JP2010286533A - 信号生成装置および撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】測距演算に適した露光量に対応した信号を生成することができる。
【解決手段】第1画素列PDA_b1は、光電変換素子を含む複数の画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)を備える。第2画素列PDA_b2は、光電変換素子を含む複数の画素PD_b(2)〜PD_b(2k)を備える。制御部300は、第1画素列PDA_b1の露光量と第2画素列PDA_b2の露光量とが異なるように、第1画素列PDA_b1の露光量と第2画素列PDA_b2の露光量とを制御し、この露光量に基づいた信号を第1画素列PDA_b1と第2画素列PDA_b2とが出力するように制御する。
【選択図】図2
【解決手段】第1画素列PDA_b1は、光電変換素子を含む複数の画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)を備える。第2画素列PDA_b2は、光電変換素子を含む複数の画素PD_b(2)〜PD_b(2k)を備える。制御部300は、第1画素列PDA_b1の露光量と第2画素列PDA_b2の露光量とが異なるように、第1画素列PDA_b1の露光量と第2画素列PDA_b2の露光量とを制御し、この露光量に基づいた信号を第1画素列PDA_b1と第2画素列PDA_b2とが出力するように制御する。
【選択図】図2
Description
本発明は、測距演算用の信号を生成する信号生成装置に関する。また、本発明は、信号生成装置を備えた撮像装置に関する。
位相差検出方式のオートフォーカスイメージセンサにおいて、画素の露光量を制御する技術として、位相差検出方式で用いる基準部の画素列の近傍と、参照部の画素列の近傍それぞれに、画素列の長さとほぼ同じ長さの平均光量検知画素を配置する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
この技術について図6を参照して説明する。基準部17の画素列13−1の近傍に平均光量検知画素14−1が配置されている。また、参照部18の画素列13−2の近傍に平均光量検知画素14−2が配置されている。平均光量検知画素14−1は、画素列13−1に蓄積された電荷量の略平均値に相当する信号を信号制御部16に出力する。また、平均光量検知画素14−2は、画素列13−2に蓄積された電荷量の略平均値に相当する信号を信号制御部16に出力する。
信号制御部16は、平均光量検知画素14−1,14−2が出力した信号のうち、信号変動量が多い方、すなわち露光量が多い方の信号が所望の基準電圧に達した時点で、画素列13−1,13−2の露光を停止する。続いて、信号制御部16は、画素列13−1,13−2の電荷信号をCCD11−1,11−2(Charge Coupled Device、電荷結合素子)に転送するように、制御電極15−1,15−2を制御する。
CCD11−1,11−2に転送された電荷は、画素列電荷検出器12−1,12−2によって電圧信号に変換される。この電圧信号に基づいて、図示せぬ信号処理回路が測距演算を行う。
画素列を構成する画素の内、1つでも信号が飽和してしまうと測距演算を行うことができない。これを防ぐために、基準電圧を少ない露光量に対応した値に設定し、画素列の露光量を少なくすることが考えられる。しかしながら、基準電圧を少ない露光量に対応した値に設定した場合、画素列は、蓄積した電荷信号が十分な電荷量に達していないにも関わらず電荷信号を出力する。そのため、画素列は、測距演算に適した露光量の信号を出力することができないという問題がある。
本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、測距演算に適した露光量に対応した信号を出力することができる信号生成装置を提供することを目的とする。また、本発明は、測距演算に適した露光量に対応した信号を用いて測距演算を行うことができる撮像装置を提供することを目的とする。
本発明は、光電変換素子を含む複数の画素を配列した第1の画素列と、光電変換素子を含む複数の画素を配列した第2の画素列と、前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とが異なるように前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とを制御し、当該露光量に基づいた信号を前記第1の画素列と前記第2の画素列とが出力するように制御する制御部と、を備えたことを特徴とする信号生成装置である。
また、本発明の信号生成装置において、前記第1の画素列に含まれる前記複数の画素は、第1の方向に直線状に配置され、前記第2の画素列に含まれる前記複数の画素は、前記第1の方向に直線状に配置され、かつ、前記第1の画素列に対して、前記第1の方向に垂直な第2の方向にずらして配置されていることを特徴とする。
また、本発明の信号生成装置において、前記第1の画素列に含まれる各画素の大きさ及び前記第2の方向における中心位置と前記第2の画素列に含まれる各画素の大きさ及び前記第2の方向における中心位置は同一であり、前記第1の画素列に含まれる第1の画素に対応する前記信号の出力タイミングと前記第1の画素に隣接する前記第1の画素列に含まれる第2の画素に対応する前記信号の出力タイミングとの間に、対応する前記信号の出力タイミングがくる前記第2の画素列に含まれる画素を第3の画素としたとき、前記第3の画素の中心位置と前記第1の画素の中心位置及び前記第2の画素の中心位置との前記第1の方向における距離が、前記第1の画素列又は前記第2の画素列に配置された各画素の画素ピッチ以下になるよう、前記第1の画素、前記第2の画素及び前記第3の画素が配置されており、前記制御部は、前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とが異なるように、前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とを制御する第1の動作モードと、前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とが略同一となるように、前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とを制御する第2の動作モードとのいずれかで動作することを特徴とする。
また、本発明は、光電変換素子を含む複数の画素を配列した第1の画素列と、光電変換素子を含む複数の画素を配列した第2の画素列と、前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とが異なるように前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とを制御し、当該露光量に基づいた信号を前記第1の画素列と前記第2の画素列とが出力するように制御する制御部と、撮像素子と、前記撮像素子に被写体像を結像する撮像光学系と、前記第1の画素列が出力した前記信号と前記第2の画素列が出力した前記信号とを電圧信号に変換する信号処理部と、前記第1の画素列が出力した前記信号を前記信号処理部が変換した前記電圧信号と、前記第2の画素列が出力した前記信号を前記信号処理部が変換した前記電圧信号とのうち、測距演算に適した露光量に対応した前記電圧信号を用いて前記撮像光学系の焦点位置を算出する演算部と、前記算出部が算出した前記焦点位置に基づいて、前記撮像光学系の少なくとも一部を駆動する光学系駆動部と、を備えたことを特徴とする撮像装置である。
また、本発明の撮像装置において、前記演算部は、前記第1の画素列が出力した前記信号を前記信号処理部が変換した前記電圧信号と、前記第2の画素列が出力した前記信号を前記信号処理部が変換した前記電圧信号とを、前記信号処理部の最大出力値に基づいた閾値と比較し、比較した結果に基づいて、前記撮像光学系の焦点距離の算出に用いる前記電圧信号を決定することを特徴とする。
本発明の信号生成装置によれば、測距演算に適した露光量に対応した信号を生成することができる。また、本発明の撮像装置によれば、測距演算に適した露光量に対応した信号を用いて測距演算を行うことができる。
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。
<撮像装置および光学系の構成>
図1は、本実施形態に係る撮像装置CAMの構成を示すブロック図である。図1に示す撮像装置CAMは、撮像光学系MOと、ファインダーFDと、焦点位置検出装置AFMと、光学系駆動部ODと、設定ボタンBTとを有する。
<撮像装置および光学系の構成>
図1は、本実施形態に係る撮像装置CAMの構成を示すブロック図である。図1に示す撮像装置CAMは、撮像光学系MOと、ファインダーFDと、焦点位置検出装置AFMと、光学系駆動部ODと、設定ボタンBTとを有する。
はじめに、撮像光学系MOについて説明する。撮像光学系MOは、被写体像を結像し、結像された被写体像を撮影する。この撮像光学系MOは、交換が可能な撮影レンズOLと、メインミラーMMと、サブミラーSMと、撮像素子IMGとを有する。
撮影レンズOLは、被写体に関する光束を結像させるための光学系である。この撮影レンズOLは、光学系駆動部ODによって図1に示す光軸方向に自在に駆動される。撮影レンズOLが光軸方向に移動することにより、撮影レンズOLの焦点位置が移動する。
メインミラーMMは、撮影レンズOLと撮像素子IMGとの間に位置する。このメインミラーMMの中央部はハーフミラーである。メインミラーMMは、撮影レンズOLの光軸上の位置にあるときに、撮影レンズOLを通過した被写体像に対応した光束の一部をファインダーFDの方向に反射し、一部を透過する。
サブミラーSMは、メインミラーMMの中央部(ハーフミラーの部分)の背面に位置する。サブミラーSMは、メインミラーMMを透過した光束を焦点位置検出装置AFMの方向に反射する。メインミラーMMとサブミラーSMとは、撮影レンズOLの光軸上の位置と撮影レンズOLの光軸上から退避する位置とに自由に移動できる。なお、サブミラーSMは、測距動作に用いられるものであるが、ここでは説明のために、サブミラーSMは撮像光学系MOを構成する一部位であると位置付けている。
撮像素子IMGは、メインミラーMMとサブミラーSMとが撮影レンズOLの光軸上から退避する位置にあるときに、撮影レンズOLを介して結像される被写体像を電気信号に変換する。撮像装置CAMは、この撮像素子IMGで得られた電気信号に基づいて被写体像に基づく画像を表示したり、記録したりすることができる。
次に、ファインダーFDについて説明する。ファインダーFDは、撮影者が被写体像を確認するために用いられる。ファインダーFDは、ペンタプリズムPRISMと、AE(Auto Exposure、自動露光)センサAEMと、接眼レンズELとを有する。
ペンタプリズムPRISMは、メインミラーMMで反射された光束に基づいた被写体像を正立像とする。AEセンサAEMは、ペンタプリズムPRISMから出射される光束の一部を受光し、受光した光束から被写体の明るさを検出する。接眼レンズELは、ペンタプリズムPRISMから出射される光束を、ファインダーFDを覗いている撮影者の目に結像させる。
次に、焦点位置検出装置AFMについて説明する。焦点位置検出装置AFMは、被写体像までの距離を測定する。焦点位置検出装置AFMは、光学部OMと、光電変換装置1000(信号生成装置)と、演算装置CPU(演算部)とを有する。
光学部OMは、コンデンサレンズCLと、固定ミラーFMと、セパレータレンズSLとを有する。コンデンサレンズCLは、撮像等価面101(撮影レンズOLを通過してサブミラーSMで反射された光束が1次結像する、撮像素子IMGと光学的に等価な位置にあたる面)の近傍に位置する。コンデンサレンズCLは、撮像等価面101上に結像されて得られた被写体像を集光する。固定ミラーFMは、コンデンサレンズCLで集光された光束を光電変換装置1000の方向に反射する。セパレータレンズSLは、図示せぬセパレータ絞りを備え、固定ミラーFMが反射した光束を2つに分割する。
光電変換装置1000は、基準画素列群200_bと、参照画素列群200_rと、図示せぬ制御部とを有し、セパレータレンズSLが2つに分割した光束に基づく被写体像を電気信号に変換して演算装置CPUに出力する。基準画素列群200_bと参照画素列群200_rとは、セパレータレンズSLが分割した2つの光束それぞれの結像点に位置する。光電変換装置1000の詳細については後述する。
演算装置CPUは、光電変換装置1000から入力された電気信号を用いて、位相差検出方式により、撮影レンズOLの焦点位置に関する情報である焦点ずれ量を求める。位相差検出方式については後述する。
次に、光学系駆動部ODについて説明する。光学系駆動部ODは、撮影レンズOLを図1に示す光軸方向に自在に移動させる。光学系駆動部ODは、レンズ駆動信号生成部MGと、モータドライバMDとを有する。レンズ駆動信号生成部MGは、演算装置CPUが演算した撮影レンズOLの焦点ずれ量に基づいて、撮影レンズOLの焦点を合焦とするために撮影レンズOLを移動させる量を示す信号を生成する。モータドライバMDは、レンズ駆動信号生成部MGが生成した信号に基づいて、撮影レンズOLを光軸方向に移動させる。
次に、設定ボタンBTについて説明する。設定ボタンBTは、撮影者が撮像装置CAMの動作状態を設定するために用いる各種の設定ボタンである。
次に、撮像装置CAMの動作のうち、電源投入後などの撮像装置CAMの動作開始時から、撮影者の操作によって撮影の実行が指示されるまでの動作について説明する。
撮影の実行が指示されるまでの間、メインミラーMMとサブミラーSMとは図1に示した撮影レンズOLの光軸上に位置する。このとき、撮影レンズOLにより導かれた被写体像に関する光束の一部はメインミラーMMで反射されてペンタプリズムPRISMに導かれる。ペンタプリズムPRISMを通過した光束の一部はAEセンサAEMに導かれる。また、ペンタプリズムPRISMを通過した光束の残りは、接眼レンズELに導かれ、撮影者の目に像を結ぶ。
AEセンサAEMは、受光した光束から被写体の明るさを検出し、被写体の明るさに関する情報を生成する。続いて、AEセンサAEMは、生成した被写体の明るさに関する情報を演算装置CPUに出力する。この被写体の明るさに関する情報は、撮像素子IMGの露出量の制御のために用いられるほか、焦点位置検出装置AFMの制御にも用いられる。
また、メインミラーMMを透過した光束はサブミラーSMに達し、サブミラーSMは、この光束を反射する。サブミラーSMが反射した光束は撮像等価面101上に結像する。コンデンサレンズCLは、撮像等価面101上に結像されて得られた被写体像を集光する。固定ミラーFMは、コンデンサレンズCLで集光された光束を光電変換装置1000の方向に反射する。セパレータレンズSLは、固定ミラーFMが反射した光束を2つに分割し、集光する。セパレータレンズSLが集光した2つの光束は光電変換装置1000に入射する。
次に、撮像装置CAMの動作のうち、撮影者の操作によって撮影の実行が指示された後の動作について説明する。
撮影者により設定ボタンBTを介して撮影の実行が指示されると、演算装置CPUは、光電変換装置1000にコマンドCMDを出力する。信号生成装置1000は、コマンドCMDが入力されると被写体像を電気信号に変換する動作を開始する。信号生成装置1000は、基準画素列群200_bが検出した被写体像を示す電気信号である画素列群出力Vout_bと、参照画素列群200_rが検出した被写体像を示す電気信号である画素列群出力Vout_rとを演算装置CPUに出力する。信号生成装置1000の詳細については後述する。
演算装置CPUは、画素列群出力Vout_bと画素列群出力Vout_rとを用いて、位相差検出方式により撮影レンズOLの焦点ずれ量を計算する。位相差検出方式については後述する。続いて、演算装置CPUは、算出した焦点ずれ量をレンズ駆動信号生成部MGに出力する。レンズ駆動信号生成部MGは、入力された焦点ずれ量に基づいて撮影レンズOLの駆動量を示す信号を生成し、モータドライバMDに出力する。モータドライバMDは、入力された信号に基づいて、撮影レンズOLを合焦する位置に移動させる。
撮影レンズOLが合焦する位置に移動した後、撮像装置CAMは撮影を行う。撮影時には、メインミラーMMとサブミラーSMとは撮影レンズOLの光軸上から退避する位置に移動する。この状態では撮影レンズOLが導いた被写体像は、撮像素子IMG上に結像する。この状態で撮像素子IMGが動作することで、撮像装置CAMは被写体像を画像として取り込むことができる。
<位相差検出方式>
次に、図7と図8とを参照して、位相差検出方式について説明する。図7は、被写体像7aと、光電変換装置1000の基準画素列群200_bおよび参照画素列群200_rが像を捉える領域7bとを示している。
次に、図7と図8とを参照して、位相差検出方式について説明する。図7は、被写体像7aと、光電変換装置1000の基準画素列群200_bおよび参照画素列群200_rが像を捉える領域7bとを示している。
図8は、図7に示した領域7bの被写体像情報を用いて、撮影レンズOLの焦点位置検出の概念を説明するための図である。なお、図1と共通の構成部位には同じ名称を当てている。同図では、撮影レンズOLと、焦点位置検出装置AFMを構成するコンデンサレンズCLと、セパレータ絞りと、セパレータレンズSLと、信号生成装置1000を構成する基準画素列群200_bおよび参照画素列群200_rと、撮像等価面101のみを示している。また、図8(a)、(b)は撮影レンズOLが合焦している時の状態を示している。また、図8(c)、(d)は撮影レンズOLが前ピンの時の状態を示している。また、図8(e)、(f)は撮影レンズOLが後ピンの時の状態を示している。
図示するように、撮像等価面101上に結像した光束は、コンデンサレンズCLで集光された後、セパレータ絞りとセパレータレンズSLにより分割される。すなわち、図8(a)、(c)、(e)に示すように、撮影レンズOLの上側を通った被写体像は光電変換装置1000の下側に配された参照画素列群200_r上に再結像する。同様に、撮影レンズOLの下側を通った被写体像は光電変換装置1000の上側に配された基準画素列群200_b上に再結像する。
ここで、参照画素列群200_rに再結像した被写体像と基準画素列群200_bに再結像した被写体像との間隔(2像間隔)は撮影レンズOLの焦点位置によって変化する。例えば、撮影レンズOLの合焦時の2像間隔がZ0であるとすると、撮影レンズOLが前ピンの時には2像間隔がZ0より小さくなり、後ピンの時には2像間隔がZ0より大きくなる。2像間隔の変化は撮影レンズOLの焦点ずれ量(デフォーカス量)にほぼ比例する。したがって、2像間隔を検出することにより、撮影レンズOLの焦点ずれ量および焦点ずれ方向を算出することができる。この焦点ずれ量が無くなるように撮影レンズOLの移動量を求め、この移動量に従って撮影レンズOLを移動させることで撮影レンズOLを合焦状態とすることができる。
<光電変換装置の構成>
次に、図2を参照して光電変換装置1000について詳細に説明する。図2は光電変換装置1000の構成を示した図である。図2に示すように、光電変換装置1000は、基準画素列群200_bと、参照画素列群200_rと、制御部300とを有している。基準画素列群200_bと参照画素列群200_rとは第1の方向(一次元方向、図2の例では左から右に向かう水平方向)に沿って所定の間隔だけ離れて配置されている。
次に、図2を参照して光電変換装置1000について詳細に説明する。図2は光電変換装置1000の構成を示した図である。図2に示すように、光電変換装置1000は、基準画素列群200_bと、参照画素列群200_rと、制御部300とを有している。基準画素列群200_bと参照画素列群200_rとは第1の方向(一次元方向、図2の例では左から右に向かう水平方向)に沿って所定の間隔だけ離れて配置されている。
基準画素列群200_bは、第1画素列PDA_b1(第1の画素列)と第1電荷転送部TRANS_b1との組と、第2画素列PDA_b2(第2の画素列)と第2電荷転送部TRANS_b2との組と、基準モニタセンサMPD_bと、アナログ処理回路400_b(信号処理部)とを有している。
第1画素列PDA_b1はk個の画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)を備えている(kは2以上である任意の整数)。画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)は、光電変換素子を含む。第1画素列PDA_b1に含まれる画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)は、第1の方向に、画素PD_b(1)、画素PD_b(3)、・・・、画素PD_b(2k−1)の順に並んでいる。
画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)は、光束を受光し、受光した光束の光量に応じた電荷を光電変換によって生成し蓄積する。また、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)は、蓄積した電荷を第1電荷転送部TRANS_b1に転送する。
画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)の画素ピッチはpであり、画素幅はwである。図2に示す例では、画素ピッチは、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)の第1の方向の長さである。画素幅は、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)の第2の方向(図2の例では下から上に向かう垂直方向)の長さである。また、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)の画素ピッチpの中央の位置を通り、第2の方向と平行な直線が示す位置を、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)の中心位置(第2の方向における中心位置、第2の方向にみたときの中心位置)とする。
なお、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)の感度は、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)の面積p×wに比例する。また、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)が蓄積することが可能な電荷量も、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)の面積p×wに比例する。従って、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)に照射される光の強さと、露光時間とが一定であれば、画素が蓄積する電荷量が一定となる。画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)以外の画素についても同様である。
第1電荷転送部TRANS_b1は、第1画素列PDA_b1に隣接して設けられ、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)から転送された電荷を、画素PD_b(1)が蓄積した電荷、画素PD_b(3)が蓄積した電荷、・・・、PD_b(2k−1)が蓄積した電荷の順にアナログ処理回路400_bに転送する。
第2画素列PDA_b2はk個の画素PD_b(2)〜PD_b(2k)を備えている。画素PD_b(2)〜PD_b(2k)は、光電変換素子を含む。第2画素列PDA_b2に含まれる画素PD_b(2)〜PD_b(2k)は、第1の方向(図2の例では左から右に向かう水平方向)に、画素PD_b(2)、画素PD_b(4)、・・・、画素PD_b(2k)の順に並んでいる。
画素PD_b(2)〜PD_b(2k)は、光束を受光し、受光した光束の光量に応じた電荷を光電変換によって生成し蓄積する。画素PD_b(2)〜PD_b(2k)の画素ピッチはpであり、画素幅はwである。また、画素PD_b(2)〜PD_b(2k)の画素ピッチpの中央の位置を通り、第2の方向と平行な直線が示す位置を、画素PD_b(2)〜PD_b(2k)の中心位置(第2の方向における中心位置、第2の方向にみたときの中心位置)とする。なお、各画素の大きさが同一であるため、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)および画素PD_b(2)〜PD_b(2k)の中心位置は、各画素内での相対的な位置としては同一の位置となる。
また、画素PD_b(2)〜PD_b(2k)は、蓄積した電荷を第2電荷転送部TRANS_b2に転送する。
第2電荷転送部TRANS_b2は、第2画素列PDA_b2に隣接して設けられ、画素PD_b(2)〜PD_b(2k)から転送された電荷を、画素PD_b(2)が蓄積した電荷、画素PD_b(4)が蓄積した電荷、・・・、画素PD_b(2k)が蓄積した電荷の順にアナログ処理回路400_bに転送する。
アナログ処理回路400_bは、第1電荷転送部TRANS_b1と第2電荷転送部TRANS_b2との一端に接続されている。アナログ処理回路400_bは、第1電荷転送部TRANS_b1と第2電荷転送部TRANS_b2とから転送された電荷を電圧信号に変換し、画素列群出力Vout_bとして演算装置CPUに出力する。
基準モニタセンサMPD_bは、第1画素列PDA_b1と第2画素列PDA_b2との間に配置されている。基準モニタセンサMPD_bは、第1画素列PDA_b1の画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)と、第2画素列PDA_b2の画素PD_b(2)〜PD_b(2k)との各々が蓄積した電荷量をモニタするためのものである。基準モニタセンサMPD_bは、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1),PD_b(2)〜PD_b(2k)各々が蓄積した電荷の略平均値にあたる電荷を蓄積し、その蓄積電荷量に応じた基準モニタ信号Vm_bを制御部300に出力する。
また、第1画素列PDA_b1と第1電荷転送部TRANS_b1の組と、第2画素列PDA_b2と第2電荷転送部TRANS_b2の組とは、互いに重ならないように第2の方向にずらして配置されている。また、第1画素列PDA_b1と第1電荷転送部TRANS_b1の組は、第2画素列PDA_b2と第2電荷転送部TRANS_b2との組に対して、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1),PD_b(2)〜PD_b(2k)の画素ピッチpの1/2の幅p/2だけ第1の方向にずらして配置されている。具体的には、画素PD_b(1)の中心位置(第1の画素の中心位置)と、画素PD_b(2)の中心位置(第2の画素の中心位置)との第1の方向におけるずらし幅xが、x=2/pとなるように、第1画素列PDA_b1と第1電荷転送部TRANS_b1の組と、第2画素列PDA_b2と第2電荷転送部TRANS_b2の組とは配置されている。
例えば、第1画素列PDA_b1に含まれる画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)のうちいずれか1つの画素を第1の画素とし、この画素に隣接する画素を第2の画素とする。また、第1の画素が信号を出力するタイミングと、第2の画素が信号を出力するタイミングとの間に、対応する信号の出力タイミングがくる第2画素列PDA_b2に含まれる画素PD_b(2)〜PD_b(2k)のうちいずれか1つの画素を第3の画素とする。このときに、第3の画素の中心位置と第1の画素の中心位置及び第2の画素の中心位置との第1の方向における距離が、第1画素列PDA_b1に含まれる画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)又は第2画素列PDA_b2に含まれる画素PD_b(2)〜PD_b(2k)の画素ピッチpの1/2の幅p/2になるよう、第1の画素、第2の画素及び第3の画素は配置されている。
参照画素列群200_rは、第1画素列PDA_r1と第1電荷転送部TRANS_r1との組と、第2画素列PDA_r2と第2電荷転送部TRANS_r2との組と、基準モニタセンサMPD_rと、アナログ処理回路400_rとを有している。
第1画素列PDA_r1はk個の画素PD_r(1)〜PD_r(2k−1)を備えている。画素PD_r(1)〜PD_r(2k−1)は、光電変換素子を含む。第1画素列PDA_r1に含まれる画素PD_r(1)〜PD_r(2k−1)は、第1の方向に、画素PD_r(1)、画素PD_r(3)、・・・、画素PD_r(2k−1)の順に並んでいる。
画素PD_r(1)〜PD_r(2k−1)は、光束を受光し、受光した光束の光量に応じた電荷を光電変換によって生成し蓄積する。画素PD_r(1)〜PD_r(2k−1)の画素ピッチはpであり、画素幅はwである。また、画素PD_r(1)〜PD_r(2k−1)は、蓄積した電荷を第1電荷転送部TRANS_r1に転送する。
第1電荷転送部TRANS_r1は、第1画素列PDA_r1に隣接して設けられ、画素PD_r(1)〜PD_r(2k−1)から転送された電荷を、画素PD_r(2k−1)が蓄積した電荷、・・・、画素PD_r(3)が蓄積した電荷、画素PD_r(1)が蓄積した電荷の順にアナログ処理回路400_rに転送する。
第2画素列PDA_r2はk個の画素PD_r(2)〜PD_r(2k)を備えている。画素PD_r(2)〜PD_r(2k)は、光電変換素子を含む。第2画素列PDA_r2に含まれる画素PD_r(2)〜PD_r(2k)は、第1の方向に、画素PD_r(2)、画素PD_r(4)、・・・、画素PD_r(2k)の順に並んでいる。
画素PD_r(2)〜PD_r(2k)は、光束を受光し、受光した光束の光量に応じた電荷を光電変換によって生成し蓄積する。画素PD_r(2)〜PD_r(2k)の画素ピッチはpであり、画素幅はwである。また、画素PD_r(2)〜PD_r(2k)は、蓄積した電荷を第2電荷転送部TRANS_r2に転送する。
第2電荷転送部TRANS_r2は、第2画素列PDA_r2に隣接して設けられ、画素PD_r(2)〜PD_r(2k)から転送された電荷を、画素PD_r(2k)が蓄積した電荷、・・・、画素PD_r(4)が蓄積した電荷、画素PD_r(2)が蓄積した電荷の順にアナログ処理回路400_rに転送する。
アナログ処理回路400_rは、第1電荷転送部TRANS_r1と第2電荷転送部TRANS_r2との一端に接続している。アナログ処理回路400_rは、第1電荷転送部TRANS_r1と第2電荷転送部TRANS_r2とから転送された電荷を電圧信号に変換し、画素列群出力Vout_rとして演算装置CPUに出力する。
参照モニタセンサMPD_rは、第1画素列PDA_r1と第2画素列PDA_r2との間に配置されている。参照モニタセンサMPD_rは、第1画素列PDA_r1の画素PD_r(1)〜PD_r(2k−1)と、第2画素列PDA_r2の画素PD_r(2)〜PD_r(2k)との各々が蓄積した電荷量をモニタするためのものである。参照モニタセンサMPD_rは、画素PD_r(1)〜PD_r(2k−1),PD_r(2)〜PD_r(2k)各々が蓄積した電荷の略平均値にあたる電荷を蓄積し、その蓄積電荷量に応じた参照モニタ信号Vm_rを制御部300に出力する。
また、第1画素列PDA_r1と第1電荷転送部TRANS_r1の組と、第2画素列PDA_r2と第2電荷転送部TRANS_r2の組とは、互いに重ならないように第2の方向にずらして配置されている。また、第1画素列PDA_r1と第1電荷転送部TRANS_r1の組は、第2画素列PDA_r2と第2電荷転送部TRANS_r2との組に対して、画素PD_r(1)〜PD_r(2k−1),PD_r(2)〜PD_r(2k)の画素ピッチpの1/2の幅だけ第1の方向にずらして配置されている。具体的には、画素PD_r(1)の中心位置(第1の画素の中心位置)と、画素PD_r(2)の中心位置(第2の画素の中心位置)との第1の方向におけるずらし幅xが、本実施例においてx=p/2となるように、第1画素列PDA_r1と第1電荷転送部TRANS_r1の組と、第2画素列PDA_r2と第2電荷転送部TRANS_r2の組とは配置されている。
制御部300は、基準画素列群200_bと参照画素列群200_rとの制御を行う。基準画素列群200_bと参照画素列群200_rとを制御するために、制御部300が基準画素列群200_bと参照画素列群200_rとの各部に出力する信号について説明する。
制御部300は、第1ゲート信号TG1を生成し、第1画素列PDA_b1,PDA_r1に出力する。また、制御部300は、第2ゲート信号TG2を生成し、第2画素列PDA_b2,PDA_r2に出力する。第1ゲート信号TG1と第2ゲート信号TG2との値は、「L」と「H」のうちいずれかの値である。
第1画素列PDA_b1,PDA_r1と第2画素列PDA_b2、PDA_r2とは、入力された第1ゲート信号TG1または第2ゲート信号TG2の値が「L」の場合、受光した光束の光量に応じて生成された電荷を蓄積する。第1画素列PDA_b1,PDA_r1は、入力された第1ゲート信号TG1の値が「H」の場合、電荷の蓄積を停止し、これまでに画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1),PD_r(1)〜PD_r(2k−1)の各々が蓄積した電荷を第1電荷転送部TRANS_b1,TRANS_r1に一括して転送する。第2画素列PDA_b2,PDA_r2は、入力された第2ゲート信号TG2が「H」の場合、電荷の蓄積を停止し、これまでに画素PD_b(2)〜PD_b(2k),PD_r(2)〜PD_r(2k)の各々が蓄積した電荷を第2電荷転送部TRANS_b2,TRANS_r2に一括して転送する。
また、制御部300は、第1転送信号φ1を生成し、第1電荷転送部TRANS_b1,TRANS_r1に出力する。また、制御部300は、第2転送信号φ2を生成し、第2電荷転送部TRANS_b2,TRANS_r2に出力する。第1転送信号φ1と第2転送信号φ2との値は、「L」と「H」のうちいずれかの値である。
第1電荷転送部TRANS_b1は、入力された第1転送信号φ1の値が「L」から「H」に変化するタイミングに同期して、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)から一括して転送された電荷を、画素PD_b(1)が蓄積した電荷、画素PD_b(3)が蓄積した電荷、・・・、PD_b(2k−1)が蓄積した電荷の順にアナログ処理回路400_bに順次転送する。
第1電荷転送部TRANS_r1は、入力された第1転送信号φ1の値が「L」から「H」に変化するタイミングに同期して、画素PD_r(1)〜PD_r(2k−1)から一括して転送された電荷を、画素PD_r(2k−1)が蓄積した電荷、・・・、画素PD_r(3)が蓄積した電荷、画素PD_r(1)が蓄積した電荷の順にアナログ処理回路400_rに順次転送する。
第2電荷転送部TRANS_b2は、入力された第2転送信号φ2の値が「L」から「H」に変化するタイミングに同期して、画素PD_b(2)〜PD_b(2k)から一括して転送された電荷を、画素PD_b(2)が蓄積した電荷、画素PD_b(4)が蓄積した電荷、・・・、画素PD_b(2k)が蓄積した電荷の順にアナログ処理回路400_bに順次転送する。
第2電荷転送部TRANS_r2は、入力された第2転送信号φ2の値が「L」から「H」に変化するタイミングに同期して、画素PD_r(2)〜PD_r(2k)から一括して転送された電荷を、画素PD_r(2k)が蓄積した電荷、・・・、画素PD_r(4)が蓄積した電荷、画素PD_r(2)が蓄積した電荷の順にアナログ処理回路400_rに順次転送する。
また、制御部300は、基準モニタリセット信号φrm_bを生成し、基準モニタセンサMPD_bに出力する。また、制御部300は、参照モニタリセット信号φrm_rを生成し、参照モニタセンサMPD_rに出力する。基準モニタリセット信号φrm_bと参照モニタリセット信号φrm_rとの値は、「L」と「H」のうちいずれかの値である。
基準モニタセンサMPD_bは、入力された基準モニタリセット信号φrm_bの値が「L」の場合、受光した光束の光量に応じた電荷QM_bを生成し、蓄積する。また、基準モニタセンサMPD_bは、入力された基準モニタリセット信号φrm_bが「L」の場合、図示せぬモニタ電荷−電圧変換アンプにより、蓄積した電荷QM_bを基準モニタ信号Vm_bに変換し、制御部300に出力する。基準モニタセンサMPD_bは、入力された基準モニタリセット信号φrm_bの値が「H」の場合、蓄積した電荷QM_bを解放(リセット)する。
参照モニタセンサMPD_rは、入力された参照モニタリセット信号φrm_rの値が「L」の場合、受光した光束の光量に応じた電荷QM_rを生成し、蓄積する。また、参照モニタセンサMPD_rは、入力された参照モニタリセット信号φrm_rの値が「L」の場合、図示せぬモニタ電荷−電圧変換アンプにより、蓄積した電荷QM_rを参照モニタ信号Vm_rに変換し、制御部300に出力する。参照モニタセンサMPD_rは、入力された参照モニタリセット信号φrm_rの値が「H」の場合、蓄積した電荷QM_rを解放する。
なお、これまでの説明では、基準画素列群200_bが備える各部と参照画素列群200_rが備える各部とを区別するために、基準画素列群200_bが備える各部の符号にはbの指標を付し、参照画素列群200_rが備える各部の符号にはrの指標を付している。また、基準画素列群200_bが備える各部が入出力する信号と、参照画素列群200_rが備える各部が入出力する信号とを区別するために、基準画素列群200_bが備える各部が入出力する信号の符号にはbの指標を付し、参照画素列群200_rが備える各部が入出力する信号の符号にはrの指標を付している。
本実施形態において、光電変換装置1000が動作する際には、基準画素列群200_bと参照画素列群200_rとは対になって動作する。そのため、以降の説明にて基準画素列群200_bと参照画素列群200_rとの両方に関するものを表す符号には、bおよびrの指標を付さずに表す。
例えば、基準画素列群200_bと参照画素列群200_rとの両方を表す場合は、画素列群200と表す。また、基準画素列群200_bが備える第1画素列PDA_b1と参照画素列群200_rが備える第1画素列PDA_r1との両方を表す場合は、第1画素列PDA_1と表す。また、基準画素列群200_bにおける第2画素列PDA_b2と参照画素列群200_rが備える第2画素列PDA_r2との両方を示す場合は、第2画素列PDA_2と表す。
また、基準画素列群200_bが備える第1電荷転送部TRANS_b1と参照画素列群200_rが備える第1電荷転送部TRANS_r1との両方を表す場合は、第1電荷転送部TRANS_1と表す。また、基準画素列群200_bが備える第2電荷転送部TRANS_b2と参照画素列群200_rが備える第2電荷転送部TRANS_r2との両方を表す場合は、第2電荷転送部TRANS_2と表す。また、基準画素列群200_bが備える基準モニタセンサMPD_bと参照画素列群200_rが備える参照モニタセンサMPD_rとの両方を示す場合は、モニタセンサMPDと表す。また、基準画素列群200_bが備えるアナログ処理回路400_bと参照画素列群200_rが備えるアナログ処理回路400_rとの両方を表す場合は、アナログ処理回路400と表す。
また、基準モニタリセット信号φrm_bと参照モニタリセット信号φrm_rとの両方を表す場合は、モニタリセット信号φrmと表す。
<光電変換装置の動作>
次に、光電変換装置1000の動作について説明する。光電変換装置1000は、第1の動作モードと、第2の動作モードとの2つの異なる動作モードで動作する。
次に、光電変換装置1000の動作について説明する。光電変換装置1000は、第1の動作モードと、第2の動作モードとの2つの異なる動作モードで動作する。
(第1の動作モード)
図3は、第1の動作モードにおける光電変換装置1000の各部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
図3は、第1の動作モードにおける光電変換装置1000の各部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
図示するタイミングチャートは、第1画素列PDA_1の動作モードを示すタイミングチャート501を含む。また、制御部300がモニタリセット信号φrmを出力するタイミングを示すタイミングチャート502を含む。また、制御部300が第1ゲート信号TG1を出力するタイミングを示すタイミングチャート503を含む。また、モニタセンサMPDがモニタ信号Vmを出力するタイミングを示すタイミングチャート504を含む。また、第1電荷転送部TRANS_b1と第2電荷転送部TRANS_b2とが転送した電荷に基づいて、アナログ処理回路400_bが出力する画素列群出力Vout_bのタイミングを示すタイミングチャート505を含む。また、制御部300が第1転送信号φ1を出力するタイミングを示すタイミングチャート506を含む。また、制御部300が第2転送信号φ2を出力するタイミングを示すタイミングチャート507を含む。また、第1電荷転送部TRANS_r1と第2電荷転送部TRANS_r2とが転送した電荷に基づいて、アナログ処理回路400_rが出力する画素列群出力Vout_rのタイミングを示すタイミングチャート508を含む。また、制御部300が第2ゲート信号TG2を出力するタイミングを示すタイミングチャート509を含む。また、第2画素列PDA_2の動作モードを示すタイミングチャート510を含む。
以下、光電変換装置1000が第1の動作モードで動作するまでの撮像装置CAMの動作について説明する。撮影者が設定ボタンBTを操作して第1の動作モードを選択すると、設定ボタンBTはその旨を示す情報を演算装置CPUに出力する。この出力を受けて、演算装置CPUは、AEセンサAEMから測距対象の被写体に関する明るさの情報を取得する。
演算装置CPUは、AEセンサAEMから取得した被写体に関する明るさの情報に含まれる被写体のコントラスト情報に基づいて、第1画素列PDA_1の露光量を決定するための蓄積終了電圧Vth1と、第2画素列PDA_2の露光量を決定するための蓄積終了電圧Vth2とを決定する。蓄積終了電圧Vth1と、蓄積終了電圧Vth2の差は、被写体の特定の部分のみが極端に明るい場合に、特に大きく設定される。蓄電終了電圧Vth1と第1画素列PDA_1の露光量との関係および、蓄電終了電圧Vth2と第2画素列PDA_2の露光量との関係については後述する。
続いて、演算装置CPUは蓄電終了電圧Vth1,Vth2を光電変換装置1000に出力する。続いて、演算装置CPUは光電変換装置1000を第1の動作モードで動作するように、コマンドCMDを光電変換装置1000に出力する。これにより、光電変換装置1000は、第1の動作モードで動作する。
以下、第1の動作モードで動作するように制御された光電変換装置1000の動作について説明する。なお、第1画素列PDA_1と第1電荷転送部TRANS_1との組を第1組とし、第2画素列PDA_2と第2電荷転送部TRANS_2との組を第2組とし、各組の動作毎に分けて説明する。
はじめに第1組の動作について説明する。第1組は、蓄積モードと、読み出しモードの2つの動作モードに従って動作する。以下、蓄積モードと読み出しモードの切り替え方法と、各モードでの第1組の動作について説明する。
制御部300は、第1の動作モードで動作するためのコマンドCMDが演算装置CPUより入力されると、第1組を蓄積モードで動作させる。第1組を蓄積モードで動作させるため、制御部300は、モニタリセット信号φrmをモニタセンサMPDに出力し、第1ゲート信号TG1を第1画素列PDA_1に出力する。このとき、制御部300は、タイミングチャート502,503に示すとおり、モニタリセット信号φrmと第1ゲート信号TG1とを同じタイミングで「L」、「H」、「L」の順に出力する。
モニタセンサMPDは、入力されたモニタリセット信号φrmが「H」の期間では、蓄積している不要電荷を吐き出す。また、モニタセンサMPDは、入力されたモニタリセット信号φrmが「L」となったタイミングから、受光した光量に応じた電荷の蓄積を開始する。
第1画素列PDA_1は、入力された第1ゲート信号TG1が「H」の期間では、蓄積している電荷を第1電荷転送部TRANS_1に転送する。また、第1画素列PDA_1は、入力された第1ゲート信号TG1が「L」となったタイミングから、受光した光量に応じた電荷の蓄積を開始する。
ここで、第1組が蓄積モードで動作している間、第1画素列PDA_1は蓄積している電荷を転送しない。また、第1組が蓄積モードで動作している間、モニタセンサMPDは、第1画素列PDA_1の個々の画素に蓄積される電荷量の平均値に相当する電荷を蓄積する。モニタセンサMPDが蓄積する電荷をモニタ電荷QM(t)とする(tは時刻)。
また、モニタセンサMPDは、モニタ電荷に応じた電圧信号であるモニタ信号Vm(t)を(1)式を用いて算出し、制御部300に出力する。また、Vth1とVm(0)とVm_refとは(2)式の関係を有しているものとする。
なお、Vm_refは所定の基準電圧である。また、Cは、モニタ電荷QM(t)を電圧信号に変換する際の変換係数である。
モニタセンサMPDが出力するモニタ信号Vm(t)の大きさは、タイミングチャート504に示すとおりである。
上述したとおり、入力されたモニタリセット信号φrmが「H」の期間に、モニタセンサMPDは蓄積するモニタ電荷QM(t)を解放する。この時には、基準モニタセンサMPDは制御部300に基準電圧Vm_refを出力する。また、モニタセンサMPDが蓄積するモニタ電荷QM_b(t)は時間の経過とともに増えていくため、(1)式に示したとおり、基準モニタセンサMPDが出力するモニタ信号Vm(t)は、時間の経過とともに低下する。すなわち、モニタセンサMPDと第1画素列PDA_1とが蓄積する電荷が増えるほど、モニタセンサMPDが出力するモニタ信号Vm(t)は低下する。
続いて、制御部300は、入力されたモニタ信号Vm(t)と蓄積終了電圧Vth1との大小関係を比較し続け、この結果に基づいて、第1画素列PDA_1が電荷の蓄積を終了する時点を決定する。電荷の蓄積を終了する時点は、蓄積モードを終了する時点でもあり、読み出しモードを開始する時点でもある。
具体的には、制御部300は、モニタ信号Vm(t)と蓄積終了電圧Vth1とが同じ値となった時点を、第1画素列PDA_1が電荷の蓄積を終了する時点である、すなわち蓄積モードを終了する時点であり、読み出しモードを開始する時点であると決定する。
モニタ信号Vm(t)が蓄積終了電圧Vth1より大きい間、制御部300は、第1組を蓄積モードで動作させるために、第1ゲート信号TG1を「L」のまま変化させず出力する。また、モニタ信号Vm(t)が蓄積終了電圧Vth1と同じ値となった時点で、制御部300は、第1組を読み出しモードで動作させるために、第1ゲート信号TG1を「H」「L」の順に出力する。第1ゲート信号TG1として「H」が入力された第1画素列PDA_1は、画素PD_(1)〜PD_(2k−1)の各々が蓄積した電荷を第1電荷転送部TRANS_1に一括して転送する。
これにより、蓄電終了電圧Vth1の値によって、第1画素列PDA_1が蓄積する電荷の量を制御することができる。例えば、蓄電終了電圧Vth1の値が大きいほど、第1画素列PDA_1が蓄積する電荷量が少なくなる。また、蓄電終了電圧Vth1の値が小さいほど、第1画素列PDA_1が蓄積する電荷量が多くなる。すなわち、蓄電終了電圧Vth1の値が大きいほど、第1画素列PDA_1の露光量が少なくなる。また、蓄電終了電圧Vth1の値が小さいほど、第1画素列PDA_1の露光量が多くなる。
なお、第1組を蓄積モードで動作させる際に、制御部300は、第1転送信号φを「L」「H」「L」「H」・・・の方形波として出力する。制御部300がこの出力を行っている期間を、第1転送信号φが「有効」の期間とする。第1転送信号φの出力タイミングはタイミングチャート506に示すとおりである。
この方形波が入力された第1電荷転送部TRANS_1は、「L」から「H」に変化するタイミングに同期して、第1画素列PDA_1から転送された電荷をアナログ処理回路400に順次転送する。アナログ処理回路400は、転送された電荷を電圧信号に変換し、画素列群出力Voutとして演算装置CPUに出力する。これにより、第1電荷転送部TRANS_1は不要な電荷を外部に転送することができる。また、演算装置CPUは、このときに入力された画素列群出力Voutを無効画素データとして扱い、測距演算には用いない。
制御部300は、第1画素列PDA_1が電荷の蓄積を終了する時点であると判断した場合、すなわち読み出しモードを開始する時点と判断した場合、第1組を読み出しモードで動作させる。第1組を読み出しモードで動作させるため、制御部300は、第1電荷転送部TRANS_1に出力していた第1転送信号φを「L」のまま変化させずに出力する。制御部300がこの出力を行っている期間を、第1転送信号φが「無効」の期間とする。
続いて、制御部300は、第1ゲート信号TG1を「H」「L」の順に変化して出力する。第1画素列PDA_1は、入力された第1ゲート信号TG1が「L」から「H」となった時点で、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)の各々が蓄積した電荷を第1電荷転送部TRANS_1に一括して転送する。
続いて、制御部300は、第1転送信号φを「有効」とする。第1電荷転送部TRANS_1は、入力された第1転送信号φ1が「L」から「H」に変化するタイミングで、画素PD_(1)〜PD_(2k−1)の各々から転送された電荷をアナログ処理回路400に順次転送する。
本実施形態では、第1電荷転送部TRANS_b1は、画素PD_b(1)から転送された電荷、画素PD_b(3)から転送された電荷、・・・、画素PD_b(2k−1)から転送された電荷の順にアナログ処理回路400_bに転送する。また、第1電荷転送部TRANS_r1は、画素PD_r(2k−1)から転送された電荷、・・・、画素PD_r(3)から転送された電荷、画素PD_(1)から転送された電荷の順にアナログ処理回路400_rに転送する。
一方、アナログ処理回路400は、第1電荷転送部TRANS_1から転送された電荷を、転送された順に電圧信号に変換し、画素列群出力Voutとして演算装置CPUに出力する。演算装置CPUは、入力された画素列群出力Voutを自身が備える記憶部に記憶する。
続いて、アナログ処理回路400が、画素PD_(1)〜PD_(2k−1)の全てに対応する画素列群出力Voutを出力した後、制御部300は、第1組を読み出しモードで動作させる処理を終了する。
続いて、演算装置CPUは、入力された画素列群出力Voutに基づいて測距演算を行う。以下、第1組から入力された画素列群出力Voutに基づいた測距演算の方法について説明する。
なお、測距演算は、基準列画素群200_bと参照列画素群200_rとが出力する信号に基づいて行うため、基準画素列群200_bが備える各部と参照画素列群200_rが備える各部とを区別するために、基準画素列群200_bが備える各部の符号にはbの指標を付し、参照画素列群200_rが備える各部の符号にはrの指標を付して説明する。また、基準画素列群200_bが備える各部が入出力する信号と、参照画素列群200_rが備える各部が入出力する信号とを区別するために、基準画素列群200_bが備える各部が入出力する信号の符号にはbの指標を付し、参照画素列群200_rが備える各部が入出力する信号の符号にはrの指標を付している。
画素列群出力Vout_bは、第1画素列PDA_b1が蓄積した電荷に基づいた出力である画素出力S_b[1]、・・・、画素出力S_b[n]、・・・、画素出力S_b[2k−1]より構成される信号である(nは1≦n≦2k-1の任意の奇数)。ここで、画素出力S_b[n]は、第1画素列PDA_b1の画素PD_b(n)が蓄積した電荷量に基づいた電気信号を示す。また、画素列群出力Vout_rは、第1画素列PDA_r1が蓄積した電荷に基づいた出力である画素出力S_r[1]、・・・、画素出力S_r[n]、・・・、S_r[2k−1]より構成される信号である。ここで画素出力S_r[n]は、第1画素列PDA_r1の画素PD_r(n)が蓄積した電荷量に基づいた電気信号を示す。なお、画素PD(2k−1)は、2k−1番目(例えば、図2において、第1画素列PDA_1が備える画素のうち、最も左端の画素PD_(1)を1番目とする)の画素であることを示している。
なお、アナログ処理回路400_bが画素出力S_b[1]〜画素出力S_b[2k−1]を出力するタイミングは、タイミングチャート505に示すとおりである。また、アナログ処理回路400_rが画素出力S_r[n]を出力するタイミングは、タイミングチャート508に示すとおりである。
演算装置CPUは、基準画素列群200_bの第1画素列PDA_b1に対応した画素出力S_b[1]、画素出力S_b[3]、・・・、画素出力S_b[n]、・・・、S_b[2k−1]の組と、参照画素列群200_rの第1画素列PDA_r1に対応した画素出力S_r[1]、画素出力S_r[3]、・・・、画素出力S_r[n]、・・・、S_r[2k−1]の組との差が最小となるシフト量より、焦点ずれ量を求める。具体的には、演算装置CPUは、(3)式を用いて、相関度SX1[j]が最小値となるjの値をシフト量として求める。
ただし、jは−(2k-1)/2≦j≦(2k-1)/2を満たす整数である。
例えば、(3)式においてSX1[j]が最小値となるjが負の場合、撮影レンズOLは図8(e)および(f)で示した後ピンの状態である。また、(3)式でSX1[j]が最小値となるjが正の場合、撮影レンズOLは図8(c)および(d)で示した前ピンの状態である。
なお、本実施形態では、演算装置CPUは、第1画素列PDA_b1の各画素PD_b(n)が蓄積した電荷に対応する画素出力S_b[n]を画素出力S_b[1]、画素出力S_b[3]、・・・、画素出力S_b[2k−1]の順に入力を受け付ける。また、演算装置CPUは、第1画素列PDA_r1の各画素PD_r(n)が蓄積した電荷に対応する画素出力S_r[2k−1]、・・・、画素出力S_r[3]、画素出力S_r[1]の順に入力を受け付ける。
すなわち、演算装置CPUには、第1画素列PDA_b1に関しては、左端の画素が蓄積した電荷に対応する画素出力から右端の画素が蓄積した電荷に対応する画素出力の順に入力され、第1画素列PDA_r1に関しては、右端の画素が蓄積した電荷に対応する画素出力から左端の画素が蓄積した電荷に対応する画素出力の順に入力される。よって、演算装置CPUに入力される画素出力の順は、第1画素列PDA_b1が備える画素が蓄積した電荷に対応する画素出力と、第1画素列PDA_r1が備える画素が蓄積した電荷に対応する画素出力とで逆順となる。従って、演算装置CPUは、演算に必要な画素列群出力Voutの画素出力を全て受け付けて記憶部に記憶した後に、適宜演算に必要な情報を記憶部から読み出して(3)式の演算を行う。
次に、第2組の動作について説明する。第1組と同様に、第2組も、蓄積モードと、読み出しモードの2つの動作モードに従って動作する。第2画素列PDA_2は第1画素列PDA_1と同様の動作を行う。また、第2電荷転送部TRANS_2は第1電荷転送部TRANS_1と同様の動作を行う。
また、第2ゲート信号TG2は、第1ゲート信号TG1と同様の信号である。但し、タイミングチャート507に示すとおり、第2転送信号φ2は第1転送信号φ1と逆位相の信号である。そのため、第2電荷転送部TRANS_2は、第1電荷転送部TRANS_1とは異なるタイミングで、第2画素列PDA_2が蓄積した電荷をアナログ処理回路400に転送することができる。これにより、アナログ処理回路400は、第1組と第2組とから転送された電荷を異なるものとして処理を行うことができる。
また、第1の動作モードでは、第1画素列が蓄積する電荷の量と、第2画素列が蓄積する電荷の量とを異なる量とするために、第1組が蓄積モードを終了するタイミングと、第2組が蓄積モードを終了するタイミングとを異なるタイミングとする。すなわち、蓄積終了電圧を異なる電圧とする。具体的には、制御部300は、入力されたモニタ信号Vm(t)と蓄積終了電圧Vth2との大小関係を比較し続け、この結果に基づいて、第2画素列PDA_2が電荷の蓄積を終了する時点を決定する。なお、蓄積終了電圧Vth2は、蓄積終了電圧Vth1より小さい値である。
モニタ信号Vm(t)が蓄積終了電圧Vth2より大きい間、制御部300は、第2組を蓄積モードで動作させるために、第2ゲート信号TG2を「L」のまま変化させず出力する。また、モニタ信号Vm(t)が蓄積終了電圧Vth2と同じ値となった時点で、制御部300は、第2組を読み出しモードで動作させるために、第2ゲート信号TG2を「H」「L」の順に出力する。第2ゲート信号TG2として「H」が入力された第2画素列PDA_2は、画素PD_(2)〜PD_(2k)の各々が蓄積した電荷を第2電荷転送部TRANS_2に一括して転送する。
これにより、蓄電終了電圧Vth2の値によって、第2画素列PDA_2が蓄積する電荷の量を制御することができる。また、蓄積終了電圧Vth2は、蓄積終了電圧Vth1より小さい値である。そのため、第1画素列PDA_1の露光量より、第2画素列PDA_2の露光量の方が多くなる。
なお、第2組を蓄積モードで動作させる際に、制御部300は、第2転送信号φ2を「H」「L」「H」「L」・・・の方形波として出力する。制御部300がこの出力を行っている期間を、第2転送信号φ2が「有効」の期間とする。この方形波が入力された第2電荷転送部TRANS_2は、「L」から「H」に変化するタイミングに同期して、第2画素列PDA_2から転送された電荷をアナログ処理回路400に順次転送する。アナログ処理回路400は、転送された電荷を電圧信号に変換し、画素列群出力Voutとして演算装置CPUに出力する。これにより、第2電荷転送部TRANS_2は不要な電荷を外部に転送することができる。また、演算装置CPUは、このときに入力された画素列群出力Voutを無効画素データとして扱い、測距演算には用いない。
制御部300は、第2画素列PDA_2が電荷の蓄積を終了する時点であると判断した場合、すなわち読み出しモードを開始する時点と判断した場合、第2組を読み出しモードで動作させる。第2組を読み出しモードで動作させるため、制御部300は、第2電荷転送部TRANS_2に出力していた第2転送信号φ2を「H」のまま変化させずに出力する。制御部300がこの出力を行っている期間を、第2転送信号φ2が「無効」の期間とする。
続いて、制御部300は、第2ゲート信号TG2を「H」「L」の順に変化して出力する。第2画素列PDA_2は、入力された第2ゲート信号TG2が「L」から「H」となった時点で、画素PD_(2)〜PD_(2k)の各々が蓄積した電荷を第2電荷転送部TRANS_2に一括して転送する。
続いて、制御部300は、第2転送信号φ2を「有効」とする。第2電荷転送部TRANS_2は、入力された第2転送信号φ2が「L」から「H」に変化するタイミングで、画素PD_(2)〜PD_(2k)の各々から転送された電荷をアナログ処理回路400に順次転送する。
本実施形態では、第2電荷転送部TRANS_b2は、画素PD_b(2)から転送された電荷、画素PD_b(4)から転送された電荷、・・・、画素PD_b(2k)から転送された電荷の順にアナログ処理回路400_bに転送する。また、第2電荷転送部TRANS_r2は、画素PD_r(2k)から転送された電荷、・・・、画素PD_r(4)から転送された電荷、画素PD_r(2)から転送された電荷の順にアナログ処理回路400_rに転送する。
一方、アナログ処理回路400は、第2電荷転送部TRANS_2から転送された電荷を、転送された順に電圧信号に変換し、画素列群出力Voutとして演算装置CPUに出力する。演算装置CPUは、入力された画素列群出力Voutを自身が備える記憶部に記憶する。
続いて、アナログ処理回路400が、画素PD_(2)〜PD_(2k)の全てに対応する画素列群出力Voutを出力した後、制御部300は、第2組を読み出しモードで動作させる処理を終了する。
続いて、演算装置CPUは、入力された画素列群出力Voutに基づいて測距演算を行う。以下、第2組から入力された画素列群出力Voutに基づいた測距演算の方法について説明する。
画素列群出力Vout_bは、第2画素列PDA_b2が蓄積した電荷に基づいた出力である画素出力S_b[2]、画素出力S_b[4]、・・・、S_b[m]、・・・、S_b[2k]を出力する(mは2≦m≦2kの任意の偶数)。ここで、画素出力S_b[m]は、第2画素列PDA_b2の画素PD_b(m)が蓄積した電荷量に基づいた電気信号を示す。また、画素列群出力Vout_rは、第2画素列PDA_r2が蓄積した電荷に基づいた出力である画素出力S_r[2]、画素出力S_r[4]、・・・、S_r[m]、・・・、S_r[2k]を出力する。ここで、画素出力S_r[m]は、第2画素列PDA_r2の画素PD_r(m)が蓄積した電荷量に基づいた電気信号を示す。なお、画素PD(2k)は、2k番目(例えば、図2において、第2画素列PDA_2が備える画素のうち、最も左端の画素PD_(2)を2番目とする)の画素であることを示している。
演算装置CPUは、基準画素列群200_bの第2画素列PDA_b2に対応した画素出力S_b[2]、画素出力S_b[4]、・・・、S_b[m]、・・・、S_b[2k]の組と、参照画素列群200_rの第2画素列PDA_r1に対応した画素出力S_r[2]、画素出力S_r[4]、・・・、S_r[m]、・・・、S_r[2k]の組との差が最小となるシフト量より、焦点ずれ量を求める。具体的には、演算装置CPUは、(4)式を用いて、相関度SX2[j]が最小値となるjの値をシフト量として求める。
ただし、jは−k≦j≦kを満たす整数である。
例えば、(4)式においてSX2[j]が最小値となるjが負の場合、撮影レンズOLは図8(e)および(f)で示した後ピンの状態である。また、(4)式でSX2[j]が最小値となるjが正の場合、撮影レンズOLは図8(c)および(d)で示した前ピンの状態である。
なお、本実施形態では、演算装置CPUは、第2画素列PDA_b2の各画素PD_bが蓄積した電荷に対応する画素出力S_b[2]、画素出力S_b[4]、・・・、画素出力S_b[2k]の順に入力を受け付ける。また、演算装置CPUは、第2画素列PDA_r2の各画素PD_rが蓄積した電荷に対応する画素出力S_r[2k]、・・・、画素出力S_r[4]、画素出力S_r[2]の順に入力を受け付ける。
すなわち、演算装置CPUには、第2画素列PDA_b2に関しては、左端の画素が蓄積した電荷に対応する画素出力から右端の画素が蓄積した電荷に対応する画素出力の順に入力され、第2画素列PDA_r2に関しては、右端の画素が蓄積した電荷に対応する画素出力から左端の画素が蓄積した電荷に対応する画素出力の順に入力される。よって、演算装置CPUに入力される画素出力の順は、第2画素列PDA_b2が備える画素が蓄積した電荷に対応する画素出力と、第2画素列PDA_r2が備える画素が蓄積した電荷に対応する画素出力の組とで逆順となる。従って、演算装置CPUは、演算に必要な画素列群出力Voutの画素出力の組の入力を受け付けて記憶部に記憶した後に、適宜演算に必要な情報を記憶部から読み出して(4)式の演算を行う。
上述したとおり、演算装置CPUは、第1組の画素列群出力Voutと、第2組の画素列群出力Voutとの2種類の画素列群出力Voutに基づいた測距演算を行うことができる。次に、2種類の画素列群出力Voutのうち、測距演算に用いる画素列群出力Voutを選択する方法について説明する。
図4は、第1の動作モードにおいて、アナログ処理回路400が出力する画素列群出力Voutの出力値を示したグラフである。グラフには、第1組の第1画素列PDA_1が蓄積した電荷に基づいた画素列群出力Voutを示した曲線401と、第2組の第2画素列PDA_2が蓄積した電荷に基づいた画素列群出力Voutを示した曲線402とが示されている。図示する例では、曲線402は、曲線401よりも振幅が大きい。また、グラフには、アナログ処理回路400が出力することができる上限の出力電圧を示した直線403と、アナログ処理回路400が出力することができる下限の出力電圧を示した直線404とが示されている。
グラフの横軸は、画素PD_kの番号kである。グラフの縦軸は、画素列群出力Voutの出力電圧値であり、グラフの上方がより高い出力電圧値を示す。なお、基準画素列群200_bと、参照画素列群200_rとは、セパレータレンズSLにより分割された互いに共役な2つの光束が結像する位置に各々設置されている。そのため、第1画素列PDA_r1の出力と第1画素列PDA_b1の出力とは共役である。また、第2画素列PDA_r2の出力と第2画素列PDA_b2の出力とは共役である。したがって、以降の説明では第1画素列PDA_b1と、第2画素列PDA_b2の出力について説明する。
図4に示した例では、第2画素列PDA_b2のy番目の画素PD_b(y)が蓄積した電荷に対応する画素出力S_b[y]は、アナログ処理回路400_bが出力することができる上限の出力電圧を超えている(ただし、2≦y≦2kである任意の整数)。これにより、アナログ処理回路400_bは、画素PD_b(y)が蓄積した電荷に対応する画素出力として、アナログ処理回路400_bが出力することができる上限の出力電圧を出力する。すなわち、アナログ処理回路400_bは、直線403が示す出力電圧を出力する。そのため、演算装置CPUが、第2画素列PDA_b2の画素PD_b(y)が蓄積した電荷に基づいて演算した測距演算結果、すなわち、第2組の画素列群出力Voutに基づいて算出した測距演算結果は、実際の合焦位置と誤差が大きい。従って、演算装置CPUは、測距演算に用いる出力として、第1組の画素列群出力Voutを選択する。
また、図4に示した例とは異なる例としては、第1組の第1画素列PDA_1が蓄積した電荷に基づいた画素列群出力Voutを示した曲線401の振幅と、第2組の第2画素列PDA_2が蓄積した電荷に基づいた画素列群出力Voutを示した曲線402の振幅とが、アナログ処理回路400_bの出力の出力電圧の上限を超えない例がある。
この場合、第1組の第1画素列PDA_1が蓄積した電荷に基づいた画素列群出力Voutを示した曲線401の振幅と、第2組の第2画素列PDA_2が蓄積した電荷に基づいた画素列群出力Voutを示した曲線402の振幅とのうち、振幅が大きい第2組の画素列群出力Voutに基づいた測距演算結果の方が、振幅が小さい第1組の画素列群出力Voutに基づいた測距演算結果よりも高い精度を得ることができる。従って、演算装置CPUは、測距演算に用いる出力として、第2組の画素列群出力Voutを選択する。
これらの選択方法としては、例えば以下の方法がある。アナログ処理回路400_bの最大出力電圧を閾値とする。演算装置CPUは、第1組の第1画素列PDA_1が蓄積した電荷に基づいた画素列群出力Voutと、第2組の第2画素列PDA_2が蓄積した電荷に基づいた画素列群出力Voutとを、閾値と比較する。演算装置CPUは、第1組の第1画素列PDA_1が蓄積した電荷に基づいた画素列群出力Voutと、第2組の第2画素列PDA_2が蓄積した電荷に基づいた画素列群出力Voutとのうち、閾値に達しておらず、かつ、出力値がより大きい画素列群出力Voutを、測距演算に用いる出力として選択する。
上述したとおり、第1の動作モードでは、光電変換装置1000は、露光量が異なる第1画素列PDA_1の出力に基づいた画素列群出力Voutと、第2画素列PDA_2との出力に基づいた画素列群出力Voutとを生成することができる。撮像装置CAMは、光電変換装置1000が生成した2種類の画素列群出力Voutのうち、測距演算に適した露光量に対応した信号を用いて測距演算を行うことができる。これにより、撮像装置CAMは、より高い測距精度を実現することができる。例えば、明るい場所での撮像では、第1画素列PDA_1の出力に基づいた測距演算結果を用い、暗い場所での撮像では、第2画素列PDA_2の出力に基づいた測距演算結果を用いることで、より高い測距精度を実現することができる。
(第2の動作モード)
次に第2の動作モードについて説明する。図5は、第2の動作モードにおける光電変換装置1000の各部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
次に第2の動作モードについて説明する。図5は、第2の動作モードにおける光電変換装置1000の各部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
図示するタイミングチャートは、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2との動作モードを示すタイミングチャート601を含む。また、制御部300がモニタリセット信号φrmを出力するタイミングを示すタイミングチャート602を含む。また、制御部300が第1ゲート信号TG1を出力するタイミングを示すタイミングチャート603を含む。また、モニタセンサMPDがモニタ信号Vmを出力するタイミングを示すタイミングチャート604を含む。また、第1電荷転送部TRANS_b1と第2電荷転送部TRANS_b2とが転送した電荷に基づいて、アナログ処理回路400_bが出力する画素列群出力Vout_bのタイミングを示すタイミングチャート605を含む。また、制御部300が第1転送信号φ1を出力するタイミングを示すタイミングチャート606を含む。また、制御部300が第2転送信号φ2を出力するタイミングを示すタイミングチャート607を含む。また、第1電荷転送部TRANS_r1と第2電荷転送部TRANS_r2とが転送した電荷に基づいて、アナログ処理回路400_rが出力する画素列群出力Vout_rのタイミングを示すタイミングチャート608を含む。また、制御部300が第2ゲート信号TG2を出力するタイミングを示すタイミングチャート609を含む。
次に、光電変換装置1000が第2の動作モードで動作するまでの撮像装置CAMの動作について説明する。撮影者が設定ボタンBTを操作して第2の動作モードを選択すると、設定ボタンBTはその旨を示す情報を演算装置CPUに出力する。この出力を受けて、演算装置CPUは、AEセンサAEMから測距対象の被写体に関する明るさの情報を取得する。
演算装置CPUは、AEセンサAEMから取得した被写体に関する明るさの情報に含まれる被写体のコントラスト情報に基づいて、第1画素列PDA_1の露光量と、第2画素列PDA_2の露光量とを決定するための蓄積終了電圧Vth3を決定する。蓄電終了電圧Vth3と、第1画素列PDA_1の露光量および第2画素列PDA_2の露光量との関係については後述する。
続いて、演算装置CPUは蓄電終了電圧Vth3を光電変換装置1000に出力する。続いて、演算装置CPUは光電変換装置1000を第2の動作モードで動作するように、コマンドCMDを光電変換装置1000の制御部300に出力する。これにより、光電変換装置1000は、第2の動作モードで動作する。
以下、第2の動作モードで動作するように制御された光電変換装置1000の動作について説明する。なお、第2の動作モードでは、第1画素列PDA_1と第1電荷転送部TRANS_1との組である第1組と、第2画素列PDA_2と第2電荷転送部TRANS_2との組である第2組とは、同時に処理を行う。
第1組と第2組とは、蓄積モードと、読み出しモードの2つの動作モードに従って動作する。以下、蓄積モードと読み出しモードの切り替え方法と、各モードでの第1組と第2組との動作について説明する。
制御部300は、第2の動作モードで動作するためのコマンドCMDが入力されると、第1組と第2組とを蓄積モードで動作させる。第1組と第2組とを蓄積モードで動作させるため、制御部300は、モニタリセット信号φrmをモニタセンサMPDに出力し、第1ゲート信号TG1を第1画素列PDA_1に出力し、第2ゲート信号TG2を第2画素列PDA_2に出力する。このとき、制御部300は、タイミングチャート602,603に示すとおり、モニタリセット信号φrmと第1ゲート信号TG1と第2ゲート信号TG2とを同じタイミングで「L」、「H」、「L」の順に出力する。
モニタセンサMPDは、入力されたモニタリセット信号φrmが「H」の期間では、蓄積している不要電荷を吐き出す。また、モニタセンサMPDは、入力されたモニタリセット信号φrmが「L」となったタイミングから、受光した光量に応じた電荷の蓄積を開始する。
第1画素列PDA_1は、入力された第1ゲート信号TG1が「H」の期間では、蓄積している電荷を第1電荷転送部TRANS_1に転送する。また、第1画素列PDA_1は、入力された第1ゲート信号TG1が「L」となったタイミングから、受光した光量に応じた電荷の蓄積を開始する。第2画素列PDA_2は、入力された第2ゲート信号TG2が「H」の期間では、蓄積している電荷を第2電荷転送部TRANS_2に転送する。また、第2画素列PDA_2は、入力された第2ゲート信号TG2が「L」となったタイミングから、受光した光量に応じた電荷の蓄積を開始する。
ここで、第1組が蓄積モードで動作している間、第1画素列PDA_1は蓄積している電荷を転送しない。また、第2組が蓄積モードで動作している間、第2画素列PDA_2は蓄積している電荷を転送しない。また、第1組と第2組とが蓄積モードで動作している間、モニタセンサMPDは、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2との個々の画素に蓄積される電荷量の平均値に相当する電荷を蓄積する。モニタセンサMPDが蓄積する電荷をモニタ電荷QM(t)とする(tは時刻)。
また、モニタセンサMPDは、先述した(1)式を用いてモニタ電荷に応じた電圧信号であるモニタ信号Vm(t)を算出し、制御部300に出力する。また、Vth3とVm(0)とVm_refとは(5)式の関係を有しているものとする。
モニタセンサMPDが出力するモニタ信号Vm(t)の大きさは、タイミングチャート604に示すとおりである。また、モニタセンサMPDが出力するモニタ信号Vm(t)と、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2との関係は、第1の動作例と同様の関係である。
続いて、制御部300は、入力されたモニタ信号Vm(t)と蓄積終了電圧Vth3との大小関係を比較し続け、この結果に基づいて、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2とが電荷の蓄積を終了する時点を決定する。電荷の蓄積を終了する時点は、蓄積モードを終了する時点でもあり、読み出しモードを開始する時点でもある。
具体的には、制御部300は、モニタ信号Vm(t)と蓄積終了電圧Vth3とが同じ値となった時点を、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2とが電荷の蓄積を終了する時点である、すなわち蓄積モードを終了する時点であり、読み出しモードを開始する時点であると決定する。
モニタ信号Vm(t)が蓄積終了電圧Vth3より大きい間、制御部300は、第1組と第2組とを蓄積モードで動作させるために、第1ゲート信号TG1と第2ゲート信号TG2とを「L」のまま変化させず出力する。また、モニタ信号Vm(t)が蓄積終了電圧Vth3と同じ値となった時点で、制御部300は、第1組と第2組とを読み出しモードで動作させるために、第1ゲート信号TG1と第2ゲート信号TG2とを「H」「L」の順に同じタイミングで出力する。第1ゲート信号TG1として「H」が入力された第1画素列PDA_1は、画素PD_(1)〜PD_(2k−1)の各々が蓄積した電荷を第1電荷転送部TRANS_1に一括して転送する。また、第2ゲート信号TG2として「H」が入力された第2画素列PDA_2は、画素PD_(2)〜PD_(2k)の各々が蓄積した電荷を第2電荷転送部TRANS_2に一括して転送する。
これにより、蓄電終了電圧Vth3の値によって、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2とが蓄積する電荷の量を制御することができる。例えば、蓄電終了電圧Vth3の値が大きいほど、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2とが蓄積する電荷量が少なくなる。また、蓄電終了電圧Vth3の値が小さいほど、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2とが蓄積する電荷量が多くなる。すなわち、蓄電終了電圧Vth3の値が大きいほど、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2との露光量が少なくなる。また、蓄電終了電圧Vth3の値が小さいほど、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2との露光量が多くなる。
なお、第1組と第2組とを蓄積モードで動作させる際に、制御部300は、第1転送信号φ1を「L」「H」「L」「H」・・・の方形波として出力する。また、制御部300は、第2転送信号φ2を「H」「L」「H」「L」・・・の方形波として出力する。制御部300がこの出力を行っている期間を、第1転送信号φ1と第2転送信号φ2とが「有効」の期間とする。第1転送信号φ1の出力タイミングはタイミングチャート606に示すとおりである。また、第2転送信号φ2の出力タイミングはタイミングチャート607に示すとおりである。
タイミングチャート606とタイミングチャート607とに示すとおり、第2転送信号φ2は第1転送信号φ1と逆位相の信号である。そのため、第1電荷転送部TRANS_1と第2電荷転送部TRANS_2とは、互いに異なるタイミングで、転送された電荷をアナログ処理回路400に順次転送することができる。これにより、アナログ処理回路400は、第1組と第2組とから順次転送された電荷を異なるものとして処理を行うことができる。
第1転送信号φ1が入力された第1電荷転送部TRANS_1は、第1転送信号φ1が「L」から「H」に変化するタイミングに同期して、第1画素列PDA_1から転送された電荷をアナログ処理回路400に順次転送する。また、第2転送信号φ2が入力された第2電荷転送部TRANS_2は、第2転送信号φ2が「L」から「H」に変化するタイミングに同期して、第2画素列PDA_2から転送された電荷をアナログ処理回路400に順次転送する。また、アナログ処理回路400は、転送された電荷を電圧信号に変換し、画素列群出力Voutとして演算装置CPUに出力する。これにより、第1電荷転送部TRANS_1と第2電荷転送部TRANS_2とは不要な電荷を外部に転送することができる。また、演算装置CPUは、このときに入力された画素列群出力Voutを無効画素データとして扱い、測距演算には用いない。
制御部300は、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2とが電荷の蓄積を終了する時点であると判断した場合、すなわち読み出しモードを開始する時点と判断した場合、第1組と第2組とを読み出しモードで動作させる。第1組を読み出しモードで動作させるため、制御部300は、第1電荷転送部TRANS_1に出力していた第1転送信号φ1を「L」のまま変化させずに出力する。また、第2組を読み出しモードで動作させるため、制御部300は、第2電荷転送部TRANS_2に出力していた第2転送信号φ2を「H」のまま変化させずに出力する。制御部300がこれら出力を行っている期間を、第1転送信号φ1と第2転送信号φ2が「無効」の期間とする。
続いて、制御部300は、第1ゲート信号TG1と第2ゲート信号TG2とを「H」「L」の順に変化して出力する。第1画素列PDA_1は、入力された第1ゲート信号TG1が「L」から「H」となった時点で、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1)の各々が蓄積した電荷を第1電荷転送部TRANS_1に一括して転送する。また、第2画素列PDA_2は、入力された第2ゲート信号TG2が「L」から「H」となった時点で、画素PD_b(2)〜PD_b(2k)の各々が蓄積した電荷を第2電荷転送部TRANS_2に一括して転送する。
続いて、制御部300は、第1転送信号φ1と、第2転送信号φ2とを「有効」とする。第1電荷転送部TRANS_1は、入力された第1転送信号φ1が「L」から「H」に変化するタイミングで、画素PD_(1)〜PD_(2k−1)の各々から転送された電荷をアナログ処理回路400に順次転送する。第2電荷転送部TRANS_2は、入力された第2転送信号φ2が「L」から「H」に変化するタイミングで、画素PD_(2)〜PD_(2k)の各々から転送された電荷をアナログ処理回路400に順次転送する。
本実施形態では、第1電荷転送部TRANS_b1は、画素PD_b(1)から転送された電荷、画素PD_b(3)から転送された電荷、・・・、画素PD_b(2k−1)から転送された電荷の順にアナログ処理回路400_bに転送する。また、第1電荷転送部TRANS_r1は、画素PD_r(2k−1)から転送された電荷、・・・、画素PD_r(3)から転送された電荷、画素PD_r(1)から転送された電荷の順にアナログ処理回路400_rに転送する。
また、第2電荷転送部TRANS_b2は、画素PD_b(2)から転送された電荷、画素PD_b(4)から転送された電荷、・・・、画素PD_b(2k)から転送された電荷の順にアナログ処理回路400_bに転送する。また、第2電荷転送部TRANS_r2は、画素PD_r(2k)から転送された電荷、・・・、画素PD_r(4)から転送された電荷、画素PD_r(2)から転送された電荷の順にアナログ処理回路400_rに転送する。
一方、アナログ処理回路400は、第1電荷転送部TRANS_1と第2電荷転送部TRANS_2とから転送された電荷を、転送された順に電圧信号に変換し、画素列群出力Voutとして演算装置CPUに出力する。演算装置CPUは、入力された画素列群出力Voutを自身が備える記憶部に記憶する。
続いて、アナログ処理回路400が、画素PD_(1)〜PD_(2k−1)と画素PD_(2)〜PD_(2k)の全てに対応する画素列群出力Voutを出力した後、制御部300は、第1組と第2組とを読み出しモードで動作させる処理を終了する。
続いて、演算装置CPUは、入力された画素列群出力Voutに基づいて測距演算を行う。以下、第1組と第2組とから入力された画素列群出力Voutに基づいた測距演算の方法について説明する。
第2の動作モードにおいては、第1画素列PDA_1の露光量と第2画素列PDA_2の露光量とが同じため、第1画素列PDA_1の出力と第2画素列PDA_2の出力とを1つの画素列の出力として扱うことができる。これにより、演算装置CPUは、基準画素列群200_bが備える第1組と第2組との出力である画素列群出力Vout_bと、参照画素列群200_rが備える第1組と第2組との出力である画素列群出力Vout_rとに基づいて測距演算を行うことができる。
画素列群出力Vout_bは、第1画素列PDA_b1が蓄積した電荷に基づいた出力である画素出力S_b[1]、・・・、画素出力S_b[n]、・・・、S_b[2k−1]より構成される画素出力の組と、第2画素列PDA_b2が蓄積した電荷に基づいた出力である画素出力S_b[2]、・・・、画素出力S_b[m]、・・・、S_b[2k]より構成される画素出力の組とを含む信号を出力する。なお、アナログ処理回路400_bが画素出力S_b[1]、・・・、画素出力S_b[n]、・・・、S_b[2k−1]より構成される画素出力の組と、画素出力S_b[2]、・・・、画素出力S_b[m]、・・・、S_b[2k]より構成される画素出力の組とを出力するタイミングはタイミングチャート605に示すとおりである。
また、画素列群出力Vout_rは、第1画素列PDA_r1が蓄積した電荷に基づいた出力である画素出力S_r[1]、・・・、画素出力S_r[n]、・・・、S_r[2k−1]より構成される画素出力の組と、第2画素列PDA_r2が蓄積した電荷に基づいた出力である画素出力S_r[2]、・・・、画素出力S_r[m]、・・・、S_r[2k]より構成される画素出力の組とを含む信号を出力する。なお、アナログ処理回路400_rが画素出力S_r[1]、・・・、画素出力S_r[n]、・・・、S_r[2k−1]より構成される画素出力の組と、画素出力S_r[2]、・・・、画素出力S_r[m]、・・・、S_r[2k]より構成される画素出力の組とを出力するタイミングはタイミングチャート608に示すとおりである。
演算装置CPUは、第1画素列PDA_b1に対応した画素出力S_b[1]、・・・、画素出力S_b[n]、・・・、S_b[2k−1]の組と、第1画素列PDA_r1に対応した画素出力S_r[1]、・・・、画素出力S_r[n]、・・・、S_r[2k−1]の組との差、および、第2画素列PDA_b2に対応した画素出力S_b[2]、・・・、画素出力S_b[m]、・・・、S_b[2k]の組と、第2画素列PDA_r2に対応したベ画素出力S_r[2]、・・・、画素出力S_r[m]、・・・、S_r[2k]の組との差が最小となるシフト量より、焦点ずれ量を求める。具体的には、演算装置CPUは、(6)式を用いて、相関度SX[j]が最小値となるjの値をシフト量として求める。
ただし、jは−k≦j≦kを満たす整数である。
第1のモードと同様に、例えば、(6)式においてSX[j]が最小値となるjが負の場合、撮影レンズOLは図8(e)および(f)で示した後ピンの状態である。また、(6)式でSX[j]が最小値となるjが正の場合、撮影レンズOLは図8(c)および(d)で示した前ピンの状態である。
なお、画素が出力する信号のS/N(Signal to Noise ratio、信号対雑音比)は、画素の面積、すなわち画素ピッチp×画素幅Wが大きいほど高い。本実施形態の光電変換装置1000は、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2を備えている。また、第1画素列PDA_b1と第1電荷転送部TRANS_b1の組と、第2画素列PDA_b2と第2電荷転送部TRANS_b2の組とは、互いに重ならないように第2の方向にずらして配置されている。また、第1画素列PDA_b1と第1電荷転送部TRANS_b1の組は、第2画素列PDA_b2と第2電荷転送部TRANS_b2との組に対して、画素PD_b(1)〜PD_b(2k−1),PD_b(2)〜PD_b(2k)の画素ピッチpの1/2の幅だけ第1の方向にずらして配置されている。
第2の動作モードで動作した光電変換装置1000の出力である、第1画素列PDA_1の出力に基づいた画素列群出力Voutと、第2画素列PDA_b2の出力に基づいた画素列群出力Voutとを合成することにより、画素の面積を大きくした場合の出力と同様の出力を得ることができる。よって、基準画素列群200_bと参照画素列群200_rとに結像された光像の実質的な解像度を高めることが出来る。
すなわち、本実施形態の光電変換装置1000は、第2の動作モードで動作する場合、基準画素列群200_bと参照画素列群200_rとに結像された光像の実質的な解像度を向上させることができ、より高いS/Nの信号を出力できる。これにより、撮像装置CAMは、焦点位置の検出分解能を高めることができる。
上述したとおり、本実施形態によれば、光電変換装置1000は、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2の露光量を任意の異なる量とすることで、露光量が異なる第1画素列PDA_1の出力に基づいた画素列群出力Voutと第2画素列PDA_2の出力に基づいた画素列群出力Voutとを生成することができる。これにより、光電変換装置1000は、被写体の明るさやコントラストなどが異なる場合においても、測距演算に適した露光量に対応した信号を生成することができる。
また、光電変換装置1000において、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2とを近傍に配置することで、複雑な光学系を設けることなく、測距演算に適した露光量に対応した信号を生成することができる。
また、光電変換装置1000は、制御部300の制御により、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2の露光量を略同一の量とし、露光量が略同一な第1画素列PDA_1の出力に基づいた信号と第2画素列PDA_2の出力に基づいた信号とを生成することができる。この2つの信号を合成し、より高いS/Nの信号を生成することができる。
また、本実施形態の光電変換装置1000を備えることで、撮像装置CAMは、測距演算に適した露光量に対応した信号を用いて測距演算を行うことができる。また、撮像装置CAMは、この信号を用いて測距演算を行った場合、より精度が高い測距演算を行うことができる。
また、本実施形態に記載の撮像装置CAMは、撮影する環境に応じて、光電変換装置1000を第1の動作モードと第2の動作モードとで動作させることで、より精度が高い測距演算を行うことができる。
なお、本実施形態において、基準画素列群200_bが備える第1画素列PDA_b1と第2画素列PDA_b2との電荷蓄積量をモニタするために、基準モニタセンサMPD_bが出力する基準モニタ信号Vm_bを用いたが、基準モニタセンサMPD_bと参照モニタセンサMPD_rとは光学的に共役な位置に設置されているため、参照モニタセンサMPD_rが出力する参照モニタ信号Vm_rを用いてもよい。
同様に、参照画素列群200_rが備える第1画素列PDA_r1と第2画素列PDA_r2との電荷蓄積量をモニタするために、参照モニタセンサMPD_rが出力する参照モニタ信号Vm_rを用いても、基準モニタセンサMPD_bが出力する基準モニタ信号Vm_bを用いてもよい。
また、基準モニタ信号Vm_bまたは参照モニタ信号Vm_rの代わりに、基準モニタ信号Vm_bと参照モニタ信号Vm_rとの平均値を用いてもよい。
また、本実施形態では、基準画素列群200_bと参照画素列群200_rとはそれぞれ第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2とを有している例について説明したが、基準画素列群200_bと参照画素列群200_rとは3つ以上の画素列を有していてもよい。この場合、第1の動作モードで動作する際に、各画素列に対応した閾値電圧を異なる電圧とすることで、より高い測距精度を実現することができる。また、第2の動作モードで動作する際に、各画素列の出力を合成することにより、より高い測距精度を実現することができる。
また、本実施形態において、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2とが、ずらし幅xだけ第1の方向にずれて配置されている。このずらし幅xは必ずしも画素ピッチpの半分(p/2)である必要はなく、0≦x≦pの範囲で設定してもよい。なお、撮像装置CAMが第2の動作モードで動作する際の光束の結像分解能は、第1画素列PDA_1と第2画素列PDA_2とのずれ幅xがx=p/2の場合が最も高く、x=0またはx=pに近づくにつれて低下する。
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
MO…撮像光学系、FD…ファインダー、AFM…焦点位置検出装置、OD…光学系駆動部、BT…設定ボタン、OL…撮影レンズ、MM…メインミラー、SM…サブミラー、IMG…撮像素子、PRISM…ペンタプリズム、AEM…AEセンサ、EL…接眼レンズ、CL…コンデンサレンズ、FM…固定ミラー、SL…セパレータレンズ、OM…光学部、CPU…演算装置、MG…レンズ駆動信号生成部、MD…モータドライバ、PDA_b1,PDA_r1,PDA_1…第1画素列、PDA_b2,PDA_r2,PDA_2…第2画素列、TRANS_b1,TRANS_r1,TRANS_1…第1電荷転送部、TRANS_b2,TRANS_r2,TRANS_2…第2電荷転送部、MPD_b…基準モニタセンサ、MPD_r…参照モニタセンサ、200_b…基準画素列群、200_r…参照画素列群、300…制御部、400_b,400_r…アナログ処理回路、1000…光電変換装置
Claims (5)
- 光電変換素子を含む複数の画素を配列した第1の画素列と、
光電変換素子を含む複数の画素を配列した第2の画素列と、
前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とが異なるように前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とを制御し、当該露光量に基づいた信号を前記第1の画素列と前記第2の画素列とが出力するように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする信号生成装置。 - 前記第1の画素列に含まれる前記複数の画素は、第1の方向に直線状に配置され、
前記第2の画素列に含まれる前記複数の画素は、前記第1の方向に直線状に配置され、かつ、前記第1の画素列に対して、前記第1の方向に垂直な第2の方向にずらして配置されている
ことを特徴とする請求項1に記載の信号生成装置。 - 前記第1の画素列に含まれる各画素の大きさ及び前記第2の方向における中心位置と前記第2の画素列に含まれる各画素の大きさ及び前記第2の方向における中心位置は同一であり、
前記第1の画素列に含まれる第1の画素に対応する前記信号の出力タイミングと前記第1の画素に隣接する前記第1の画素列に含まれる第2の画素に対応する前記信号の出力タイミングとの間に、対応する前記信号の出力タイミングがくる前記第2の画素列に含まれる画素を第3の画素としたとき、
前記第3の画素の中心位置と前記第1の画素の中心位置及び前記第2の画素の中心位置との前記第1の方向における距離が、前記第1の画素列又は前記第2の画素列に配置された各画素の画素ピッチ以下になるよう、前記第1の画素、前記第2の画素及び前記第3の画素が配置されており、
前記制御部は、前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とが異なるように、前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とを制御する第1の動作モードと、前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とが略同一となるように、前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とを制御する第2の動作モードとのいずれかで動作する
ことを特徴とする請求項2に記載の信号生成装置。 - 光電変換素子を含む複数の画素を配列した第1の画素列と、
光電変換素子を含む複数の画素を配列した第2の画素列と、
前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とが異なるように前記第1の画素列の露光量と前記第2の画素列の露光量とを制御し、当該露光量に基づいた信号を前記第1の画素列と前記第2の画素列とが出力するように制御する制御部と、
撮像素子と、
前記撮像素子に被写体像を結像する撮像光学系と、
前記第1の画素列が出力した前記信号と前記第2の画素列が出力した前記信号とを電圧信号に変換する信号処理部と、
前記第1の画素列が出力した前記信号を前記信号処理部が変換した前記電圧信号と、前記第2の画素列が出力した前記信号を前記信号処理部が変換した前記電圧信号とのうち、測距演算に適した露光量に対応した前記電圧信号を用いて前記撮像光学系の焦点位置を算出する演算部と、
前記算出部が算出した前記焦点位置に基づいて、前記撮像光学系の少なくとも一部を駆動する光学系駆動部と、
を備えたことを特徴とする撮像装置。 - 前記演算部は、前記第1の画素列が出力した前記信号を前記信号処理部が変換した前記電圧信号と、前記第2の画素列が出力した前記信号を前記信号処理部が変換した前記電圧信号とを、前記信号処理部の最大出力値に基づいた閾値と比較し、比較した結果に基づいて、前記撮像光学系の焦点距離の算出に用いる前記電圧信号を決定する
ことを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009138134A JP2010286533A (ja) | 2009-06-09 | 2009-06-09 | 信号生成装置および撮像装置 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015137987A (ja) * | 2014-01-24 | 2015-07-30 | アズビル株式会社 | 距離センサおよび距離計測方法 |
-
2009
- 2009-06-09 JP JP2009138134A patent/JP2010286533A/ja not_active Withdrawn
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