JP2011107634A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＦ動作中、光の強度に関係なく被写体の適正な明るさを検出し、焦点調整を確実に行う。
【解決手段】モニタセンサ、ラインセンサを使用する焦点検出装置において、モニタセンサの受光量に基づき、ラインセンサのフォトダイオードにおける蓄積電荷量が閾値を超えるか否かをＡＧＣ回路によって比較、判断する。蓄積電荷量が閾値に達すると、ラインセンサの電荷転送ゲートを開放し、蓄積電荷がラインセンサの電荷蓄積容量に転送し、格納させる。このとき、閾値到達までの積分時間に応じて転送時間を調整し、積分時間が短いほど相対的に短い電荷転送時間を設定する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、一眼レフ型カメラなどの撮影装置に搭載される焦点検出装置に関する。

一眼レフ型カメラでは、自動焦点調節（ＡＦ）機構として位相差方式の焦点検出装置が搭載されている。焦点検出装置の被写体像が投影されるエリアには、ラインセンサをそれぞれ並列させた複数のラインセンサ群が２つ１組となって２次元的に配置されている。各ラインセンサは、複数のフォトダイオードを並列させた配置構成であり、各フォトダイオードに生じる信号電荷は画素信号として読み出される。

通常、ラインセンサは電荷蓄積型センサであり、ラインセンサの傍に配置されるモニタセンサによって電荷蓄積時間が調整される（例えば、特許文献１、２、３参照）。ラインセンサの各フォトダイオードの受ける光量は被写体の明るさ分布によって異なるため、ラインセンサの電荷蓄積時間はそれぞれ独立して制御されている。

フォトダイオードなどの光電変換素子を備えたモニタセンサは、モニタ対象となっているフォトダイオードの光強度（光量）をリアルタイムで検出する。モニタセンサから出力される信号が所定の閾値を超えると、対応するラインセンサの電荷蓄積（積分）を終了させるため、転送ゲートが開く。

ラインセンサに蓄積された電荷は、転送ゲートを通って一時的にキャパシタ等のメモリ部に格納される。すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると、一連の画素信号が被写体像の画像信号として出力され、デフォーカス量を求める演算処理が行われる。

特開２００６−１４５７９２号公報 特開２００４−２７２２３８号公報 特開平８−２５１４７０号公報

ＡＦ動作中、光はラインセンサに入射し続け、電荷転送中にもラインセンサのフォトダイオードには電荷が発生する。光強度が強い場合、電荷転送中に蓄積された余剰電荷も転送ゲートを通り、露光期間に蓄積された電荷とともに被写体像の画像信号として出力される。その結果、ラインセンサの出力レベルが不安定になり、精度あるＡＦ演算処理が行えない。

したがって、ラインセンサを使用する焦点検出装置では、ＡＦ動作中、光強度に影響されることなく、被写体の明るさを適正に表す画像信号を安定して出力することが必要とされる。

本発明の焦点検出装置は、被写体像の投影領域に並ぶ複数のラインセンサと、複数のラインセンサの側にそれぞれ配置され、それぞれ対応するラインセンサの受光量をモニタリングする複数のモニタセンサを備える。例えば、焦点検出装置は一眼レフ型カメラなどの撮影装置に適用される。また、ラインセンサは、例えばＣＭＯＳセンサなどアドレス型撮像素子によって構成される。

また、本発明の焦点検出装置は、各ラインセンサの露光終了タイミングを、対応するモニタセンサの受光量に基づいて検知する露光終了タイミング検出手段と、各ラインセンサの光電変換素子に蓄積された電荷の転送を制御する電荷転送制御手段と、各ラインセンサの蓄積電荷に基づいて被写体像の画像信号を出力する画像信号出力手段とを備える。

ラインセンサの構成として、例えば、光電変換素子に蓄積された電荷を格納する電荷格納部と、開閉することによって光電変換素子に蓄積された電荷を電荷格納部に転送する電荷転送ゲートが各ラインセンサに設けられる。電荷転送制御手段は、露光終了させるラインセンサの電荷転送ゲートを開けて蓄積電荷を電荷格納部へ転送し、ゲート開閉タイミングを調整することによって電荷転送時間を制御する。

露光終了タイミング検出については、（例えば、ＡＧＣ回路などによって）モニタセンサの受光量と適正輝度レベルに相当する閾値とを比較し、ラインセンサの電荷蓄積を閾値到達時点で終了させる構成にすればよい。さらに、マルチ測距の場合、モニタセンサを測距ゾーンに合わせて配置し、多数のラインセンサに１つのモニタセンサを割り当てる構成にしてもよい。この場合、同一測距ゾーンの中の１つのラインセンサに対して露光終了タイミングが検出されると、他のラインセンサの電荷転送時間は、露光終了ラインセンサに設定される電荷転送時間と同一にすればよい。

本発明では、電荷転送制御手段が、露光終了対象となるラインセンサの電荷転送時間を、対応するモニタセンサに入射する光の強度（以下、受光強度という）に応じて調整する。すなわち、ＡＦ動作によって露光開始してから露光終了までの間のモニタセンサの受光強度に基づいて電荷転送時間を調整する。

例えば、光強度が強い場合、余剰電荷の転送を防ぐため電荷転送時間を短くする必要がある。一方、光強度が微小な場合、蓄積電荷をすべて転送するため電荷転送時間を長くするのが望ましい。したがって、電荷転送制御手段は、相対的に受光強度が大きいときの電荷転送時間と比べ、相対的に受光強度が小さいときの電荷転送時間を短く設定すればよい。

このような光強度に応じた電荷点増時間の設定を行うことによって、蓄積電荷の出力レベル、すなわち被写体の輝度レベルを表す蓄積電荷が安定して出力される。その結果、正確な被写体の明るさに基づいた合焦調整が行われる。

ラインセンサの露光時における光強度を検出する構成として、光強度が露光中ほぼ一定であることを鑑み、露光終了までの時間（積分時間）によって光強度を判断するのがよい。露光終了タイミング検出手段が、各モニタセンサの受光量を閾値と比較する場合、電荷転送制御手段は、電荷転送時間を、対応するモニタセンサの閾値到達までの時間に応じて調整すればよい。

光強度が強い場合、光強度が大きくなるとその大きさが大きいほど余剰電荷の転送される時間も短くなる傾向がある。したがって、電荷転送制御手段は、相対的に受光強度が大きいほど電荷転送時間を短く設定するのが望ましい。

一方、ＡＦ動作を迅速に実行するためにラインセンサの露光時間には制限が設けられる。露光開始から制限時間に達したときのラインセンサの蓄積電荷量が少ない場合、電荷転送時間を短く設定すると蓄積電荷を十分に転送できない恐れがある。したがって、電荷転送制御手段が、許容露光時間内に受光量がＡＦ調整に必要とされる基準レベルに到達しない場合、許容露光時間到達時の受光量が少ないほど電荷転送時間を長く設定するのが望ましい。

このように本発明によれば、ＡＦ動作中、光の強度に関係なく被写体の適正な明るさを検出し、焦点調整を確実に行うことが出来る。

本実施形態であるデジタルカメラの模式的内部構成図である。 焦点検出部の基板配置を示した図である。 焦点検出部のブロック図である。 ラインセンサ、モニタセンサ、ＡＧＣ回路の接続関係を示した図である。 ラインセンサ用画素信号読み出し回路の電気回路図である。 図５の画素信号読み出し回路の模式的な断面図である。 モニタセンサの電気回路図である。 転送時間と転送電荷量との関係を表すグラフを示した図である。 論理回路によって実行される電荷転送時間制御のフローチャートである。 光強度が強いときの電荷転送処理のタイミングチャートである。 光強度が弱いときの電荷転送処理のタイミングチャートである。

以下、図面を参照しながら本実施形態について説明する。

一眼レフ型デジタルカメラ１０は、本体１２と、本体１２に着脱自在な交換レンズ１４とを備え、本体１２内部には、ペンタゴナルダハプリズム（以下、ペンタプリズムという）１６、クイックリターンミラー１８、フォーカルプレーンシャッタ２０、ＣＣＤなどの撮像素子２２が設けられている。

ＲＯＭ３６、ＲＡＭ３７、ＣＰＵ３８を含むシステムコントロール回路３０は、カメラ１０の撮影動作を制御し、周辺制御回路３２、表示部３３、ＡＦモジュール２４、測光ＩＣ２３、ＥＥＰＲＯＭ３９等に制御信号を出力する。周辺制御回路３２は、フォーカルプレーンシャッタ２０、絞り（図示せず）、撮像素子２２など露光機構を制御し、また、レンズメモリ１３からレンズ情報を取得する。

電源ボタン（図示せず）の操作によってカメラ１０がＯＮ状態になると、撮影可能な撮影モードに設定される。撮影光学系１５を通った光は、クイックリターンミラー１８によってペンタプリズム１６の方向へ導かれ、被写体像がピント板１７に形成される。ユーザーは、ファインダ窓（図示せず）を通して被写体像を視認する。撮影のためレリーズボタン（図示せず）が半押しされると、ペンタプリズム１６の傍に配置される測光ＩＣ２３が、ＴＴＬ測光方式に従い、被写体の明るさを検出する。また、クイックリターンミラー１８の下方に配置されるＡＦモジュール２４が、位相差方式に従って合焦状態を検出する。

撮影光学系１５を通った光の一部は、クイックリターンミラー１８を透過し、サブミラー１９によってＡＦモジュール２４に導かれる。ＡＦモジュール２４は、コンデンサーレンズ２６、セパレータレンズ２７、視野マスク２９、焦点検出部４０を備え、撮像面（撮像素子２２の受光面）と等価な位置（共役面）に配置された視野マスク２９によって分割された被写体像は、セパレータレンズ２７によって焦点検出部４０に再結像される。焦点検出部４０は、対になって投影された被写体像の画像信号を出力する。

システムコントロール回路３０は、ＡＦモジュール２４から送られてくる画像信号に基づき、デフォーカス量および焦点調節を行う。すなわち、ＡＦモジュール２４によって検出されるデフォーカス量およびピントずれの方向に従い、ＡＦモータドライバ３４へ制御信号を出力する。ＡＦモータ３５は、ＡＦモータドライバ３４からの駆動信号に基づき、撮影光学系１５内のフォーカシングレンズをシフトさせる。合焦状態に達するまで一連の焦点検出、レンズ駆動が行われる。

レリーズ半押し状態において焦点調整が行われ、被写体の明るさが検出されると、システムコントロール回路３０は、露出値、すなわちシャッタースピードおよび絞り値を演算、決定する。そしてレリーズボタンが全押しされると、一連の記録動作処理が実行される。すなわち、クイックリターンミラー１８、絞り、およびシャッタ２０の動作によって被写体像が撮像素子２２に形成され、１フレーム分の画像信号が撮像素子２２から信号処理回路２５へ出力される。信号処理回路２５ではデジタル画像データが生成され、画像データがＥＥＰＲＯＭ３９へ格納される。

図２は、焦点検出部の基板配置を示した図である。

焦点検出部４０は、ＣＭＯＳ型ラインセンサを複数配設させた一体型基板によって構成される。焦点検出デバイス４０の表面には、被写体像の縦方向に沿った基板上下方向にラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２が設置され、被写体像の横方向に沿った基板左右方向にラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２が設置されている。ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２、およびＥＢＡ１、ＥＢ２はそれぞれ基板中心部を挟んで互いに対向する。

視野マスク２９、コンデンサーレンズ２６、セパレータレンズ２７を含む結像光学系は、瞳分割によって２組の被写体像対を形成し、ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２の配置された投影領域、およびラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２の配置された投影領域に対し、一対の被写体像をそれぞれ結像させる。

各ラインセンサ群は、所定間隔で左右もしくは上下方向に並ぶ複数のラインセンサによって構成され、ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２のラインセンサは左右方向に沿って並列し、ラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２のラインセンサは上下方向に沿って並列している。各ラインセンサは、複数のフォトダイオード、画素信号読み出し回路（ともにここでは図示せず）を備える。

ラインセンサ群ＥＡ１は、９つのラインセンサＬＳＡ１〜ＬＳＡ９によって構成されており、基準ラインセンサとして機能する。一方、ラインセンサ群ＥＡ２を構成するラインセンサＬＳＡ１１〜ＬＳＡ１９は、参照ラインセンサとして機能する。同様に、ラインセンサ群ＥＢ１を構成するラインセンサＬＳＢ１〜ＬＳＢ５は基準センサ、ラインセンサ群ＥＢ２を構成するラインセンサＬＳＢ６〜ＬＳＢ１０は参照ラインセンサとして機能する。

ラインセンサ群ＥＡ１のＬＳＡ１〜ＬＳＡ９、ラインセンサ群ＥＢ１のラインセンサＬＳＢ１〜ＬＳＢ５の側には、電荷転送用の垂直シフトレジスタＶＳＲ１〜ＶＳＲ９、ＶＳＳ１〜ＶＳＳ５が設置されており、ラインセンサ群ＥＡ２、ＥＢ２の各ラインセンサに対しても、垂直シフトレジスタＶＳＲ１１〜ＶＳＲ１９、ＶＳＳ６〜ＶＳＳ１０が同様に配置されている。

ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＢ１には、一連のモニタセンサＬＭＡ１〜ＬＭＡ９、ＬＭＢ１〜ＬＭＢ５がそれぞれ対応するラインセンサの側に配置されている。モニタセンサＬＭＡ１〜ＬＭＡ９、ＬＭＢ１〜ＬＭＢ５は、複数の微小センサをラインセンサに沿って並列させた構成であり、対応するラインセンサの領域を複数のエリアに分割してモニタリングする。

モニタセンサＬＭＡ１〜ＬＭＡ９は、それぞれラインセンサＬＳＡ１〜ＬＳＡ９の側面に沿ってライン状に配置され、対応するラインセンサの受ける光量（光強度）と同じ光量を受け、光量に応じた信号をモニタ信号として出力する。モニタセンサＬＭＢ１〜ＬＭＢ５も、ラインセンサＬＳＢ１〜ＬＳＢ５の受光量をモニタリングするためモニタ信号を出力する。

また、ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＢ１の各モニタセンサの傍には、暗電流成分を検知するＯＢ（Optical Black）モニタセンサＯＢＡ１〜ＯＢＡ９、ＯＢＢ１〜ＯＢＢ５が配置されており、検出される暗電流成分に基づいてモニタセンサから出力されるモニタ信号が補正される。

ＡＧＣ回路４２は、各モニタセンサから逐次出力されるモニタ信号値を閾値と比較し、オートゲインコントロールによってラインセンサの積分時間を制御する。閾値は、焦点検出に必要な光量が対象となるラインセンサに入射しているか否かを判断する指標値であり、ラインセンサのオーバフローを防ぐように設定されている。

モニタ信号値が閾値を超えると、積分終了を示すモニタ信号が論理回路４４に送られる。論理回路４４は、対応するラインセンサ、すなわちモニタリング対象となっているラインセンサの電荷蓄積（積分）を終了させるための制御信号を出力する。ラインセンサに制御信号が送信されると、電荷蓄積が終了するとともに、一時的に電荷がラインセンサ内で格納される。

ラインセンサの電荷蓄積時間は、ライセンサのモニタリング対象エリア毎に独立制御されており、被写体の光強度分布に応じて各ラインセンサの電荷蓄積時間が調整される。すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると、各ラインセンサの垂直シフトレジスタ、および電荷転送機能をもつ列回路４５、４６の水平シフトレジスタによって画素信号が順番に読み出されていく。これにより、各ラインセンサの画素信号読み出し回路（ここでは図示せず）において蓄積電荷が電圧変換、増幅処理され、画素信号が出力される。

各ラインセンサから読み出された一連の画素信号は、列回路４５、４６においてノイズ除去処理、増幅処理される。そして、一連の画素信号は、被写体像の画像信号としてシステムコントロール回路３０へ送られる。システムコントロール回路３０では、対になっているラインセンサ群の画像信号に基づいて位相差が検出され、デフォーカス量が求められる。

図３は、焦点検出部のブロック図である。図４は、ラインセンサ、モニタセンサ、ＡＧＣ回路の接続関係を示した図である。図３、図４を用いて、ラインセンサの電荷蓄積時間（積分時間）の制御について説明する。

なお、図３では、垂直方向に沿って延びるラインセンサ対ＬＳＡ５、ＬＳＡ１５、水平方向に沿って延びるラインセンサ対ＬＳＢ３、ＬＳＢ８と、それに応じたモニタセンサＬＭＡ５およびＬＭＢ３のみを図示し、それ以外のラインセンサ、モニタセンサは省略している。また、図４では、ラインセンサの電荷蓄積終了タイミングをわかりやすく説明のため、図２に示す実際の配置とは異なる配置でラインセンサ、モニタセンサを図示している。

ラインセンサＬＳＡ５は、ラインセンサ用画素信号読み出し回路ＰＳＡ５を挟んで向かい合うフォトダイオード対を上下方向に沿って並べた構成であり、ラインセンサ用画素信号読み出し回路によって各フォトダイオードから電荷が読み出される。他のラインセンサＬＳＡ１５、ＬＳＢ３、ＬＳＢ８も同様に画素信号読み出し回路ＰＳＡ１５、ＰＳＢ３、ＰＳＢ８を挟んで向かい合うフォトダイオード対を並列させた構成になっている。

ラインセンサＬＳＡ５の傍に配置されたモニタセンサＬＭＡ５は、フォトダイオードを有する微小センサを垂直方向に沿って複数個並べた構成であり、モニタセンサ用画素信号読み出し回路（ここでは図示せず）によって蓄積電荷が読み出される。ラインセンサＬＳＢ３の傍に配置されたモニタセンサＬＳＢ３も同様の構成になっている。

ＡＧＣ回路４２_ＨＳは、モニタセンサＬＭＢ３から出力されるモニタ信号の電圧レベルが閾値を超えるか否かを検知し、閾値に達すると電荷蓄積（積分）終了を知らせるモニタ信号を論理回路４４に出力する。モニタリング対象となっているラインセンサＬＳＢ３の電荷蓄積時間（積分時間）は、ＡＧＣ回路４２_ＨＳによって調整される。ＡＧＣ回路４２_ＨＳの閾値は、ラインセンサＬＳＢ３のダイナミックレンジを考慮した値に設定されており、論理回路４４からのＶＭＳ信号によって設定される。モニタセンサＬＭＡ５をモニタリングするＡＧＣ回路４２_Ｖ５も同様の構成である。

図４では、１つのラインセンサＬＳＢ３を図示している。対向位置にあるモニタセンサＬＭＢ３は、それぞれフォトダイオードを有する複数の微小センサから構成されており、ここでは、便宜上３つの微小センサＭ１〜Ｍ３、Ｍ４〜Ｍ６、Ｍ７〜Ｍ９から構成されるものとする。

上述したように、ラインセンサＬＳＢ３は、多数のフォトダイオード対を配列させた構成であり、モニタセンサＬＭＢ３の微小センサＭ１〜Ｍ９は、それぞれ割り当てられた所定数のフォトダイオードの領域についてモニタリングを行っている。

ここでは、３つの測距ゾーンＳＺ１〜ＳＺ３がラインセンサＬＳＢ３に対して規定されており、ＡＧＣ回路４２_ＨＳは、モニタセンサＭ１〜Ｍ３、Ｍ４〜Ｍ６、Ｍ７〜Ｍ９とそれぞれ接続されるモニタセンサ群４２Ｈ_３１、４２Ｈ_３２、４２Ｈ_３３から構成されており、測距ゾーンＳＺ１〜ＳＺ３の積分時間をそれぞれ調整する。モニタセンサ群４２Ｈ_３１、４２Ｈ_３２、４２Ｈ_３３は、微小センサＭ１〜Ｍ３、Ｍ４〜Ｍ６、Ｍ７〜Ｍ９からの出力信号をそれぞれ検知するため、測距ゾーンＳＺ１〜ＳＺ３に合わせて３つのモニタセンサ検出部ＡＧＣ１〜ＡＧＣ３、ＡＧＣ４〜ＡＧＣ６、ＡＧＣ７〜ＡＧＣ９をそれぞれ備えている。

ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ１を例に挙げると、瞳分割による一対の被写体像が焦点検出部４０に投影されると、ラインセンサＬＳＡ１の測距ゾーンＳＺ１およびモニタセンサＭ１〜Ｍ３に電荷が蓄積される。３つの微小センサＭ１〜Ｍ３に入力される光量は、被写体の明るさ分布によってそれぞれ異なるため、モニタセンサ検出部ＡＧＣ１〜ＡＧＣ３が積分終了を知らせるモニタ信号を出力するタイミングは異なる。

例えば、モニタセンサＭ１〜Ｍ３の微小センサＭ１に強い光が入射する一方で微小センサＭ２、Ｍ３に入射する光が弱い場合、検出部ＡＧＣ１に入力するモニタ信号の電圧値が検出部ＡＧ２、ＡＧ３よりも先に閾値を超え、電荷蓄積終了を知らせるモニタ信号を論理回路４４へ出力する。

論理回路４４は、検出部ＡＧＣ１から終了信号を受けると、ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンの電荷蓄積を終了させる。ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ１の各フォトダイオードに蓄積された電荷は、電荷蓄積容量（ここでは図示せず）に一時的に格納される。検出部ＡＧＣ２、あるいは検出部ＡＧＣ３が最も早く積分終了のモニタ信号を出力した場合も、ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ１の電荷蓄積が同様に終了する。

このようなラインセンサの電荷蓄積が、ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ２、ＳＺ３についても、同じように行われる。すなわち、微小センサＭ４〜Ｍ６、Ｍ７〜Ｍ９のいずれかにおいて閾値を超えるモニタ信号が出力されると、ラインセンサＬＳＢ３の測距ゾーンＳＺ２、ＳＺ３の電荷蓄積をその時点で終了する。

すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると（あるいはその前に所定時間が経過すると）、各ラインセンサから画素信号が出力される。上下方向にあるラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２（図２参照）から出力される画素信号は、列回路４６に転送される（図２、３参照）。一方、左右方向にあるラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２から出力される画素信号は、列回路４５へ転送される。

列回路４５、４６においては、出力された画素信号に対してノイズ除去、増幅処理が画素信号に対して行われる。これにより、ラインセンサ群ＥＡ１、ＥＡ２に対する一対の被写体像に応じた画像信号は、オフセット回路６４においてオフセットされた後、出力切替回路６６を通じてシステムコントロール回路３０へ出力される。一方、ラインセンサ群ＥＢ１、ＥＢ２に対する一対の被写体像に応じた画像信号は、オフセット回路６２においてオフセットされた後、出力切替回路６８を通じてシステムコントロール回路３０へ出力される。

システムコントロール回路３０は、論理回路４４の動作を制御するとともに、各ＡＧＣ回路からのモニタ信号を選択的に検知する。モニタ出力選択回路５６では、システムコントロール回路３０により指定されたモニタ信号が出力され、出力切替回路６８からシステムコントロール回路３０に送られる。また、ＯＢモニタ出力選択回路５２から選択的に出力されるＯＢモニタ信号は、出力切替回路６６を介してシステムコントロール回路３０に送られる。なお、ＯＢモニタ信号、モニタ信号は、レベルシフト回路５３、５５によってそれぞれ出力信号の基準電位がシフトされる。

論理回路４４は、ラインセンサの電荷蓄積を終了させるとき、選択回路５８を通じて電荷蓄積終了を知らせる信号をシステムコントロール回路３０に出力する。また、すべてのラインセンサの電荷蓄積が終了すると、選択回路６０を通じて電荷蓄積終了を知らせる信号をシステムコントロール回路３０へ送る。システムコントロール回路３０は、これらのモニタ信号、終了信号に基づいて、各ラインセンサの積分時間、ＡＧＣ回路のゲインを制御する。

図５は、ラインセンサ用画素信号読み出し回路の電気回路図である。図６は、図５の画素信号読み出し回路の模式的な断面図である。図７は、モニタセンサの電気回路図である。

図５には、ラインセンサＬＳＢ３における一組のフォトダイオード対１２０Ａｊ、１２０Ｂｊおよびそれに接続されるラインセンサ用画素信号読み出し回路１３０ｊに関する回路構成を示している。フォトダイオード対１２０Ａｊ、１２０Ｂｊは、ともにラインセンサ用画素信号読み出し回路１３０ｊと接続されている。

ラインセンサ用画素信号読み出し回路１３０ｊは、不要電荷の掃き出しをスイッチ制御するアンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）１２１Ａ、１２１Ｂ、一時的に電荷を格納する電荷蓄積容量（ＭＥＭ）１２４Ａ、１２４Ｂ、フォトダイオード対１２０Ａｊ、１２０Ｂｊに蓄積された電荷を電荷蓄積容量１２４Ａ、１２４Ｂに転送する転送ゲート（ＴＧ）１２２Ａ、１２２Ｂを備える。

さらに、ラインセンサ用画素信号読み出し回路１３０ｊは、ＦＤＡ（Floating Diffusion Amplifier）に基づく電荷検出機構を備え、電荷注入されるフローティングディフュージョン（ＦＤ）１２５、電荷蓄積容量１２４Ａ、１２４Ｂの蓄積電荷を転送するフローティングディフュージョンゲート（ＦＤＧ）１２３Ａ、１２３Ｂ、リセットゲート（ＲＧ）２６、ソースフォロアアンプ１２７、および選択ゲート１２８を備える。

図６には、フォトダイオード１２０Ａｊ付近の焦点検出部４０の基板断面が図示されている。ｎ−ｓｕｂ基板の上にｐ型層（ｐ−ｗｅｌｌ）を形成し、その上にｐｎ接合のフォトダイオード１２０Ａｊが構成される。また、フォトダイオード１２０Ａｊの表面にｐ^＋層を形成することにより、埋め込み型フォトダイオードが構成される。電荷蓄積容量１２４Ａも同様のＭＯＳ型ダイオードの構成になっている。

なお、フォトダイオード１２０Ａｊの上方には開口部（図示せず）が設けられており、開口部を除く部分を遮光膜で覆うことによってフォトダイオード１２０Ａｊ以外の光入射が防止されている。

アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）１２１Ａ、転送ゲート（ＴＧ）１２２Ａ、フローティングディフュージョンゲート（ＦＤＧ）１２３Ａ、リセットゲート（ＲＧ）１２４Ａは、それぞれ表面に電荷転送電極（ゲート電極）を配設したトランジスタによって構成されており、それぞれ電荷読み出しタイミングに合わせてパルス信号が入力される。

転送ゲート（ＴＧ）１２２Ａ、フローティングディフュージョンゲート（ＦＤＧ）１２３Ａの開閉により、電荷蓄積容量１２４Ａ、およびｎ^＋層から成るフローティングディフュージョン（ＦＤ）１２５にそれぞれ電荷が転送される。また、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）１２１Ａの開閉により、フォトダイオード１２０Ａｊの不要電荷が、ｎ^＋層１２９を介してドレインとなる電源ＶＤＤＡに掃き出される。

図７には、フォトダイオード１２０Ａｊをモニタリングする微小センサ１４０ｍを示している。フォトダイオード１４２に接続されるモニタセンサ用画素信号読み出し回路１４４は、アンチブルーミングゲート（ＡＢＧ）１５１、転送ゲート（ＴＧ）１５２、リセットゲート（ＲＧ）１５４、さらには電荷蓄積容量（ＭＥＭ）１５３、ソースフォロアアンプ１５５を備える。

被写体からの光がラインセンサに到達すると、フォトダイオード１２０Ａｊ、１２０Ｂｊの光電変換によって信号電荷（画素信号）が生じ、光量に応じて電荷が蓄積されていく。一方、モニタセンサ１４０ｍの光電変換部１４２に生じる信号電荷は、電荷蓄積１５３を介して図２、３に示したＡＧＣ回路へ随時出力される。

モニタ信号が閾値を超えると、フォトダイオード１２０Ａｊの電荷蓄積が終了し、蓄積電荷は転送ゲート１２２Ａ、１２２Ｂを通って電荷蓄積容量１２３Ａ、１２３Ｂに一時的に転送される。他のフォトダイオード対の電荷蓄積がすべて終了するまで、蓄積電荷は電荷蓄積容量１２３Ａ、１２３Ｂにそれぞれ保存される。

他のラインセンサの電荷蓄積が終了すると、フォトダイオード１２０Ａｊ、１２０Ｂｊにおいて生じ、電荷蓄積容量１２３Ａ、１２３Ｂにそれぞれ格納されていた電荷は、別々に、または混合されてフローティングディフュージョン（ＦＤ）１２５に注入される。そして、ソースフォロアアンプ１２７によって画素信号（電圧信号）が出力される。画素信号が出力されると、リセットゲート１２６の動作によってフローティングディフュージョン１２４がリセットされる。

図８は、転送時間と転送電荷量との関係を表すグラフを示した図である。ここでは、ラインセンサのフォトダイオードに入射する光の強度（以下、受光強度という）と電荷転送時間との関係を説明する。

図８には、光強度を変えたときのラインセンサにおける電荷転送時間が表されている。横軸は、電荷蓄積容量へ電荷を転送するときの転送時間を表す。一方、縦軸は、電荷蓄積容量に格納される電荷量を、その飽和電荷容量に対する割合（％）によって表している。

ラインセンサ、モニタセンサに入射する光の光強度（受光強度）を変えると、それに合わせて転送速度も変化する。ここでは、電荷転送時間と転送電荷量との関係が、関数ＬＱ１、ＬＱ２、ＬＱ３によって表されている。光強度が相対的に一番大きい関数Ｑ１の場合、転送時間に比例して転送電荷割合が変化する。一方、相対的に光強度が小さい関数Ｑ２、Ｑ３の場合、転送時間が長くなると転送電荷割合はあまり変化しない。

図８に示す電荷割合閾値ＴＺは、ＡＧＣ回路においてモニタセンサの蓄積電荷量と比較される閾値に相当する電荷量を表す。上述したように、モニタセンサの信号出力レベルが閾値を超えると、対応するラインセンサの電荷蓄積を終了させる。この閾値は、被写体像の輝度レベルを正確に検出するのに適した蓄積電荷量を得られるように設定されている。ここでは、電荷蓄積容量の飽和電荷量の約６０％がラインセンサにおける適正な蓄積電荷量となる。

そのため、閾値ＴＺを超えてラインセンサから転送される蓄積電荷は余剰分の電荷となる。光強度の強い関数ＬＱ１の場合、転送時間Ｔ１を経過すると、余剰分の電荷がラインセンサに蓄積される。特に、光強度の強い関数ＬＱ１では、転送時間に比例して転送電荷量が大きくなるため、閾値ＴＺを超えた後も電荷が短時間で蓄積される。

その結果、モニタセンサの信号レベルが閾値に達したことによってラインセンサの蓄積電荷を電荷蓄積容量に転送するとき、露光終了後の余剰電荷も合わせて転送されてしまう。光強度が強いほど電荷転送時間を短くしないと、電荷転送中にラインセンサに蓄積される余剰電荷が多くなってしまう。

一方、光強度が小さい場合、関数ＬＱ２で示すように、閾値ＴＺに到達する転送時間Ｔ２を超えた後の余剰蓄積電荷は時間が経過してもあまり生じない。また、光強度が極小の場合、関数ＬＱ３で表されるように、閾値ＴＺに到達する転送時間Ｔ３を超えても余剰蓄積電荷はほとんど生じない。

したがって、光強度が弱いため、露光の限界時間である最大積分時間に到達してもモニタセンサの信号出力レベルが閾値以下であった場合（すなわちラインセンサからの出力電荷にゲインを掛ける必要がある場合）、出来る限り電荷転送時間を長く設定し、ラインセンサの蓄積電荷を確実に転送させなければならない。

本実施形態では、光強度に応じて電荷転送時間が設定される。具体的には、光強度が強いほど電荷転送時間を短く設定し、光強度が非常に小さい場合、光強度が小さいほど電荷転送時間を長く設定する。光強度の大きさは、モニタセンサの信号出力レベルが閾値に到達するまでの積分時間の間光強度はほぼ一定であるとみなし、その積分時間によって光強度の大きさを判別する。

一方、モニタセンサの信号出力レベルが閾値を超えることなく露光終了する場合、それまでの蓄積電荷量に応じて電荷転送時間を設定し、蓄積電荷量が小さいほど電荷転送時間を長くする。なお、光強度が小さいときには余剰電荷が転送される恐れが少ないため、電荷転送時間を長く設定することに支障がない。

図９は、論理回路によって実行される電荷転送時間制御のフローチャートである。同一測距ゾーンにあるラインセンサごとに電荷転送時間が設定される。

ステップＳ１０１では、積分が開始される。そして、ステップＳ１０２では、積分が終了しているか判断される。具体的には、モニタセンサのリセットゲート（ＲＧ−Ｍ）、ラインセンサのリセットゲート（ＲＧ）の開閉によってラインセンサの積分が開始されると、ＡＧＣ回路からの出力信号が閾値到達を示す信号であるか否かが検知される（Ｓ１０１、Ｓ１０２）。出力信号が閾値到達を示す信号である場合、論理回路内部にあるパルスカウンタによって、閾値到達までの積分時間が検出される（Ｓ１０３）。そして、あらかじめ用意されたルックアップテーブル（ＬＵＴ）の中から、積分時間に応じた電荷転送時間が選択、設定される（Ｓ１０６）。

図１０は、光強度が強いときの電荷転送処理のタイミングチャートである。

リセットゲートの開閉によって時刻ｔ０に積分が開始されると、ラインセンサのフォトダイオードに電荷が蓄積される。光強度が強い場合、フォトダイオードの蓄積電荷量はすぐに増加して閾値ＱＴｈに到達する。これによってＡＧＣ回路が閾値到達を知らせる信号を出力し、転送ゲート（ΦＴＧ）を開閉させることによって蓄積電荷が電荷蓄積容量（ＱＭＥＭ）に転送される。

このときの転送時間Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）は、積分時間（ｔ１−ｔ０）に従って定められる。ルックアップテーブルには、各積分時間とそれに対応する転送時間のデータが対応づけられており、積分時間に応じた転送時間が定められる。転送時間は、図８に示した閾値ＴＺに到達するまでの転送時間を参考にしてあらかじめ理論的、さらには補充的実験に基づいて定められており、出来る限り余剰電荷が転送されないように転送時間が設定される。

露光最大時間となる限度積分時刻Ｔ１に達するとほぼ同時に、蓄積電荷量が閾値Ｑｔｈに到達する場合、転送時間ΔＴ（＝Ｔ２−Ｔ１）は、積分時間（限度積分時間）（Ｔ１−ｔ０）に従って定められる。転送時間Δｔは、転送時間ΔＴよりも短い。

一方、図９のステップＳ１０２において積分終了とならない場合、積分開始から限度積分時刻Ｔ１に到達したか否かが判断される（Ｓ１０４）。光強度が弱いために限度積分時刻Ｔ１が先に到達すると、それまでの蓄積電荷量に基づいて転送時間が設定される（Ｓ１０５）。

図１１は、光強度が弱いときの電荷転送処理のタイミングチャートである。

蓄積電荷量が閾値Ｑｔｈを超える前に限度積分時刻Ｔ１に到達した場合、それまでに蓄積された電荷量Ｑｍに従って電荷転送時間ΔＴ’が定められる。ここでは、蓄積電荷量Ｑｍが小さいほど電荷転送時間ΔＴ’が長くなるように設定されている。蓄積電荷量に応じて電荷転送時間があらかじめルックアップテーブルによって設定され、検出される蓄積電荷量に応じた電荷転送時間が決定される。

なお、蓄積電荷量の検出は、ゲイン設定時に調べられる蓄積電荷量の大きさに基づいて定められる。限度積分時間Ｔ１時のモニタセンサの出力レベルが最初に設定した閾値の１／２、１／４、１／８倍・・・・の値と順次比較され、蓄積電荷量は１／２〜１倍、１／４〜１／２倍、１／８〜１／４倍、・・・・のいずれかの範囲に該当するかが明らかになる。ゲイン値を大きくする必要のある蓄積電荷量ほど電荷転送時間が長く設定される。

このように本実施形態によれば、モニタセンサ、ラインセンサを使用する焦点検出装置において、モニタセンサの受光量に基づき、ラインセンサのフォトダイオードにおける蓄積電荷量が閾値を超えるか否か、モニタセンサの出力信号を受けるＡＧＣ回路によって比較、判断される。そして、蓄積電荷量が閾値に達すると、ラインセンサの電荷転送ゲートが開き、蓄積電荷がラインセンサの電荷蓄積容量に格納される。このとき、転送時間が閾値到達までの積分時間に応じて調整される。

積分時間が短いと光強度が強いと判断し、相対的に短い電荷転送時間が設定される。これにより、余剰電荷がそのまま電荷蓄積容量へ転送されることを防止し、被写体の明るさを適切に表す輝度レベルの画像信号に基づいてＡＦ処理が行われる。

一方、光強度が小さいために限度積分時間が経過してもモニタセンサの蓄積電荷量が閾値に到達しない場合、そのときの蓄積電荷量に基づいて電荷転送時間が設定される。蓄積電荷量が小さいほど電荷転送時間が長く設定されるため、すべての蓄積電荷が漏れなく電荷蓄積容量へ転送される。その結果、明るさが十分でない被写体に対しても適切な焦点調整を行うことができる。

測距方式については限定されず、また、ラインセンサの数、配列方向も限定されない。一眼レフ以外のカメラに適用することも可能であり、携帯電話など撮影機能を備えた撮影装置に適用してもよい。

１０ 一眼レフ型デジタルカメラ
２４ ＡＦモジュール（焦点検出装置）
４０ 焦点検出部
１２０Ａｊ、１２０Ｂｊ フォトダイオード（光電変換素子）
１２２Ａ 転送ゲート（電荷転送ゲート）
１２４Ａ 電荷蓄積容量（電荷格納部）
ＴＺ 閾値
Δｔ、ΔＴ、ΔＴ’ 電荷転送時間

Claims (7)

1. 被写体像の投影領域に並ぶ複数のラインセンサと、
   前記複数のラインセンサの側にそれぞれ配置され、それぞれ対応するラインセンサの受光量をモニタリングする複数のモニタセンサと、
   各ラインセンサの露光終了タイミングを、対応するモニタセンサの受光量に基づいて検知する露光終了タイミング検出手段と、
   各ラインセンサの光電変換素子に蓄積された電荷の転送を制御する電荷転送制御手段と、
   各ラインセンサの蓄積電荷に基づいて被写体像の画像信号を出力する画像信号出力手段とを備え、
   前記電荷転送制御手段が、露光終了対象となるラインセンサの電荷転送時間を、対応するモニタセンサの受光強度に応じて調整することを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記電荷転送制御手段が、相対的に受光強度が大きいほど電荷転送時間を短く設定することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記電荷転送制御手段が、許容露光時間内に受光量が基準レベルに到達しない場合、許容露光時間到達時の受光量が少ないほど電荷転送時間を長く設定することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の焦点検出装置。
4. 前記露光終了タイミング検出手段が、各モニタセンサの受光量を閾値と比較し、
   前記電荷転送制御手段が、電荷転送時間を、対応するモニタセンサの閾値到達までの時間に応じて調整することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の焦点検出装置。
5. 前記複数のモニタセンサが、所定数のラインセンサが割り当てられる測距ゾーンに従って配置され、
   前記電荷転送制御手段が、同一測距ゾーンに配置されたラインセンサの電荷転送時間を同一時間に設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の焦点検出装置。
6. 前記複数のラインセンサ各々が、前記光電変換素子に蓄積された電荷を格納する電荷格納部と、開閉することによって前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記電荷格納部に転送する電荷転送ゲートを有し、
   前記電荷転送制御手段が、露光終了させるラインセンサの電荷転送ゲート開閉を制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の焦点検出装置。
7. 請求項１に記載された焦点検出装置を備えた撮影装置。
   

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