JP2002258142A

JP2002258142A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2002258142A
Application number: JP2001054773A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Nagano; 明彦長野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2002-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】画像処理アルゴリズムを複雑にすることな
く、被写体輝度が低い場合のフォーカシングを向上させ
る。【解決手段】フォーカシング時に被写体輝度がしきい
値よりも高い場合には、各画素「Ｂ」，「Ｇ１」，「Ｇ
２」，「Ｒ」の光電変換素子α，βからそれぞれ独立し
て画素信号を出力する（図４（ａ））。一方、被写体輝
度がしきい値よりも低い場合には、「Ｂ」と「Ｇ２」と
の光電変換素子α，βの電荷をそれぞれ加算してから出
力させ、「Ｇ１」と「Ｒ」との光電変換素子α，βの電
荷をそれぞれ加算してから出力する（図４（ｂ））。撮
像時には、各画素「Ｂ」，「Ｇ１」，「Ｇ２」，「Ｒ」
内の光電変換素子α，βで発生した電荷を画素内部で加
算してから出力させる（図４（ｃ））。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、撮像装置に関し、
特に、瞳分割方式の焦点検出を行うデジタルスチルカメ
ラなどの撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、デジタルスチルカメラなどの撮像
装置の焦点検出方式には、いくつかの方法があるが、セ
ンサの各画素にマイクロレンズが形成された２次元の受
光センサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う装置が特
開昭５８−２４１０５号公報に開示されている。

【０００３】図１１は、上記公報で提案している瞳分割
方式の焦点検出を行う方法の原理説明図である。受光セ
ンサ１０は撮影レンズ５の予定結像面に配置されてい
る。また、受光センサ１０の１画素は２つの光電変換素
子１３ａ，１３ｂとから構成されており、各光電変換素
子１３ａ，１３ｂの撮影レンズ５側に形成されたマイク
ロレンズ１１によって光電変換素子１３ａ，１３ｂは撮
影レンズ５の瞳の異なる位置を透過した光束を受光する
ように構成されている。

【０００４】ここで、光電変換素子１３ａは主に撮影レ
ンズ５の瞳の図面の下方を透過する光束を受光し、光電
変換素子１３ｂは主に撮影レンズ５の瞳の図面の上方を
透過する光束を受光する。焦点検出時は、各光電変換素
子１３ａ，１３ｂからの出力をそれぞれ読み出し、さら
に複数の画素からの出力より撮影レンズ５の異なる瞳位
置を透過した光束による像が生成される。撮影レンズ５
の異なる瞳位置を透過した光束より生成される像を用い
て焦点検出を行う方法は特開平５−１２７０７４号公報
などに開示されている。

【０００５】また、本出願人の固体撮像装置に係る出願
が、特開２０００−１５６８２３号公報に開示されてい
る。この固体撮像装置は、瞳分割方式の焦点検出を行う
ものであり、複数の画素を、焦点検出専用の画素と撮像
専用の画素とに分け、焦点検出専用の画素の出力に基づ
いて撮影レンズの焦点状態を検出して、撮像専用の画素
の出力に基づいて画像を撮像している。

【０００６】さらに、本出願人の固体撮像装置に係る出
願が、特開平９−４６５９６号公報に開示されている。
この固体撮像装置は、複数画素の画素信号の加算と非加
算とを任意に行うことができるようにしており、被写体
の輝度が高い場合には画素信号を非加算出力して高解像
度の撮像を行い、被写体の輝度が低い場合は画素信号を
加算出力して高感度の撮像を行っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開２０００
−１５６８２３号公報に開示されている撮像装置は、画
像を撮像する際に、焦点検出専用の画素からの出力を用
いていないので、この分、得られる画像の画質が低下す
る場合があり、改善が望まれている。

【０００８】また、特開昭５８−２４１０５号公報等に
開示されている撮像装置は、被写体の輝度のバラツキ
を、受光センサ１０側で変換した電荷の蓄積時間あるい
は信号増幅率を変化させることにより補填しているが、
被写体の輝度が低い場合には、焦点検出を行う時間が長
くなったり、Ｓ／Ｎ比が低下する場合があった。

【０００９】さらに、特開平９−４６５９６号公報に開
示されている撮像装置は、被写体の輝度の応じて撮像の
仕方を変えているので、色再現を行うための画像処理方
法も被写体の輝度に応じて変えなければならず画像処理
アルゴリズムが複雑になる場合があり、改善が望まれて
いる。

【００１０】そこで、本発明は、画像処理アルゴリズム
を複雑にすることなく、被写体輝度が低い場合のフォー
カシングを向上させることを課題とする。

【００１１】また、被写体輝度に応じたフォーカシング
を実現することを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、２次元状に配列された画素内に光電変換
素子が複数配置された撮像装置であって、複数の画素の
第１の領域に含まれる複数の光電変換素子からの加算信
号と、前記複数の画素の第２の領域に含まれる複数の光
電変換素子からの加算信号とに基づいてフォーカシング
を行う焦点制御手段を備えることを特徴とする。

【００１３】また、本発明は、２次元状に配列された画
素内に光電変換素子が複数配置された撮像装置であっ
て、第１の被写体輝度の場合に前記画素内の各光電変換
素子から読み出された信号に基づいてフォーカシングを
行い、前記第１の被写体輝度よりも低い第２の被写体輝
度の場合に複数の画素の第１の領域に含まれる複数の光
電変換素子からの加算信号と、前記複数の画素の第２の
領域に含まれる複数の光電変換素子からの加算信号とに
基づいてフォーカシングを行う焦点制御手段を備えるこ
とを特徴とする。

【００１４】さらに、本発明は、被写体像信号を生成す
る光電変換素子と、前記光電変換素子と被写体との間に
設けられたカラーフィルタとを備えた撮像装置におい
て、第１の被写体輝度の場合に、原色の被写体像信号に
基づいてフォーカシングを行い、前記第１の被写体輝度
よりも低い第２の被写体輝度の場合に、補色の被写体像
信号に基づいてフォーカシングを行う焦点制御手段を備
えることを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を用いて説明する。

【００１６】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１のデジタルスチルカメラ１（撮像装置）の模式的な内
部構成図である。図１において、５は凸レンズ５ａ，凹
レンズ５ｂを有する撮影レンズ、３０はレンズ５を通っ
た光を可変する絞り装置、２７は絞り装置３０を駆動す
る絞り駆動回路、２６は撮像レンズ５を合焦状態に調節
する撮影レンズ駆動回路、１０は撮影レンズ５の予定結
像面に配置されており撮影レンズ５の瞳の異なる領域を
透過する光束を受光するＣＭＯＳプロセス等で同一半導
体チップ上に形成されたイメージセンサ、２１はイメー
ジセンサ１０を駆動制御するイメージセンサ制御回路、
２４はイメージセンサ１０で撮像した画像信号に対して
画像を形成するための画像処理を行う画像処理回路、２
３は画像処理回路２４で処理された画像を外部に出力す
るためのインターフェース回路、９はイメージセンサ１
０で撮像された画像を表示するための液晶表示素子、２
５は液晶表示素子を駆動する液晶表示素子駆動回路、３
は液晶表示素子９に表示された被写体像を観察するため
の接眼レンズ、２２はイメージセンサ１０で撮像された
画像を記録したり撮影レンズ５の固有情報が記憶されて
いるメモリ回路、ＳＷ２は撮影者が撮影された画像をメ
モリ回路２２に記録するための操作スイッチ、２０は被
写体輝度の測定を行う測定手段や焦点検出を行う焦点制
御手段を含むデジタルスチルカメラ１の動作を制御する
ＣＰＵである。

【００１７】なお、撮像レンズ５は、便宜上２枚のレン
ズ５ａ，５ｂを図示しているが、実際は多数枚のレンズ
を備えている。

【００１８】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、イメージセン
サ１０の模式的な平面図である。図２（ａ），図２
（ｂ）は、それぞれ図４（ａ）のＡ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’の
断面図である。図４（ａ）〜図４（ｃ）には、２行×２
列の２次元エリアセンサを示しており、光電変換素子
α，βが形成されている。光電変換素子α、βにはそれ
ぞれ異なる視点から得られる被写体像が結像される。な
お、図４（ａ）〜図４（ｃ）の電荷の読み出し方につい
ては後述する。また、図２（ａ），図２（ｂ）では、光
電変換素子α，βをそれぞれ構成する部分に添字α，β
を付し、奇数行，偶数行にそれぞれ添字ｏ，ｅを付して
いる。

【００１９】図２（ａ），図２（ｂ）において、１１７
は基板内に形成されたｐ型ウェル、１２５はＰ型ウェル
１１７と共に光電荷を発生させ蓄積するｎ型領域、１２
１はｎ型領域１２５に蓄積されている光電荷が転送され
るフローティングディフュージョン部（以下、「ＦＤ
部」と称する。）、１２６はｎ型領域１２５に蓄積され
た光電荷をＦＤ部１２１へ効率よく転送するために光電
荷を収集する表面ｐ⁺層、１０３はＦＤ部１２１へ光電
荷を転送するための転送ゲート、１１８はゲート絶縁膜
であるＳｉＯ₂膜、１２９はベイヤ配列のカラーフィル
タ、１３０は被写体からの光を集めるマイクロレンズで
ある。

【００２０】なお、マイクロレンズ１３０は撮影レンズ
５の瞳とイメージセンサ１０の光電変換素子α，βと
が、共役になるような形状及び位置に形成されている。
また、１０１は光電荷を発生するための模式的な領域で
ある。

【００２１】また、図２（ａ），図２（ｂ）において、
１０４はリセットパルスΦＲ０に従ってＦＤ部１２１等
をリセット電位（Ｖｄｄ）にリセットするリセット用Ｍ
ＯＳトランジスタ、１０５はＦＤ部１２１に転送された
光電荷に基づく増幅信号を得るソースフォーロワアンプ
ＭＯＳトランジスタ、１０６はソースフォーロワアンプ
ＭＯＳトランジスタ１０５で得られた増幅信号を垂直出
力線に読み出す水平選択スイッチＭＯＳトランジスタで
ある。

【００２２】なお、転送ゲート１０３は、制御パルスΦ
ＴＸαｅ０、ΦＴＸαｏ０で独立して制御可能なように
構成している。

【００２３】図３は、図４（ａ）のイメージセンサ１０
及びその周辺の概略的な回路構成図である。図３におい
て、１０７はソースフォーロワの負荷ＭＯＳトランジス
タ、１０８は暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、１０９は
明出力ＭＯＳトランジスタ、１１０は暗出力蓄積容量Ｃ
ＴＮ、１１１は明出力蓄積容量ＣＴＳ、１１２は水平転
送ＭＯＳトランジスタ、１１３は水平出力線リセットＭ
ＯＳトランジスタ、１１４は差動出力アンプ、１１５は
水平走査回路、１１６は垂直走査回路である。

【００２４】なお、図１のイメージセンサ制御回路２１
は、水平走査回路１１５及び垂直走査回路１１６を有し
ている。また、図３において図２に示した部分と同様の
部分には同一符号を付している。

【００２５】図５は、図１のデジタルスチルカメラ１の
動作を示すフローチャートである。本実施形態では、撮
影レンズ５の焦点検出時に、被写体輝度に応じて、各光
電変換素子α，βからの電荷の出力の仕方を変えてい
る。以下、図５に沿って、図１のデジタルスチルカメラ
の動作について説明する。

【００２６】まず、撮影者が、図示しないデジタルスチ
ルカメラ１のメインスイッチをオンすると、まず、ＣＰ
Ｕ２０により位相差検出方式の焦点検出が行われる（ス
テップＳ２０２）。具体的な焦点検出の動作については
後述する。

【００２７】それから、ＣＰＵ２０は、焦点検出の際に
算出した駆動量に基づいて生成したレンズ駆動信号を、
撮影レンズ駆動回路２６に対して出力する。撮影レンズ
駆動回路２６は、出力されたレンズ駆動信号に従って、
撮影レンズ５を駆動する（ステップＳ２０３）。

【００２８】こうして、合焦状態に設定されると、ＣＰ
Ｕ２０はイメージセンサ制御回路２１に撮像信号を送っ
て、イメージセンサ１０等に撮像を行わせる（ステップ
Ｓ２０４）。

【００２９】このとき、ＣＰＵ２０は、イメージセンサ
制御回路２１に対して、イメージセンサ１０から図４
（ｃ）に示す態様で画素信号に基づく増幅信号を出力さ
せるような制御信号を出力する。すなわち、イメージセ
ンサ１０の各画素の光電変換素子α，βで発生した電荷
を、画素内部で加算してから出力させるような（第２の
読み出しモード）制御信号を出力する。

【００３０】なお、イメージセンサ１０から出力される
画像信号は原色の画像信号である。また、第２の読み出
しモードを実現させるときのイメージセンサ１０の動作
については後述する。

【００３１】イメージセンサ１０から出力される画像信
号に基づく増幅信号は、イメージセンサ制御回路２１に
おいてＡ／Ｄ変換された後に、画像処理回路２４に送ら
れ画像処理がされる。このとき、画像処理回路２４で
は、イメージセンサ１０から出力された画像信号に基づ
いて色再現のために所定の画像処理が行われるが、イメ
ージセンサ１０からは原色の画像信号しか出力されない
ため画像処理アルゴリズムは複雑化されていない。

【００３２】画像処理が行われた画像信号は、ＣＰＵ２
０を介して液晶表示素子駆動回路２５に送られ液晶表示
素子９に表示される（ステップＳ２０５）。

【００３３】このため、撮影者は接眼レンズ３を通して
液晶表示素子９に表示された被写体像を観察することが
可能となる。

【００３４】さらに、ＣＰＵ２０は撮像画像を記録する
ための操作スイッチＳＷ２の状態を確認する（ステップ
Ｓ２０６）。

【００３５】確認の結果、撮影者が操作スイッチＳＷ２
を操作していなければ、すなわち、操作スイッチＳＷ２
がオフのままであれば、ＣＰＵ２０によってメインスイ
ッチの状態が確認される（ステップＳ２０１）。

【００３６】一方、撮影者が操作スイッチＳＷ２を操作
していれば、すなわち、操作スイッチＳＷ２がオンして
いれば、ＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に撮
像信号を送ってイメージセンサ１０等に本撮像を行わせ
る（ステップＳ２０７）。

【００３７】本撮像時も、イメージセンサ１０は同一の
画素内の２つの光電変換素子α，βの力を加算して読み
出しを行う第２の読み出しモードで駆動される。

【００３８】イメージセンサ１０によって撮像された画
像信号は、イメージセンサ制御回路２１においてＡ／Ｄ
変換された後に、画像処理回路２４に送られて、画像処
理がされる。

【００３９】このとき、イメージセンサ１０から出力さ
れた画像信号に基づいて色再現のために所定の画像処理
が行われるが、イメージセンサ１０からは原色の画像信
号しか出力されないため画像処理アルゴリズムは複雑化
されていない。

【００４０】画像処理が終了すると、画像信号は液晶表
示素子駆動回路２５に送られ液晶表示素子９に表示され
る（ステップＳ２０８）。

【００４１】同時に、ＣＰＵ２０は撮像された画像信号
をそのままメモリ回路２２に記憶する（ステップＳ２０
９）。

【００４２】撮影動作が終了し、撮影者がメインスイッ
チをオフすると（ステップＳ２０１）デジタルスチルカ
メラ１の電源がオフされ待機状態となる。

【００４３】図６は、図５のＣＰＵ２０による焦点検出
（ステップＳ２０２）の動作を示すフローチャートであ
る。ＣＰＵ２０は、イメージセンサ制御回路２１に対し
て、焦点検出のための撮像開始信号を送ってイメージセ
ンサ１０に焦点検出光束の撮像を行わせる。

【００４４】この際、ＣＰＵ２０は、直前に撮像された
被写体像情報に基づいて算出される被写体輝度を所定の
しきい値と比較して、このしきい値よりも高いかどうか
を判定する（ステップＳ２２０）。

【００４５】ステップＳ２２０で被写体輝度がしきい値
よりも高いと判定された場合は、ＣＰＵ２０はイメージ
センサ制御回路２１に、イメージセンサ１０から図４
（ａ）に示す態様で画素信号に基づく増幅信号を出力さ
せる（第１の読み出しモード）。すなわち、イメージセ
ンサ１０の各画素の各光電変換素子α，βからそれぞれ
独立して画素信号を出力させる（ステップＳ２２１）。
なお、第１の読み出しモードを実現させるときのイメー
ジセンサ１０の動作については後述する。

【００４６】こうして、被写体の輝度が高い場合に、焦
点検出を行うための画像が飽和することを防止してい
る。

【００４７】つぎに、イメージセンサ１０の出力は、イ
メージセンサ制御回路２１でＡ／Ｄ変換され、ＣＰＵ２
０に出力される（ステップＳ２２２）。

【００４８】ＣＰＵ２０は同一色相の出力信号より、撮
影レンズ５の片方の瞳を透過した焦点検出光束による被
写体像を生成し、同様に撮影レンズ５のもう片方の瞳を
透過した焦点検出光束による被写体像を生成する。それ
から、生成した２つの被写体像に基づいて相関演算を行
い、各像の像ずれ量から撮影レンズ５のデフォーカス量
を算出する（ステップＳ２２３）。

【００４９】その後、合焦のために必要な撮影レンズ５
の駆動量が算出される（ステップＳ２２４）。

【００５０】このとき、ＣＰＵ２０で生成された被写体
像は、被写体輝度によらずコントラストの高い像が得ら
れるため、焦点検出精度が向上する。さらに、焦点検出
に使用した被写体像の色相によりデフォーカス量の補正
が行われるが、デフォーカス量という一つの結果に対す
る補正であるため補正処理の負荷はかからない。

【００５１】一方、ステップＳ２２０で被写体輝度がし
きい値よりも低いと判定された場合は、ＣＰＵ２０は、
イメージセンサ制御回路２１に、イメージセンサ１０か
ら図４（ｂ）に示す態様で画素信号に基づく増幅信号を
出力させる（第３の読み出しモード）。すなわち、複数
の画素「Ｂ」と「Ｇ２」の第１の領域である「Ｂ」のα
の光電変換素子と「Ｇ２」のαの光電変換素子の電荷の
加算信号と、第２の領域である「Ｂ」のβの光電変換素
子と「Ｇ２」のβの光電変換素子の電荷の加算信号とを
それぞれ出力させ、複数の画素「Ｇ１」と「Ｒ」の第１
の領域である「Ｇ１」のαの光電変換素子と「Ｒ」のα
の光電変換素子の電荷の加算信号と、第２の領域である
「Ｇ１」のβの光電変換素子と「Ｒ」のβの光電変換素
子の電荷の加算信号とをそれぞれ出力させる（ステップ
Ｓ２２６）。なお、第３の読み出しモードを実現させる
ときのイメージセンサ１０の動作については後述する。

【００５２】こうして、被写体の輝度が低い場合に、焦
点検出を行うための画像出力が不足することを防止して
いる。

【００５３】つぎに、第１〜第３の読み出しモードを実
現させるときのイメージセンサ１０の動作について説明
する。

【００５４】図７は、第１の読み出しモード（図４
（ａ））の際の図３の動作を示すタイミングチャートで
ある。

【００５５】まず、垂直走査回路１１６からの各種信号
の出力タイミングに従って、制御パルスΦＬをハイとし
て、増幅手段であるソースフォーロワ負荷ＭＯＳトラン
ジスタ１０７をオンすることで、垂直出力線をＶｓｓに
リセットする。

【００５６】また、制御パルスΦＲ０をハイとして、リ
セット手段であるリセット用ＭＯＳトランジスタ１０４
をオンさせて、ＦＤ部１２１等をリセット電位Ｖｄｄに
リセットすることで、前回の読み出し時の残存電荷を消
滅させる。

【００５７】つぎに、制御パルスΦＳ０をハイとして選
択手段である水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０
６をオンし第１及び第２行の画素部を選択する。つぎに
制御パルスΦＲ０をローとして、リセット用ＭＯＳトラ
ンジスタ１０４をオフして、ＦＤ部１２１のリセットを
止めＦＤ部１２１をフローティング状態とし、ソースフ
ォーロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソ
ース間をスルーとする。

【００５８】それから、所定時間が経過した後に、制御
パルスΦＴＮαをハイ／ローとし、暗出力転送ＭＯＳト
ランジスタ１０８を通じてＦＤ部１２１の暗電圧をソー
スフォーロワ動作で蓄積容量１１０αに出力させる。

【００５９】つぎに、光電変換素子αｏのｎ型領域１２
５αｏから電荷の出力を行うため、制御パルスΦＴｘα
ｏ０をハイ／ローとして転送手段である転送スイッチＭ
ＯＳトランジスタ１０３αｏを導通する。このとき光発
生キャリアは各ｎ型領域１２５αｏからＦＤ部１２１に
転送される。

【００６０】これにより、ＦＤ部１２１の電位が変化す
ることになる。このときソースフォーロワアンプＭＯＳ
トランジスタ１０５がフローティング状態であるので、
制御パルスΦＴＳαをハイ／ローとして明出力ＭＯＳト
ランジスタ１０９を通じてＦＤ部１２１の電位を蓄積容
量１１１αに出力する。

【００６１】以上の手順を終えた時点では、各光電変換
素子αｏのｎ型領域１２５αｏの光出力と暗出力とがそ
れぞれ蓄積容量１１１αと１１０αとにそれぞれ蓄積さ
れている。

【００６２】つづいて、制御パルスΦＲ０を一旦ハイと
して、制御パルスΦＳ０をローとする。

【００６３】つぎに、制御パルスΦＳ０をハイとして水
平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンし第１
及び第２行の画素部を選択する。つぎに制御パルスΦＲ
０をローとして、リセット用ＭＯＳトランジスタ１０４
をオフして、ＦＤ部１２１のリセットを止めＦＤ部１２
１をフローティング状態とし、ソースフォーロワアンプ
ＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルー
とする。

【００６４】それから、所定時間が経過した後に、制御
パルスΦＴＮβをハイ／ローとし、暗出力転送ＭＯＳト
ランジスタ１０８を通じてＦＤ部１２１の暗電圧をソー
スフォーロワ動作で蓄積容量１１０βに出力させる。

【００６５】つぎに、ｎ型領域１２５βｏの電荷の出力
を行うため、制御パルスΦＴｘβｏ０をハイ／ローとし
て転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３βｏを導通す
る。このとき光発生キャリアはｎ型領域１２５βｏから
ＦＤ部１２１に転送される。

【００６６】これにより、ＦＤ部１２１の電位が変化す
ることになる。このとき、ソースフォーロワアンプＭＯ
Ｓトランジスタ１０５がフローティング状態であるの
で、制御パルスΦＴＳβをハイ／ローとして明出力転送
ＭＯＳトランジスタ１０９を通じてＦＤ部１２１の電荷
を蓄積容量１１１βに出力する。

【００６７】以上の手順を終えた時点では、各ｎ型領域
１２５βｏの光出力と暗出力とがそれぞれ蓄積容量１１
１βと１１０βとに蓄積されている。

【００６８】さらに、制御パルスΦＨＣを一旦ハイとし
て水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３を導通
して水平出力線を電位Ｖｈｃにリセットし、水平転送期
間において水平走査回路１１５から水平転送ＭＯＳトラ
ンジスタ１１２α，１１２βへの各種信号の出力タイミ
ングに従って、水平出力線に画素の暗出力と光出力とが
される。

【００６９】具体的には、水平転送ＭＯＳトランジスタ
１１２αが先にオンされ、蓄積容量１１０α，１１１α
にそれぞれ蓄積されている各ｎ型領域１２５αｏの暗出
力と光出力とが、水平出力線に読み出され、差動増幅器
１１４によって光出力から暗出力を差分することで、差
動出力Ｖｏｕｔを得る。

【００７０】その後に、水平転送ＭＯＳトランジスタ１
１２βがオンされ、蓄積容量１１０β，１１１βにそれ
ぞれ蓄積されている各ｎ型領域１２５βｏの暗出力と光
出力とが、水平出力線に読み出され、差動増幅器１１４
によって光出力から暗出力を差分することで、差動出力
Ｖｏｕｔを得る。

【００７１】こうして、画素のランダムノイズ、固定パ
ターンノイズを除去したＳ／Ｎ比に優れた信号を得てい
る。

【００７２】引き続き、同様の手順により第２行の画素
の光電変換素子αｅ，βｅの電荷が独立して読み出され
る。さらに、制御パルスΦＳ１をハイにして、第３，第
４行目の画素の光電変換素子αｏ，βｏ，αｅ及びβｅ
の電荷についても独立して読み出される。

【００７３】図９は、第２の読み出しモード（図４
（ｃ））の際の図３の動作を示すタイミングチャートで
ある。

【００７４】まず、垂直走査回路１１６からの各種信号
の出力タイミングに従って、制御パルスΦＬをハイとし
て、ソースフォーロワ負荷ＭＯＳトランジスタ１０７を
オンすることで、垂直出力線をＶｓｓにリセットする。

【００７５】また、制御パルスΦＲ０をハイとして、リ
セット用ＭＯＳトランジスタ１０４をオンさせて、ＦＤ
部１２１等をＶｄｄにリセットすることで、前回の読み
出し時の残存電子を消滅させる。

【００７６】つぎに、制御パルスΦＳ０をハイとして水
平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンし第１
及び第２行の画素部を選択する。つぎに制御パルスΦＲ
０をローとして、リセット用ＭＯＳトランジスタ１０４
をオフして、ＦＤ部１２１のリセットを止めＦＤ部１２
１をフローティング状態とし、ソースフォーロワアンプ
ＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルー
とする。

【００７７】それから、所定時間が経過した後に、制御
パルスΦＴＮαをハイ／ローとし、暗出力転送ＭＯＳト
ランジスタ１０８を通じてＦＤ部１２１の暗電圧をソー
スフォーロワ動作で蓄積容量１１０αに出力させる。

【００７８】つぎに、ｎ型領域１２５αｏ，１２５βｏ
から電荷の出力を行うため、制御パルスΦＴｘαｏ０及
びΦＴＸβｏ０をそれぞれ同時にハイ／ローとして転送
スイッチＭＯＳトランジスタ１０３αｏ及び１０３βｏ
を導通する。このとき光発生キャリアは各ｎ型領域１２
５αｏ，１２５βｏからＦＤ部１２１に同時に転送され
る。

【００７９】これにより、ＦＤ部１２１の電位が変化す
ることになる。このときソースフォーロワアンプＭＯＳ
トランジスタ１０５がフローティング状態であるので、
制御パルスΦＴＳαをハイ／ローとして明出力ＭＯＳト
ランジスタ１０９を通じてＦＤ部１２１の電荷を蓄積容
量１１１αに出力する。

【００８０】以上の手順を終えた時点では、全画素のｎ
型領域１２５αｏ，１２５βｏの加算された光出力及び
暗出力とがそれぞれ蓄積容量１１１αと１１０αとに蓄
積されている。

【００８１】つづいて、制御パルスΦＲ０をハイとし
て、制御パルスΦＳ０をローとする。この間に、制御パ
ルスΦＨＣを一旦ハイとして水平出力線リセットＭＯＳ
トランジスタ１１３を導通して水平出力線を電位Ｖｈｃ
にリセットし、水平転送期間において水平走査回路１１
５の水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２α，１１２βへ
の各種信号の出力タイミングに従って、水平出力線に画
素の暗出力と光出力とがされる。

【００８２】具体的には、水平転送ＭＯＳトランジスタ
１１２αがオンされ、蓄積容量１１０α，１１１αにそ
れぞれ蓄積されている各ｎ型領域１２５αｏ，１２５β
ｏの暗出力と光出力とが、水平出力線に読み出され、差
動増幅器１１４によって光出力から暗出力を差分するこ
とで、差動出力Ｖｏｕｔを得る。

【００８３】こうして、画素のランダムノイズ、固定パ
ターンノイズを除去したＳ／Ｎ比に優れた信号を得てい
る。

【００８４】さらに、同様の手順により各ｎ型領域１２
５αｅ，１２５βｅの暗出力と光出力とが、水平出力線
に読み出され、差動増幅器１１４によって光出力から暗
出力を差分することで、差動出力Ｖｏｕｔを得る。

【００８５】図８は、第３の読み出しモード（図４
（ｂ））の際の図３の動作を示すタイミングチャートで
ある。

【００８６】まず、垂直走査回路１１６からの各種信号
のタイミングに従って、制御パルスΦＬをハイとして、
ソースフォーロワ負荷ＭＯＳトランジスタ１０７をオン
することで、垂直出力線をＶｓｓにリセットする。

【００８７】また、制御パルスΦＲ０をハイとして、リ
セット用ＭＯＳトランジスタ１０４をオンさせて、ＦＤ
部１２１等をＶｄｄにリセットすることで、前回の読み
出し時の残存電荷を消滅させる。

【００８８】つぎに、制御パルスΦＳ０をハイとして水
平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンし第１
及び第２行の画素部を選択する。つぎに制御パルスΦＲ
０をローとして、リセット用ＭＯＳトランジスタ１０４
をオフして、ＦＤ部１２１のリセットを止めＦＤ部１２
１をフローティング状態とし、ソースフォーロワアンプ
ＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルー
とする。

【００８９】それから、所定時間が経過した後に、制御
パルスΦＴＮαをハイ／ローとし、暗出力転送ＭＯＳト
ランジスタ１０８を通じてＦＤ部１２１の暗電圧をソー
スフォーロワ動作で蓄積容量１１０αに出力させる。

【００９０】つぎに、ｎ型領域１２５αｏ，１２５αｅ
から電荷の出力を行うため、制御パルスΦＴｘαｏ０及
びΦＴｘαｅ０をそれぞれハイ／ローとして転送スイッ
チＭＯＳトランジスタ１０３αｏ及び１０３αｅを導通
する。このとき、２つのｎ型領域１２５αｏ，１２５α
ｅで発生した各光キャリアはＦＤ部１２１に同時に転送
される。

【００９１】これにより、ＦＤ部１２１の電位が変化す
ることになる。このときソースフォーロワアンプＭＯＳ
トランジスタ１０５がフローティング状態であるので、
制御パルスΦＴＳαをハイ／ローとして明出力ＭＯＳト
ランジスタ１０９を通じてＦＤ部１２１の電荷を蓄積容
量１１１αに出力する。

【００９２】以上の手順を終えた時点では、各ｎ型領域
１２５αｏ，１２５αｅの光出力と暗出力とがそれぞれ
加算された状態で、蓄積容量１１１αと１１０αとに蓄
積されている。

【００９３】つづいて、制御パルスΦＲ０を一旦ハイと
して、制御パルスΦＳ０をローとする。

【００９４】つぎに、制御パルスΦＳ０をハイとして水
平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンし第１
及び第２行の画素部を選択する。つぎに制御パルスΦＲ
０をローとして、リセット用ＭＯＳトランジスタ１０４
をオフして、ＦＤ部１２１のリセットを止めＦＤ部１２
１をフローティング状態とし、ソースフォーロワアンプ
ＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルー
とする。

【００９５】それから、所定時間が経過した後に、制御
パルスΦＴＮβをハイ／ローとし、暗出力転送ＭＯＳト
ランジスタ１０８を通じてＦＤ部１２１の暗電圧をソー
スフォーロワ動作で蓄積容量１１０βに出力させる。

【００９６】つぎに、ｎ型領域１２５βｏ，１２５βｅ
で発生した電荷の出力を行うため、制御パルスΦＴｘβ
ｏ０及びΦＴｘβｅ０をそれぞれハイ／ローとして転送
スイッチＭＯＳトランジスタ１０３βｏ及び１０３βｅ
を導通する。このとき、光キャリアは各ｎ型領域１２５
βｏ，１２５βｅからＦＤ部１２１に同時に転送され
る。

【００９７】これにより、ＦＤ部１２１の電位が変化す
ることになる。このとき、ソースフォーロワアンプＭＯ
Ｓトランジスタ１０５がフローティング状態であるの
で、制御パルスΦＴＳβをハイ／ローとして明出力転送
ＭＯＳトランジスタ１０９を通じてＦＤ部１２１の電位
を蓄積容量１１１βに出力する。

【００９８】以上の手順を終えた時点では、各ｎ型領域
１２５βｏ，１２５βｅの光出力と暗出力とがそれぞれ
加算された状態で、蓄積容量１１１βと１１０βとに蓄
積されている。

【００９９】さらに、制御パルスΦＨＣを一旦ハイとし
て水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３を導通
して水平出力線を電位Ｖｈｃにリセットし、水平転送期
間において水平走査回路１１５から水平転送ＭＯＳトラ
ンジスタ１１２α，１１２βへの走査タイミング信号に
従って、水平出力線に画素の暗出力と光出力とが出力さ
れる。

【０１００】具体的には、水平転送ＭＯＳトランジスタ
１１２αが先にオンされ、蓄積容量１１０α，１１１α
にそれぞれ蓄積されている各ｎ型領域１２５αｏ，１２
５αｅの加算信号の暗出力と光出力とが、水平出力線に
読み出され、差動増幅器１１４によって光出力から暗出
力を差分することで、差動出力Ｖｏｕｔを得る。

【０１０１】その後に、水平転送ＭＯＳトランジスタ１
１２βがオンされ、蓄積容量１１０β，１１１βにそれ
ぞれ蓄積されている各ｎ型領域１２５βｏ，１２５βｅ
の加算信号の暗出力と光出力とが、水平出力線に読み出
され、差動増幅器１１４によって光出力から暗出力を差
分することで、差動出力Ｖｏｕｔを得る。

【０１０２】こうして、画素のランダムノイズ、固定パ
ターンノイズを除去したＳ／Ｎ比に優れた信号を得てい
る。

【０１０３】引き続き、同様の手順により制御パルスΦ
Ｓ１をハイにして、第３行目の画素の光電変換素子α
ｏ，αｅからの電荷が加算され、第４行目の画素の光電
変換素子βｏ，βｅからの電荷が加算されて読み出され
る。

【０１０４】（実施形態２）本発明の実施形態２の撮像
装置は、被写体輝度に応じて原色の焦点検出画像の撮像
と読み出しを行うモードと、補色の焦点検出画像の撮像
と読み出しを行うモードとに切り換えて制御するもので
ある。

【０１０５】図１０は、本実施形態の固体撮像装置のＣ
ＰＵ２０による焦点検出の動作を示すフローチャートで
ある。なお、図１０に示している部分以外の動作は図５
と同様である。また、撮像装置の構成は、図１等と同様
である。

【０１０６】ＣＰＵ２０は、イメージセンサ制御回路２
１に焦点検出のための撮像開始信号を送ってイメージセ
ンサ１０に焦点検出光束の撮像を行わせる。その際、Ｃ
ＰＵ２０は、直前に撮像された被写体像情報に基づいて
算出される被写体輝度を所定のしきい値と比較して、こ
のしきい値よりも高いかどうかを判定する（ステップＳ
２３０）。

【０１０７】ステップＳ２３０で被写体輝度がしきい値
よりも高いと判定された場合は、ＣＰＵ２０はイメージ
センサ制御回路２１に、イメージセンサ１０から図４
（ａ）に示す態様で画素信号に基づく増幅信号を出力さ
せる。すなわち、イメージセンサ１０の各画素の各光電
変換素子α，βからそれぞれ独立して画素信号を出力さ
せる（ステップＳ２３１）。

【０１０８】なお、この際のイメージセンサ１０の制御
パルスのタイミングチャートは図７と同様である。

【０１０９】一方、ステップＳ２３０で被写体輝度がし
きい値よりも低いと判定された場合は、ＣＰＵ２０は、
イメージセンサ制御回路２１に、イメージセンサ１０か
ら図４（ｂ）に示す態様で画素信号に基づく増幅信号を
出力させる。すなわち、複数の画素「Ｂ」と「Ｇ２」の
第１の領域である「Ｂ」のαの光電変換素子と「Ｇ２」
のαの光電変換素子の電荷の加算信号と、第２の領域で
ある「Ｂ」のβの光電変換素子と「Ｇ２」のβの光電変
換素子の電荷の加算信号とをそれぞれ出力させ、複数の
画素「Ｇ１」と「Ｒ」の第１の領域である「Ｇ１」のα
の光電変換素子と「Ｒ」のαの光電変換素子の電荷の加
算信号と、第２の領域である「Ｇ１」のβの光電変換素
子と「Ｒ」のβの光電変換素子の電荷の加算信号とをそ
れぞれ出力させる（ステップＳ２３４）。

【０１１０】なお、この際のイメージセンサ１０の制御
パルスのタイミングチャートは図８と同様である。

【０１１１】上記のように、「Ｂ」と「Ｇ２」との光電
変換素子α，βの電荷を加算読み出しすると、焦点検出
用画像は赤の補色であるシアン色となる。また、「Ｇ
１」と「Ｒ」との光電変換素子α，βの電荷を加算読み
出しすると、焦点検出用画像は青の補色であるイエロー
色となるので、被写体輝度が低い場合に画像出力が不足
しない。

【０１１２】ＣＰＵ２０は、２つの被写体像に基づいて
相関演算を行い、各像の像ずれ量から撮影レンズ５のデ
フォーカス量を算出する（ステップＳ２２３）。

【０１１３】ここで、原色の被写体像の場合、青、緑及
び赤に対する撮影レンズの色収差が補正され、補色の被
写体像の場合、シアン色及びイエロー色に対する撮影レ
ンズの色収差が補正されてデフォーカス量が算出され
る。このとき、デフォーカス量という一つの結果に対す
る補正であるため補正処理の負荷はかからない。また、
被写体像は被写体輝度によらずコントラストの高い像が
得られるため、焦点検出精度が向上する。さらに、焦点
検出に使用した被写体像の色相によりデフォーカス量の
補正が行われる。

【０１１４】その後、合焦のために必要な撮影レンズ５
の駆動量が算出される（ステップＳ２２４）。

【０１１５】以上、本発明の各実施形態では、イメージ
センサ１０の各画素の光電変換素子α，βを水平方向に
配置した場合の例を示したが、垂直方向に配置してもよ
い。

【０１１６】また、本発明の各実施形態では、各画素に
たとえば２つの光電変換素子を備えた場合を例に説明し
たが、各画素内に配置する光電変換素子の数は２つに限
定されない。たとえば３つの光電変換素子α，β，γを
この順で配置した場合には、各画素の光電変換素子α，
γを用いてフォーカシングを行えばよい。

【０１１７】さらに、本発明の各実施形態では、被写体
輝度が低い場合に隣接する２つの画素の光電変換素子の
電荷を加算する場合を例に説明したが、被写体輝度に応
じて電荷の加算対象の画素数を決定し、その決定された
複数の画素内の光電変換素子の電荷を加算するようにし
てもよい。すなわち、この場合、被写体輝度が低いほ
ど、電荷の加算対象の画素数を増やすようにすればよ
い。

【０１１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
被写体輝度の関わらず正確な焦点制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１のデジタルスチルカメラ１
の模式的な内部構成図である。

【図２】図４（ａ）のＡ−Ａ’，Ｂ−Ｂ’の断面図であ
る。

【図３】図４（ａ）のイメージセンサ及びその周辺の概
略的な回路構成図である。

【図４】図１のイメージセンサの模式的な平面図であ
る。

【図５】図１のデジタルスチルカメラ１の動作を示すフ
ローチャートである。

【図６】図５のＣＰＵによる焦点検出（ステップＳ２０
２）の動作を示すフローチャートである。

【図７】第１の読み出しモード（図４（ａ））の際の図
３の動作を示すタイミングチャートである。

【図８】第３の読み出しモード（図４（ｂ））の際の図
３の動作を示すタイミングチャートである。

【図９】第２の読み出しモード（図４（ｃ））の際の図
３の動作を示すタイミングチャートである。

【図１０】本発明の実施形態２の撮像装置のＣＰＵによ
る焦点検出の動作を示すフローチャートである。

【図１１】従来の瞳分割方式の焦点検出を行う方法の原
理説明図である。

【符号の説明】

１カメラ３接眼レンズ５撮影レンズ９液晶表示素子１０イメージセンサ２０ＣＰＵ２１イメージセンサ制御回路２２メモリー回路２３インターフェイス回路２４画像処理回路２５液晶表示素子駆動回路２６レンズ駆動機構２７絞り駆動機構３０絞り装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｈ０４Ｎ 101:00 Ｇ０３Ｂ 3/00 ＡＦターム(参考） 2H011 AA03 BA21 BB02 BB04 BB05 DA01 2H051 AA00 BA06 CB09 CB13 CB22 CE01 CE06 CE13 CE16 CE21 DA22 5C022 AA13 AB12 AB26 AB28 AB30 AC42 5C065 AA03 BB11 CC01 CC08 DD15 EE03 EE11 EE12 GG21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２次元状に配列された画素内に光電変換
素子が複数配置された撮像装置であって、複数の画素の第１の領域に含まれる複数の光電変換素子
からの加算信号と、前記複数の画素の第２の領域に含ま
れる複数の光電変換素子からの加算信号とに基づいてフ
ォーカシングを行う焦点制御手段を備えることを特徴と
する撮像装置。
【請求項２】２次元状に配列された画素内に光電変換
素子が複数配置された撮像装置であって、第１の被写体輝度の場合に前記画素内の各光電変換素子
から読み出された信号に基づいてフォーカシングを行
い、前記第１の被写体輝度よりも低い第２の被写体輝度の場
合に複数の画素の第１の領域に含まれる複数の光電変換
素子からの加算信号と、前記複数の画素の第２の領域に
含まれる複数の光電変換素子からの加算信号とに基づい
てフォーカシングを行う焦点制御手段を備えることを特
徴とする撮像装置。
【請求項３】前記画素内の各光電変換素子の電荷の加
算信号に基づいて画像を形成するための画像処理を行う
画像処理手段を備えることを特徴とする請求項１又は２
記載の撮像装置。
【請求項４】前記画素と被写体との間にカラーフィル
タ及びマイクロレンズを形成し、前記マイクロレンズ
は、画素毎に一つずつ形成されていることを特徴とする
請求項１から３のいずれか１項記載の撮像装置。
【請求項５】前記画素の各々は、赤色，緑色，青色の
カラーフィルタのいずれかが設けられ、前記各カラーフ
ィルタは、赤色と青色とが対角に配置され、緑色が対角
に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれ
か１項記載の撮像装置。
【請求項６】複数の画素内にそれぞれ配置されている
光電変換素子から読み出された電荷が蓄積されるフロー
ティングディフュージョン領域と、少なくとも前記フロ
ーティングディフュージョン領域に蓄積された電荷を所
定の電位にリセットするリセット手段と、前記フローテ
ィングディフュージョン領域に蓄積された電荷に対応す
る信号を出力する増幅手段と、を備えることを特徴とす
る請求項１から５のいずれか１項記載の撮像装置。
【請求項７】被写体像信号を生成する光電変換素子
と、前記光電変換素子と被写体との間に設けられたカラ
ーフィルタとを備えた撮像装置において、第１の被写体輝度の場合に原色の被写体像信号に基づい
てフォーカシングを行い、前記第１の被写体輝度よりも低い第２の被写体輝度の場
合に補色の被写体像信号に基づいてフォーカシングを行
う焦点制御手段を備えることを特徴とする撮像装置。