素の、両方の機能を備えた画素である。画素1401は、光学系のそれぞれ異なる瞳領域を通過した光を受光するように構成されたPD1402,1403(複数の受光領域)を含む。図13に示す構成を有する撮像素子において、画像生成用の信号を得る時は、各画素1401のPD1402,1403の信号を加算することで得られる。また、焦点検出用の信号を得る時は、各画素1401のPD1402,1403の信号を各々取得するように読み出すことで得られる。
第6の実施形態の撮像素子でも、第1の実施形態〜第5の実施形態と同様に、2行を同時に選択して、2つの垂直出力線207,208を用いて、同時に読み出し部103へ出力することが可能である。以下の説明では、V2行目とV3行目の画素から焦点検出用の信号を出力して、2像の相関演算によって位相差を得るために、第1の実施形態の図4で説明した撮像素子のリセット及び読み出し走査を実現する方法について説明する。
図14は、第6の実施形態に係る画素の構成を示す等価回路図である。ここでは説明のため、図13における画素(H0,V2)、画素(H0,V3)と、その信号の出力経路のみを示している。
図14において、PD1401,1402は、光学系のそれぞれ異なる瞳領域を通過した光を受光するように構成されており、受光量に応じた信号電荷を生成して蓄積する。転送スイッチ1503は、信号パルスPTX1により駆動され、PD1401で蓄積された信号電荷を、FD403に転送する。また、転送スイッチ1504は、信号パルスPTX2により駆動され、PD1402で蓄積された信号電荷を、FD403に転送する。なお、図14では、Vn行目に入力される信号パルスPTX1、PTX2、PRES、PSELは、各々PTX1Vn、PTX2Vn、PRESVn、PSELVnとして表している。
図15は、第6の実施形態に係る撮像素子の第1の読み出し走査を示すタイミングチャートである。ここでは、V2行目とV3行目から瞳分割された焦点検出用信号を読み出す際の信号パルスについて説明する。
時刻t1601〜t1604の期間で、垂直走査回路102は、V2行目の信号パルスPRESV2、PSELV2と、V3行目の信号パルスPRESV3、PSELV3と、を駆動する。これにより、V2行目とV3行目のFD403のリセット解除時の信号が、各々読み出し部103にノイズ成分としてサンプリングされる。この駆動方法は第1の実施形態の図5で説明した駆動と同様であり、t1601はt501に対応し、t1602はt502に対応し、t1603はt503に対応し、t1604はt504に対応している。
次に時刻t1604で、V2行目の画素の転送スイッチ1503をONにすべく、信号パルスPTX1V2をHとする。同時に、V3行目の画素の転送スイッチ1504をONにすべく、信号パルスPTX2V3をHとする。さらに所定時間後の時刻t1605で転送スイッチ1503、1504をOFFにすると、この動作によりV2行目の画素のPD1401の信号電荷と、V3行目の画素のPD1402の信号電荷が、それぞれの画素のFD403へ転送される。時刻t1605の後に、垂直出力線207,208にはFD403に保持された信号電荷に応じた画素の出力信号が現れ、読み出し部103に信号成分としてサンプリングされる。これにより、V2行とV3行で瞳分割された信号電荷に応じた出力が、各列の信号成分として、読み出し部103にサンプリングされる。
この後、時刻t1605〜t1606の期間に、読み出し部103は水平走査回路104によって走査され、ノイズ成分と信号成分との差分を列毎に順次出力することで、V2行目とV3行目の信号の読み出しを完了する。
以上説明したように第6の実施形態によれば、図13に示す撮像素子の構成と、第1の読み出し走査により、V2行目とV3行目から、蓄積時間のタイミングが同時に制御された焦点検出用信号を取得することができる。従って、相関演算に用いられる、光学系の異なる瞳領域を通過した2像には、被写体が移動している場合であっても、被写体の移動に伴う位置ズレが含まれないので、焦点検出精度を向上させることができる。
なお、図15では、V2行目とV3行目の画素を用いて、瞳分割された焦点検出用の信号を取得する例を説明したが、第6の実施形態の撮像素子では、任意の行から焦点検出用の信号を取得して、任意の行から画像生成用の信号を取得することができる。
従って、例えば、第4の実施形態の図11で説明したように、動画撮影時に、画像生成のための撮像用信号を間引いて(例えば、3行当たり1行)読み出した後、間引かれた行に対してさらに走査することで、焦点検出用信号を読み出すことができる。すなわち、動画撮影時においては、V0、V3、V6、・・・、V18、V21行、を2行毎に順次選択し、読み出し走査を行う(図11における、A→B→C→D)。このように読み出された信号は、画像生成用の信号としてデジタル信号処理されて、表示・動画記録に用いられる。その後、V2、V7、V14、V19行、を2行毎に順次選択して、焦点検出用の信号を読み出すことができる(図11における、a→b)。
この場合、画像生成用の信号を読み出す時は、各行の信号パルスPTX1とPTX2を両方同時に駆動することで、各画素のPD1401,1402の信号を加算して、画像生成用の信号を取得することができる。また、焦点検出用の信号を読み出す時は、第1の読み出し走査により、各行の信号パルスPTX1がPTX2のいずれか片方を駆動することで、焦点検出用の信号を取得できる。
次に、第6の実施形態の撮像素子を用いて、任意の行から同一の水平期間で焦点検出用の信号と、画像生成用の信号を共に取得する第2の読み出し走査方法について説明する。
図16は、第6の実施形態に係る撮像素子の第2の読み出し走査を示すタイミングチャートである。ここでは、V2行目とV3行目から瞳分割された焦点検出用信号を読み出す際の信号パルスについて説明する。
まず、時刻t1701〜t1706の期間で、垂直走査回路102は、V2行目の信号パルスPRESV2、PSELV2、PTX1V2と、V3行目の信号パルスPRESV3、PSELV3、PTX2V3と、を駆動する。これにより、V2行目とV3行目のFD403のリセット解除時の信号と、瞳分割された信号電荷に応じた焦点検出用の信号が、読み出し部103に、ノイズ成分と、第1の信号成分としてサンプリングされる。この駆動方法は図15で説明した駆動と同様であり、t1701はt1601に、t1702はt1602に、t1703はt1603に、t1704はt1604に、そして、t1705はt1605に対応している。
次に時刻t1706で、V2行目の画素の転送スイッチ1503,1504をONにすべく、信号パルスPTX1V2,PTX2V2を両方同時に駆動してHとする。同時に、V3行目の転送スイッチ1503,1504をONにすべく、信号パルスPTX1V3,PTX2V3を両方同時に駆動してHとする。
そして、所定時間後の時刻t1707でV2行目とV3行目の転送スイッチ1503,1504をOFFにすると、この動作によりV2行目とV3行目の各画素のPD1401,1402の信号電荷が加算され、画像生成用の信号電荷がFD403へ転送される。時刻t1707の後に、垂直出力線207,208にはFD403に保持された画像生成用の信号電荷に応じた画素の出力信号が現れ、読み出し部103に第2の信号成分としてサンプリングされる。
ここまでで、V2行目とV3行目の各画素のリセット解除直後の出力が、各列のノイズ成分として読み出し部103にサンプリングされた。また、V2行とV3行で瞳分割された信号電荷に応じた出力が、各列の第1の信号成分として、読み出し部103にサンプリングされた。また、V2行とV3行の画像生成用の信号電荷に応じた出力が、各列の第2の信号成分として、読み出し部103にサンプリングされる。
この後、時刻t1707〜t1708の期間に、読み出し部103は水平走査回路104によって走査され、ノイズ成分と第1の信号成分との差分、及びノイズ成分と第2信号成分との差分、を列毎に順次出力する。これにより、V2行目とV3行目の信号の読み出しを完了する。
以上説明したように第6の実施形態によれば、図13に示す撮像素子の構成と、第2の読み出し走査により、一水平期間に、蓄積時間のタイミングが同時に制御された焦点検出用の信号と、画像生成用の信号とを読み出すことができる。従って、相関演算に用いられる、光学系の異なる瞳領域を通過した2像には、被写体が移動している場合であっても、被写体の移動に伴う位置ズレが含まれないので、焦点検出精度を向上させることができる。
なお、上記第6の実施形態では、各画素が2つのPDを含む場合について説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、各画素が3つ以上のPDを含み、垂直出力線207,208に、互いに異なるPDから得られた信号、または、異なるPDの組み合わせから得られた信号を出力するように制御しても良い。
<第7の実施形態>
次に、本発明の第7の実施形態について説明する。図17は、第7の実施形態に係る画素部101の構成を示す模式図である。図17に示すように、第7の実施形態における焦点検出画素による光学系の瞳領域の分割方向が、図2を参照して第1の実施形態で説明したものとは異なる。なお、画素部101以外の撮像素子の構成は、第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
次に、本発明の第7の実施形態について説明する。図17は、第7の実施形態に係る画素部101の構成を示す模式図である。図17に示すように、第7の実施形態における焦点検出画素による光学系の瞳領域の分割方向が、図2を参照して第1の実施形態で説明したものとは異なる。なお、画素部101以外の撮像素子の構成は、第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
図17において、焦点検出画素1801,1802は、縦方向に瞳分割された信号を出力するように構成された、光学系のそれぞれ異なる瞳領域を通過した光を受光するように構成されたPD1803,1804を含む。
また、第7の実施形態の撮像素子でも、第1の実施形態と同様に、隣り合う2行を同時に選択しれ、2つの垂直出力線207,208を用いて、同時に読み出し部103へ出力することが可能である。すなわち、第1の実施形態の図4と同様の読み出し走査の駆動が可能である。
焦点検出処理では、第7の実施形態の撮像素子では、H3列とH4列の焦点検出画素の出力の相関演算によって、異なる瞳面の2像の位相差を得る。第7の実施形態の撮像素子においても、焦点検出画素(H3,V0)と(H4,V1)、焦点検出画素(H3,V2)と(H4,V3)、焦点検出画素(H3,V4)と(H4,V5)、の蓄積時間のタイミングを、それぞれ同時に制御することができる。従って、縦方向に瞳分割された焦点検出画素が配置された撮像素子においても、移動する被写体に対して焦点検出精度を向上させることができる。
<第8の実施形態>
次に、本発明の第8の実施形態について説明する。図18は、第8の実施形態に係る画素部101の構成を示す模式図である。図18に示すように、第8の実施形態は、上述した第1の実施形態と比較して、垂直出力線が各列に1本配置されたところが異なる。例えば、H0列における、画素(H0,V0)、(H0,V1)、(H0,V2)、・・・は、全て垂直出力線207に接続している。なお、画素部101以外の撮像素子の構成は、第1の実施形態で説明したものと同様であるため、説明を省略する。
次に、本発明の第8の実施形態について説明する。図18は、第8の実施形態に係る画素部101の構成を示す模式図である。図18に示すように、第8の実施形態は、上述した第1の実施形態と比較して、垂直出力線が各列に1本配置されたところが異なる。例えば、H0列における、画素(H0,V0)、(H0,V1)、(H0,V2)、・・・は、全て垂直出力線207に接続している。なお、画素部101以外の撮像素子の構成は、第1の実施形態で説明したものと同様であるため、説明を省略する。
図19は、第8の実施形態に係る画素の構成を示す等価回路図である。説明のため、図18における、H0〜H3列目、かつV2〜V3行目の、8つの画素とその信号の出力経路のみを示している。
第8の実施形態では、垂直走査回路102は2つの行に配置された画素に対して、同時に信号パルスPTX、PRES、PSELを入力可能な構成となっている。例えば、V2行及びV3行に配置された焦点検出画素(H0,V3)、(H1,V2)、(H2,V3)、(H3,V2)は信号パルスPTXV2,V3、PRESV2,V3、PSELV2,V3、を共有しており、同時刻に駆動することができる。
従って、第8の実施形態の撮像素子の構成において、V2行目とV3行目に配置されている焦点検出画素の蓄積時間を同時刻に制御することが可能となる。すなわち、相関演算に用いられる異なる瞳面の2像には、被写体の移動に伴う像ズレ成分が含まれないので、焦点検出精度を向上させることができる。
<第9の実施形態>
次に、本発明の第9の実施形態について説明する。第9の実施形態では、第1〜第8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を搭載した撮像装置について説明する。
次に、本発明の第9の実施形態について説明する。第9の実施形態では、第1〜第8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を搭載した撮像装置について説明する。
図20は、第9の実施形態に係る撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図20において、光学系2101は、フォーカスレンズ、ズームレンズ、絞りなどを含んで構成されている。撮像素子2102は、光学系2101により結像された光学像を受光する。撮像素子2102は、上述した第1〜第8の実施形態のいずれかで説明した構成を有し、画像生成用の信号と、光学系2101の異なる瞳領域を通過した被写体像を光電変換して位相差検出用の信号を出力可能な構成となっている。光学系駆動部2103は、後述するAF制御部2109から出力される光学系駆動情報に応じて、光学系2101を制御信号により制御する。
アナログフロントエンド(AFE)2104は、A/D変換回路を含み、アナログ信号を用いた基準黒レベルの調整及びアナログ/デジタル変換処理を行う。デジタルフロントエンド(DFE)2105は、各画素のデジタル出力を受けて画素の並び替え等をデジタル処理する。デジタル信号処理部2106は、DFE2105から得られた画像信号に対して、色変換、ホワイトバランス補正、ガンマ補正等の画像処理、解像度変換処理、画像圧縮処理等を行い、不図示の記録装置や表示装置に処理後の画像信号を出力する。記憶部2107は、デジタル信号処理部2106の作業用メモリとして、あるいは連続撮影等のバッファーメモリとしても使用される。
位相差算出部2108は、撮像素子2102から出力される焦点検出用の信号を用いて、位相差検出方式の焦点検出を行うための位相差評価値を算出する。AF制御部2109は、位相差算出部2108で算出された位相差評価値を基に、光学系2101のフォーカスレンズ位置を制御するための光学系駆動情報を算出する。すなわち、位相差算出部2108及びAF制御部2109により、公知の位相差方式の焦点検出制御が行われる。
以上が、本発明に係る撮像装置の概略構成であり、第1〜第8の実施形態で説明した撮像素子及び撮像素子の読み出し走査は、本構成によって実現可能である。
但し、本発明に係る撮像装置の構成としては、上記に限定されない。例えば、撮像素子2102は、列毎のA/D変換回路を含む構成としてもよく、この場合は、撮像素子2102が、読み出した画素毎のデジタル信号をDFE2105へ出力する。さらには、撮像素子2102が、A/D変換回路とDFEブロックを、内部に備えた構成であってもよい。
また、第1の実施形態〜第7の実施形態で、撮像素子の画素部は1列毎に2つの垂直出力線を備えた構成として説明したが、1列毎に3つ以上の垂直出力線を備えた構成であってもよい。その場合、一対の焦点検出画素の電荷蓄積のタイミングを同時にすることができる構成であれば良い。
101:画素部、102:垂直走査回路、103:読み出し部、104;水平走査回路、201:撮像画素、202,203:焦点検出画素、204,205,206:フォトダイオード、207,208:垂直出力線
Claims (15)
- 光学系の瞳領域の互いに異なる一部の領域を通過した光を受光する、第1の行に配置された第1の焦点検出画素と、前記第1の行と異なる第2の行に配置された第2の焦点検出画素とを含む、複数の画素が行列状に配置された画素部と、
各列に対して配線された複数の垂直出力線と、
前記複数の画素を複数行単位で選択し、選択した行の画素の信号を前記複数の垂直出力線に出力するように制御する垂直走査手段と、
前記複数の垂直出力線に出力された信号を外部に出力する出力手段と、を有し、
前記第1の行と前記第2の行は、互いに異なる前記垂直出力線に接続され、
前記垂直走査手段は、前記第1の行と前記第2の行を同時に制御することを特徴とする撮像素子。 - 前記第1の行と前記第2の行は、隣接していることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。
- 前記第1の焦点検出画素は、列方向に隣接する、前記第2の行と異なる第3の行に配置された画素と、前記垂直出力線に信号を出力するための出力部を共有し、
前記第2の焦点検出画素は、列方向に隣接する、前記第1の行と異なる第4の行に配置された画素と、前記垂直出力線に信号を出力するための出力部を共有する
ことを特徴とする請求項2に記載の撮像素子。 - 前記第1の行と前記第2の行は、離れていることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。
- 前記垂直走査手段は、前記第1の行及び第2の行を除く行について、前記第1の行と第2の行との間の行間隔と同じ行間隔で複数行を順次選択して走査することを特徴とする請求項4に記載の撮像素子。
- 前記垂直走査手段は、前記第1の行及び第2の行を除く行について、互いに隣接する複数行を順次選択して走査することを特徴とする請求項4に記載の撮像素子。
- 前記第1の焦点検出画素と前記第2の焦点検出画素は、前記光学系の光軸に対して互いに反対の方向に偏心した受光領域を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の撮像素子。
- 前記第1の焦点検出画素と前記第2の焦点検出画素の前記受光領域は、水平または垂直方向に偏心していることを特徴とする請求項7に記載の撮像素子。
- 行列状に配置された複数のマイクロレンズそれぞれに対して複数の受光領域を有する画素部と、
各列に対して、互いに異なる行に接続するように配線された複数の垂直出力線と、
前記画素部を行単位で選択し、該選択した行の受光領域で得られた信号を前記複数の垂直出力線に出力するように制御する垂直走査手段と、
前記複数の垂直出力線に出力された信号を外部に出力する出力手段と、を有し、
前記垂直走査手段は、第1の行に接続された前記複数の受光領域のうち、一部の受光領域で得られた信号を出力し、前記第1の行と異なる第2の行に接続された前記複数の受光領域のうち、前記第1の行と異なる一部の受光領域で得られた信号を出力するように、前記第1の行と前記第2の行とを同時に制御することを特徴とする撮像素子。 - 光学系の瞳領域の互いに異なる一部の領域を通過した光を受光する、第1の行に配置された第1の焦点検出画素と、前記第1の行に隣接する第2の行に配置された第2の焦点検出画素とを含む、複数の画素が行列状に配置された画素部と、
各列に対してそれぞれ配線された垂直出力線と、
前記複数の画素のうち、各列について1つの画素の信号を前記垂直出力線に出力するように制御する垂直走査手段と、
前記複数の垂直出力線に出力された信号を外部に出力する出力手段と、を有し、
前記第1の焦点検出画素と前記第2の焦点検出画素は、互いに異なる列に配置され、前記垂直走査手段は、前記第1の焦点検出画素と前記第2の焦点検出画素とを同時に制御することを特徴とする撮像素子。 - 請求項1乃至8、及び、請求項10のいずれか1項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子から得られた、前記光学系の瞳領域の互いに異なる一部の領域を通過した光に対応した信号の位相差に基づいて、焦点検出を行う検出手段と、
を有することを特徴とする撮像装置。 - 請求項9に記載の撮像素子と、
前記撮像素子から得られた、前記異なる複数の受光領域で得られた信号の位相差に基づいて、焦点検出を行う検出手段と、
を有することを特徴とする撮像装置。 - 光学系の瞳領域の互いに異なる一部の領域を通過した光を受光する、第1の行に配置された第1の焦点検出画素と、前記第1の行と異なる第2の行に配置された第2の焦点検出画素とを含む、複数の画素が行列状に配置された画素部と、各列に対して配線された複数の垂直出力線と、を有する撮像素子の駆動方法であって、
垂直走査手段が、前記複数の画素を複数行単位で選択し、選択した行の画素の信号を前記複数の垂直出力線に出力するように制御する制御工程と、
出力手段が、前記複数の垂直出力線に出力された信号を外部に出力する出力工程と、を有し、
前記第1の行と前記第2の行は、互いに異なる前記垂直出力線に接続され、
前記制御工程では、前記第1の行と前記第2の行を同時に制御することを特徴とする撮像素子の駆動方法。 - 行列状に配置された複数のマイクロレンズそれぞれに対して複数の受光領域を有する画素部と、各列に対して、互いに異なる行に接続するように配線された複数の垂直出力線と、を有する撮像素子の制御方法であって、
垂直走査手段が、前記画素部を行単位で選択し、該選択した行の受光領域で得られた信号を前記複数の垂直出力線に出力するように制御する制御工程と、
出力手段が、前記複数の垂直出力線に出力された信号を外部に出力する出力工程と、を有し、
前記制御工程では、第1の行に接続された前記複数の受光領域のうち、一部の受光領域で得られた信号を出力し、前記第1の行と異なる第2の行に接続された前記複数の受光領域のうち、前記第1の行と異なる一部の受光領域で得られた信号を出力するように、前記第1の行と前記第2の行とを同時に制御することを特徴とする撮像素子の制御方法。 - 光学系の瞳領域の互いに異なる一部の領域を通過した光を受光する、第1の行に配置された第1の焦点検出画素と、前記第1の行に隣接する第2の行に配置された第2の焦点検出画素とを含む、複数の画素が行列状に配置された画素部と、各列に対してそれぞれ配線された垂直出力線と、を有する撮像素子の制御方法であって、
垂直走査手段が、前記複数の画素のうち、各列について1つの画素の信号を前記垂直出力線に出力するように制御する制御工程と、
出力手段が、前記複数の垂直出力線に出力された信号を外部に出力する出力工程と、を有し、
前記第1の焦点検出画素と前記第2の焦点検出画素は、互いに異なる列に配置され、前記制御工程では、前記第1の焦点検出画素と前記第2の焦点検出画素とを同時に制御することを特徴とする撮像素子の制御方法。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2019068269A (ja) * | 2017-09-29 | 2019-04-25 | キヤノン株式会社 | 撮像装置、撮像システム、移動体 |
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