JP6234054B2 - 撮像装置および撮像装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置および撮像装置の制御方法に関するものである。

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撮像素子は、その多機能が進んでおり、例えば焦点検出機能を有するものも知られている。具体的には、撮像素子の１つの画素に２つのフォトダイオードと１つのマイクロレンズを設ける。そして、各フォトダイオードが撮影レンズの異なる瞳を通過した光を受光するよう構成することで、各フォトダイオードの出力信号を用いた位相差検出方式の焦点検出が可能となる。また、同じ画素に設けられた２つのフォトダイオードの出力信号を加算することで、画像出力を得ることができる（特許文献１）。

特開２００１-１２４９８４号公報

特許文献１の構成では、１画素あたり２つのフォトダイオードから信号を取得する必要がある。そのため、１つの画素に１つのフォトダイオードを有する従来の構成に対して、読み出す時間が２倍に増えてしまうという問題がある。しかし、所定のフレームレートでの読み出しを達成するには読み出し時間の短縮が必要である。

本発明はこのような課題に鑑み、位相差検出方式の焦点検出が可能な撮像素子を用いた撮像装置において、信号読み出し時間の短縮が可能な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、各々が複数の光電変換手段を備える複数の単位画素が行列状に配置された画素配列と、前記画素配列の列毎に設けられた第１の容量と、前記画素配列の列毎に設けられた第２の容量と、各単位画素が備える前記複数の光電変換手段の一部から第１の信号を読み出して前記第１の容量に書き込む第１の書き込み処理と、各単位画素が備える前記複数の光電変換手段の全てから第２の信号を読み出して前記第２の容量に書き込む第２の書き込み処理とを実行する駆動手段と、前記第１の信号と、前記第２の信号と前記第１の信号の差分信号とを用いて焦点検出を行う焦点検出手段と、前記第２の信号から撮影画像データを生成する撮影画像データ生成手段と、前記駆動手段、前記焦点検出手段および前記撮影画像データ生成手段を制御する制御手段と、を有し、前記第１の書き込み処理の時間が前記第２の書き込み処理の時間よりも短く設定されることを特徴とする。

本発明によれば、位相差検出方式の焦点検出が可能な撮像素子を用いた撮像装置において、信号読み出し時間を短縮することができる。

本発明にかかる撮像装置の撮影レンズの射出瞳から出た光束が単位画素に入射する概念図 撮像装置の全体ブロック図 実施形態１の撮像素子の全体図 実施形態１の撮像素子の単位画素の回路図 実施形態１の撮像素子の読み出し回路の回路図 実施形態１の撮像素子の駆動タイミングチャート

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
［実施形態１］
はじめに、通常の被写体撮像用の撮像素子で位相差検出方式の焦点検出を実現する原理を説明する。図１は、撮影レンズの射出瞳から出た光束が、撮像素子が有する単位画素の１つに入射する状態を模式的に示した図である。単位画素１００は、第１のフォトダイオード１０１Ａおよび第２のフォトダイオード１０１Ｂを有する。また、単位画素１００に対応して、カラーフィルタ３０２およびマイクロレンズ３０３が設けられている。

マイクロレンズ３０３を有する画素に対して、撮影レンズの射出瞳３０４から出た光束の中心を光軸３０５とする。射出瞳３０４を通過した光は、光軸３０５を中心として単位画素１００に入射する。瞳領域３０６、３０７は撮影レンズの射出瞳の一部領域である。図１に示すように、瞳領域３０６を通過する光束は、マイクロレンズ３０３を通してフォトダイオード１０１Ａで受光され、瞳領域３０７を通過する光束は、マイクロレンズ３０３を通してフォトダイオード１０１Ｂで受光される。このように、フォトダイオード１０１Ａと１０１Ｂが、それぞれ撮影レンズの出射瞳３０４の別々の瞳領域３０６、３０７の光を受光するため、フォトダイオード１０１Ａと１０１Ｂの信号の位相差に基づく焦点検出が可能である。

ここで、フォトダイオード１０１Ａから得られる信号をＡ像信号、フォトダイオード１０１Ｂから得られる信号をＢ像信号とする。Ａ像信号とＢ像信号を加算した（Ａ＋Ｂ）像信号は、単位画像１００の撮像信号として用いることができる。

図２は、本実施形態の撮像素子を用いた撮像装置の機能構成例を示すブロック図である。撮像装置の光学系は、被写体の光学像を撮像素子１１０１に結像させる撮影レンズ１１１０などを含み、レンズ駆動回路１１０９によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などが行われる。撮像素子１１０１には、複数の単位画素１００が行列状に配置されている。撮像素子１１０１に結像された被写体の像は、電気的な画像信号として撮像素子１１０１から出力される。信号処理回路１１０３は、撮像素子１１０１から出力される画像信号に各種の補正を行ったり、圧縮したりする。信号処理回路１１０３では、撮像素子１１０１で取得したＡ像信号と（Ａ＋Ｂ）像信号の差分信号としてＢ像信号の生成を行ってもよい。タイミング発生回路１１０２は、撮像素子１１０１を駆動するタイミング信号を出力する。全体制御・演算回路１１０４は、各種演算を行うとともに、撮像素子１１０１の動作を含む撮像装置全体の動作を制御する。全体制御・演算回路１１０４は、Ａ像信号およびＢ像信号を用いた位相差検出方式の焦点検出動作も行う。信号処理回路１１０３が出力する画像データは、メモリ回路１１０５に一時的に記憶される。表示回路１１０６は、各種情報や撮影した画像を表示する。記録回路１１０７は、画像データの記録または読み出しを行う。記録回路１１０７は、例えば半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体を読み書きする回路である。操作回路１１０８は、スイッチ、ボタン、タッチパネルなどを代表とする入力デバイス群を含み、撮像装置に対するユーザ指示を受け付ける。

つぎに、撮像素子１１０１の構成例を図３〜５を用いて説明する。図３は、撮像素子１１０１の全体構成例を示す図である。撮像素子１１０１は、画素領域１、垂直走査回路２、読み出し回路３、水平走査回路４、出力アンプ５から構成される。画素領域１には、複数の単位画素１００が行列状に配置されている。ここでは、説明を簡単にするために４×４の１６画素の配列を示してあるが、実際には数１００万以上の単位画素が行列状に配置される。図１で説明したように、各単位画素１００は、第１のフォトダイオード１０１Ａおよび第２のフォトダイオード１０１Ｂを備える。本実施形態では、垂直走査回路２は、画素領域１の画素を１行単位で選択し、選択行の画素に対して駆動信号を送出する。読み出し回路３は、列毎に列読み出し回路を備え、単位画素１００からの出力信号を増幅し、その出力信号をサンプルホールドする。水平走査回路４は、読み出し回路３でサンプルホールドされた信号を列毎に順次出力アンプ５に出力するための信号を送出する。出力アンプ５は、水平走査回路４の動作により、読み出し回路３から出力された信号を信号処理回路１１０３に出力する。垂直走査回路２、読み出し回路３、水平走査回路４は、タイミング発生回路１１０２からのタイミング信号により駆動される。

図４は、単位画素１００の構成例を示す回路図である。第１のフォトダイオード１０１Ａ、第２のフォトダイオード１０１Ｂには、第１の転送スイッチ１０２Ａ、第２の転送スイッチ１０２Ｂがそれぞれ接続されている。また、第１および第２の転送スイッチ１０２Ａ、１０２Ｂの出力は、フローティングディフュージョン領域１０３を通じて増幅部１０４に接続されている。フローティングディフュージョン領域１０３にはリセットスイッチ１０５が接続され、増幅部１０４には選択スイッチ１０６が接続される。

フォトダイオード１０１Ａ、１０１Ｂは、同一のマイクロレンズを通過した光を受光し、その受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換部として機能する。転送スイッチ１０２Ａ、１０２Ｂは、それぞれフォトダイオード１０１Ａ、１０１Ｂで発生した電荷を共通のフローティングディフュージョン領域１０３に転送する転送部として機能する。転送スイッチ１０２Ａ、１０２Ｂは、それぞれ垂直走査回路２からの転送パルス信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢによって制御される。フローティングディフュージョン領域１０３は、フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂから転送された電荷を一時的に保持するとともに、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機能する。増幅部１０４は、ソースフォロワＭＯＳトランジスタであり、フローティングディフュージョン領域１０３により変換された電圧信号を増幅して、画素信号として出力する。リセットスイッチ１０５は、垂直走査回路２からのリセットパルス信号ＰＲＥＳによって制御され、フローティングディフュージョン領域１０３の電位を基準電位ＶＤＤ１０８にリセットする。選択スイッチ１０６は、垂直走査回路２からの垂直選択パルス信号ＰＳＥＬによって制御され、増幅部１０４で増幅された電圧信号を垂直出力線１０７に画素信号として出力する。

図５は、図３の読み出し回路３に含まれる列読み出し回路２００の構成例を示す回路図である。読み出し回路３は、列毎に列読み出し回路２００を備えるが、各列の構成は共通であるので、ここでは１列のみ示してある。垂直出力線１０７上の信号電圧はオペアンプ２０３により増幅される。オペアンプ２０３には基準電圧ＶＲＥＦが供給される。オペアンプ２０３の入力にはクランプ容量Ｃ０２０４が接続され、入出力間にはフィードバック容量Ｃｆ２０５が接続される。また、フィードバック容量Ｃｆ２０５の両端には、両端をショートさせるためのスイッチ２０６が設けられている。スイッチ２０６は、読み出し回路３のＰＣ０Ｒ信号で制御される。垂直出力線１０７には定電流源２０１が接続されている。

ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７、ＣＴＳ＿Ａ２０８、ＣＴＮ２０９は、オペアンプ２０３からの信号電圧を保持するための容量である。スイッチ２１０、２１１、２１２は、それぞれＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７、ＣＴＳ＿Ａ２０８、ＣＴＮ２０９への書き込みを制御するスイッチである。スイッチ２１０は、読み出し回路３のＰＴＳ＿Ａ＋Ｂ信号で制御され、スイッチ２１１は、読み出し回路３のＰＴＳ＿Ａ信号で制御される。スイッチ２１２は、読み出し回路のＰＴＮ信号で制御される。ＣＴＳ_２２１９、ＣＴＮ_２２２０は、ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７、ＣＴＳ＿Ａ２０８、ＣＴＮ２０９からの信号電圧を保持するための容量である。スイッチ２１６、２１７、２１８は、ＣＴＳ_２２１９、ＣＴＮ_２２２０への書き込みを制御するスイッチである。スイッチ２１６は、ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７の信号をＣＴＳ_２２１９に書き込むためのもので、読み出し回路のＰＴＳ２＿Ａ＋Ｂ信号で制御される。スイッチ２１７は、ＣＴＳ＿Ａ２０８の信号をＣＴＳ_２２１９に書き込むためのもので、読み出し回路のＰＴＳ２＿Ａ信号で制御される。スイッチ２１８は、ＣＴＮ２０９の信号をＣＴＮ_２２２０に書き込むためのもので、読み出し回路のＰＴＮ２信号で制御される。

また、ＣＴＳ_２２１９、ＣＴＮ_２２２０の直前には、バッファとしてのボルテージフォロワ回路２１３、２１４、２１５を設けている。ボルテージフォロワ回路２１３、２１４、２１５は、ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７、ＣＴＳ＿Ａ２０８、ＣＴＮ２０９のそれぞれに蓄積された電位と等しい電位を、容量分割によらずＣＴＳ_２２１９、ＣＴＮ_２２２０に伝達する。

スイッチ２２１、２２２は、水平走査回路４からのＰＨ信号で制御され、ＣＴＳ_２２１９に書き込まれた信号は共通出力線２２３を介して、ＣＴＮ_２２２０に書き込まれた信号は共通出力線２２４を介して、それぞれ出力アンプ５に出力される。ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７、ＣＴＳ＿Ａ２０８、ＣＴＮ２０９への信号書き込みとＣＴＳ_２２１９、ＣＴＮ_２２２０からの水平走査による信号読み出しは、並行して行われる。

図６に、本実施形態に係る撮像素子１１０１の駆動方法を実現するためのタイミングチャートを示す。図６は、垂直走査回路２がある行を選択した際の駆動タイミングを表す。時刻ｔ１において、水平同期信号ＳＹＮＣが立ち上がるとともに、選択された行の垂直選択パルス信号ＰＳＥＬがＬ→Ｈとなる。これにより選択された行の選択スイッチ１０６（図４）がオンし、選択された行の画素信号を垂直出力線１０７に出力することが可能となる。

時刻ｔ２には、リセットパルス信号ＰＲＥＳがＬ→Ｈとなり、リセットスイッチ１０５がオンし、フローティングディフュージョン領域１０３の電位が電源ＶＤＤにリセットされる。時刻ｔ３には、リセットパルス信号ＰＲＥＳがＨ→Ｌとなり、リセットスイッチ１０５がオフし、フローティングディフュージョン領域１０３のリセットが解除される。このときのフローティングディフュージョン領域１０３の電位は、垂直出力線１０７に増幅部１０４を介してリセット信号レベルとして読み出され、列読み出し回路２００に入力される。列読み出し回路２００では、ＰＣ０Ｒ信号がＨでスイッチ２０６（図５）がオンになっており、オペアンプ２０３が基準電圧Ｖｒｅｆの出力をバッファする状態でリセット信号レベルがクランプ容量Ｃ０２０４に入力される。

その後、時刻ｔ４でＰＣ０Ｒ信号をＨ→Ｌとし、時刻ｔ５でＰＴＮ信号をＨにしてスイッチ２１２をオンして、そのときのオペアンプ２０３の出力をリセット電圧として容量ＣＴＮ２０９へ書き込む。その後、時刻ｔ６でＰＴＮ信号をＬとして、スイッチ２１２をオフしてＣＴＮ２０９へのリセット電圧の書き込みを終了する。

時刻ｔ７でＰＴＳ＿Ａ信号をＨとし、スイッチ２１１をオンにし、容量ＣＴＳ＿Ａ２０８に信号を書き込み可能な状態とする。続いて、時刻ｔ８で転送パルス信号ＰＴＸＡをＨとして、フォトダイオード１０１Ａの電荷をフローティングディフュージョン領域１０３へ転送し、時刻ｔ９で転送パルス信号ＰＴＸＡをＬとする。この動作により、フォトダイオード１０１Ａに蓄積された電荷がフローティングディフュージョン領域１０３へ読み出される。そして、フローティングディフュージョン領域１０３で電荷が電圧に変換されて、その電圧が増幅部１０４および垂直出力線１０７を介して読み出し回路２００へ供給される。

列読み出し回路２００では、オペアンプ２０３がクランプ容量Ｃ０２０４とフィードバック容量Ｃｆ２０５の比率に応じた利得で垂直出力線１０７から供給された電圧を増幅して出力する。このフォトダイオード１０１Ａから提供された信号電圧は、容量ＣＴＳ＿Ａ２０８に書き込まれる。時刻ｔ１０でＰＴＳ＿Ａ信号をＨ→Ｌと切り替え、スイッチ２１１をオフし、容量ＣＴＳ＿Ａ２０８への書き込みを終了する。この容量ＣＴＳ＿Ａ２０８への信号書き込み期間（時刻ｔ７〜ｔ１０）をＴ１とする。

時刻ｔ１１でＰＴＳ＿Ａ＋Ｂ信号をＨとし、スイッチ２１０をオンにし、容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７に信号を書き込み可能な状態とする。続いて、時刻ｔ１２で再び転送パルス信号ＰＴＸＡをＨとすると同時に転送パルス信号ＰＴＸＢもＨとする。この動作により、フォトダイオード１０１Ａと１０１Ｂの双方の電荷を同時にフローティングディフュージョン領域１０３へ読み出すことができる。そして、時刻ｔ１４で転送パルス信号ＰＴＸＡおよびＰＴＸＢをＬとする。読み出された電荷は、電圧に変換されて読み出し回路２００へ供給され、オペアンプ２０３で増幅される。オペアンプ２０３により増幅された信号は容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７に書き込まれる。時刻ｔ１６でＰＴＳ＿Ａ＋Ｂ信号をＨ→Ｌに切り替え、スイッチ２０７をオフし、容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７への書き込みを終了する。この容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７への信号書き込み期間（時刻ｔ１１〜ｔ１６）をＴ２とする。

なお、時刻ｔ１２では転送パルス信号ＰＴＸＡおよびＰＴＸＢを同時にＨとしたが、転送パルス信号ＰＴＸＢだけをＨとしてフォトダイオード１０１Ｂの電荷をフローティングディフュージョン領域１０３へ転送してもよい。この場合、フォトダイオード１０１Ａの電荷がすでにフローティングディフュージョン領域１０３へ転送されているので、フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂの電荷を加算した出力を得ることができる。以上の動作により、容量ＣＴＳＮ２０９、ＣＴＳ＿Ａ２０８、ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７への信号書き込みが完了する。

ここで、容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７と容量ＣＴＮ２０９に保持された信号の差分から、フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂからの出力信号の和である（Ａ＋Ｂ）像信号が得られる。この（Ａ＋Ｂ）像信号は画像信号となる。また、容量ＣＴＳ＿Ａ２０８と容量ＣＴＮ２０９に保持された信号の差分から、フォトダイオード１０１Ａからの出力信号であるＡ像信号が得られる。このＡ像信号から撮影レンズの瞳の一部を透過する光束の情報が得られ、さらに（Ａ＋Ｂ）像信号とＡ像信号の差分をとることにより、フォトダイオード１０１Ｂからの出力信号であるＢ像信号が得られる。このＢ像信号からは、Ａ像信号とは異なる瞳領域を透過する光束の情報が得られる。したがって、これらＡ像信号とＢ像信号との２つの光束の情報から焦点情報や距離情報を得ることができる。

画素部の信号を容量ＣＴＳ＿Ａ２０８、ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７に書き込むには、垂直出力線での伝送遅延やオペアンプ２０３の静定時間を考慮して比較的長い時間が必要となる。静定時間が短い場合、信号にシェーディング等の固定パターンノイズが生じてしまう。この固定パターンノイズを低減する要求は、焦点検出用信号（Ａ像信号およびＢ像信号）に比べ、撮像画像用信号（（Ａ＋Ｂ）像信号）では極めて高い。換言すれば、焦点検出用信号については、撮像画像用信号ほどは固定パターンノイズを低減しなくてもよい。また、本実施形態では、容量ＣＴＳ＿Ａ２０８に書き込む信号が焦点検出用に用いられ、容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７に書き込む信号が撮像画像に用いられるが、焦点検出用のＡ像信号は撮像画像用の（Ａ＋Ｂ）像信号よりも電圧が低い。そこで、焦点検出用の信号であるＡ像信号用の信号を容量ＣＴＳ＿Ａ２０８に書き込む期間Ｔ１を、撮像画像用信号である（Ａ＋Ｂ）像信号用の信号を容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７に書き込む期間Ｔ２よりも短く設定する。これにより、撮像画像のノイズを抑えつつ、読み出し時間の短縮が可能となる。

ここで、容量ＣＴＳ＿Ａ２０８に信号を書き込むために、ＰＴＳ＿Ａ信号をＨにするタイミング（時刻ｔ７）は、本実施形態では転送パルス信号ＰＴＸＡをＨとする前に設定したが、転送パルス信号ＰＴＸＡをＨとした後でもよい。この場合、容量ＣＴＳ＿Ａ２０８に書き込む期間Ｔ１は、転送パルス信号ＰＴＸＡをＨ（時刻ｔ８）としてからＰＴＳ＿Ａ信号をＬ（時刻ｔ１０）とするまでとして定義してもよい。同様に、容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７に信号を書き込むために、ＰＴＳ＿Ａ＋Ｂ信号をＨにするタイミング（時刻ｔ１１）を転送パルス信号ＰＴＸＡおよびＰＴＸＢをＨにするタイミング（時刻ｔ１２）よりも後に設定してもよい。この場合は、容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７に書き込む期間Ｔ２は、転送パルス信号ＰＴＸＡおよびＰＴＸＢをＨ（時刻ｔ１２）としてからＰＴＳ＿Ａ＋Ｂ信号をＬ（時刻ｔ１６）とするまでとして定義してもよい。

図６の説明に戻り、時刻ｔ１７ではＰＣ０Ｒ信号を再びＨとし、スイッチ２０６がオンし、読み出し回路２００では、オペアンプ２０３が基準電圧Ｖｒｅｆの出力をバッファする状態に戻る。そして時刻ｔ１８で垂直選択パルス信号ＰＳＥＬをＬとし、選択されていた行の画素からの信号の読み出しは終了し、選択されていた行は垂直出力線から切り離される。その後、ｔ１９で水平同期信号ＳＹＮＣが再び立ち上がり、同時に次行の垂直選択パルス信号ＰＳＥＬがＨとなり、次行の画素の選択が開始される。

時刻ｔ１２に戻り、（Ａ＋Ｂ）像信号の容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７への書き込みと同時にＰＴＳ２＿Ａ信号とＰＴＮ２信号をＬ→Ｈとし、スイッチ２１７及びスイッチ２１８をオンする。容量ＣＴＮ２０９に保持された信号はボルテージフォロワ回路２１５を介して、容量ＣＴＮ_２２２０へ書き込まれ、容量ＣＴＳ＿Ａ２０８に保持された信号はボルテージフォロワ回路２１４を介して容量ＣＴＳ_２２１９に書き込まれる。そして、時刻ｔ１３でＰＴＮ２信号およびＰＴＳ２＿Ａ＋Ｂ信号が同時にＨ→Ｌとなり、容量ＣＴＮ_２２２０及び容量ＣＴＳ_２２１９への書き込みが終了する。

その後、ｔ１３〜ｔ１５の間に、水平走査回路４の駆動パルスＰＨが各列の読み出し回路毎に順次Ｌ→Ｈ→Ｌとなる。それに伴い、列毎にスイッチ２２１、２２２がオフ→オン→オフとなり、水平走査が行われる。スイッチ２２１、２２２がオフ→オン→オフとなったときに各列の容量ＣＴＳ_２２２０、ＣＴＮ_２２１９に保持された信号は共通出力線２２３、２２４へそれぞれ読み出され、出力アンプ２２１で共通出力線の信号の差電圧として出力される。この差電圧がＡ像信号となる。なお、共通出力線２２３、２２４は各列の信号を読み出す毎に不図示のリセットスイッチにより基準電位にリセットされる。

ここで、Ａ像信号の水平走査は、（Ａ＋Ｂ）像信号の容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７への書き込み中（Ｔ２の期間）に行われる。この水平走査期間は、容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７への書き込みが終わる時刻ｔ１６までに完了する。（Ａ＋Ｂ）像信号の容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７への書き込みが終わった後、（Ａ＋Ｂ）像信号の容量ＣＴＳ_２２１９の書き込みおよび水平走査が行われる。これらの動作は次行のフローティングディフュージョン領域１０３のリセット、容量ＣＴＮ２０９及びＣＴＳ＿Ａ２０８への書き込みと並行して行われる。時刻ｔ１７では、ＰＴＮ２信号およびＰＴＳ２＿Ａ＋Ｂ信号を同時にＬ→Ｈとすることで、スイッチ２１６および２１８がオンする。容量ＣＴＮ２０９に保持された信号はボルテージフォロワ２１５を介して、容量ＣＴＮ_２２２０へ書き込まれる。さらに、容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ２０７に保持された信号はボルテージフォロワ２１３を介して、容量ＣＴＳ_２２１９に書き込まれる。そして、時刻ｔ１８でＰＴＮ２信号およびＰＴＳ２＿Ａ＋Ｂ信号が同時にＨ→Ｌとなり、書き込みが終了する。

その後、図６の例では容量ＣＴＮ_２２２０、ＣＴＳ_２２１９に保持された信号はｔ１８〜ｔ２０の間に、水平走査回路４の駆動パルスＰＨが順次Ｌ→Ｈ→Ｌとなり水平走査が行われる。駆動パルスＰＨにより各列のスイッチ２２１、２２２が駆動されてオフ→オン→オフする。スイッチ２２１、２２２により列毎の容量ＣＴＳ_２２２０、ＣＴＮ_２２１９に保持された信号は共通出力線２２３、２２４へそれぞれ読み出され、出力アンプ２２１で共通出力線２２３、２２４の差電圧として出力される。この差電圧が（Ａ＋Ｂ）像信号となる。

ここで、（Ａ＋Ｂ）像信号の水平走査は、次行のフローティングディフュージョン領域１０３のリセットおよび、容量ＣＴＮ２０９、ＣＴＳ＿Ａ２０８への書き込みと並行して行われる。並行して行うことにより処理時間を短縮できる。この水平走査期間は、次行の容量ＣＴＳ＿Ａ２０８への書き込みが終わる次の時刻ｔ１０までに完了できる。

以上、述べたように、本実施形態では、撮像信号に用いる信号を容量に書き込む時間よりも焦点検出用の信号を容量へ書き込む時間を短くすることにより、撮像信号に影響を与えることなく、１フレームの読み出しに要する時間の短縮が可能となる。

なお、本実施形態では単位画素内に２つのフォトダイオードを備える構成であったが、単位画素内のフォトダイオードの数はこれに限定されず複数であればよい。例えば、単位画素内に４つのフォトダイオードを備え、焦点検出用として、単位画素内の２つの光電変換部の信号を読み出し、撮像用として単位画素内のすべての光電変換部の信号を読み出す構成であってもよい。

［実施形態２］
次に、本発明に係る撮像素子を撮像装置に応用する場合の回路ブロックの例を図２により説明する。操作回路１１０８からの操作に応じて、全体制御・演算回路１１０４からの信号がタイミング発生回路１１０２に与えられる。被写体の像は、光学系の撮影レンズ１１１０や絞り等により撮像素子１１０１に結像される。タイミング発生回路１１０２は、撮像素子にタイミング信号を供給して撮像素子を制御する。撮像素子に結像された被写体の像は、タイミング信号に駆動される撮像素子により電気信号に変換されて、撮像素子１１０１から出力される。なお、撮像素子に結像されたアナログ信号をデジタル信号に変換する機能は撮像素子１１０１に持たせることもできるが、信号処理回路１１０３で行ってもよい。撮像素子１１０１からの出力信号は、信号処理回路１１０３で補正や圧縮処理される。処理された画像信号は全体制御・演算回路１１０４の制御によりメモリ回路１１０５に一時的に蓄積されたり、操作回路１１０８の操作に応じて表示回路１１０６により表示されたりする。また、全体制御・演算回路１１０４は信号処理回路１１０３からの画像信号を記録回路１１０７へ転送して記憶する。記録回路１１０７は着脱可能な半導体メモリとすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

Claims (16)

1. 各々が複数の光電変換手段を備える複数の単位画素が行列状に配置された画素配列と、
   前記画素配列の列毎に設けられた第１の容量と、
   前記画素配列の列毎に設けられた第２の容量と、
   各単位画素が備える前記複数の光電変換手段の一部から第１の信号を読み出して前記第１の容量に書き込む第１の書き込み処理と、各単位画素が備える前記複数の光電変換手段の全てから第２の信号を読み出して前記第２の容量に書き込む第２の書き込み処理とを実行する駆動手段と、
   前記第１の信号と、前記第２の信号と前記第１の信号の差分信号とを用いて焦点検出を行う焦点検出手段と、
   前記第２の信号から撮影画像データを生成する撮影画像データ生成手段と、
   前記駆動手段、前記焦点検出手段および前記撮影画像データ生成手段を制御する制御手段と、を有し、
   前記第１の書き込み処理の時間が前記第２の書き込み処理の時間よりも短く設定されることを特徴とする撮像装置。
2. さらに前記撮影画像データを記憶する記憶手段を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. さらに前記撮影画像データを表示する表示手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記単位画素の各々は、前記複数の光電変換手段により共有される電荷電圧変換手段と、前記複数の光電変換手段によって生成された電荷と、を前記電荷電圧変換手段に転送する転送手段とを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記単位画素の各々は、１つのマイクロレンズを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記第２の信号は前記単位画素の全ての光電変換手段からの信号を混合することにより得られることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記複数の単位画素の各々は２つの光電変換部を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. さらに前記複数の単位画素上に光学像を形成する撮影レンズを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 各々が複数の光電変換手段を備える複数の単位画素が行列状に配置された画素配列と、前記画素配列の列毎に設けられた第１の容量と、前記画素配列の列毎に設けられた第２の容量とを備えた撮像装置の制御方法であって、
   駆動手段が、各単位画素が備える前記複数の光電変換手段の一部から第１の信号を読み出して前記第１の容量に書き込む第１の書き込み処理と、各単位画素が備える前記複数の光電変換手段の全てから第２の信号を読み出して前記第２の容量に書き込む第２の書き込み処理とを実行する工程と、
   焦点検出手段が、前記第１の信号と、前記第２の信号と前記第１の信号の差分信号とを用いて焦点検出を行う工程と、
   撮影画像データ生成手段が、前記第２の信号から撮影画像データを生成する工程と、を有し、
   前記第１の書き込み処理の時間が前記第２の書き込み処理の時間よりも短く設定されることを特徴とする撮像装置の制御方法。
10. さらに、記憶手段が前記撮影画像データを記憶する工程を有することを特徴とする請求項９に記載の撮像装置の制御方法。
11. さらに、表示手段が前記撮影画像データを表示する工程を有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の撮像装置の制御方法。
12. 前記単位画素の各々は、前記複数の光電変換手段により共有される電荷電圧変換手段と、前記複数の光電変換手段によって生成された電荷と、を前記電荷電圧変換手段に転送する転送手段とを備えることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の撮像装置の制御方法。
13. 前記単位画素の各々は、１つのマイクロレンズを備えることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の撮像装置の制御方法。
14. 前記第２の信号は前記単位画素の全ての光電変換手段からの信号を混合することにより得られることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の撮像装置の制御方法。
15. 前記複数の単位画素の各々は２つの光電変換部を備えることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の撮像装置の制御方法。
16. さらに前記複数の単位画素上に光学像を形成する撮影レンズを有することを特徴とする請求項９乃至１５いずれか１項に記載の撮像装置の制御方法。

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