JP4908067B2 - 固体撮像装置及びそれを用いた撮像装置システム - Google Patents

Description

この発明は、画像形成用の撮像信号と撮像条件を決めるためのＡＦやＡＥ信号といった制御信号を同時に出力する固体撮像装置と、その固体撮像装置を用いた撮像装置システムに関する。

近年、被写体を光学的に結像させる光学系と、光学的被写体像を電気信号に変換する固体撮像素子と、撮像された被写体画像を記録する記録部と、撮影された画像を表示する表示部とを具備したデジタルカメラが、銀塩カメラやビデオカメラと同様に画像記録又は画像表示手段として一般的になっている。特に、一眼レフタイプのデジタルカメラにおいては、銀塩カメラと同様に静止画像を即座に撮るニーズが強いことから、レリーズスイッチを押してから撮影までの時間が短いことが要求される。

このような理由から、一眼レフタイプのデジタルカメラにおいては、ＡＦとかＡＥといったカメラ撮影系の制御用の信号の取得には、固体撮像素子とは別の専用センサが用いられている。このような構成の方式では、以下に述べるような問題が発生する。すなわち、撮影光束とＡＦ，ＡＥ検出光束が別々の光路を通るため、各構成部材の部品精度誤差や各構成部材の取り付け誤差や各構成部材の材質が異なることによる温度変化時の形状誤差により、ＡＦ，ＡＥ精度を下げることになるという問題点がある。

このような問題を解決する手法として、特開２０００−１５６８２３号公報には、次のような手法が開示されている。次に、この手法を図12と図13を用いて簡単に説明する。図12はカラーフィルタ配列を示す図で、図13は画素の断面構造を示す図である。この公報開示の固体撮像装置は、撮像素子センサ上に撮像を行うためのＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の各フィルタを持った画素（図12内でＲ，Ｇ，Ｂと表示している画素）以外に、カラーフィルタを持たないＡＦ専用の画素（図12内でＳ１，Ｓ２と表示している画素）を有している。この２つのＡＦ専用画素Ｓ１，Ｓ２の内、一方の第１のＡＦ専用画素Ｓ１（第１の位相センサ）は、図13の（Ａ）に示すように、画素の中心から一方に偏った開口部201aを持つ遮光層201 を備えており、もう一方の第２のＡＦ専用画素Ｓ２（第２の位相センサ）は、図13の（Ｂ）に示すように、前記ＡＦ専用画素Ｓ１とは反対側に画素中心から等距離偏った場所に開口202aを持つ遮光層202 を備えている。

このような構成のＡＦ専用画素を持つ固体撮像素子において、固体撮像素子上に像を結ぶカメラレンズのピントが固体撮像素子のイメージ面上で合っているならば、第１のＡＦ専用画素Ｓ１を含む行の画素Ｓ１群からの像信号と、第２のＡＦ専用画素Ｓ２を含む行の画素Ｓ２群の信号群からの像信号は一致する。しかし、ピントを結ぶ点が固体撮像素子のイメージ面よりも前方もしくは後方にあるならば、第１のＡＦ専用画素Ｓ１を含む行の画素Ｓ１群からの像信号と、第２のＡＦ専用画素Ｓ２を含む画素Ｓ２群の信号群からの像信号との間には位相差が生じる。

このように、ＡＦ方式が固体撮像素子上で瞳分割する位相差方式であれば、固体撮像素子の通常撮像用の画素とＡＦ専用画素（ＡＦセンサ）とが同一部材で形成されているので、上記で説明した固体撮像素子とＡＦセンサとを別部材で構成したことに因る誤差要因はなくなる。

また、固体撮像素子のイメージ面上に結像された被写体像から得られる映像信号を演算処理して合焦点を求めるＡＦ装置の一つに、合焦の度合いを示す値が大きくなる方向に撮影レンズを移動させ、ピーク位置を検出したら、そこで撮影レンズの移動を停止するように構成された、所謂、山登り方式と呼称されるＡＦ方式がある。この山登り方式では、像のピントが合ってくると、映像信号中の高周波成分であるコントラスト情報が増える点に着目し、バンドパスフィルタ等により映像信号から取り出したその高周波成分を、合焦の度合いを示す信号として検出している。

この山登り方式のＡＦ装置では、撮影レンズの繰り出し、又は繰り込みながらコントラスト情報（コントラスト値）を得て、その値が最大となる位置を求めるため、ＡＦ動作を高速化するためには、撮像素子からの映像信号の読み出しスピードを高速に、すなわちフレームレートを上げる必要がある。そのため、特開平６−１４１２２５号公報には、ＡＦ動作時には、撮像素子から全画素の信号を読み出すのではなく、図14に示すように一部領域のみの画素から信号を読み出すことで、フレームレートを上げる手法が開示されている。図14において、301 が固体撮像素子の撮像領域であり、複数の画素302 が並んで形成されている。312 はＡＦエリアであり、その内のハッチングを付した画素311 のみを読み出すことで高速化を図っている。
特開２０００−１５６８２３号公報 特開平６−１４１２２５号公報

しかしながら、従来のＡＦ信号を出力できるようにした固体撮像装置においては、次に示すような問題点がある。すなわち、特開２０００−１５６８２３号公報開示のものにおいては、ＡＦ用の信号を得るために一部の画素をＡＦ専用画素として、他の通常の撮像画素とは構成を別にしているので、そのＡＦ専用の画素の情報は撮像信号としては使用ができず、出力画像の品質が落ちてしまうという問題点がある。また、特開平６−１４１２２５号公報開示のものにおいては、ＡＦ用の信号を高速に得ることはできるが、撮像動作とＡＦ用信号取得の動作を分けて行わなければならず、連写のように続けて撮影を行う場合には、撮影間の時間が長くなってしまうという問題点がある。

本発明は、従来のＡＦ信号を出力できるようにした固体撮像装置における上記問題点を解消するためになされたもので、単一の固体撮像装置で、全画素情報を用いた撮像を行いながら、同時に次に行う撮像の撮像条件を決めるためのＡＦやＡＥ信号といった制御信号を出力できるようにした固体撮像装置及びその固体撮像装置を用いた撮像装置システムを提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために、請求項１に係る発明は、光電変換素子と、該光電変換素子に蓄積された信号をリセットする手段と、前記光電変換素子に蓄積された信号を保持するメモリ手段と、前記光電変換素子に蓄積された信号を前記メモリ手段に転送する転送手段とを備えた画素が複数、２次元状に配列された画素部を有し、前記メモリ手段に保持された信号を前記画素の信号として出力する固体撮像装置であって、前記画素部を行方向に複数の画素領域に分割し、前記分割した画素領域単位で前記リセット動作と前記転送動作とを各々同時に行う一括制御手段と、前記画素の信号を出力する順番を前記分割した画素領域単位で制御する垂直走査手段と、前記分割した画素領域を単位として、２つの画素領域の画素の信号を並列に出力する第１及び第２の水平読出し手段とを有し、前記第１の水平読み出し手段は、前記一括制御手段が前記画素部の全画素について前記リセット動作を同時に行い、所望の蓄積時間の経過後、前記転送動作を同時に行なって得る全画素の信号を出力し、前記第２の水平読み出し手段は、複数の前記分割した画素領域より選択された、前記全画素より狭い複数行からなる任意の画素領域について、前記一括制御手段が定期的に前記リセット動作と前記転送動作とを各画素に対して各々同時に行って得るその画素領域の画素の信号を出力することを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の固体撮像装置と、前記第１の水平読み出し手段から出力される全画素の信号を視覚化する画像形成手段と、前記第２の水平読み出し手段から出力される信号に基づき、次の撮像に係る装置内部の各種設定を行う設定制御手段とを有して撮像装置システムを構成するものである。

このように構成した固体撮像装置並びに撮像装置システムによれば、全画素同時に光電変換素子をリセットし、蓄積し、その蓄積された信号をメモリ手段に転送した後、全画素の信号を読み出すと共に、画素部の一部領域の画素のみ、光電変換素子のリセット、蓄積、転送を繰り返し行い、全画素の信号と並列に出力することが可能となる。したがって、画像形成用の全画素の高品質な信号と共に、次の撮像の撮像条件を決めるためのＡＦやＡＥなどの制御信号を得ることが可能となる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（実施例１）
まず、本発明に係る固体撮像装置の実施例１を図１及び図２に基づいて説明する。図１は、実施例１に係る固体撮像装置の全体構成を示すブロック構成図で、図２は図１に示した固体撮像装置で用いられている１画素分の回路構成を示す図である。図１において、100 は画素部であり、Ｐ11〜Ｐ66で示す６×６の画素を２次元状に配列した場合の構成を示している。101 は垂直走査回路であり、行単位で画素を選択し、選択された行の画素の信号は、列毎に設けられている垂直信号線１へ出力されるようになっている。102 は垂直走査回路制御部であり、画素部100 中に示す領域Ａ，領域Ｂ，領域Ｃの３領域の内、どの領域を垂直走査回路101 が選択するかを制御する。ここで領域Ａ，領域Ｂ，領域Ｃとしては、図示例では画素部100 を２行ずつ３分割した例を示している。103 は一括制御回路であり、画素部100 中の全画素の動作、又は画素部100 中に示す領域Ａ，領域Ｂ，領域Ｃの３領域の内、いずれかの領域中の全画素の動作を一括制御する。

104 は第１の水平読み出し回路であり、垂直走査回路101 により選択され、垂直信号線１に出力された１行分の画素の信号を、取り込みパルスΦＴ１で制御される取り込みスイッチ２を介して取り込み、その行の画素の信号を水平方向の並びの順で時系列に第１の出力端子３から出力するものである。105 は第２の水平読み出し回路であり、第１の水平読出し回路104 と同様、垂直走査回路101 により選択され、垂直信号線１に出力された１行分の画素の信号を、取り込みパルスΦＴ２で制御する取り込みスイッチ４を介して取り込み、その行の画素の信号を水平方向の並びの順で時系列に第２の出力端子５から出力するものである。

次に、このように構成されている固体撮像装置における画素の構成について説明する。図２において、ＰＤは光電変換素子であり、ＭＥＭは光電変換素子ＰＤの信号を保持するメモリ素子である。ここで、メモリ素子ＭＥＭは遮光されており、画素部100 に光が入射されていても、メモリ素子ＭＥＭに保持されている信号は変化しないようになっている。Ｍ１は光電変換素子ＰＤをリセットするトランジスタであり、ＰＤリセットパルスΦＲＰＤにより制御される。Ｍ２は光電変換素子ＰＤの信号をメモリ素子ＭＥＭへ転送するトランジスタであり、転送パルスΦＴＲにより制御される。Ｍ４は増幅用トランジスタであり、垂直信号線１に設けられた不図示の負荷とでソースフォロアンプを構成する。メモリ素子ＭＥＭの信号は、増幅用トランジスタＭ４により増幅され、選択トランジスタＭ５を介して垂直信号線１に出力される。選択トランジスタＭ５は、選択パルスΦＳＥにより制御される。Ｍ３はメモリ素子ＭＥＭ及び増幅用トランジスタＭ４の入力部をリセットするトランジスタであり、リセットパルスΦＲＭにより制御されるようになっている。

ここで、選択パルスΦＳＥは、図１に示した固体撮像装置における垂直走査回路101 より出力され、図１中では、ΦＳＥ−１〜ΦＳＥ−６で示している。ＰＤリセットパルスΦＲＰＤは、図１に示した固体撮像装置における一括制御回路103 より出力され、図１中では、画素部100 中に示す領域Ａ，領域Ｂ，領域Ｃに入力される信号をそれぞれΦＲＰＤ−Ａ，ΦＲＰＤ−Ｂ，ΦＲＰＤ−Ｃで示している。転送パルスΦＴＲ，リセットパルスΦＲＭは、ＰＤリセットパルスΦＲＰＤと同様に、一括制御回路103 より出力され、図１中では、画素部100 中に示す領域Ａ，領域Ｂ，領域Ｃに入力される信号をそれぞれΦＴＲ−Ａ，ΦＴＲ−Ｂ，ΦＴＲ−Ｃ；ΦＲＭ−Ａ，ΦＲＭ−Ｂ，ΦＲＭ−Ｃで示している。

次に、図１に示す固体撮像装置の動作の説明に先立ち、図３，図４に示すタイミングチャートを用いて、図２に示す画素の動作を説明する。図３において、時刻ｔ１でＰＤリセットパルスΦＲＰＤを“Ｈ”レベルとすると、光電変換素子ＰＤはリセットされ、入射光により発生する信号の蓄積を開始する。時刻ｔ２でリセットパルスΦＲＭを“Ｈ”レベルにし、メモリ素子ＭＥＭをリセットする。その後、時刻ｔ３で転送パルスΦＴＲを“Ｈ”レベルにし、それまでに光電変換素子ＰＤに蓄積された信号をメモリ素子ＭＥＭに転送し、保持する。

そして、時刻ｔ４で選択パルスΦＳＥを“Ｈ”レベルにし、メモリ素子ＭＥＭに保持している信号を増幅して垂直信号線１に出力する。その後は、図２には示していない取り込みスイッチ、水平読み出し回路を介して、出力端子から信号を出力する。したがって、図２に示す画素においては、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの動作を、例えば、全画素一括に行うと、全画素の蓄積期間が同一となる。

図４においては、時刻ｔ３で転送パルスΦＴＲが“Ｈ”レベルになるまでは、図３のタイミングチャートで示す動作と同じであるが、時刻ｔ４でＰＤリセットパルスΦＲＰＤを“Ｈ”レベルとして光電変換素子ＰＤをリセットし、蓄積を開始する。そして、時刻ｔ５で選択パルスΦＳＥを“Ｈ”レベルとし、メモリ素子ＭＥＭに保持している信号を増幅して垂直信号線１に出力する。以降は取り込みスイッチ、水平読み出し回路を介して、出力端子から信号を出力する。

このように、図２に示す画素においては、時刻ｔ１から時刻ｔ４までの動作を、例えば、全画素一括に行うと、光電変換素子ＰＤの信号をメモリ素子ＭＥＭに転送し、保持している間に、次の蓄積動作を全画素同時に行うこともできる。

次に、図１に示す実施例１に係る固体撮像装置の動作を、図５に示すタイミングチャートを用いて説明する。時刻ｔ１でＰＤリセットパルスΦＲＰＤ−Ａ，ΦＲＰＤ−Ｂ，ΦＲＰＤ−Ｃを同時に“Ｈ”レベルにして、画素部100 における全画素の光電変換素子ＰＤを一括リセットし、入射光により発生する信号の蓄積を開始する。時刻ｔ２でリセットパルスΦＲＭ−Ａ，ΦＲＭ−Ｂ，ΦＲＭ−Ｃを同時に“Ｈ”レベルにし、全画素のメモリ素子ＭＥＭを一括リセットする。その後、時刻ｔ３で転送パルスΦＴＲ−Ａ，ΦＴＲ−Ｂ，ΦＴＲ−Ｃを同時に“Ｈ”レベルにし、それまでに光電変換素子ＰＤに蓄積した信号をメモリ素子ＭＥＭに全画素一括転送し、保持する。

ここで、全画素のメモリ素子ＭＥＭに保持する信号は、図５においてTint１で示す期間（時刻ｔ１〜時刻ｔ3 ）に全画素同時期に蓄積した信号である。その後、時刻ｔ４において、ＰＤリセットパルスΦＲＰＤ−Ｂを“Ｈ”レベルにして、画素部100 における領域Ｂ中の画素の光電変換素子ＰＤのみ一括リセットし、再び入射光により発生する信号の蓄積を開始する。そして、時刻ｔ５で選択パルスΦＳＥ−３を“Ｈ”レベルにし、３行目すなわち領域Ｂの１行目の画素を選択し、この３行目の画素のメモリ素子ＭＥＭに保持している信号を増幅して垂直信号線１に出力する。このとき、取り込みパルスΦＴ１も同時に“Ｈ”レベルとして、垂直信号線１に出力した信号を第１の水平読み出し回路104 に取り込み、水平方向の並びの順で時系列に第１の出力端子３から出力する。

図５に示すタイミングチャートでは、この第１の出力端子３からの出力信号をＳig１で示している。引き続いて、時刻ｔ６で選択パルスΦＳＥ−４を“Ｈ”レベルにして、４行目すなわち領域Ｂの２行目の画素を選択し、領域Ｂの１行目と同様に、領域Ｂの２行目の画素の信号を第１の出力端子３から出力する。

次に、時刻ｔ７でリセットパルスΦＲＭ−Ｂを“Ｈ”レベルして、画素部100 における領域Ｂ中の画素のメモリ素子ＭＥＭを一括リセットする。その後、時刻ｔ８で転送パルスΦＴＲ−Ｂを“Ｈ”レベルにして、領域Ｂ中の画素において、光電変換素子ＰＤに蓄積した信号をメモリ素子ＭＥＭに一括転送し、保持する。ここで、メモリ素子ＭＥＭに保持する信号は、図５においてTint２で示す期間（時刻ｔ４〜時刻ｔ８）に蓄積した信号である。

その後、時刻ｔ９において、ＰＤリセットパルスΦＲＰＤ−Ｂを“Ｈ”レベルにして、領域Ｂ中の画素の光電変換素子ＰＤのみ一括リセットし、再再度、入射光により発生する信号の蓄積を開始する。そして、時刻ｔ10で選択パルスΦＳＥ−１を“Ｈ”レベルにし、１行目すなわち画素部100 における領域Ａの１行目の画素を選択し、この１行目の画素のメモリ素子ＭＥＭに保持している信号を増幅して垂直信号線１に出力する。このとき、取り込みパルスΦＴ１も同時に“Ｈ”レベルとして、垂直信号線１に出力した信号を第１の水平読み出し回路104 に取り込み、水平方向の並びの順で時系列に第１の出力端子３から出力する。ここで第１の出力端子３から出力する領域Ａの１行目の画素の信号は、図５においてTint１で示す期間に蓄積した信号に対応する。

また、時刻ｔ11では、選択パルスΦＳＥ−３を“Ｈ”レベルにし、３行目すなわち画素部100 における領域Ｂの１行目の画素を再び選択し、この行の画素のメモリ素子ＭＥＭに保持している信号を増幅して垂直信号線１に出力する。このとき、取り込みパルスΦＴ２を同時に“Ｈ”レベルとして、垂直信号線１に出力した信号を第２の水平読み出し回路105 に取り込み、水平方向の並びの順で時系列に第２の出力端子５から出力する。図５に示すタイミングチャートでは、この第２の出力端子５からの出力信号をＳig２で示している。ここで第２の出力端子５から出力する領域Ｂの１行目の画素の信号は、図５においてTint２で示す期間に蓄積した信号に対応する。

引き続く時刻ｔ12では、選択パルスΦＳＥ−２と取り込みパルスΦＴ１を同時に“Ｈ”レベルとし、時刻ｔ13では、選択パルスΦＳＥ−４と取り込みパルスΦＴ２を同時に“Ｈ”レベルとして、２行目すなわち領域Ａの２行目の画素の信号と、４行目すなわち領域Ｂの２行目の画素の信号を、それぞれ水平方向の並びの順で時系列に第１の出力端子３と第２の出力端子５から出力する。ここで第１の出力端子３から出力する領域Ａの２行目の画素の信号は、図５においてTint１で示す期間に蓄積した信号に対応し、第２の出力端子５から出力する領域Ｂの２行目の画素の信号は、図５においてTint２で示す期間に蓄積した信号に対応する。

時刻ｔ14以降は、領域Ｂと領域Ｃの画素に対して時刻ｔ７以降の領域Ｂと領域Ａの画素に対する動作と同様な動作を行い、第１の出力端子３から図５においてTint１で示す期間に蓄積した信号に対応する領域Ｃの１行目及び２行目の画素の信号を出力し、第２の出力端子５から図５においてTint３で示す期間（時刻ｔ９〜時刻ｔ15）に蓄積した信号に対応する領域Ｂの１行目及び２行目の画素の信号を出力する。

以上説明したように、本実施例の固体撮像装置においては、図５においてTint１で示す期間に全画素同時に蓄積した全画素の信号を第１の出力端子３から、図５においてTint１で示す期間以降の入射光に対応する領域Ｂの画素からの信号を第２の出力端子５から同時に得ることができる。したがって、単一の固体撮像装置で、全画素情報を用いた撮像を行いながら、同時に時刻ｔ21以降に行われる次の撮像の撮像条件を決めるためのＡＦやＡＥ信号といった制御信号を得ることができる。

本実施例では、画素部100 を３領域に分け、中間の領域Ｂの画素の信号を他の領域Ａ，Ｃの画素の信号の出力と共に繰り返し出力する場合の動作を説明したが、画素部100 における領域の分け方は、本発明に係る固体撮像装置が使用される撮像装置システムのＡＦ又はＡＥもしくは両者の分割領域に合わせて分けておけばよく、また繰り返し出力する領域は、撮像時におけるＡＦ又はＡＥの注目領域に設定するようにすればよい。

（実施例２）
次に、実施例２に係る固体撮像装置を図６及び図７に基づいて説明する。図６は、実施例２に係る固体撮像装置の全体構成を示すブロック構成図で、図７は図６に示した固体撮像装置で用いられている１画素分の回路構成を示す図である。まず、本実施例における固体撮像装置に用いられている１画素分の回路構成について説明する。図７において、実施例１に係る固体撮像装置における図２に示した画素の構成と異なる点は、選択トランジスタが図７においてＭ５−１，Ｍ５−２で示すように２個となり、それらを制御する選択パルスがΦＳＥ−１，ΦＳＥ−２で示す２つとなり、２つの選択トランジスタＭ５−１，Ｍ５−２に接続される垂直信号線が１−１，１−２で示す２本となっている点である。それ以外の構成は、図２に示した実施例１の画素構成と同じであるので説明を省略する。

次に、図７に示す画素を用いた図６に示す固体撮像装置の構成について説明する。この固体撮像装置においては、垂直走査回路101 から出力される選択パルスがΦＳＥ１-1，ΦＳＥ２-1〜ΦＳＥ１-6，ΦＳＥ２-6で示す通り、各行２つとなり、また垂直信号線も各列２本となる。そして、第１の垂直信号線１−１を取り込みパルスΦＴ１で制御する取り込みスイッチ２に接続し、第２の垂直信号線１−２を取り込みパルスΦＴ２で制御する取り込みスイッチ４に接続している点が、図１に示した実施例１に係る固体撮像装置の構成と異なっている。他の構成は、図１と同じであるので説明を省略する。

次に、図７に示した実施例２に係る固体撮像装置の動作を、図８に示すタイミングチャートを用いて説明する。図８において時刻ｔ１から時刻ｔ９までの動作は、図５のタイミングチャートで示した実施例１の動作と同じであり、その説明を省略し、時刻ｔ10以降の動作について説明する。時刻ｔ10で第１の選択パルスΦＳＥ１-1を“Ｈ”レベルにし、１行目すなわち画素部100 における領域Ａの１行目の画素を選択し、この１行目の画素のメモリ素子ＭＥＭに保持している信号を増幅して第１の垂直信号線１−１に出力する。このとき、取り込みパルスΦＴ１も同時に“Ｈ”レベルとして、第１の垂直信号線１−１に出力した信号を第１の水平読み出し回路104 に取り込み、水平方向の並びの順で時系列に第１の出力端子３から出力する。ここで第１の出力端子３から出力する領域Ａの１行目の画素の信号は、図８においてTint１で示す期間（時刻ｔ１〜時刻ｔ３）に蓄積した信号に対応する。

また、時刻ｔ10では、第２の選択パルスΦＳＥ２-3も同時に“Ｈ”レベルにし、３行目すなわち画素部100 における領域Ｂの１行目の画素を再び選択し、この３行目の画素のメモリ素子ＭＥＭに保持している信号を増幅して第２の垂直信号線１−２に出力する。このとき、取り込みパルスΦＴ２も同時に“Ｈ”レベルとしているので、第２の垂直信号線１−２に出力した信号を第２の水平読み出し回路105 に取り込み、水平方向の並びの順で時系列に第２の出力端子５から出力する。ここで第２の出力端子５から出力する領域Ｂの１行目の画素の信号は、図８においてTint２で示す期間（時刻ｔ４〜時刻ｔ８）に蓄積した信号に対応する。

引き続く時刻ｔ11では、第１の選択パルスΦＳＥ１-2と取り込みパルスΦＴ１と、更に、第２の選択パルスΦＳＥ２-4と取り込みパルスΦＴ２を同時に“Ｈ”レベルとして、２行目すなわち領域Ａの２行目の画素の信号と、４行目すなわち領域Ｂの２行目の画素の信号を、それぞれ水平方向の並びの順で時系列に第１の出力端子３と第２の出力端子５から出力する。ここで第１の出力端子３から出力する領域Ａの２行目の画素の信号は、図８においてTint１で示す期間に蓄積した信号に対応し、第２の出力端子５から出力する領域Ｂの２行目の画素の信号は、図８においてTint２で示す期間に蓄積した信号に対応する。

このように、本実施例の固体撮像装置においては、選択トランジスタを各画素にそれぞれ２個設け、垂直信号線を各列毎に２本設けているので、２行分の画素の信号を同時に第１の水平読み出し回路104 と第２の水平読み出し回路105 に取り込むことができる。したがって、２行分の画素信号を第１及び第２の水平読み出し回路104 ，105 にそれぞれ取り込む際、時分割で行っていた実施例１に係る固体撮像装置に比べ、取り込み動作時間を短縮することが可能となる。

時刻ｔ15以降の、図８においてTint１で示す期間に蓄積した信号に対応する領域Ｃの１行目及び２行目の画素の信号出力の動作と、図８においてTint３で示す期間に蓄積した信号に対応する領域Ｂの１行目及び２行目の画素の信号出力の動作においても、同様に２行分の画素の信号を同時にそれぞれ第１の水平読み出し回路104 と第２の水平読み出し回路105 に取り込むことができる。

以上説明したように、本実施例２に係る固体撮像装置においては、図８においてTint１で示す期間に全画素同時に蓄積した全画素の信号を第１の出力端子３から、図８においてTint１で示す期間以降の入射光に対応する領域Ｂの画素からの信号を第２の出力端子５から同時に、且つ実施例１に係る固体撮像装置よりも短時間で得ることができる。したがって、単一の固体撮像装置で、全画素情報を用いた撮像を行いながら、同時に時刻ｔ17以降に行われる次の撮像の撮像条件を決めるためのＡＦやＡＥ信号といった制御信号を得ることができることは、実施例１に係る固体撮像装置と同様である。

本実施例では、画素部100 を３領域に分け、中間の領域Ｂの画素の信号を他の領域Ａ，Ｃの画素信号の出力と共に繰り返し出力する場合の動作を説明したが、画素部100 における領域の分け方は、本発明の固体撮像装置が使用される撮像装置システムのＡＦ又はＡＥもしくは両者の分割領域に合わせて分けておけばよく、また繰り返し出力する領域は、撮像時におけるＡＦ又はＡＥの注目領域に設定するようにすればよい。

なお、実施例１及び２において、Tint１で示す期間に全画素同時に蓄積した全画素の信号を第１の出力端子３から出力する領域の順番は、垂直走査回路制御部102 により垂直走査回路101 を制御することにより行う。例えば、垂直走査回路101 をデコーダで構成した場合は、デコーダを駆動する信号を垂直走査回路制御部102 で変更することにより、任意の順番で画素部100 の行を選択することが可能となる。また、垂直走査回路101 をシフトレジスタで構成した場合は、画素部100 において分割した領域に対応させて、シフトレジスタのスタート信号を入力する位置を複数設けておき、スタート信号の入力位置を垂直走査回路制御部102 により制御することにより、選択する領域の順番を任意に変更することが可能となる。

また、画素の光電変換素子ＰＤ及びメモリ素子ＭＥＭのリセット、並びに光電変換素子ＰＤからメモリ素子ＭＥＭへの転送を、全画素又は領域毎に一括で行う動作は、一括制御回路103 により制御する。一括制御回路103 の構成例を図９に示す。ここでは、ＰＤリセットパルスΦＲＰＤを例に説明する。図９において、画素部100 を領域Ａ，領域Ｂ，領域Ｃの３つの領域に分けて、それぞれの領域にＰＤリセットパルスΦＲＰＤ−Ａ，ΦＲＰＤ−Ｂ，ΦＲＰＤ−Ｃを、一括制御回路103 から入力している態様は、図１及び図６に示している態様と同じである。一括制御回路103 は、ＰＤリセットパルスΦＲＰＤをコントロール信号Ｃnt−Ａ，Ｃnt−Ｂ，Ｃnt−ＣとのＡＮＤ回路103-１，103-２，103-３を介して、各領域へのＰＤリセットパルスΦＲＰＤ−Ａ，ΦＲＰＤ−Ｂ，ΦＲＰＤ−Ｃとして出力するように構成されている。

このような構成の一括制御回路103 において、コントロール信号Ｃnt−Ａ，Ｃnt−Ｂ，Ｃnt−Ｃを全て“Ｈ”レベルとした場合は、各領域へのＰＤリセットパルスΦＲＰＤ−Ａ，ΦＲＰＤ−Ｂ，ΦＲＰＤ−Ｃとして全て同じ信号が出力され、画素部100 の全画素の光電変換素子ＰＤを一括リセットする。そして、コントロール信号Ｃnt−Ｂのみ“Ｈ”レベルとした場合は、領域ＢへのＰＤリセットパルスΦＲＰＤ−Ｂのみに信号が出力され、領域Ｂの画素の光電変換素子ＰＤを一括リセットすることとなる。また、一括制御回路103 に画素の光電変換素子ＰＤ及びメモリ素子ＭＥＭのリセット、並びに光電変換素子ＰＤからメモリ素子ＭＥＭへの転送を行毎に行う機能を追加することも可能であり、これらの追加機能は、一括制御回路を例えばデコーダで構成することにより実現できる。

また、本発明に係る固体撮像装置において用いる画素の構成は、上記実施例１及び２に係る固体撮像装置で用いた画素の構成に限定されず、光電変換素子とその信号をリセットする手段、及び光電変換素子の信号を保持できるメモリ素子が備わった画素であればよい。例えば、実施例１及び２に係る固体撮像装置で用いた画素において、光電変換素子ＰＤからメモリ素子ＭＥＭへの信号の転送を完全転送できる構成であれば、転送と同時に光電変換素子ＰＤがリセットされることとなるので、光電変換素子ＰＤをリセットするトランジスタＭ１をなくすことも可能である。

なお、一般的に画素に増幅素子（増幅用トランジスタ）を設けた場合、画素信号のノイズが増大するが、これを抑圧するための手段を例えば水平読み出し回路内に設け、それに応じた駆動を行ってもよいことは言うまでもない。水平読み出し回路の構成は、垂直信号線に出力される画素の信号を水平方向の並びの順で時系列に出力するものであれば特に限定されない。

（実施例３）
次に、本発明に係る撮像装置システムの実施例を実施例３として説明する。この実施例に係る撮像装置システムの構成を図10に示す。図10において、11は本実施例に係る撮像装置システムの全体構成を示している。12は撮影のためのレンズ装置、13は実施例１もしくは２で説明した固体撮像装置であり、全画素の信号と並列に、画素部の一部領域（Ａ領域もしくはＢ領域もしくはＣ領域）のみ繰り返し出力することが可能なものである。ここでは、全画素の信号は第１の出力端子13−１から出力され、繰り返し出力される一部画素領域の信号は第２の出力端子13−２から出力される。14−１，14−２は固体撮像装置13の画素部に結像された入射光に対応する固体撮像装置13の出力信号をデジタル信号に変換する第１及び第２のＡ／Ｄ変換装置で、第１の出力端子13−１と第２の出力端子13−２にそれぞれ第１及び第２のＡ／Ｄ変換装置14−１，14−２が接続されている。15−１，15−２はＡ／Ｄ変換された画像信号を一時的に記録する第１及び第２のメモリ装置で、上記２個の第１及び第２のＡ／Ｄ変換装置14−１，14−２に対応している。16は第１のメモリ装置15−１に蓄えられた全画素の画像信号を処理する信号処理回路、17は前記信号処理回路16で処理された画像信号を一時的に記憶する第３のメモリ装置、18は第２のメモリ装置15−２に蓄えられた一部画素領域の信号を用いて、画像の鮮鋭度を検出し合焦状態を判別する焦点演算回路で、ここではバンドパスフィルターで抽出した画像の高周波成分を評価するようになっている。

19は撮像システム11全体の制御をつかさどる制御装置で、固体撮像装置13の信号読み出し、第１及び第２のＡ／Ｄ変換装置14−１，14−２、第１及び第２のメモリ装置15−１，15−２への記録、信号処理回路16の制御等の全てをつかさどる。20は前記焦点演算回路18で判定された合焦状態の結果に基づき、レンズ装置12を合焦状態へと制御するレンズ制御装置である。21は前記レンズ制御装置20からの信号を受けて、レンズ装置12を駆動するモーターを含むレンズ駆動装置である。22は信号処理回路16で作られた画像を受け取り、記録装置23に記録することをつかさどる画像記録用制御装置である。23は最終的な画像を記録する記録装置である。

次に、以上のように構成された撮像装置システムの動作について、図11に示すフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１でＡＦの開始が指示される。ＡＦの開始が指示されたら、撮像装置システム11の制御装置19は撮像の開始を指示する（ステップＳ２）。ここでは、固体撮像装置13の画素部の領域Ｂについてのみ、一括リセット、蓄積、一括転送の動作を行い、固体撮像装置13の第２の出力端子13−２からレンズ装置12を通して集光される被写体像に対応する信号を出力する（ステップＳ３）。固体撮像装置13の第２の出力端子13−２から出力された領域Ｂの信号は、制御装置19の指示で第２のＡ／Ｄ変換装置14−２でＡ／Ｄ変換され、焦点演算回路18に入力される（ステップＳ４）。焦点演算回路18では、受け取った信号を焦点演算回路18内のバンドパスフィルターを通し高周波成分を取り出し（ステップＳ５）、高周波成分の鮮鋭度を評価する（ステップＳ６）。

制御装置19は、次にレンズ制御装置20にレンズ装置12の駆動を指示する。レンズ装置12の駆動方向は至近方向、無限方向のどちらでもよい。レンズ制御装置20の指示に従いレンズ駆動装置21はレンズ装置12を動かす（ステップＳ７）。レンズ装置12の駆動が終了したら、制御装置19の指示に従い固体撮像装置13は、領域Ｂについてのみ再度撮像を行う（ステップＳ２）。その撮像が終了したら、再度上記と同様の動作を行って画像の鮮鋭度を再評価する（ステップＳ２〜Ｓ６）。再評価の結果、画像の鮮鋭度が上がっていたら、レンズ装置12を再度同方向に駆動する（ステップＳ７）。再評価の結果、画像の鮮鋭度が下がっていたら、レンズ装置12を前回と逆方向に駆動する（ステップＳ７）。そして上記動作を繰り返し、鮮鋭度がピークとなる位置を探し出し、オートフォーカス動作は終了する。これは、所謂山登りＡＦ方式の原理そのものである。

ステップＳ８で合焦と判断されたら、システムは図示しない表示装置において、合焦表示を表示する（ステップＳ９）。次に撮影者からの撮影指示を待つ（ステップＳ10）。撮影指示がない場合、撮像装置システム11はスタンバイ状態となる（ステップＳ11）。撮影指示があったら、制御装置19の指示で撮像を行う（ステップＳ12）。

ここでは、実施例１もしくは２で動作説明したように、固体撮像装置13の画素部の全領域について、一括リセット、蓄積、一括転送の動作を行い、まず、領域Ｂの信号を第１の出力端子13−１から出力する。その後、第１の出力端子13−１からは、領域Ａ，Ｃの信号を、それと並行して、第２の出力端子13−２からは、領域Ｂの信号を繰り返し出力する。ここで、固体撮像装置13の第１の出力端子13−１から出力された信号は、第１のＡ／Ｄ変換装置14−１でＡ／Ｄ変換され（ステップＳ13）、Ａ／Ｄ変換された画像信号は第１のメモリ装置15−１に一旦蓄えられる（ステップＳ14）。

第１のメモリ装置15−１に蓄えられた画像信号は、信号処理回路６にて画像処理され（ステップＳ15）、第３のメモリ装置17に蓄えられて、画像記録用制御装置22を通して記録装置23に記録され（ステップＳ16）、全画素情報を用いた撮像画像が得られる。一方、固体撮像装置13の第２の出力端子13−２から出力された領域Ｂの信号は、ステップＳ２〜Ｓ６と同様な動作が行われて画像の鮮鋭度が評価され、合焦状態となると、次の撮像が可能となる（ステップＳ17〜Ｓ23）。

以上説明したように、本実施例に係る撮像装置システムにおいては、固体撮像装置において全画素同時に蓄積した全画素の信号を第１の出力端子から、その蓄積期間以降の入射光に対応する領域Ｂからの信号を第２の出力端子から同時に得ることができる。すなわち、全画素情報を用いた撮像を行いながら、次の撮像の撮像条件を決めるためのＡＦ動作を行うことができる。

上記本実施例に係る撮像装置システムの説明では、合焦方式について山登りＡＦ方式を用いて説明したが、オートフォーカスの評価方法は他の方式でもよい。なお、本実施例では、固体撮像装置の第２の出力端子から得られる信号をＡＦ動作に応用した場合を説明したが、この信号はＡＥ動作に応用することも可能であることは言うまでもない。また、本実施例では、固体撮像装置の画素部を３領域に分け、領域Ｂの画素の信号を繰り返し出力させる場合の動作について説明したが、画素部の領域の分け方は、当該固体撮像装置が使用される撮像装置システムのＡＦ又はＡＥもしくは両者の分割領域に合わせて分けておけばよく、繰り返し出力する領域は、撮像時におけるＡＦ又はＡＥの注目領域に設定するようにすればよい。更に、撮像装置システムの構成は、本実施例に限定されず、全画素情報を用いた撮像を行いながら、次の撮像の撮像条件を決めるための動作を行うことができる構成であればよい。

本発明に係る固体撮像装置の実施例１の構成を示すブロック構成図である。 図１に示した実施例１に係る固体撮像装置における画素の構成を示す回路構成図である。 図２に示した画素の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。 図２に示した画素の動作の他の例を説明するためのタイミングチャートである。 図１に示した実施例１に係る固体撮像装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明に係る固体撮像装置の実施例２の構成を示すブロック構成図である。 図６に示した実施例２に係る固体撮像装置における画素の構成を示す回路構成図である。 図７に示した実施例２に係る固体撮像装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図７に示した実施例２に係る固体撮像装置における一括制御回路の構成例を示すブロック構成図である。 本発明に係る撮像装置システムの実施例を示すブロック構成図である。 図10に示した撮像装置システムの動作を説明するためのフローチャートである。 従来の撮像画素中にＡＦ専用画素を備えた画素部のカラーフィルタ配列を示す図である。 図12に示した画素部におけるＡＦ専用画素の断面構造を示す図である。 従来の画素部の一部領域からのみＡＦ信号を読み出す態様を示す説明図である。

１ 垂直信号線
２，４ 取り込みスイッチ
３ 第１の出力端子
５ 第２の出力端子
11 撮像装置システム
12 レンズ装置
13 固体撮像装置
13−１ 第１の出力端子
13−２ 第２の出力端子
14−１ 第１のＡ／Ｄ変換装置
14−２ 第２のＡ／Ｄ変換装置
15−１ 第１のメモリ装置
15−２ 第２のメモリ装置
16 信号処理回路
17 第３のメモリ装置
18 焦点演算回路
19 制御装置
20 レンズ制御装置
21 レンズ駆動装置
22 画像記録用制御回路
23 記録装置
100 画素部
101 垂直走査回路
102 垂直走査回路制御部
103 一括制御回路
103-１，103-２，103-３ ＡＮＤ回路
104 第１の水平読み出し回路
105 第２の水平読み出し回路

Claims (2)

1. 光電変換素子と、該光電変換素子に蓄積された信号をリセットする手段と、前記光電変換素子に蓄積された信号を保持するメモリ手段と、前記光電変換素子に蓄積された信号を前記メモリ手段に転送する転送手段とを備えた画素が複数、２次元状に配列された画素部を有し、前記メモリ手段に保持された信号を前記画素の信号として出力する固体撮像装置であって、前記画素部を行方向に複数の画素領域に分割し、前記分割した画素領域単位で前記リセット動作と前記転送動作とを各々同時に行う一括制御手段と、前記画素の信号を出力する順番を前記分割した画素領域単位で制御する垂直走査手段と、前記分割した画素領域を単位として、２つの画素領域の画素の信号を並列に出力する第１及び第２の水平読み出し手段とを有し、
   前記第１の水平読み出し手段は、前記一括制御手段が前記画素部の全画素について前記リセット動作を同時に行い、所望の蓄積時間の経過後、前記転送動作を同時に行なって得る全画素の信号を出力し、前記第２の水平読み出し手段は、複数の前記分割した画素領域より選択された、前記全画素より狭い複数行からなる任意の画素領域について、前記一括制御手段が定期的に前記リセット動作と前記転送動作とを各画素に対して各々同時に行って得るその画素領域の画素の信号を出力することを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置と、前記第１の水平読み出し手段から出力される全画素の信号を視覚化する画像形成手段と、前記第２の水平読み出し手段から出力される信号に基づき、次の撮像に係る装置内部の各種設定を行う設定制御手段とを有する撮像装置システム。

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