CN104301602A - 摄像元件、焦点检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供摄像元件、焦点检测装置，能够在抑制焦点检测用像素的读出时间和读出电力的增加的同时，实现焦点检测的高性能化。摄像元件具有：呈行列状排列的像素(31)；垂直信号线(33)，其与像素(31)经由通常连接线(34)按照每列连接；焦点检测用像素(R、L、T、B)，它们离散地配置在像素(31)中；焦点用连接线(35)，以使得由多行组成的行组内包含的焦点检测用像素(R、L、T、B)的总数处于垂直信号线(33)的条数以下的范围内的方式来设定行组，该焦点用连接线(35)使行组内包含的全部焦点检测用像素(R、L、T、B)与彼此不同的垂直信号线(33)连接；焦点用读出开关(SW4)，其设置在焦点用连接线(35)上；以及垂直扫描电路，其以行组为单位使焦点用读出开关(SW4)同时动作。

Description

摄像元件、焦点检测装置

技术领域

本发明涉及具有焦点检测用像素的摄像元件、具有该摄像元件的焦点检测装置。

背景技术

近年来，为了检测由于与焦点位置的偏差而产生的相位差而搭载了进行瞳分割后的焦点检测用像素的摄像元件的开发得到实用化和商品化。作为这样的摄像元件，列举有例如日本特开2009－60597号公报记载的摄像元件。

当前实用化的摄像元件停留于在画面内的较窄的特定范围内配置较少数量的焦点检测用像素的程度，焦点检测用像素的配置比例(密度)为例如0.5％左右。

与此相对，为了使焦点检测性能进一步高性能化，期望的是以更高的密度(或者在更宽的范围内)配置大量焦点检测用像素。

然而，当实现了焦点检测用像素的多像素化时，为了读出焦点检测用像素所需要的时间增大，并且读出所需要的消耗电力增大。

发明内容

本发明的目的是提供摄像元件、焦点检测装置，能够在抑制焦点检测用像素的读出时间和读出电力的增加的同时，实现焦点检测的高性能化。

本发明的第1方式的摄像元件，其具有呈行列状排列的多个像素，所述摄像元件具有：多个垂直信号线，它们与所述像素的全部的列分别对应地设置，每个垂直信号线是经由通常连接线与1列所述像素分别连接的信号线；多个焦点检测用像素，它们被离散地配置在呈行列状排列的多个所述像素中；与所述通常连接线不同的焦点用连接线，以使得由所述多行组成的行组内包含的所述焦点检测用像素的总数处于所述垂直信号线的条数以下的范围内的方式来设定所述行组，该焦点用连接线使该行组内包含的全部所述焦点检测用像素与彼此不同的所述垂直信号线连接；焦点用读出开关，其分别设置在所述焦点用连接线上；以及垂直扫描电路，其以所述行组为单位使所述焦点用读出开关同时动作。

本发明的第2方式的焦点检测装置具有：上述第1方式的摄像元件；和焦点检测部，其根据从上述摄像元件的所述焦点检测用像素中读出的信号进行焦点检测。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1中的摄像装置的结构的框图。

图2是上述实施方式1中的摄像部的结构的图。

图3是示出设置在上述实施方式1的摄像部内的列并行型AD转换器的结构的图。

图4是示出上述实施方式1中的焦点检测用像素的像素配置的一例的图。

图5是示出上述实施方式1中的焦点检测用像素与垂直信号线的连接结构的图。

图6是示出在上述实施方式1中通常像素的1个像素涉及的像素部和存储器部的结构的电路图。

图7是示出在上述实施方式1中焦点检测用像素的1个像素涉及的像素部和存储器部的结构的电路图。

图8是示出在上述实施方式1中用于得到图像的摄像部的基本摄像动作的图。

图9是示出在上述实施方式1中当得到通常像素和焦点检测用像素的信息时的像素部的第1～2行的动作的时序图。

图10是示出在上述实施方式1中当得到仅焦点检测用像素的信息时的像素部的行组的动作的时序图。

图11是示出在上述实施方式1中当进行了仅得到焦点检测用像素的信息的读出时按照每个水平同步信号输出的行的例子的时序图。

图12是示出在上述实施方式1中当进行了仅得到包含与以往相同的焦点检测用像素的行的信息的读出时按照每个水平同步信号输出的行的例子的时序图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

[实施方式1]

图1至图12示出本发明的实施方式1，图1是示出摄像装置的结构的框图。

如图1所示，该摄像装置具有：镜头1、摄像部2、图像处理部3、AF(自动对焦)评价值运算部4、显示部5、抖动检测部7、抖动校正部8、曝光控制部9、对焦控制部10、照相机操作部11、以及照相机控制部12。另外，尽管在图1中也记载了存储卡6，然而由于该存储卡可相对于摄像装置拆装，因而可以不是摄像装置固有的结构。

镜头1使被摄体的光学像在包含于摄像部2内的摄像元件2a的摄像区域上成像。该镜头1具有用于调节焦点位置来进行对焦的对焦镜头、和用于控制通过的光束的范围的光圈，而且在本实施方式中还具有抖动校正功能。

摄像部2包括摄像元件2a，该摄像元件2a对由镜头1成像的被摄体的光学像进行光电转换并作为图像信号而输出。另外，在本实施方式中，假定摄像元件2a具有将进行光电转换而得到的模拟图像信号转换成数字信号的电路(后述的列并行型AD转换器23)。而且，在本实施方式中，假定摄像元件2a是具有原色拜尔排列的滤色器的彩色摄像元件(参照图4)进行说明，然而当然可以是其它结构。并且，摄像部2构成为可在垂直于镜头1的摄影光轴的面内移动，具有抖动校正功能。

图像处理部3对从摄像部2输出的图像信号进行各种图像处理。该图像处理部3还进行根据焦点检测用像素附近的通常像素的像素值对摄像元件2a的后述的焦点检测用像素的像素值进行插值运算的处理等。

AF评价值运算部4根据从摄像部2输出的图像信号计算AF评价值，并将其输出到照相机控制部12。具体地说，AF评价值运算部4根据从摄像元件2a的焦点检测用像素读出的信号计算相位差，并作为AF评价值来输出。另外，AF评价值运算部4还可以根据从摄像元件2a输出的图像信号计算对比度值，并作为AF评价值来输出(也就是说，可以除了进行相位差AF以外还可以进行对比度AF)。

显示部5根据由图像处理部3供显示用而进行了图像处理后的信号，来显示图像。该显示部5进行实时取景显示和静态图像显示，并还显示该摄像装置涉及的各种信息等。

存储卡6是用于保存由图像处理部3供记录用进行了图像处理后的信号的记录介质。

抖动检测部7构成为具有加速度传感器等，检测该摄像装置的抖动并将其输出到照相机控制部12。

抖动校正部8根据照相机控制部12的控制，使镜头1和摄像部2中的至少一方移动以抵消检测出的抖动，减轻抖动对摄像元件2a的摄像区域上成像的光学被摄体像产生的影响。

曝光控制部9根据由照相机控制部12决定的快门速度(曝光时间)，在该照相机控制部12的控制下，控制摄像元件2a的元件快门(该元件快门包含有全局快门、即包含如下的快门：通过使摄像元件2a的全部像素一并复位来开始摄影用的曝光，在经过规定的曝光时间后一并转发全部像素的像素信号来结束曝光)，使其取得图像。而且，曝光控制部9还根据由照相机控制部12决定的光圈值，进行镜头1内包含的光圈的控制等。这里，快门速度和光圈值是如下决定的：由照相机控制部12使用根据从摄像部2输出的图像信号计算出的测光数据、和由照相机操作部11设定的感光度等，根据沿着例如APEX系统的程序线图等决定。并且，曝光控制部9将摄像元件2a的驱动信息输出到照相机控制部12。

对焦控制部10驱动镜头1以调节焦点。即，对焦控制部10根据从AF评价值运算部4接收到AF评价值的照相机控制部12的控制，驱动镜头1内包含的对焦镜头，使摄像元件2a上成像的被摄体像达到对焦。这样，AF评价值运算部4、照相机控制部12以及对焦控制部10构成根据从摄像元件2a的焦点检测用像素中读出的信号进行焦点检测的焦点检测部(因此，本实施方式的摄像装置具有作为焦点检测装置的功能)。并且，对焦控制部10将镜头位置等的镜头驱动信息输出到照相机控制部12。

照相机操作部11是用于进行对该摄像装置的各种操作输入的操作部。该照相机操作部11包括以下操作部件：用于接通/断开摄像装置的电源的电源开关、用于指示输入静态图像摄影、动态图像摄影等的释放按钮、用于设定静态图像摄影模式或动态图像摄影模式、实时浏览模式等的模式按钮等。

照相机控制部12根据来自对焦控制部10的镜头驱动信息、来自AF评价值运算部4的AF评价值、来自曝光控制部9的驱动信息、来自图像处理部3的处理信息、来自抖动检测部7的抖动信息、来自照相机操作部11的操作输入等，控制包括图像处理部3、存储卡6、抖动校正部8、曝光控制部9、对焦控制部10等的该摄像装置整体。

下面，图2是示出摄像部2的结构的图。

摄像部2具有：具有多个像素31的像素部21、存储器部22、列并行型AD转换器23、垂直扫描电路24、水平读出电路25、控制电路26、水平信号线27、读出放大器电路28、以及DAC(数字模拟转换器)29。另外，摄像部2的摄像元件2a至少包括像素部21和垂直扫描电路24，而其它电路要素可以在摄像元件2a内，也可以在摄像元件2a外。不过，以下，假定图2所示的摄像部2的各要素包含在摄像元件2a内进行说明。并且，图2所示的各电路要素的配置位置不是必须与实际的配置位置一致。

像素部21是生成与曝光量对应的信号电荷的多个像素31呈行列状排列的摄像区域。该像素部21中的像素31的行方向的排列被称为“行”，列方向的排列被称为“列”。并且，行方向被称为水平方向，列方向被称为垂直方向等。

存储器部22暂时蓄积排列在像素部21内的各像素31的信号电荷，构成为具有例如与排列在像素部21内的各像素31相同数量且相同排列的存储器m1(参照图6和图7)。作为结构，该存储器部22例如为相对于像素部21在基板厚度方向上层叠的配置。在本实施方式中，由于考虑成为这样的结构的情况，因而假定存储器部22包含在像素部21内进行说明。

垂直扫描电路24由移位寄存器等构成，针对排列在像素部21内的各像素31，例如同时对全部像素(使用全局快门)进行曝光控制并将像素信号转发到存储器部22的各存储器m1，例如以行为单位(或者如后所述以行组为单位)对排列在存储器部22内的存储器m1进行读出控制。该垂直扫描电路24按照每行与控制信号线32连接，可以按照每行独立地输出对像素部21或存储器部22的控制信号。例如，当进行全局快门动作时，垂直扫描电路24同时复位像素部21的全部像素31，将全部像素31的像素信号一齐转发到存储器部22的存储器m1。并且例如，垂直扫描电路24在对存储器ml进行读出控制以便以行组为单位高速得到仅焦点检测用像素的信息的情况下，使1个行组内包含的后述的焦点用读出开关(例如，图5中的由第1～6行组成的行组中的焦点用读出开关SW4－1、SW4－4、或者由第7～12行组成的行组中的焦点用读出开关SW4－7、SW4－10等)全部同时动作，控制成按照行组使像素信号从存储器m1输出到垂直信号线33。这里，垂直信号线33分别与全部的像素31的列对应地设置。

列并行型AD转换器23对经由垂直信号线33从存储器部22的存储器m1按照每列输出的像素信号进行例如噪声去除或放大等信号处理。该列并行型AD转换器23还进行将模拟的像素信号转换成数字信号的处理，将经由全部垂直信号线33传送的模拟信号同时转换成数字信号。

DAC29将控制电路26为了控制列并行型AD转换器23而输出的数字信号转换成模拟信号。

水平读出电路25由例如移位寄存器构成，依次选择要读出像素信号的像素列涉及的列并行型AD转换器23的后述的ADC30(参照图3)，从列并行型AD转换器23将像素信号依次输出到水平信号线27来读出像素信号。

读出放大器电路28对输入到水平信号线27的像素信号进行放大等的信号处理。

控制电路26根据曝光控制部9的控制，生成成为动作基准的时钟信号、垂直同步信号VD(参照图8、图11、图12等)、水平同步信号HD(参照图11、图12等)等控制信号，控制上述的列并行型AD转换器23、垂直扫描电路24、水平读出电路25、DAC29等。

下面，图3是示出设置在摄像部2内的列并行型AD转换器23的结构的图。

列并行型AD转换器23具有分别与垂直信号线33对应设置的多个ADC(模拟数字转换器)30。

ADC30具有比较器30a、计数器30b和锁存器30c。

上述的DAC29根据来自控制电路26的控制信号，将参照电压输出到比较器30a。这里DAC29输出的参照电压成为呈斜坡状变化的斜坡波形的电压。

比较器30a在从垂直信号线33被输入了模拟像素信号后，将所输入的像素信号的电压与参照电压进行比较。然后，比较器30a在像素信号的电压和参照电压的大小关系反转时使输出信号反转。这里，比较器30a具有例如由多个PMOS晶体管和多个NMOS晶体管构成的一般的差动放大器的结构，在动作时消耗电力。该比较器30a内的连接来自DAC29的信号线的部分、以及连接垂直信号线33的部分未图示，然而分别连接有用于存储复位电平(复位噪声)的电容器。这些电容器根据来自控制电路26的指示信号被复位。

计数器30b以数字方式将到来自比较器30a的输出信号反转为止的时间、即到斜坡波形的参照电压和像素信号的电压的大小关系反转为止的时间(比较时间)计数为例如输入时钟数。

锁存器30c作为保持计数器30b的计数结果的数字存储器执行功能，例如经由水平信号线27与读出放大器电路28连接。并且，锁存器30c与水平读出电路25连接，当被水平读出电路25选择而被输入了控制信号时，输出所保持的数字信号。

接着，图4是示出焦点检测用像素的像素配置的一例的图。

在排列于像素部21内的像素31中，设置有用于对被摄体像进行摄像的通常像素和用于根据相位差进行焦点检测的焦点检测用像素。作为本实施方式中的焦点检测用像素，具有：对通过镜头1的瞳的右侧的光线进行光电转换的焦点检测用像素R、对通过镜头1的瞳的左侧的光线进行光电转换的焦点检测用像素L、对通过镜头1的瞳的上侧的光线进行光电转换的焦点检测用像素T、以及对通过镜头1的瞳的下侧的光线进行光电转换的焦点检测用像素B。其中，根据由焦点检测用像素R得到的图像和由焦点检测用像素L得到的图像检测水平方向(行方向)的相位差，根据由焦点检测用像素T得到的图像和由焦点检测用像素B得到的图像检测垂直方向(列方向)的相位差。另外，不限于此，可以设置检测右斜方向、左斜方向、或者其它方向的相位差的焦点检测用像素。这样，不仅能检测水平方向的相位差，还能检测水平方向以外的方向的相位差，从而实现焦点检测性能的高性能化。

在像素部21中的图2所示的焦点检测区域21a内，在呈行列状排列的多个像素31中离散地配置有多个上述的焦点检测用像素R、L、T、B。这里，焦点检测区域21a设定在摄像元件2a中的摄像区域的靠中央。

具体地说，焦点检测用像素以例如图4所示的12行8列的配置图案作为最小重复单位，以便铺满该最小重复单位的方式配置在焦点检测区域21a内。另外，在图4中，从左上向右下的斜线的阴影线表示绿像素，纵线的阴影线表示红像素，横线的阴影线表示蓝像素。

在该图4所示的配置图案中，焦点检测用像素以在水平方向上2像素对1像素的比例(焦点检测用像素R或L)和4像素对1像素的比例(不区分焦点检测用像素T和B的情况)交替地仅配置在原色拜尔排列中的绿像素的位置(不过，还有配置有绿像素但未配置有焦点检测用像素R、L、T、B的行)。配置有焦点检测用像素R的行未配置有其它焦点检测用像素L、T、B，配置有焦点检测用像素L的行未配置有其它焦点检测用像素R、T、B。并且，焦点检测用像素T和焦点检测用像素B不排列在同一列。而且，在配置有焦点检测用像素R的行的附近，以成对的方式配置了配置有焦点检测用像素L的行，成对的焦点检测用像素R和焦点检测用像素L配置在同一列。而且，在使焦点检测用像素T向右移位4个像素的位置处配置有焦点检测用像素B。

并且，在焦点检测用像素R、L、T、B的位置处的绿像素的像素值在图像处理时参照附近的绿像素的像素值进行插值，在此关系上，任意的焦点检测用像素R、L、T、B的上下左右的附近4绿像素位置内的2个以上的绿像素位置(不是焦点检测用像素R、L、T、B)配置有绿像素。

更具体地，在图4所示的配置图案中，当设n为整数时，在第n行配置有焦点检测用像素R，在第(n+6)行配置有焦点检测用像素L，在第(n+3)、(n+9)行分别配置有焦点检测用像素T、B，在存在绿像素的第(n+1)、(n+2)、(n+4)、(n+5)、(n+7)、(n+8)、(n+10)、(n+11)行未配置有任何的焦点检测用像素R、L、T、B。

而且，图4所示的配置图案在纵12×横8＝96个的像素中，由于包含有12个焦点检测用像素，因而焦点检测用像素的比例是12.5％。与此相对，以往的焦点检测用像素的比例例如是0.5％左右，大幅提高了焦点检测用像素数。

图5是示出焦点检测用像素与垂直信号线33的连接结构的图，图6是示出通常像素的1像素涉及的像素部21和存储器部22的结构的电路图，图7是示出焦点检测用像素的1像素涉及的像素部21和存储器部22的结构的电路图。

另外，在图5中，在左侧示出以图4中的行编号n为1的相对的行编号。并且，在图6和图7中，示出在相对的行编号是1的情况下的像素部21和存储器部22的结构。这里，开关SWn－m(n、m是整数)的连字符以下是表示行编号(或者，相对的行编号)的辅助符号，因而在不管行编号的情况下，适当省略为开关SWn。

图5示出图4中的单点划线包围的部分的各像素31与垂直信号线33的连接结构，焦点检测用像素以在水平方向上的2像素对1像素的比率和4像素对1像素的比例交替地配置，与此对应地，对垂直信号线33依次附上辅助符号A～D而设为33A～33D。

如图所示，通常像素、焦点检测用像素R、L、T、B均经由通常连接线34与垂直信号线33连接。焦点检测用像素R、L、T、B还经由与通常连接线34不同的焦点用连接线35与垂直信号线33连接。在该焦点用连接线35上配置有焦点用读出开关即开关SW4－m。另外，在图5中省略了图示，然而在通常连接线34上也如图6和图7所示配设有通常读出用开关即开关SW3－m。

这里，通常连接线34使例如与左侧相邻的1列像素分别与垂直信号线33连接，而焦点用连接线35使1个行组内包含的焦点用像素分别与不同的垂直信号线33连接，以使1次读出的1个行组的焦点用像素的信号不会混交。因此，焦点检测用像素不一定经由焦点用连接线35与相邻的垂直信号线33连接。如后所述，在本实施方式中示出使焦点检测用像素与相邻的垂直信号线33连接的例子，然而在以使得信号不会混交的方式将焦点检测用像素与垂直信号线33连接情况下，相邻的信号线33不一定总是空出的线。这可以根据焦点检测用像素的配置图案进行各种改变。

具体地说，在焦点检测时1次读出的分别由第1～6行组成的第1行组、由第7～12行组成的第2行组，该第1行组和第2行组是在如图4和图5所示的例子中由虚线划分由12行组成的最小重复单位而得到的，也就是说，通过2次来读出最小重复单位的全焦点检测用像素。

例如关于第1次的读出，使第1行的焦点检测用像素R与垂直信号线33A、33C连接，使第4行的焦点检测用像素T或B与垂直信号线33B连接，从而未连接的垂直信号线33仅为垂直信号线33D。然后，接下来的第7行的焦点检测用像素L由于水平线方向的配置比例是2像素对1像素，因而不能全部与未连接的垂直信号线33D连接。因此，到第7行的近前的第6行为至成为第1行组。

这样，通过新配设用于选择焦点检测用像素的开关，可以同时读出配置在多个行上的焦点检测用像素。这里如上所述，在垂直信号线33中存在第1行组的焦点检测用像素未经由开关SW4而连接的垂直信号线33D，也就是说，当仅读出第1行组的焦点检测用像素时，不使用垂直信号线33D。因此，在设计上，通过还追加其它焦点检测用像素与未连接的垂直信号线33D连接，在进一步提高读出速度方面有余地。因此，存在由于与未相邻的垂直信号线33连接等而使焦点用连接线35的配线变得复杂、或者需要在读出后的图像处理时重新构成像素排列的情况，然而，也可以以使得未连接的垂直信号线33D不存在的方式进一步连接其它焦点检测用像素，进一步改善读出速度。

第2次的读出涉及的第2行组也与第1行组一样，以不产生信号混交的方式与垂直信号线33A～33D的任一方连接。

这样，在焦点检测用像素以在水平方向上的2相素对1像素的比例和4像素对1像素的比例交替配置的情况下，当仅对配置有焦点检测用像素的行进行计数时，每2(该“2”对应于配置有焦点检测用像素的多个行内的、以最高密度配置有焦点检测用像素的最密行、即以“2”像素对1像素的比例配置有焦点检测用像素的最密行的“2”)行以下(因此，考虑到还包含仅通常像素的行，则例如为第1～6行、第7～12行、…)划分像素组即可。

而且在上述中，对将焦点检测用像素以水平方向上的2像素对1像素的比例和4像素对1像素的比例交替配置的例子作了说明，然而更一般地，在最密行以n像素对1像素的比例配置有焦点检测用像素的情况下，也可以应用相同的考虑方法。在该情况下，当仅对配置有焦点检测用像素的行进行计数时每n行以下(例如，以包含第1～n行、第(n+1)～2n行、第(2n+1)～3n行、…的配置有焦点检测用像素的行的方式)划分像素组即可。

而且，在水平方向上的焦点检测用像素的配置比例可以不固定。在该情况下，以使得由多个行组成的行组内包含的焦点检测用像素的总数为垂直信号线33的条数以下的范围内的方式设定行组，并将行组内包含的全部焦点检测用像素经由焦点用连接线35与相互不同的垂直信号线连接即可。在该情况下，根据行组读出次数最小化而实现效率化(例如，读出时间的缩短、读出需要的消耗电力的削减等)的观点，优选在行组内包含的焦点检测用像素的总数为垂直信号线33的条数以下的范围内取最大值。而且，优选的是，行组由连续的多个行构成，以避免无用的复杂度。而且，优选的是，在电路设计上，焦点用连接线35被设定成使信号线的总长度(将全部焦点用连接线35的长度合计后的长度)为最短。

下面，参照图6，说明与通常像素关联的电路结构的一例。

像素部21的像素31具有：光电转换部即PD(光电二极管)、和在电荷读出时暂时保持该光电转换部PD的信号的信号蓄积部即FD(浮动扩散)。这里，光电转换部PD生成与入射的光对应的信号电荷，并保持和蓄积所生成的信号电荷。并且，信号蓄积部FD是暂时保持和蓄积从光电转换部PD转发的信号电荷的电容。这些光电转换部PD的一端和信号蓄积部FD的一端分别接地。

在光电转换部PD的另一端和信号蓄积部FD的另一端之间串联连接有用于将蓄积在光电转换部PD内的信号电荷转发到信号蓄积部FD的转发晶体管TX。即，转发晶体管TX，其漏极端子与光电转换部PD的另一端连接，其源极端子与信号蓄积部FD的另一端连接。并且，转发晶体管TX的输入部即栅极端子与垂直扫描电路24连接，从垂直扫描电路24被供给转发脉冲，控制转发晶体管TX的导通/断开。

TrA是作为放大器执行功能的放大用晶体管，对输入到栅极端子的、基于蓄积在信号蓄积部FD的信号电荷的信号进行放大，从源极端子输出该信号。该放大晶体管TrA的漏极端子与电压源Vdd连接。并且，放大晶体管TrA的输入部即栅极端子与转发晶体管TX的源极端子连接。而且，放大晶体管TrA的源极端子与电流源连接。这样，放大晶体管TrA使用电压源Vdd和电流源构成源极跟随放大器(source followeramplifier)。

FDRST是用于对信号蓄积部FD和放大晶体管TrA的输入部进行复位的FD复位晶体管。该FD复位晶体管FDRST的漏极端子与电压源Vdd连接，FD复位晶体管FDRST的源极端子与转发晶体管TX的源极端子连接。并且，FD复位晶体管FDRST的输入部即栅极端子与垂直扫描电路24连接，从垂直扫描电路24被供给FD复位脉冲，控制FD复位晶体管的导通/断开。在这样的结构中，通过使FD复位晶体管FDRST和转发晶体管TX同时导通，与信号蓄积部FD的复位同时地，还能够进行光电转换部PD的复位。

根据这样的结构，光电转换部PD的信号在暂时蓄积于信号蓄积部FD之后，被放大晶体管TrA放大，并输出到存储器部22侧。

存储器部22具有：电容器C1、开关SW1－1、开关SW2－1、作为模拟存储器的存储器m1、晶体管TrB、以及开关SW3－1。另外，在图6和图7中，示出针对有必要意识到控制按照每行编号而不同的开关在符号的末尾附上“－1”而使行编号为1时的存储器部22的结构，然而一般以m为整数，认为是“－m”即可。以下，以“－1”的情况为代表例合适说明。

电容器C1的一端与放大晶体管TrA的源极端子连接。该电容器C1是对从放大晶体管TrA输出的放大信号的电压电平进行钳位(固定)的电容。电容器C1的另一端与由晶体管构成的开关SW1－1的漏极端子连接。

开关SW1－1是对电容器C1的另一端的电压电平进行采样保持并保持和蓄积在存储器m1内的晶体管。该开关SW1－1的栅极端子与垂直扫描电路24连接，从垂直扫描电路24被供给采样脉冲，控制开关SW1－1的导通/断开。

开关SW2－1是用于对存储器m1进行复位的晶体管，其源极端子与开关SW1－1的源极端子连接，其漏极端子与参照电压Vref连接。该开关SW2－1的栅极端子与垂直扫描电路24连接，从垂直扫描电路24被供给钳位和存储器复位脉冲，控制开关SW2－1的导通/断开。

存储器m1，其一端接地，其另一端与开关SW1－1的源极端子连接，对由开关SW1－1采样保持的模拟信号进行保持、蓄积。该存储器m1构成为比信号蓄积部FD的电容大的电容。

晶体管TrB是作为放大部执行功能的放大用晶体管，根据蓄积在存储器m1内的信号电荷对输入到栅极端子的信号进行放大，并将其从源极端子输出。该晶体管TrB的漏极端子与电压源Vdd连接。并且，晶体管TrB的输入部即栅极端子与开关SW1－1的源极端子连接。而且，晶体管TrB的源极端子经由开关SW3－1与电流源连接。这样，晶体管TrB使用电压源Vdd和电流源构成源极跟随放大器。

开关SW3－1是配置在通常连接线34上的通常读出用开关，是用于进行将模拟存储器m1的信号经由通常连接线34输出到垂直信号线33的选择的晶体管。然后，所选择的信号经由垂直信号线33被转发到列并行型AD转换器23。该开关SW3－1，其漏极端子与晶体管TrB的源极端子连接，其源极端子与电流源连接。并且，开关SW3－1的栅极端子与垂直扫描电路24连接，从垂直扫描电路24被供给选择脉冲，控制开关SW3－1的导通/断开。

根据这样的结构，来自像素部21的信号被暂时蓄积在存储器m1内后，由晶体管TrB放大，被输出到列并行型AD转换器23侧。

如图3所示，列并行型AD转换器23具有与各垂直信号线33分别对应的多个ADC(模拟数字转换器)30。

首先，当从开关SW3－1的源极端子输出了模拟像素信号时，所输出的模拟像素信号经由垂直信号线33被输入到ADC30的比较器30a。在信号稳定时，从控制电路26将指示信号施加给比较器30a后，模拟像素信号被存储在比较器30a内的电容器内。之后，再从DAC29向比较器30a输入上述的呈斜坡状变化的斜坡波形的参照电压。于是，比较器30a将模拟像素信号的电压和参照电压进行比较，在电压的大小关系反转的时刻使输出信号反转。计数器30b将从参照电压呈斜坡状开始变化的时刻到来自比较器30a的输出信号反转的时刻为止的时间作为输入时钟数以数字方式进行计数(通过该计数器30b的作用将模拟信号转换成数字信号)。不过，在进行模拟信号的计数时，进行向上计数。

之后，使开关SW2－1处于导通状态并从开关SW3－1的源极端子输出复位信号并输入到比较器30a，然后，所输出的复位电平信号经由垂直信号线33被输入到ADC30的比较器30a。在信号稳定时，在将来自控制电路26的指示信号施加给比较器30a后，各像素31的复位电平的偏差、以及比较器30a自身的偏移电压被存储在比较器30a内的电容器内。之后，再从DAC29向比较器30a输入上述的呈斜坡状变化的斜坡波形的参照电压。比较器30a与上述一样，将复位信号的电压和参照电压进行比较，在电压的大小关系反转的时刻使输出信号反转。计数器30b对到来自比较器30a的输出信号反转为止的时间同样地进行计数，但是，在进行像素信号的计数时，进行向下计数。

因此，在计数器30b内保持有从像素信号的计数结果中减去复位电平信号的计数结果后得到的差分，也就是说，进行去除复位噪声的CDS(相关双采样)。

锁存器30c保持计数器30b的计数结果。该锁存器30c与水平读出电路25连接而被控制。

然后，当从水平读出电路25被供给脉冲时，锁存器30c接通并与水平信号线27电连接，保持在锁存器30c内的数字信号被输出到读出放大器电路28进行放大。

接着，参照图7，说明与焦点检测用像素相关联的电路结构的一例。

焦点检测用像素与图6所示的通常像素相比不同点是，对存储器部22追加了作为焦点用读出开关的开关SW4。

即，晶体管TrB的源极端子被分支成2个，其中一个与开关SW3－1连接，另一个与开关SW4－1连接。开关SW3－1与相邻的垂直信号线33连接，而开关SW4－1(一般是开关SW4－m)不一定与相邻的垂直信号线33连接，有时也延伸到隔开的垂直信号线33来连接。

开关SW4－1除了有时延伸到合适的垂直信号线33之外，是与开关SW3－1相同的连接构造。

而且，开关SW4－1的栅极端子与垂直扫描电路24连接，从垂直扫描电路24被供给选择脉冲，控制开关SW4－1的导通/断开。

这里，在读出通常像素的情况下，仅向开关SW3－1供给选择脉冲。在该情况下，读出通常像素和焦点检测用像素的双方。另一方面，在不需要读出通常像素而仅读出焦点检测用像素就足够的情况下，仅向开关SW4－1供给选择脉冲。如上所述，开关SW4－1是仅将焦点检测用像素与垂直信号线33连接的开关。

另外，关于上述各晶体管，可以使极性相反，使源极端子和漏极端子与上述相反，以下假定输入侧是漏极端子、输出侧是源极端子的情况进行说明。并且，以下，也适当省略开关由晶体管构成的记载。

接下来，图8是示出用于得到图像的摄像部2的基本摄像动作的图，图9是示出得到通常像素和焦点检测用像素的信息时的像素部21的第1～2行的动作的时序图。

首先，照相机控制部12根据测光结果，预先设定曝光时间Texp。

然后，曝光控制部9在从垂直同步信号VD的上升定时追溯曝光时间Texp的时刻，同时进行摄像元件2a的全部像素的光电转换部PD的复位(全局快门方式)。如上所述，该光电转换部PD的复位是通过使FD复位晶体管FDRST和转发晶体管TX同时导通来进行的(参照图9)。此时，信号蓄积部FD也同时被复位。然后，FD复位晶体管FDRST和转发晶体管TX断开的时刻成为曝光开始时刻。

之后，在与曝光时间Texp结束相比靠前的时刻，使FD复位晶体管FDRST导通并使信号蓄积部FD复位，同时使开关SW2－1导通，由此使存储器m1复位为参照电压Vref。此时再同时使开关SW1－1导通，从而使电容器C1的另一端的电位复位为参照电压Vref，并且开关SW1－1开始电容器C1的另一端的电位的采样保持。

之后，通过断开FD复位晶体管FDRST，使得信号蓄积部FD的复位结束。期望该信号蓄积部FD的复位结束是尽可能在曝光时间Texp刚要结束前进行，以便更有效地降低由泄漏电流引起的噪声。

接着，通过断开开关SW2－1，结束存储器m1的复位。在该时刻，电容器C1对从放大晶体管TrA输出的放大信号(信号蓄积部FD的复位后的放大信号)进行钳位。

而且之后，通过使转发晶体管TX导通，将蓄积在全部像素的光电转换部PD内的信号电荷经由转发晶体管TX被转发到信号蓄积部FD，蓄积在信号蓄积部FD内。

然后，在垂直同步信号VD的上升定时，通过断开全部像素的转发晶体管TX，使得全部像素的曝光(信号电荷的蓄积)一并(同时)结束。

通过与该转发晶体管TX的断开同时地断开开关SW1－1，来结束电容器C1的另一端的电位的采样保持。这样，蓄积在像素部21的全部像素内的信号在实施了相关双采样(CDS)的状态下被采样保持在存储器m1内，该相关双采样(CDS)用于消除在信号蓄积部FD中产生的复位噪声、由在放大晶体管TrA中产生的规定的判定阈值电平Vth的偏差引起的固定图案噪声(FPN)。

之后，曝光控制部9以行为单位经由列并行型AD转换器23依次读出在存储器m1内采样保持的图像信号。

即，如参照图3所说明那样，与蓄积在存储器m1内的图像信号的第1行相当的信号被转换成数字信号，进行CDS并依次被输出到水平信号线27。通过此处进行的CDS而被消除的噪声主要是由在晶体管TrB中产生的规定的判定阈值电平Vth的偏差引起的固定图案噪声(FPN)和ADC起因的噪声。经由水平信号线27读出了第1行的全部信号电荷后，同样地读出第2行的像素信号。通过对全部行重复该动作来读出全部像素的信号电荷。

接着，图10是示出得到仅焦点检测用像素的信息时的像素部21的行组的动作的时序图。

即使在不需要读出通常像素而仅读出焦点检测用像素的情况下，也与图9所示的处理(得到通常像素和焦点检测用像素的信息时的处理)同样地进行像素部21的处理，与得到通常像素和焦点检测用像素的信息时的处理同样地进行列并行型AD转换器23的处理，但是，存储器部22的处理成为不同的部分。

即，在由像素部21进行了上述的曝光动作之后，在要得到图像的情况下如图9所示按照每行读出全部像素，但是，在要得到焦点检测用像素的信息的情况下，如图4、图5和图10所示，按照每个行组仅读出焦点检测用像素。

在图4和图5所示的结构的情况下，在与水平同步信号HD同步进行的第1次的读出中，同时导通/断开焦点用读出开关SW4－1、SW4－4，从焦点用读出开关SW4－1读出的焦点检测用像素R的信号被输出到垂直信号线33A或33C，从焦点用读出开关SW4－4读出的焦点检测用像素T或B的信号被输出到垂直信号线33B。因此，此时，按垂直信号线33A～33D的顺序读出的输出像素为R、T、R、X、R、B、R、X、…(这里，“X表示缺少像素输出”)的顺序(其中，在图4和图5的像素排列中，假定先读出行上的左侧的像素)。

接着，在与水平同步信号HD同步进行的第2次的读出中，同时导通/断开焦点用读出开关SW4－7、SW4－10，从焦点用读出开关SW4－7读出的焦点检测用像素L的信号被输出到垂直信号线33A或33C，从焦点用读出开关SW4－10读出的焦点检测用像素T或B的信号被输出到垂直信号线33B。因此，此时，按垂直信号线33A～33D的顺序读出的输出像素为L、T、L、X、L、B、L、X、…(这里，“X表示缺少像素输出”)的顺序。

在焦点检测区域21a中，由于图4所示的最小重复单位被铺满，因而在要得到全部焦点检测用像素的信息时重复执行这样的处理。

另外，如果仅对焦点检测区域21a进行考虑，则第1次和第2次的读出成为从行组读出的焦点检测用像素的总数比通过焦点检测区域21a内的垂直信号线的条数少的例子。也就是说，如上所述，在仅读出焦点检测用像素时，垂直信号线33的一部分未使用。不过，不妨碍焦点检测用像素与在焦点检测区域21a内的同一行组内观察情况下未连接开关SW4的垂直信号线33、或者焦点检测区域21a外的垂直信号线33连接，而进一步实现效率化。例如，只要在行组内包含的焦点检测用像素的总数在像素部21内包含的全部垂直信号线33的条数以下的范围内取最大值，就可以实现最大的效率化。

图11是示出当进行了仅焦点检测用像素的信息的读出时按照每个水平同步信号HD输出的行的例子的时序图，图12是示出当进行了仅得到包含与以往相同的焦点检测用像素的行的信息的读出时按照每个水平同步信号HD输出的行的例子的时序图。

当进行了上述的读出时，例如与第1水平同步信号HD同步读出图4所示的第n、(n+3)行，与第2水平同步信号HD同步读出图4所示的第(n+6)、(n+9)行，使用2个水平同步信号HD读出最小重复单位内的全部焦点检测用像素。

与此相对，当如图12所示进行了与以往相同的读出时，为了读出设置有焦点检测用像素的各行，需要4个水平同步信号HD。

因此，根据本实施方式的结构，焦点检测用像素的读出所需要的时间是以往的50％即可，读出速度提高为2倍。此外，所读出的像素由图3所示的列并行型AD转换器23转换成数字信号，但是，在本实施方式的结构中，列并行型AD转换器23的处理次数也是50％即可，由于大幅减轻了需要电力的列并行型AD转换器23的处理，因而能够有效地削减摄像元件的消耗电力。

根据这样的实施方式1，行组内包含的焦点检测用像素经由焦点用连接线35分别与不同的垂直信号线33连接，独立于用于读出通常的图像信号的开关SW3而将焦点用读出开关SW4设置在焦点用连接线35上，并使其以行组为单位同时动作，因而可以通过1次读出动作读出多行的焦点检测用像素。因此，缩短了读出时间，伴随读出次数的减少还能够减少消耗电力。

针对以往的相位差摄像元件(例如，焦点检测用像素的配置比率0.5％)，在进行检测区域21a的本实施方式那样的高密度化的情况下，或者在实现了广域化而不是高密度化、或者实现了其双方(例如，在本实施方式中焦点检测用像素的配置比率12.5％)的情况下，需要读出大量(在本实施方式中相当于以往的20倍左右)的焦点检测用像素，而根据本实施方式的结构，即使在这样的情况下也能够确保实用的读出速度。

而且，行组内包含的焦点检测用像素分别与不同的垂直信号线33连接，因而从焦点检测用像素输出的信号不会混交。

特别是，在本实施方式的结构中设置有需要电力的列并行型AD转换器23，因而通过减少读出次数，能够实现有效的低耗电化。

并且，也能够将期望的多个行进行组合来构成行组，但是，与通过不连续的行构成行组的情况相比，在通过连续的多行构成了行组的情况下，能够避免电路设计和信号处理的无用的复杂度。

而且，在设定成包含于行组内的焦点检测用像素的总数在垂直信号线33的条数以下的范围内取最大值的情况下，可以使读出次数最小化、实现效率化。

而且，如上所述，根据进一步实现高速化的观点，可以使配置在不同场所的焦点检测用像素与未使用的垂直信号线连接，但是，此时，如果能够以使信号线的总长度最短的方式设定焦点用连接线35，则电路设计会变得简单，并且能够有效降低从信号线混入的噪声等。

在焦点检测用像素包含R像素和L像素的情况下，可以检测水平方向的相位差，可以高精度地进行在水平方向上图案变化的被摄体的焦点检测。而且，如果构成为使焦点检测用像素包含T像素和B像素，对于在水平方向上图案几乎不变化、在垂直方向上图案变化的被摄体(也就是说，通过R像素和L像素难以检测的被摄体)，也可以高精度地进行焦点检测。

并且，在原色拜尔排列中，绿像素的配置数量是红像素、蓝像素的2倍，因而通过将焦点检测用像素仅配置在绿像素的位置，具有不会降低数量少的红、蓝成分的解像度的优点。而且，通过将焦点检测用像素离散地(不是稠密)配置在绿像素的位置，能够容易地根据附近的绿像素进行插值而得到配设有焦点检测用像素的位置的绿成分。

而且，根据从上述的结构的摄像元件2a的焦点检测用像素中读出的信号进行焦点检测，因而成为高速、低耗电的焦点检测装置。

另外，上述列举了快门动作是全局快门动作的情况为例作了说明，然而本发明不限定于这样的快门动作。例如，也能够将本发明与当前一般的卷帘快门动作进行组合。在该情况下，通过卷帘动作进行向存储器m1的转发，只要最佳设计从存储器m1读出的定时就成为可能。并且，虽然设计难易度提高，然而在原理上能够不经由存储器而在光电转换部PD上实现。而且，在转发晶体管TX和FD复位晶体管FDRST的动作定时在复位时和转发时不是完全一致的定时的情况下(例如，在具有几个时钟等的延迟间隔的模拟全局快门动作的情况下)，当然也能够对本发明进行组合。

Claims (9)

1.一种摄像元件，其具有呈行列状排列的多个像素，其特征在于，所述摄像元件具有：

多个垂直信号线，它们与所述像素的全部的列分别对应地设置，每个垂直信号线是经由通常连接线与1列所述像素分别连接的信号线；

多个焦点检测用像素，它们被离散地配置在呈行列状排列的多个所述像素中；

与所述通常连接线不同的焦点用连接线，以使得由多行组成的行组内包含的所述焦点检测用像素的总数处于所述垂直信号线的条数以下的范围内的方式来设定所述行组，该焦点用连接线使该行组内包含的全部所述焦点检测用像素与彼此不同的所述垂直信号线连接；

焦点用读出开关，其分别设置在所述焦点用连接线上；以及

垂直扫描电路，其以所述行组为单位使所述焦点用读出开关同时动作。

2.根据权利要求1所述的摄像元件，其特征在于，

所述行组由连续的多行构成。

3.根据权利要求1所述的摄像元件，其特征在于，

所述行组被设定成，使得该行组内包含的所述焦点检测用像素的总数在所述垂直信号线的条数以下的范围内取最大值。

4.根据权利要求1所述的摄像元件，其特征在于，

所述焦点用连接线被设定成，使得信号线的总长度成为最短。

5.根据权利要求1所述的摄像元件，其特征在于，

所述焦点检测用像素包括用于检测行方向的相位差的R像素和L像素。

6.根据权利要求5所述的摄像元件，其特征在于，

所述焦点检测用像素还包括用于检测列方向的相位差的T像素和B像素。

7.根据权利要求1所述的摄像元件，其特征在于，

所述摄像元件是具有原色拜尔排列的滤色器的彩色摄像元件，

所述焦点检测用像素仅被离散地配置在原色拜尔排列中的绿像素的位置。

8.根据权利要求1所述的摄像元件，其特征在于，

所述摄像元件还具有列并行型AD转换器，该列并行型AD转换器用于将全部所述垂直信号线中传送的模拟信号同时转换成数字信号。

9.一种焦点检测装置，其特征在于，所述焦点检测装置具有：

权利要求1所述的摄像元件；以及

焦点检测部，其根据从上述摄像元件的所述焦点检测用像素中读出的信号进行焦点检测。