撮像素子及び撮像装置
【課題】撮像素子から信号を高速に読み出すと共に、撮像素子の出力を焦点検出だけでなく、画像信号にも使用可能にする撮像素子を実現する。
【解決手段】マイクロレンズを有する画素と、前記画素ごとに配置された複数の光電変換領域と、前記画素ごとに配置された光電変換領域の信号を加算する加算手段と、を有する撮像素子において、複数の前記画素が水平方向及び垂直方向に２次元的に配置され、前記複数の画素のうち、前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算した信号を出力する加算読み出し領域と、前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算しないで出力する独立読み出し領域とを設定し、前記加算読み出し領域と前記独立読み出し領域の水平方向の画素数を同一とした。
【解決手段】マイクロレンズを有する画素と、前記画素ごとに配置された複数の光電変換領域と、前記画素ごとに配置された光電変換領域の信号を加算する加算手段と、を有する撮像素子において、複数の前記画素が水平方向及び垂直方向に２次元的に配置され、前記複数の画素のうち、前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算した信号を出力する加算読み出し領域と、前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算しないで出力する独立読み出し領域とを設定し、前記加算読み出し領域と前記独立読み出し領域の水平方向の画素数を同一とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体の光学像を光電変換する撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体撮像素子において、１つの画素の中にある、１つのマイクロレンズで集光されるフォトダイオードを分割することによって、位相差方式の焦点検出を行う技術がある。特許文献１では、１つの画素の中のフォトダイオードを２つに分割することによって、各フォトダイオードが撮像レンズの異なる瞳面の光を受光するように構成されている。そして、２つのフォトダイオードの出力を比較することによって、撮像レンズでの焦点検出を行っている。また、そのような固体撮像素子の出力を、焦点検出だけでなく、画像信号に用いる考え方もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−０８３４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１において、焦点検出は２つのフォトダイオードの信号を個別に撮像素子から読み出し、位相差を演算する。また、フォトダイオードの信号を加算すると、画像信号として使用できる。焦点検出を適正に行うには、データ量は多い方がよいので、撮像素子の全ての画素のフォトダイオードの信号を独立に読み出して、位相差検出を行った後に、全てのフォトダイオードの信号を加算して画像信号を生成するのが好ましい。ところが、全ての画素のフォトダイオードの信号を独立に読み出すには時間がかかる。例えば、水平方向に４０００画素ある撮像素子に水平方向に２つのフォトダイオードを設けると、水平方向に８０００のフォトダイオードになるので、フォトダイオードを分割していない通常の撮像素子に比べて、読み出し時間が劇的に長くなってしまう。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、撮像素子から信号を高速に読み出すと共に、撮像素子の出力を焦点検出だけでなく、画像信号にも使用可能とした撮像素子を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、マイクロレンズを有する画素と、前記画素ごとに配置された複数の光電変換領域と、前記画素ごとに配置された光電変換領域の信号を加算する加算手段と、を有する撮像素子において、複数の前記画素が水平方向及び垂直方向に２次元的に配置され、前記複数の画素のうち、前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算した信号を出力する加算読み出し領域と、前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算しないで出力する独立読み出し領域とを設定し、前記加算読み出し領域と前記独立読み出し領域の水平方向の画素数を同一とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、撮像素子から信号を高速に読み出すと共に、撮像素子の出力を焦点検出だけでなく、画像信号にも使用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る実施形態の撮像素子の構成を示す概略図。
【図２】本実施形態の撮像素子の１画素の構成を示す概略図。
【図３】本実施形態の撮像素子の画素アレイを示す概略図。
【図４】物体の結像関係を模式的に示す図。
【図５】位相差方式の焦点検出を説明する図。
【図６】実施形態１の加算読み出し領域と独立読み出し領域を示す概略図。
【図７】本実施形態の信号読み出し動作を示す概略図。
【図８】実施形態１の加算読み出し領域と独立読み出し領域を示す概略図。
【図９】実施形態１の撮像装置の構成を示す模式図。
【図１０】実施形態１の撮像素子から出力される信号を示す模式図。
【図１１】実施形態１の撮像装置の構成を示す模式図。
【図１２】実施形態２の撮像装置の構成を示す模式図。
【図１３】実施形態２の加算読み出し領域と独立加算読み出し領域を示す概略図。
【図１４】実施形態２の撮像素子から出力される信号を示す模式図。
【図１５】本実施形態の撮像装置の構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。また、後述する各実施形態の一部を適宜組み合わせて構成しても良い。
【００１０】
＜素子構成＞図１を参照して、本発明に係る実施形態の撮像素子の構成について説明する。
【００１１】
図１において、撮像素子１００は、画素アレイ１０１と、画素アレイ１０１における行を選択する垂直選択回路１０２、画素アレイ１０１における列を選択する水平選択回路１０４を含む。また、画素アレイ１０１中の画素のうち垂直選択回路１０２によって選択される画素の信号を読み出す読み出し回路１０３、上記各回路の動作モードなどを外部から決定するためのシリアルインタフェース（ＳＩ）１０５を含む。読み出し回路１０３は、信号を蓄積するメモリ、ゲインアンプ、ＡＤ変換器などを列ごとに有する。なお、撮像素子１００は、図示された構成要素以外にも、例えば、垂直選択回路１０２、水平選択回路１０４、読み出し回路１０３などにタイミング信号を提供するタイミング信号発生回路や制御回路などを備える。
【００１２】
垂直選択回路１０２は、画素アレイ１０１の複数の行を順に選択し読み出し回路１０３に読み出す。水平選択回路１０４は、読み出し回路１０３に読み出された複数の画素信号を列ごとに順に選択する。
【００１３】
図２は撮像素子１００の１画素の構成を概略的に示している。２０１は画素を表す。１つの画素は、マイクロレンズ２０２を有する。また、１つの画素は、複数の光電変換領域としてのフォトダイオード（以下、ＰＤ）を有する。図例では、左側のＰＤ２０３と右側のＰＤ２０４の２つ有しているが、２つ以上であれば個数に限定はなく、例えば、４つや９つなどでも構わない。なお、画素は、図示された構成要素以外にも、例えば、ＰＤの信号を列読み出し回路１０３に読み出すための画素増幅アンプ、行を選択する選択スイッチ、ＰＤの信号をリセットするリセットスイッチなどを備える。
【００１４】
図３は画素アレイ１０１を示している。画素アレイ１０１は、２次元の画像信号を提供するために、図２に示すような複数の画素を行方向（水平方向）及び列方向（垂直方向）に２次元的に配列して構成される。図３において、３０１、３０２、３０３、３０４は画素であり、３０１Ｌ、３０２Ｌ、３０３Ｌ、３０４Ｌは図２に示すＰＤ２０３、３０１Ｒ、３０２Ｒ、３０３Ｒ、３０４Ｒは図２に示すＰＤ２０４に相当する。
【００１５】
ここで、図４を参照して、図３に示す画素アレイを有する撮像素子１００における物体の結像関係について説明する。図４は撮影レンズの射出瞳から出た光束が撮像素子１００に入射する様子を概念的に示している。
【００１６】
図４において、４０１は画素アレイの断面であり、４０２はマイクロレンズであり、４０３はカラーフィルタであり、４０４、４０５はフォトダイオードである。ＰＤ４０４、ＰＤ４０５が各々図２に示すＰＤ２０３、ＰＤ２０４に相当する。４０６は撮影レンズの射出瞳を示す。
【００１７】
ここでは、マイクロレンズ４０２を有する画素に対して、射出瞳から出た光束の中心を光軸４０９とする。射出瞳から出た光は、光軸４０９を中心として撮像素子１００に入射される。４０７、４０８は撮影レンズの射出瞳の一部領域を表す。射出瞳の一部領域４０７を通過する光の最外周の光線を４１０、４１１で示し、射出瞳の一部領域４０８を通過する光の最外周の光線を４１２、４１３で示す。図４からわかるように、射出瞳から出る光束のうち、光軸４０９を境にして、上側の光束はＰＤ４０５に入射し、下側の光束はＰＤ４０４に入射する。つまり、ＰＤ４０４とＰＤ４０５は各々、撮影レンズの射出瞳の異なる領域の光を受光している。
【００１８】
この特性を生かして、位相差検出を行う。位相差検出方法は既知であるが、簡単に説明する。画素アレイにおいて、複数の左側のＰＤから得られるデータを第１ラインとし、複数の右側のＰＤから得られるデータを第２ラインとして、ライン間の相関データを演算することで位相差を検出できる。図３に示す画素アレイでは、ＰＤ３０１Ｌ〜３０４Ｌ…の行３０５の左側に位置するＰＤの出力を第１ラインとし、ＰＤ３０１Ｒ〜３０４Ｒ…の行３０５の右側に位置するＰＤの出力を第２ラインとする。行方向に加算したデータを第１ライン、第２ラインとしてもよい。
【００１９】
図５は点光源を結像したときのラインデータを示し、横軸は画素位置、縦軸は出力を表している。図５（ａ）は合焦状態における第１ラインと第２ラインのデータであり、合焦状態の場合は第１ラインと第２ラインが重なる。一方、図５（ｂ）は非合焦状態における第１ラインと第２ラインのデータである。非合焦状態の場合は第１ラインと第２ラインは位相差を有し、画素位置がずれている。このずれ量５０１を算出することで合焦状態からどの程度ずれているかが求められる。このようにして位相差を検出し、撮影レンズを駆動することにより合焦状態を実現することができる。
【００２０】
次に、本実施形態の画像信号の生成について説明する。前述のように、ＰＤ２０３とＰＤ２０４の信号を個別に撮像素子１００から読み出し、位相差を演算することで合焦状態を検出できる。そして、個別に読み出したＰＤの信号を加算することで画像信号を生成する。
【００２１】
本実施形態の撮像素子１００では、画素アレイにおける一部領域の画素を独立に読み出し、一部領域を加算して読み出す。
【００２２】
図６は画素アレイの中で、独立に読み出す領域と加算して読み出す領域を示している。
【００２３】
図６において、６０１、６０２は画素のＰＤの信号を加算して読み出す加算読み出し領域であり、６０３は画素のＰＤの信号を独立に読み出す独立読み出し領域である。詳細は後述するが、加算読み出し領域６０１、６０２の画素信号は位相差検出には使用せずに画像信号に使用し、独立読み出し領域６０３の画素信号は位相差検出を行った後に加算して画像信号に使用する。各領域６０１、６０２、６０３の水平方向画素数をＨ６０１、Ｈ６０２、Ｈ６０３として示している。
【００２４】
図７は、本実施形態の撮像素子の信号の読み出しを模式的に示している。図７において、縦軸は読み出し行を示し、横軸は時間を示す。図３に示す行３０５を読み出す動作を７０１で示し、同様に行３０６、行３０７を読み出す動作を７０２、７０３で示している。行３０５を読み出す際に垂直選択回路１０２は行３０５を選択する。
【００２５】
垂直読み出し期間７０４において、選択された行３０５の画素の信号を読み出し回路１０３が列ごとに読み出す。水平読み出し期間７０５では、読み出し回路１０３に保持された行３０５の画素の信号を撮像素子１００から出力する。水平読み出し期間７０５のうち、加算されたＰＤの信号が撮像素子１００から出力される期間が７０６、７０７であり、加算されない独立のＰＤの信号が撮像素子１００から出力される期間が７０８である。つまり、７０６、７０７、７０８は各領域６０１、６０２、６０３にある画素のＰＤの信号が撮像素子１００から出力されている期間である。
【００２６】
このように画素アレイの一部領域の画素のＰＤの信号を独立に読み出し、一部領域の画素のＰＤの信号を加算して読み出すことで、水平読み出し期間７０５を短くすることが可能となる。さらに水平読み出し期間７０５を短くするために、加算読み出し領域と独立読み出し領域について、複数の近傍の画素の信号に対し信号加算や平均化処理を行ってもよい。
【００２７】
ところで、加算読み出し領域における信号加算（第１の加算手段）は、画素内で行ってもよいし、読み出し回路１０３で行ってもよい。読み出し回路１０３で行う場合は、アナログ信号で行う加算であってもよいし、デジタル信号で行う加算であってもよい。
【００２８】
本実施形態では、水平方向の読み出し期間を一定にするために、加算読み出し領域と独立読み出し領域の水平方向の画素数は全ての行において同一である。つまり、図７における水平読み出し期間７０５と７０９と７１０の時間が同じである。このようにすることで、１行ごとに水平読み出しのための制御信号を変更することなく、簡単に読み出すことができる。仮に、１行ごとに水平読み出しのための制御信号を変更すれば、１行ごとに水平読み出しにかかる時間が変動してしまい、撮像素子の制御だけでなく、撮像素子の信号出力処理が複雑になってしまう。
【００２９】
加算読み出し領域と独立読み出し領域の水平方向の画素数が全ての行において同じであれば、画素アレイ中の加算読み出し領域と独立読み出し領域は常に同一の領域でなくてもよい。その理由について図８を参照して説明する。
【００３０】
図８は画素アレイの中で、独立に読み出す領域と加算して読み出す領域を例示しており、（ａ）は、独立読み出し領域を左端に設定した場合である。８０１が加算読み出し領域であり、８０２が独立読み出し領域である。Ｈ８０１、Ｈ８０２は各領域８０１、８０２の水平方向の画素数である。図６に示す読み出し領域の配置と図８（ａ）に読み出す領域の配置は異なっている。加算読み出し領域と独立読み出し領域をフレームごとにずらすことで、焦点検出の対象となる物体が動いたときには、その物体の移動方向にあわせて、独立読み出し領域を移動すればよい。フレームごとに加算読み出し領域と独立読み出し領域をずらす場合は、加算読み出し領域８０１の水平方向の画素数と、加算読み出し領域６０１と６０２の水平方向の合計画素数を同じにすれば、１フレーム読み出す時間は一定である。言い換えると、Ｈ６０１とＨ６０２を加算した数値が、Ｈ８０１の値となる。また、Ｈ８０２とＨ６０３は同じ数値となる。
【００３１】
また、１フレーム内の読み出し時間が異なっている場合は、各々のフレームで水平方向の画素数は異なってもよい。
【００３２】
図８（ｂ）は１フレーム内で加算読み出し領域と独立読み出し領域をずらした状態を例示している。同図において、８０４、８０５、８０７、８０８、８１０、８１１は加算読み出し領域であり、その水平方向画素数をＨ８０４、Ｈ８０５、Ｈ８０７、Ｈ８０８、Ｈ８１０、Ｈ８１１とする。８０６、８０９、８１２は独立読み出し領域であり、その水平方向画素数を各々Ｈ８０６、８０９、８１２とする。この場合、水平方向の読み出し時間を一定にするために、Ｈ８０６とＨ８０９とＨ８１２は同じ数値である。そして、Ｈ８０４とＨ８０５の合計と、Ｈ８０７とＨ８０８の合計と、Ｈ８１０とＨ８１１の合計は同じ値である。独立読み出し領域８０６、８０９、８１２の水平方向の画素数が一定であれば、どのような配置であってもよい。もちろん、１行単位で変更してもよい。このように、１フレーム内で加算読み出し領域と独立読み出し領域をずらすことによって、任意の領域で同時に位相差検出が可能となる。
【００３３】
図８（ｃ）は１フレーム内で加算読み出し領域と独立読み出し領域をずらし、独立読み出し領域を水平方向に、複数箇所設けた状態を例示している。同図において、８１３、８１４、８１６は加算読み出し領域であり、その水平方向画素数をＨ８１３、Ｈ８１４、Ｈ８１６とする。８１５、８１７、８１８は独立読み出し領域であり、その水平方向画素数をＨ８１５、Ｈ８１７、Ｈ８１８とする。この場合、水平方向の読み出し時間を一定にするために、Ｈ８１５の数値と、Ｈ８１７とＨ８１８の合計は同じ値である。そして、Ｈ８１３とＨ８１４の合計とＨ８１６の数値は同じ値である。独立読み出し領域８１５の水平方向の画素数が、独立読み出し領域８１７と８１８の水平方向の画素数の合計であれば、独立読み出し領域は水平方向にいくつあっても構わない。
【００３４】
図８（ｄ）は、画素アレイ内の一部領域を切り出した状態を例示している。同図において、８１９は画素は存在するが、撮像素子１００から出力されない領域である。このような非読み出し領域の動作や図６の読み出し領域の動作を切り替える際にも、独立読み出し領域６０３の水平方向の画素数と、独立読み出し領域８２０の水平方向の画素数であるＨ８２０は他のフレームと同一にする。そうすれば、１フレームの読み出し時間は切り替え時に変化するが、位相差検出を行う際には、領域の画素数の変更をしなくてよい。位相差検出を行う領域を変更する場合には、独立読み出し領域８２０の水平方向の画素数を変更してもよい。
【００３５】
図６と図８で説明した加算読み出し領域と独立読み出し領域の選択は、列単位であってもよいし、列をいくつかの単位のブロックで区切りブロック単位での選択でもよい。また、選択する領域を決定する信号は、シリアルＩ／Ｆ（ＳＩ）１０５を介して撮像素子１００に入力してもよいし、外部からパルスによって撮像素子１００に入力してもよい。
【００３６】
次に、加算読み出し領域と独立読み出し領域が１行の中で混在する撮像素子の出力信号を、焦点検出と画像信号に使用する方法について説明する。
【００３７】
図９は本実施形態の撮像装置の構成を模式的に示している。図１０は撮像素子から出力される１行分の信号を模式的に示し、横軸は時間を示し、信号は左から順に出力されることを示している。
【００３８】
図１０（ａ）において、１００１、１００３は加算読み出し領域の加算後の信号、１００２は独立読み出し領域の信号である。
【００３９】
撮像素子１００から信号１０００が出力される。出力信号１０００に対して、選択部９０１にて選択処理が行われる。まず、加算読み出し領域の信号１００１が出力されているときには、選択部９０１は、信号１００１を整列部９０４に出力する。次に、独立読み出し領域の信号１００２が出力されているときには、信号１００２を第２の加算手段としての加算部９０３と位相差検出部９０２の双方に出力する。位相差検出部９０２では、図５で説明したような、位相差検出演算を行う。位相差検出部９０２にメモリを設け、複数行の信号を加算して位相差検出演算を行ってもよい。加算部９０３に出力された信号１００２は、ＰＤ２０３とＰＤ２０４の信号が個別に記録されているので、同一の画素内のＰＤの信号を加算する。このようにすれば、信号１００２が画像信号として使用可能となる。
【００４０】
加算部９０３で加算された信号は整列部９０４に出力される。次に、加算読み出し領域の信号１００３が出力されているときには、選択部９０１は、信号１００３を整列部９０４に出力する。整列部９０４では、信号１００１と信号１００２と信号１００３が画像信号として最適な順番になるように整列させる。整列部９０４では、信号１００２が加算部９０３で加算処理されている間の遅延時間の調整を行っているので、メモリを有してもよいし、単純な遅延素子で遅延時間の調整を行ってもよい。また、整列部９０４以外にも、画像データの遅延を調整するためにメモリを有してもよい。例えば、撮像素子１００と選択部９０１の間にメモリがあってもよい。このように、独立読み出し領域の信号１００２のみが、加算部９０３で同一の画素内のＰＤの信号を加算し整列されることで、信号１０００を画像信号として使用可能となる。
【００４１】
また、以下のような構成でもよい。
【００４２】
独立読み出し領域については、２つのＰＤの信号を別々に出力するのではなく、１つのＰＤの信号と２つのＰＤを加算した信号の２つの信号を出力してもよい。全ての撮像信号は、独立読み出し領域か加算読み出し領域かに関わらず、常に加算されて撮像素子から出力される。独立読み出し領域からのみ、２つのＰＤのうちの、片方のＰＤの信号も出力されるので、２つのＰＤを加算した信号から片方のＰＤの信号を減算することで、もう一方のＰＤの信号を得ることが可能となる。図９（ｂ）は上記の駆動をしたときの、本実施形態の撮像装置の構成を模式的に示している。
【００４３】
撮像素子１００から信号１０００が出力される。出力信号１０００に対して、選択部９０１にて選択処理が行われる。まず、加算読み出し領域の信号１００１が出力されているときには、選択部９０１は、信号１００１を画像信号として出力する。次に、独立読み出し領域の信号１００２のうち、ＰＤの信号を加算された信号が出ているときは、選択部９０１は同様に画像信号として出力する。選択部９０１は、独立読み出し領域の信号１００２のうち、ＰＤの信号を加算していない片方のＰＤの信号が出ているときには、その信号を減算部９０５に出力する。減算部９０５では、同一画素の片方のＰＤの信号を、加算されたＰＤの信号から減算することで、２つのＰＤの信号を各々得る。２つのＰＤの信号は位相差検出部９０２に送られ、位相差検出部９０２では、図５で説明したような、位相差検出演算を行う。なお、位相差検出部９０２にメモリを設け、複数行の信号を加算して位相差検出演算を行ってもよい。また、加算されたＰＤの信号から同一画素の片方のＰＤの信号を減算するために、信号の遅延を調整するためにメモリを有してもよい。
【００４４】
このような構成にすることで、画像信号は常に撮像素子内で加算されることによって、撮像素子外で加算する場合に画像信号のＳＮを良くすることが可能となる。
【００４５】
さらに、上記の構成の場合、撮像素子からの信号出力は、図１０（ｃ）に示すような出力順でもよい。図１０（ｃ）において、出力信号１０００のうち、加算読み出し領域の２つのＰＤを加算した信号は、１００１と１００３である。加えて、非加算読み出し領域のうちの、２つのＰＤを加算した信号は１００４として出力され、非加算読み出し領域のうちの、どちらか片方のＰＤの信号は１００５として出力される。
【００４６】
このように出力されることで、２つのＰＤを加算した画像信号が、信号１００１、信号１００４、信号１００３と、画素の並び順通りに連続的に扱えるので、信号の取り扱いが簡単になる。また、非加算領域の片方のＰＤの信号１００５を読み出した後、全ての画素の２つのＰＤの信号を画素上で加算することも容易となる。
【００４７】
図１１は本実施形態の撮像装置の構成を模式的に示している。図１１に示す撮像素子１００は、図９と異なり、第１の出力１１０１と第２の出力１１０２の２系統の出力手段を有している。第１の出力１１０１の信号は加算読み出し領域の信号、第２の出力１１０２の信号は独立読み出し領域の信号である。このような構成において、撮像素子１００から出力される１行分の信号は、図１０（ｂ）のようになる。信号１００４は第１の出力１１０１から出力される加算読み出し領域１００５、１００６の信号であり、信号１００７は第２の出力１１０２から出力される独立読み出し領域の信号である。このように、独立読み出し領域の信号と加算読み出し領域の信号を個別に出力することで、図９の選択部９０１を省略できるだけでなく、水平読み出しにかかる時間をさらに短くすることが可能となる。
【００４８】
また、本実施形態の撮像装置を図１２のように構成にすることも可能である。図１２に示す撮像素子１００は、第１の出力１２０１と第２の出力の２系統の出力手段を有している。第１の出力１２０１の信号は加算読み出し領域の信号、第２の出力１２０２の信号は独立読み出し領域の信号である。この撮像素子では、画素アレイの中の、読み出される全ての信号を撮像素子内で加算している。また、画素アレイの一部領域の信号を加算せずに、第２の出力１２０２から出力する。つまり、画素アレイの一部領域の画素のＰＤの信号は、第１の出力１２０１から加算された信号として出力され、同時に第２の出力１２０２から加算されずに出力される。
【００４９】
例えば、図６に示す領域６０１〜６０３を読み出す場合には、全ての画素の加算信号を第１の出力１２０１から出力し、領域６０３の信号を加算せずに独立に第２の出力１２０２から出力する。つまり、領域６０３の信号は、加算して読み出され、独立にも読み出される。
【００５０】
このように独立読み出し領域の信号と加算読み出し領域の信号を個別に出力することで、図９の選択部９０１、整列部９０４、および撮像素子外での加算部を省略できるだけでなく、水平読み出しにかかる時間をさらに短くすることが可能となる。
【００５１】
以上述べたように、画素アレイの一部領域の画素のＰＤの信号を独立に読み出し、一部領域の画素のＰＤの信号を加算して読み出すことで、水平信号読み出し時間を短縮できる。さらに、独立に読み出す領域と加算して読み出す領域の水平方向の画素数を１フレーム内で同じにすることで、撮像素子や撮像装置の制御を複雑にすることなく、簡単な制御で画像データの取得、位相差情報の取得を行うことが可能となる。
【００５２】
［実施形態２］以下、実施形態２について説明する。実施形態２は、図１２の構成を用いて別の読み出しを行う構成である。
【００５３】
図１３は画素アレイの中で、ＰＤの信号を独立かつ加算して読み出す領域と加算してのみ読み出す領域を示している。同図において、１３０１、１３０２、１３０４、１３０５は画素のＰＤの信号を加算して読み出す加算読み出し領域であり、その水平方向画素数をＨ１３０１、Ｈ１３０２、Ｈ１３０４、Ｈ１３０５とする。１３０３、１３０６は画素のＰＤの信号を独立かつ加算して読み出す独立加算読み出し領域であり、その水平方向画素数をＨ１３０３、Ｈ１３０６とする。加算読み出し領域のＰＤの信号は画素内や読み出し回路１０３で加算され、第１の出力１２０１から出力される。一方、独立加算読み出し領域の信号は、例えば読み出し回路１０３で分離され、加算された信号が第１の出力１２０１から出力され、加算されない独立した信号が第２の出力１２０２から出力される。
【００５４】
本実施形態の撮像素子から出力される１行分の信号は、図１４のようになる。信号１４０１は第１の出力１２０１から出力される信号であり、加算読み出し領域の信号１４０２、１４０３と、独立加算読み出し領域の加算された信号１４０４を含む。信号１４０５は第２の出力１１０２から出力される独立加算読み出し領域の加算しない信号である。
【００５５】
つまり信号１４０１は画素アレイから読み出す画素のうち、全ての画素のＰＤを加算した信号であり、信号１４０５は独立加算読み出し領域の加算しない信号である。
【００５６】
このように全ての画素のＰＤを加算した信号を読み出すことによって、フレームレートは常に一定に保たれる。その場合の条件として、独立加算読み出し領域の水平方向の画素数と画素のＰＤの水平方向分割数との乗算数が、水平方向の画素数を超えないことが重要となる。例えば、図１３で水平方向に２分割したＰＤの場合、独立加算読み出し領域の画素数の２倍が全画素の画素数を超えない限り、信号１４０５を読み出す時間が、信号１４０１を読み出す時間より短くなる。言い換えれると、Ｈ１３０３の画素数がＨ１３０１とＨ１３０３とＨ１３０２の画素数の合計の半分以下の値であればよい。つまり、水平読み出しにかかる時間は、信号１４０１を読み出す時間、すなわち、全画素の画素数を読み出す時間で規定されることとなり、独立加算読み出し領域の水平方向の画素数は、水平読み出しにかかる時間を規定しない。
【００５７】
このような撮像素子および撮像装置においては、フレーム間で独立加算読み出し領域の水平方向の画素数を変えてもよいし、図１３で示すように、１フレーム内でもＨ１３０３とＨ１３０６の画素数を変えてもよい。
【００５８】
このように、独立加算読み出し領域の信号を加算する信号と加算しない信号とに分離し、個別に出力することで、フレームレートもしくは水平読み出し時間を一定にしつつ、独立加算読み出し領域の水平方向の画素数を変更することが可能となる。
【００５９】
図１５を参照して、本実施形態の撮像素子をデジタルカメラに適用した撮像装置の構成について説明する。
【００６０】
図１５において、１５０１は被写体の光学像を撮像素子１５０５に結像させるレンズ部で、レンズ駆動回路１５０２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。１５０３はメカニカルシャッタであり、シャッタ駆動回路１５０４によって制御される。１５０５はレンズ部１５０１で結像された被写体を画像信号として取り込むための撮像素子である。１５０６は撮像素子１５０５より出力される撮像信号に各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする信号処理回路である。１５０７は撮像素子１５０５、信号処理回路１５０６に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生回路である。１５０９は各種演算とカメラ全体を制御する制御部、１５０８は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部である。１５１０は記録媒体に対してデータの書き込みまたは読み出しを行うための記録媒体制御Ｉ／Ｆ（インタフェース）部である。１５１１は画像データの書き込みまたは読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。１５１２は各種情報や撮影画像を表示部１５１４に出力する外部Ｉ／Ｆ部である。
【００６１】
次に、本実施形態のデジタルカメラの撮影動作について説明する。
【００６２】
デジタルカメラの主電源がオンされると、制御系及び撮像系の回路が起動される。その後、図示しないレリーズボタンが押されると、撮像素子１５０５から出力される撮像信号を用いて測距演算を行い、測距結果に基づいて被写体までの距離の演算を制御部１５０９で行う。その後、レンズ駆動回路１５０２によりレンズ部１５０１を駆動して合焦状態か否かを判定し、合焦状態でない場合は、再びレンズ部１５０１を駆動し測距を行う。測距演算は、撮像素子１５０５からの撮像信号以外にも、図示しない測距専用回路で行ってもよい。測光回路１５１３は被写体の輝度を測定し、制御部１５０９は、測光結果を受けて適正露出になるように不図示の絞りを制御する。
【００６３】
そして、合焦が確認されると撮影動作を開始する。撮影動作が終了すると、撮像素子１５０５から出力された撮像信号は信号処理回路１５０６で画像処理が施され、制御部１５０９によりメモリ部１５０８に書き込まれる。信号処理回路１５０６では、並べ替え処理や加算処理、それらの選択処理が行われる。メモリ部１５０８に蓄積されたデータは、制御部１５０９により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１５１０を介して記録媒体１５１１に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部１５１２から直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体の光学像を光電変換する撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体撮像素子において、１つの画素の中にある、１つのマイクロレンズで集光されるフォトダイオードを分割することによって、位相差方式の焦点検出を行う技術がある。特許文献１では、１つの画素の中のフォトダイオードを２つに分割することによって、各フォトダイオードが撮像レンズの異なる瞳面の光を受光するように構成されている。そして、２つのフォトダイオードの出力を比較することによって、撮像レンズでの焦点検出を行っている。また、そのような固体撮像素子の出力を、焦点検出だけでなく、画像信号に用いる考え方もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−０８３４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１において、焦点検出は２つのフォトダイオードの信号を個別に撮像素子から読み出し、位相差を演算する。また、フォトダイオードの信号を加算すると、画像信号として使用できる。焦点検出を適正に行うには、データ量は多い方がよいので、撮像素子の全ての画素のフォトダイオードの信号を独立に読み出して、位相差検出を行った後に、全てのフォトダイオードの信号を加算して画像信号を生成するのが好ましい。ところが、全ての画素のフォトダイオードの信号を独立に読み出すには時間がかかる。例えば、水平方向に４０００画素ある撮像素子に水平方向に２つのフォトダイオードを設けると、水平方向に８０００のフォトダイオードになるので、フォトダイオードを分割していない通常の撮像素子に比べて、読み出し時間が劇的に長くなってしまう。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、撮像素子から信号を高速に読み出すと共に、撮像素子の出力を焦点検出だけでなく、画像信号にも使用可能とした撮像素子を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、マイクロレンズを有する画素と、前記画素ごとに配置された複数の光電変換領域と、前記画素ごとに配置された光電変換領域の信号を加算する加算手段と、を有する撮像素子において、複数の前記画素が水平方向及び垂直方向に２次元的に配置され、前記複数の画素のうち、前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算した信号を出力する加算読み出し領域と、前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算しないで出力する独立読み出し領域とを設定し、前記加算読み出し領域と前記独立読み出し領域の水平方向の画素数を同一とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、撮像素子から信号を高速に読み出すと共に、撮像素子の出力を焦点検出だけでなく、画像信号にも使用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る実施形態の撮像素子の構成を示す概略図。
【図２】本実施形態の撮像素子の１画素の構成を示す概略図。
【図３】本実施形態の撮像素子の画素アレイを示す概略図。
【図４】物体の結像関係を模式的に示す図。
【図５】位相差方式の焦点検出を説明する図。
【図６】実施形態１の加算読み出し領域と独立読み出し領域を示す概略図。
【図７】本実施形態の信号読み出し動作を示す概略図。
【図８】実施形態１の加算読み出し領域と独立読み出し領域を示す概略図。
【図９】実施形態１の撮像装置の構成を示す模式図。
【図１０】実施形態１の撮像素子から出力される信号を示す模式図。
【図１１】実施形態１の撮像装置の構成を示す模式図。
【図１２】実施形態２の撮像装置の構成を示す模式図。
【図１３】実施形態２の加算読み出し領域と独立加算読み出し領域を示す概略図。
【図１４】実施形態２の撮像素子から出力される信号を示す模式図。
【図１５】本実施形態の撮像装置の構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。また、後述する各実施形態の一部を適宜組み合わせて構成しても良い。
【００１０】
＜素子構成＞図１を参照して、本発明に係る実施形態の撮像素子の構成について説明する。
【００１１】
図１において、撮像素子１００は、画素アレイ１０１と、画素アレイ１０１における行を選択する垂直選択回路１０２、画素アレイ１０１における列を選択する水平選択回路１０４を含む。また、画素アレイ１０１中の画素のうち垂直選択回路１０２によって選択される画素の信号を読み出す読み出し回路１０３、上記各回路の動作モードなどを外部から決定するためのシリアルインタフェース（ＳＩ）１０５を含む。読み出し回路１０３は、信号を蓄積するメモリ、ゲインアンプ、ＡＤ変換器などを列ごとに有する。なお、撮像素子１００は、図示された構成要素以外にも、例えば、垂直選択回路１０２、水平選択回路１０４、読み出し回路１０３などにタイミング信号を提供するタイミング信号発生回路や制御回路などを備える。
【００１２】
垂直選択回路１０２は、画素アレイ１０１の複数の行を順に選択し読み出し回路１０３に読み出す。水平選択回路１０４は、読み出し回路１０３に読み出された複数の画素信号を列ごとに順に選択する。
【００１３】
図２は撮像素子１００の１画素の構成を概略的に示している。２０１は画素を表す。１つの画素は、マイクロレンズ２０２を有する。また、１つの画素は、複数の光電変換領域としてのフォトダイオード（以下、ＰＤ）を有する。図例では、左側のＰＤ２０３と右側のＰＤ２０４の２つ有しているが、２つ以上であれば個数に限定はなく、例えば、４つや９つなどでも構わない。なお、画素は、図示された構成要素以外にも、例えば、ＰＤの信号を列読み出し回路１０３に読み出すための画素増幅アンプ、行を選択する選択スイッチ、ＰＤの信号をリセットするリセットスイッチなどを備える。
【００１４】
図３は画素アレイ１０１を示している。画素アレイ１０１は、２次元の画像信号を提供するために、図２に示すような複数の画素を行方向（水平方向）及び列方向（垂直方向）に２次元的に配列して構成される。図３において、３０１、３０２、３０３、３０４は画素であり、３０１Ｌ、３０２Ｌ、３０３Ｌ、３０４Ｌは図２に示すＰＤ２０３、３０１Ｒ、３０２Ｒ、３０３Ｒ、３０４Ｒは図２に示すＰＤ２０４に相当する。
【００１５】
ここで、図４を参照して、図３に示す画素アレイを有する撮像素子１００における物体の結像関係について説明する。図４は撮影レンズの射出瞳から出た光束が撮像素子１００に入射する様子を概念的に示している。
【００１６】
図４において、４０１は画素アレイの断面であり、４０２はマイクロレンズであり、４０３はカラーフィルタであり、４０４、４０５はフォトダイオードである。ＰＤ４０４、ＰＤ４０５が各々図２に示すＰＤ２０３、ＰＤ２０４に相当する。４０６は撮影レンズの射出瞳を示す。
【００１７】
ここでは、マイクロレンズ４０２を有する画素に対して、射出瞳から出た光束の中心を光軸４０９とする。射出瞳から出た光は、光軸４０９を中心として撮像素子１００に入射される。４０７、４０８は撮影レンズの射出瞳の一部領域を表す。射出瞳の一部領域４０７を通過する光の最外周の光線を４１０、４１１で示し、射出瞳の一部領域４０８を通過する光の最外周の光線を４１２、４１３で示す。図４からわかるように、射出瞳から出る光束のうち、光軸４０９を境にして、上側の光束はＰＤ４０５に入射し、下側の光束はＰＤ４０４に入射する。つまり、ＰＤ４０４とＰＤ４０５は各々、撮影レンズの射出瞳の異なる領域の光を受光している。
【００１８】
この特性を生かして、位相差検出を行う。位相差検出方法は既知であるが、簡単に説明する。画素アレイにおいて、複数の左側のＰＤから得られるデータを第１ラインとし、複数の右側のＰＤから得られるデータを第２ラインとして、ライン間の相関データを演算することで位相差を検出できる。図３に示す画素アレイでは、ＰＤ３０１Ｌ〜３０４Ｌ…の行３０５の左側に位置するＰＤの出力を第１ラインとし、ＰＤ３０１Ｒ〜３０４Ｒ…の行３０５の右側に位置するＰＤの出力を第２ラインとする。行方向に加算したデータを第１ライン、第２ラインとしてもよい。
【００１９】
図５は点光源を結像したときのラインデータを示し、横軸は画素位置、縦軸は出力を表している。図５（ａ）は合焦状態における第１ラインと第２ラインのデータであり、合焦状態の場合は第１ラインと第２ラインが重なる。一方、図５（ｂ）は非合焦状態における第１ラインと第２ラインのデータである。非合焦状態の場合は第１ラインと第２ラインは位相差を有し、画素位置がずれている。このずれ量５０１を算出することで合焦状態からどの程度ずれているかが求められる。このようにして位相差を検出し、撮影レンズを駆動することにより合焦状態を実現することができる。
【００２０】
次に、本実施形態の画像信号の生成について説明する。前述のように、ＰＤ２０３とＰＤ２０４の信号を個別に撮像素子１００から読み出し、位相差を演算することで合焦状態を検出できる。そして、個別に読み出したＰＤの信号を加算することで画像信号を生成する。
【００２１】
本実施形態の撮像素子１００では、画素アレイにおける一部領域の画素を独立に読み出し、一部領域を加算して読み出す。
【００２２】
図６は画素アレイの中で、独立に読み出す領域と加算して読み出す領域を示している。
【００２３】
図６において、６０１、６０２は画素のＰＤの信号を加算して読み出す加算読み出し領域であり、６０３は画素のＰＤの信号を独立に読み出す独立読み出し領域である。詳細は後述するが、加算読み出し領域６０１、６０２の画素信号は位相差検出には使用せずに画像信号に使用し、独立読み出し領域６０３の画素信号は位相差検出を行った後に加算して画像信号に使用する。各領域６０１、６０２、６０３の水平方向画素数をＨ６０１、Ｈ６０２、Ｈ６０３として示している。
【００２４】
図７は、本実施形態の撮像素子の信号の読み出しを模式的に示している。図７において、縦軸は読み出し行を示し、横軸は時間を示す。図３に示す行３０５を読み出す動作を７０１で示し、同様に行３０６、行３０７を読み出す動作を７０２、７０３で示している。行３０５を読み出す際に垂直選択回路１０２は行３０５を選択する。
【００２５】
垂直読み出し期間７０４において、選択された行３０５の画素の信号を読み出し回路１０３が列ごとに読み出す。水平読み出し期間７０５では、読み出し回路１０３に保持された行３０５の画素の信号を撮像素子１００から出力する。水平読み出し期間７０５のうち、加算されたＰＤの信号が撮像素子１００から出力される期間が７０６、７０７であり、加算されない独立のＰＤの信号が撮像素子１００から出力される期間が７０８である。つまり、７０６、７０７、７０８は各領域６０１、６０２、６０３にある画素のＰＤの信号が撮像素子１００から出力されている期間である。
【００２６】
このように画素アレイの一部領域の画素のＰＤの信号を独立に読み出し、一部領域の画素のＰＤの信号を加算して読み出すことで、水平読み出し期間７０５を短くすることが可能となる。さらに水平読み出し期間７０５を短くするために、加算読み出し領域と独立読み出し領域について、複数の近傍の画素の信号に対し信号加算や平均化処理を行ってもよい。
【００２７】
ところで、加算読み出し領域における信号加算（第１の加算手段）は、画素内で行ってもよいし、読み出し回路１０３で行ってもよい。読み出し回路１０３で行う場合は、アナログ信号で行う加算であってもよいし、デジタル信号で行う加算であってもよい。
【００２８】
本実施形態では、水平方向の読み出し期間を一定にするために、加算読み出し領域と独立読み出し領域の水平方向の画素数は全ての行において同一である。つまり、図７における水平読み出し期間７０５と７０９と７１０の時間が同じである。このようにすることで、１行ごとに水平読み出しのための制御信号を変更することなく、簡単に読み出すことができる。仮に、１行ごとに水平読み出しのための制御信号を変更すれば、１行ごとに水平読み出しにかかる時間が変動してしまい、撮像素子の制御だけでなく、撮像素子の信号出力処理が複雑になってしまう。
【００２９】
加算読み出し領域と独立読み出し領域の水平方向の画素数が全ての行において同じであれば、画素アレイ中の加算読み出し領域と独立読み出し領域は常に同一の領域でなくてもよい。その理由について図８を参照して説明する。
【００３０】
図８は画素アレイの中で、独立に読み出す領域と加算して読み出す領域を例示しており、（ａ）は、独立読み出し領域を左端に設定した場合である。８０１が加算読み出し領域であり、８０２が独立読み出し領域である。Ｈ８０１、Ｈ８０２は各領域８０１、８０２の水平方向の画素数である。図６に示す読み出し領域の配置と図８（ａ）に読み出す領域の配置は異なっている。加算読み出し領域と独立読み出し領域をフレームごとにずらすことで、焦点検出の対象となる物体が動いたときには、その物体の移動方向にあわせて、独立読み出し領域を移動すればよい。フレームごとに加算読み出し領域と独立読み出し領域をずらす場合は、加算読み出し領域８０１の水平方向の画素数と、加算読み出し領域６０１と６０２の水平方向の合計画素数を同じにすれば、１フレーム読み出す時間は一定である。言い換えると、Ｈ６０１とＨ６０２を加算した数値が、Ｈ８０１の値となる。また、Ｈ８０２とＨ６０３は同じ数値となる。
【００３１】
また、１フレーム内の読み出し時間が異なっている場合は、各々のフレームで水平方向の画素数は異なってもよい。
【００３２】
図８（ｂ）は１フレーム内で加算読み出し領域と独立読み出し領域をずらした状態を例示している。同図において、８０４、８０５、８０７、８０８、８１０、８１１は加算読み出し領域であり、その水平方向画素数をＨ８０４、Ｈ８０５、Ｈ８０７、Ｈ８０８、Ｈ８１０、Ｈ８１１とする。８０６、８０９、８１２は独立読み出し領域であり、その水平方向画素数を各々Ｈ８０６、８０９、８１２とする。この場合、水平方向の読み出し時間を一定にするために、Ｈ８０６とＨ８０９とＨ８１２は同じ数値である。そして、Ｈ８０４とＨ８０５の合計と、Ｈ８０７とＨ８０８の合計と、Ｈ８１０とＨ８１１の合計は同じ値である。独立読み出し領域８０６、８０９、８１２の水平方向の画素数が一定であれば、どのような配置であってもよい。もちろん、１行単位で変更してもよい。このように、１フレーム内で加算読み出し領域と独立読み出し領域をずらすことによって、任意の領域で同時に位相差検出が可能となる。
【００３３】
図８（ｃ）は１フレーム内で加算読み出し領域と独立読み出し領域をずらし、独立読み出し領域を水平方向に、複数箇所設けた状態を例示している。同図において、８１３、８１４、８１６は加算読み出し領域であり、その水平方向画素数をＨ８１３、Ｈ８１４、Ｈ８１６とする。８１５、８１７、８１８は独立読み出し領域であり、その水平方向画素数をＨ８１５、Ｈ８１７、Ｈ８１８とする。この場合、水平方向の読み出し時間を一定にするために、Ｈ８１５の数値と、Ｈ８１７とＨ８１８の合計は同じ値である。そして、Ｈ８１３とＨ８１４の合計とＨ８１６の数値は同じ値である。独立読み出し領域８１５の水平方向の画素数が、独立読み出し領域８１７と８１８の水平方向の画素数の合計であれば、独立読み出し領域は水平方向にいくつあっても構わない。
【００３４】
図８（ｄ）は、画素アレイ内の一部領域を切り出した状態を例示している。同図において、８１９は画素は存在するが、撮像素子１００から出力されない領域である。このような非読み出し領域の動作や図６の読み出し領域の動作を切り替える際にも、独立読み出し領域６０３の水平方向の画素数と、独立読み出し領域８２０の水平方向の画素数であるＨ８２０は他のフレームと同一にする。そうすれば、１フレームの読み出し時間は切り替え時に変化するが、位相差検出を行う際には、領域の画素数の変更をしなくてよい。位相差検出を行う領域を変更する場合には、独立読み出し領域８２０の水平方向の画素数を変更してもよい。
【００３５】
図６と図８で説明した加算読み出し領域と独立読み出し領域の選択は、列単位であってもよいし、列をいくつかの単位のブロックで区切りブロック単位での選択でもよい。また、選択する領域を決定する信号は、シリアルＩ／Ｆ（ＳＩ）１０５を介して撮像素子１００に入力してもよいし、外部からパルスによって撮像素子１００に入力してもよい。
【００３６】
次に、加算読み出し領域と独立読み出し領域が１行の中で混在する撮像素子の出力信号を、焦点検出と画像信号に使用する方法について説明する。
【００３７】
図９は本実施形態の撮像装置の構成を模式的に示している。図１０は撮像素子から出力される１行分の信号を模式的に示し、横軸は時間を示し、信号は左から順に出力されることを示している。
【００３８】
図１０（ａ）において、１００１、１００３は加算読み出し領域の加算後の信号、１００２は独立読み出し領域の信号である。
【００３９】
撮像素子１００から信号１０００が出力される。出力信号１０００に対して、選択部９０１にて選択処理が行われる。まず、加算読み出し領域の信号１００１が出力されているときには、選択部９０１は、信号１００１を整列部９０４に出力する。次に、独立読み出し領域の信号１００２が出力されているときには、信号１００２を第２の加算手段としての加算部９０３と位相差検出部９０２の双方に出力する。位相差検出部９０２では、図５で説明したような、位相差検出演算を行う。位相差検出部９０２にメモリを設け、複数行の信号を加算して位相差検出演算を行ってもよい。加算部９０３に出力された信号１００２は、ＰＤ２０３とＰＤ２０４の信号が個別に記録されているので、同一の画素内のＰＤの信号を加算する。このようにすれば、信号１００２が画像信号として使用可能となる。
【００４０】
加算部９０３で加算された信号は整列部９０４に出力される。次に、加算読み出し領域の信号１００３が出力されているときには、選択部９０１は、信号１００３を整列部９０４に出力する。整列部９０４では、信号１００１と信号１００２と信号１００３が画像信号として最適な順番になるように整列させる。整列部９０４では、信号１００２が加算部９０３で加算処理されている間の遅延時間の調整を行っているので、メモリを有してもよいし、単純な遅延素子で遅延時間の調整を行ってもよい。また、整列部９０４以外にも、画像データの遅延を調整するためにメモリを有してもよい。例えば、撮像素子１００と選択部９０１の間にメモリがあってもよい。このように、独立読み出し領域の信号１００２のみが、加算部９０３で同一の画素内のＰＤの信号を加算し整列されることで、信号１０００を画像信号として使用可能となる。
【００４１】
また、以下のような構成でもよい。
【００４２】
独立読み出し領域については、２つのＰＤの信号を別々に出力するのではなく、１つのＰＤの信号と２つのＰＤを加算した信号の２つの信号を出力してもよい。全ての撮像信号は、独立読み出し領域か加算読み出し領域かに関わらず、常に加算されて撮像素子から出力される。独立読み出し領域からのみ、２つのＰＤのうちの、片方のＰＤの信号も出力されるので、２つのＰＤを加算した信号から片方のＰＤの信号を減算することで、もう一方のＰＤの信号を得ることが可能となる。図９（ｂ）は上記の駆動をしたときの、本実施形態の撮像装置の構成を模式的に示している。
【００４３】
撮像素子１００から信号１０００が出力される。出力信号１０００に対して、選択部９０１にて選択処理が行われる。まず、加算読み出し領域の信号１００１が出力されているときには、選択部９０１は、信号１００１を画像信号として出力する。次に、独立読み出し領域の信号１００２のうち、ＰＤの信号を加算された信号が出ているときは、選択部９０１は同様に画像信号として出力する。選択部９０１は、独立読み出し領域の信号１００２のうち、ＰＤの信号を加算していない片方のＰＤの信号が出ているときには、その信号を減算部９０５に出力する。減算部９０５では、同一画素の片方のＰＤの信号を、加算されたＰＤの信号から減算することで、２つのＰＤの信号を各々得る。２つのＰＤの信号は位相差検出部９０２に送られ、位相差検出部９０２では、図５で説明したような、位相差検出演算を行う。なお、位相差検出部９０２にメモリを設け、複数行の信号を加算して位相差検出演算を行ってもよい。また、加算されたＰＤの信号から同一画素の片方のＰＤの信号を減算するために、信号の遅延を調整するためにメモリを有してもよい。
【００４４】
このような構成にすることで、画像信号は常に撮像素子内で加算されることによって、撮像素子外で加算する場合に画像信号のＳＮを良くすることが可能となる。
【００４５】
さらに、上記の構成の場合、撮像素子からの信号出力は、図１０（ｃ）に示すような出力順でもよい。図１０（ｃ）において、出力信号１０００のうち、加算読み出し領域の２つのＰＤを加算した信号は、１００１と１００３である。加えて、非加算読み出し領域のうちの、２つのＰＤを加算した信号は１００４として出力され、非加算読み出し領域のうちの、どちらか片方のＰＤの信号は１００５として出力される。
【００４６】
このように出力されることで、２つのＰＤを加算した画像信号が、信号１００１、信号１００４、信号１００３と、画素の並び順通りに連続的に扱えるので、信号の取り扱いが簡単になる。また、非加算領域の片方のＰＤの信号１００５を読み出した後、全ての画素の２つのＰＤの信号を画素上で加算することも容易となる。
【００４７】
図１１は本実施形態の撮像装置の構成を模式的に示している。図１１に示す撮像素子１００は、図９と異なり、第１の出力１１０１と第２の出力１１０２の２系統の出力手段を有している。第１の出力１１０１の信号は加算読み出し領域の信号、第２の出力１１０２の信号は独立読み出し領域の信号である。このような構成において、撮像素子１００から出力される１行分の信号は、図１０（ｂ）のようになる。信号１００４は第１の出力１１０１から出力される加算読み出し領域１００５、１００６の信号であり、信号１００７は第２の出力１１０２から出力される独立読み出し領域の信号である。このように、独立読み出し領域の信号と加算読み出し領域の信号を個別に出力することで、図９の選択部９０１を省略できるだけでなく、水平読み出しにかかる時間をさらに短くすることが可能となる。
【００４８】
また、本実施形態の撮像装置を図１２のように構成にすることも可能である。図１２に示す撮像素子１００は、第１の出力１２０１と第２の出力の２系統の出力手段を有している。第１の出力１２０１の信号は加算読み出し領域の信号、第２の出力１２０２の信号は独立読み出し領域の信号である。この撮像素子では、画素アレイの中の、読み出される全ての信号を撮像素子内で加算している。また、画素アレイの一部領域の信号を加算せずに、第２の出力１２０２から出力する。つまり、画素アレイの一部領域の画素のＰＤの信号は、第１の出力１２０１から加算された信号として出力され、同時に第２の出力１２０２から加算されずに出力される。
【００４９】
例えば、図６に示す領域６０１〜６０３を読み出す場合には、全ての画素の加算信号を第１の出力１２０１から出力し、領域６０３の信号を加算せずに独立に第２の出力１２０２から出力する。つまり、領域６０３の信号は、加算して読み出され、独立にも読み出される。
【００５０】
このように独立読み出し領域の信号と加算読み出し領域の信号を個別に出力することで、図９の選択部９０１、整列部９０４、および撮像素子外での加算部を省略できるだけでなく、水平読み出しにかかる時間をさらに短くすることが可能となる。
【００５１】
以上述べたように、画素アレイの一部領域の画素のＰＤの信号を独立に読み出し、一部領域の画素のＰＤの信号を加算して読み出すことで、水平信号読み出し時間を短縮できる。さらに、独立に読み出す領域と加算して読み出す領域の水平方向の画素数を１フレーム内で同じにすることで、撮像素子や撮像装置の制御を複雑にすることなく、簡単な制御で画像データの取得、位相差情報の取得を行うことが可能となる。
【００５２】
［実施形態２］以下、実施形態２について説明する。実施形態２は、図１２の構成を用いて別の読み出しを行う構成である。
【００５３】
図１３は画素アレイの中で、ＰＤの信号を独立かつ加算して読み出す領域と加算してのみ読み出す領域を示している。同図において、１３０１、１３０２、１３０４、１３０５は画素のＰＤの信号を加算して読み出す加算読み出し領域であり、その水平方向画素数をＨ１３０１、Ｈ１３０２、Ｈ１３０４、Ｈ１３０５とする。１３０３、１３０６は画素のＰＤの信号を独立かつ加算して読み出す独立加算読み出し領域であり、その水平方向画素数をＨ１３０３、Ｈ１３０６とする。加算読み出し領域のＰＤの信号は画素内や読み出し回路１０３で加算され、第１の出力１２０１から出力される。一方、独立加算読み出し領域の信号は、例えば読み出し回路１０３で分離され、加算された信号が第１の出力１２０１から出力され、加算されない独立した信号が第２の出力１２０２から出力される。
【００５４】
本実施形態の撮像素子から出力される１行分の信号は、図１４のようになる。信号１４０１は第１の出力１２０１から出力される信号であり、加算読み出し領域の信号１４０２、１４０３と、独立加算読み出し領域の加算された信号１４０４を含む。信号１４０５は第２の出力１１０２から出力される独立加算読み出し領域の加算しない信号である。
【００５５】
つまり信号１４０１は画素アレイから読み出す画素のうち、全ての画素のＰＤを加算した信号であり、信号１４０５は独立加算読み出し領域の加算しない信号である。
【００５６】
このように全ての画素のＰＤを加算した信号を読み出すことによって、フレームレートは常に一定に保たれる。その場合の条件として、独立加算読み出し領域の水平方向の画素数と画素のＰＤの水平方向分割数との乗算数が、水平方向の画素数を超えないことが重要となる。例えば、図１３で水平方向に２分割したＰＤの場合、独立加算読み出し領域の画素数の２倍が全画素の画素数を超えない限り、信号１４０５を読み出す時間が、信号１４０１を読み出す時間より短くなる。言い換えれると、Ｈ１３０３の画素数がＨ１３０１とＨ１３０３とＨ１３０２の画素数の合計の半分以下の値であればよい。つまり、水平読み出しにかかる時間は、信号１４０１を読み出す時間、すなわち、全画素の画素数を読み出す時間で規定されることとなり、独立加算読み出し領域の水平方向の画素数は、水平読み出しにかかる時間を規定しない。
【００５７】
このような撮像素子および撮像装置においては、フレーム間で独立加算読み出し領域の水平方向の画素数を変えてもよいし、図１３で示すように、１フレーム内でもＨ１３０３とＨ１３０６の画素数を変えてもよい。
【００５８】
このように、独立加算読み出し領域の信号を加算する信号と加算しない信号とに分離し、個別に出力することで、フレームレートもしくは水平読み出し時間を一定にしつつ、独立加算読み出し領域の水平方向の画素数を変更することが可能となる。
【００５９】
図１５を参照して、本実施形態の撮像素子をデジタルカメラに適用した撮像装置の構成について説明する。
【００６０】
図１５において、１５０１は被写体の光学像を撮像素子１５０５に結像させるレンズ部で、レンズ駆動回路１５０２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。１５０３はメカニカルシャッタであり、シャッタ駆動回路１５０４によって制御される。１５０５はレンズ部１５０１で結像された被写体を画像信号として取り込むための撮像素子である。１５０６は撮像素子１５０５より出力される撮像信号に各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする信号処理回路である。１５０７は撮像素子１５０５、信号処理回路１５０６に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生回路である。１５０９は各種演算とカメラ全体を制御する制御部、１５０８は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部である。１５１０は記録媒体に対してデータの書き込みまたは読み出しを行うための記録媒体制御Ｉ／Ｆ（インタフェース）部である。１５１１は画像データの書き込みまたは読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。１５１２は各種情報や撮影画像を表示部１５１４に出力する外部Ｉ／Ｆ部である。
【００６１】
次に、本実施形態のデジタルカメラの撮影動作について説明する。
【００６２】
デジタルカメラの主電源がオンされると、制御系及び撮像系の回路が起動される。その後、図示しないレリーズボタンが押されると、撮像素子１５０５から出力される撮像信号を用いて測距演算を行い、測距結果に基づいて被写体までの距離の演算を制御部１５０９で行う。その後、レンズ駆動回路１５０２によりレンズ部１５０１を駆動して合焦状態か否かを判定し、合焦状態でない場合は、再びレンズ部１５０１を駆動し測距を行う。測距演算は、撮像素子１５０５からの撮像信号以外にも、図示しない測距専用回路で行ってもよい。測光回路１５１３は被写体の輝度を測定し、制御部１５０９は、測光結果を受けて適正露出になるように不図示の絞りを制御する。
【００６３】
そして、合焦が確認されると撮影動作を開始する。撮影動作が終了すると、撮像素子１５０５から出力された撮像信号は信号処理回路１５０６で画像処理が施され、制御部１５０９によりメモリ部１５０８に書き込まれる。信号処理回路１５０６では、並べ替え処理や加算処理、それらの選択処理が行われる。メモリ部１５０８に蓄積されたデータは、制御部１５０９により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１５１０を介して記録媒体１５１１に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部１５１２から直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロレンズを有する画素と、前記画素ごとに配置された複数の光電変換領域と、前記画素ごとに配置された光電変換領域の信号を加算する加算手段と、を有する撮像素子において、
複数の前記画素が水平方向及び垂直方向に２次元的に配置され、
前記複数の画素のうち、前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算した信号を出力する加算読み出し領域と、前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算しないで出力する独立読み出し領域とを設定し、
前記加算読み出し領域と前記独立読み出し領域の水平方向の画素数を同一としたことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記加算読み出し領域から信号を出力する第１の出力手段と、前記独立読み出し領域から信号を出力する第２の出力手段と、を更に有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記独立読み出し領域の光電変換領域の信号を加算する第２の加算手段を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記独立読み出し領域の光電変換領域の信号を用いて位相差検出演算を行う位相差検出手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記第２の加算手段によって加算された信号と前記加算手段によって加算された信号を画素の配列に整列させる整列手段を更に有することを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記独立読み出し領域の水平方向の画素数がシリアルインタフェース又はパルスによって選択されることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項７】
マイクロレンズを有する画素と、前記画素ごとに配置された複数の光電変換領域と、前記画素ごとに配置された光電変換領域の信号を加算する加算手段と、を有する撮像素子において、
複数の前記画素が水平方向及び垂直方向に２次元的に配置され、
前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算した信号を出力する第１の出力手段と、
前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算しないで出力する第２の出力手段と、有し、
前記複数の画素のうち、前記第１の出力手段と第２の出力手段の双方から信号が出力される独立加算読み出し領域を設定したことを特徴とする撮像素子。
【請求項８】
前記独立加算読み出し領域の水平方向の画素と前記画素ごとに配置された前記光電変換領域の数との乗算数が、全ての前記画素の水平方向の画素数を超えないことを特徴とする請求項７に記載の撮像素子。
【請求項９】
撮影レンズと、
前記撮影レンズを介した光束を受光する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像素子と、を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項１】
マイクロレンズを有する画素と、前記画素ごとに配置された複数の光電変換領域と、前記画素ごとに配置された光電変換領域の信号を加算する加算手段と、を有する撮像素子において、
複数の前記画素が水平方向及び垂直方向に２次元的に配置され、
前記複数の画素のうち、前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算した信号を出力する加算読み出し領域と、前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算しないで出力する独立読み出し領域とを設定し、
前記加算読み出し領域と前記独立読み出し領域の水平方向の画素数を同一としたことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記加算読み出し領域から信号を出力する第１の出力手段と、前記独立読み出し領域から信号を出力する第２の出力手段と、を更に有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記独立読み出し領域の光電変換領域の信号を加算する第２の加算手段を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記独立読み出し領域の光電変換領域の信号を用いて位相差検出演算を行う位相差検出手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記第２の加算手段によって加算された信号と前記加算手段によって加算された信号を画素の配列に整列させる整列手段を更に有することを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記独立読み出し領域の水平方向の画素数がシリアルインタフェース又はパルスによって選択されることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項７】
マイクロレンズを有する画素と、前記画素ごとに配置された複数の光電変換領域と、前記画素ごとに配置された光電変換領域の信号を加算する加算手段と、を有する撮像素子において、
複数の前記画素が水平方向及び垂直方向に２次元的に配置され、
前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算した信号を出力する第１の出力手段と、
前記光電変換領域の信号を前記加算手段によって加算しないで出力する第２の出力手段と、有し、
前記複数の画素のうち、前記第１の出力手段と第２の出力手段の双方から信号が出力される独立加算読み出し領域を設定したことを特徴とする撮像素子。
【請求項８】
前記独立加算読み出し領域の水平方向の画素と前記画素ごとに配置された前記光電変換領域の数との乗算数が、全ての前記画素の水平方向の画素数を超えないことを特徴とする請求項７に記載の撮像素子。
【請求項９】
撮影レンズと、
前記撮影レンズを介した光束を受光する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像素子と、を備えることを特徴とする撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−１１０６０７（Ｐ２０１３−１１０６０７Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５４４５７（Ｐ２０１１−２５４４５７）
【出願日】平成２３年１１月２１日（２０１１．１１．２１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２１日（２０１１．１１．２１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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