JP2017022624A - 撮像素子及びその駆動方法、及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 焦点検出の精度を上げるとともに、読み出し時間を短縮すること。
【解決手段】 ２次元に配置された複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズそれぞれに対して構成された、入射光量に応じた電荷を蓄積する複数の光電変換部と、前記複数のマイクロレンズにそれぞれ対応づけて配置された、互いに異なる複数の色に対応する波長の光を主に透過するカラーフィルタと、予め決められた複数の行ごとに、前記複数の行に含まれる第１の色のカラーフィルタに対応する前記複数の光電変換部にそれぞれ接続された第１の水平走査線と、前記予め決められた複数の行ごとに、前記複数の行に含まれる第２の色のカラーフィルタに対応する前記複数の光電変換部にそれぞれ接続された第２の水平走査線と、を有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、撮像素子及びその駆動方法、及び撮像装置に関し、特に撮影レンズの瞳面を分割して受光可能な画素を持つ撮像素子及びその駆動方法、及び撮像装置に関するものである。

従来、撮像素子を構成する画素が、撮像レンズの異なる瞳面の光を受光するような構成によって、撮像と同時に位相差方式の焦点検出を行う技術がある。特許文献１においては、１つの画素の中にある、１つのマイクロレンズで集光されるフォトダイオード（ＰＤ）を２つに分割することによって、各々のＰＤが撮像レンズの異なる瞳領域を通過した光を受光するように構成されている。そして、各々のＰＤから出力された信号を用いて、像ずれ量の検出、すなわち位相差検出を行い、像ずれ量からピントのずれ量を計算し、焦点の検出を行っている。また、撮像レンズの異なる瞳領域を通過した光を受光した各々のＰＤの信号を画素毎に加算することで、鑑賞用の画像信号、すなわち撮像信号を生成することも可能である。

ところで、１つのマイクロレンズに対して２つのＰＤが構成された撮像素子の場合、２つのＰＤから信号を個別に読み出すには、なんら工夫がなければ、各画素のＰＤが分割されていない場合と比較して、２倍の読み出し時間がかかってしまう。一方、撮像素子の各画素を覆うカラーフィルタの色配列に応じて、このような位相差検出に用いる信号の数を減らすことで、読み出し時間を短縮する技術も提案されている。特許文献２においては、撮像画素と焦点検出画素が交互に千鳥配置された撮像素子が開示されている。この撮像素子はベイヤー配列のカラーフィルタで覆われ、撮像画素には赤及び青のフィルタが配置され、焦点検出画素には緑のフィルタが配置されている。焦点検出性能の面で、緑のフィルタは、赤及び青のフィルタの分光透過特性の中間に位置することから、このような形態が好ましいとされている。

特開２００１−０８３４０７号公報 特開２０１４−０７２５４１号公報

しかしながら、被写体の色が必ず緑色成分を多く含むという保証はなく、また、被写体を照らす光源によっても焦点検出に適する色の成分分布は異なってくる。更に、緑色成分の多い被写体があったとしても、焦点検出に適する高周波成分が緑色に多いという保証もない。このように、特許文献２に記載された技術によれば、必ずしも被写体の状況に適した焦点検出信号の読み出しを行うことはできなかった。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、焦点検出の精度を上げるとともに、読み出し時間を短縮することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像素子は、入射光量に応じた電荷を蓄積する複数の光電変換部を各々が備え、行列状に配置された複数の単位画素と、前記複数の単位画素にそれぞれ対応づけて配置された、互いに異なる複数の色に対応する波長の光を主に透過するカラーフィルタと、予め決められた複数の行ごとに配され、前記複数の行に含まれる第１の色のカラーフィルタに対応する前記単位画素にそれぞれ接続された第１の制御信号線と、前記予め決められた複数の行ごとに配され、前記複数の行に含まれる第２の色のカラーフィルタに対応する前記単位画素にそれぞれ接続された第２の制御信号線と、を有する。

本発明によれば、焦点検出の精度を上げるとともに、読み出し時間を短縮することができる。

本発明の実施形態における撮像素子の概略構成を示す図。 実施形態における撮像素子の１画素の概略構成を示す図。 実施形態における一部の画素と配線のレイアウトの一例を示す図。 実施形態における一部の画素と配線のレイアウトの別の一例を示す図。 実施形態における画素の回路構成を示す等価回路図。 実施形態における撮像素子の駆動パターンを示すタイミングチャート。 実施形態における撮像装置の概略構成を示すブロック図。 実施形態における撮像装置の処理を示すフローチャート。 変形例における撮像装置の処理を示すフローチャート。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。ただし、本形態において例示される構成部品の寸法、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。

図１は、本実施形態における撮像素子の概略構成を示す図である。図１において、撮像素子１００は、行列状に配列された複数の単位画素を含む画素アレイ１０１と、画素アレイ１０１における画素の行を選択する垂直走査回路１０２、画素アレイ１０１における画素の列を選択する回路１０４を含む。また、画素アレイ１０１に含まれる複数の単位画素のうち、垂直走査回路１０２によって選択された行の単位画素の信号を読み出す読み出し回路１０３、各回路の動作モードなどを外部から決定するためのシリアルインターフェイス（ＳＩ）１０５を含む。読み出し回路１０３は、列毎に、信号を蓄積するメモリなどを有する。

図２は、本実施形態における画素アレイ１０１を構成する各単位画素２０１の概略構成図である。単位画素２０１は、１つのマイクロレンズ２０２と、該マイクロレンズ２０２に対して設けられた２つの光電変換部であるフォトダイオード（ＰＤ）２０３，２０４を有する。更に、ＰＤ２０３とＰＤ２０４の各々の信号を転送する転送スイッチ２０５，２０６と、ＰＤ２０３，２０４の信号を一時的に蓄積するフローティングディフュージョン部（ＦＤ）２０７も有する。単位画素は、図示された構成要素以外にも、後述する複数の構成要素を備える。ＰＤ２０３、ＰＤ２０４は、マイクロレンズ２０２を介して、撮像レンズ（不図示）の異なる瞳領域を通過した光を受光し、入射光量に応じた電荷を蓄積する。そのため、ＰＤ２０３とＰＤ２０４からそれぞれ得られる、視差を有する一対の信号を比較することで、公知の位相差検知方式により、撮像レンズの焦点状態を検出することができる。また、ＰＤ２０３とＰＤ２０４の信号を単位画素毎に加算することで、通常の画像を構成するための撮像用信号（加算信号）を得ることができる。このように、本実施形態における画素は、位相差検出にも撮像にも用いることができる。

図３は、本実施形態における画素アレイ１０１を構成する一部の単位画素と、画素アレイ１０１を駆動するための駆動信号線の配線レイアウトの一例を示す図である。なお、図３では４行２列の単位画素３０１〜３０８の画素配列を示すが、画素アレイ１０１は、２次元の画像を提供するために、さらに多くの画素を有する。また、単位画素３０１〜３０８の各画素は、図２の単位画素２０１に示す構成を有する。

図３において、単位画素３０１〜３０８はＨ〜Ｈ＋１列目、Ｖ〜Ｖ＋３行目に配置された単位画素である。画素アレイ１０１は、ベイヤー配列のカラーフィルタにより覆われており、単位画素３０１〜３０８のうち、単位画素３０１，３０３，３０６，３０８には、主に緑（Ｇ）の光を透過するＧフィルタが配されている。また、単位画素３０２，３０４には、主に青（Ｂ）の光を透過するＢフィルタが配され、単位画素３０５，３０７には、主に赤（Ｒ）の光を透過するＲフィルタが配されている。このように、異なる波長の光を主に透過するカラーフィルタを２行２列で周期的に配置することによって、カラー画像を得ることができる。

また、図３に示すように、本実施形態において、各単位画素の駆動を行う制御信号線は２行単位で配置され、これら２行分の駆動で繰り返し読み出しの一単位とする。配線３０９は、上下に配列された単位画素のＦＤ２０７を電気的に接続するための配線である。

Ｇフィルタにより覆われた単位画素３０１と単位画素３０６は、転送パルスφＴＸ１（ｎ），φＴＸ２（ｎ）により駆動され、単位画素３０３と単位画素３０８は、転送パルスφＴＸ１（ｎ＋１），φＴＸ２（ｎ＋１）により駆動される。また、Ｂフィルタにより覆われた単位画素３０２と、Ｒフィルタにより覆われた単位画素３０５は、転送パルスφＴＸ３（ｎ），φＴＸ４（ｎ）により駆動される。同様に、Ｂフィルタにより覆われた単位画素３０４とＲフィルタにより覆われた単位画素３０７は、転送パルスφＴＸ３（ｎ＋１），φＴＸ４（ｎ＋１）により駆動される。なお、各転送パルスφＴＸを供給する制御信号線は、各単位画素に対して相対的に同じ位置にある単位画素に接続されている。

このように、転送パルスφＴＸ１，φＴＸ２は、Ｇフィルタにより覆われた単位画素の信号電荷を転送制御し、転送パルスφＴＸ３，φＴＸ４は、Ｒフィルタ及びＢフィルタに覆われた単位画素の信号電荷を転送制御する。なお、駆動の詳細は図６を参照して後述する。

図４は、本実施形態における画素アレイ１０１を構成する一部の単位画素と、画素アレイ１０１を駆動するための制御信号線のレイアウトの別の一例を示す図である。図３との違いは、まず、Ｖ行目とＶ＋１行目、Ｖ＋２行目とＶ＋３行目の各単位画素の転送スイッチ２０５，２０６及びＦＤ２０７が向き合うように形成されている点である。次に、図３では、転送パルスφＴＸ１，φＴＸ２を供給する制御信号線（第１の制御信号線）と、転送パルスφＴＸ３，φＴＸ４を供給する制御信号線（第２の制御信号線）とが、異なる行間に配置している。これに対し、図４では、転送パルスφＴＸ１，φＴＸ２，ＴＸ３，φＴＸ４を供給する制御信号線（第１の制御信号線及び第２の制御信号線）が、同じ行間に位置している。このように、転送パルスφＴＸ１（ｎ），φＴＸ２（ｎ），φＴＸ３（ｎ），φＴＸ４（ｎ）の転送制御信号線を、向き合うＦＤ２０７間の領域に配置することで、各転送スイッチへの制御信号線を短くした点である。Ｖ＋２行とＶ＋３行及び転送パルスφＴＸ１（ｎ＋１），φＴＸ２（ｎ＋１），φＴＸ３（ｎ＋１），φＴＸ４（ｎ＋１）も２行毎に同様の構成を繰り返す。

こうした制御信号線は通常、ＰＤの直上を避けながらアルミニウムなどの金属膜を以て構成されるが、それらは有限の面積を持つため、ＰＤの開口率に影響を及ぼすことがある。そのため、これらの距離が短い等、面積を減少する方向にあるレイアウトは、ＰＤ開口率、引いては感度の向上に一定の効果がある。

図５は、図３に示す単位画素のうち、単位画素３０１，３０２，３０５，３０６の回路構成及び制御信号線を示す等価回路図である。また、回路５０１は、単位画素３０１と単位画素３０２、単位画素３０５と単位画素３０６で兼用される読み出しに係る回路を示す。回路５０１は、電荷を一時的に蓄積するバッファとしての役割を有するＦＤ２０７、ソースフォロアとして機能する増幅ＭＯＳアンプ５０２、選択パルスφＳＥＬｘによって単位画素を選択する選択スイッチ５０３を有する。更に、リセットパルスφＲＥＳｘを受けて、電位ＶＤＤによりＦＤ２０７をリセットするリセットスイッチ５０５を含む。読み出しに係る回路５０１を２つの単位画素で兼用することで、画素内の回路数を減らし、開口率の向上や、ＰＤ２０３、ＰＤ２０４の面積の拡大、ダイナミックレンジの向上に寄与している。

単位画素３０１及び単位画素３０６の転送スイッチ２０５，２０６はそれぞれ転送パルスφＴＸ１（ｎ），φＴＸ２（ｎ）によって駆動される。また、単位画素３０２及び単位画素３０５の転送スイッチ２０５，２０６はそれぞれ転送パルスφＴＸ３（ｎ），φＴＸ４（ｎ）によって駆動される。そして、ＰＤ２０３及びＰＤ２０４各々で発生した光電荷をＦＤ２０７に転送する。ＦＤ２０７、増幅ＭＯＳアンプ５０２、及び定電流源５１１からフローティングディフュージョンアンプが構成され、選択スイッチ５０３で選択された単位画素のＦＤ２０７の電圧信号が、列出力線５０４に出力され、読み出し回路１０３に読み出される。転送パルスφＴＸ１（ｎ），φＴＸ２（ｎ），φＴＸ３（ｎ），φＴＸ４（ｎ）、選択パルスφＳＥＬｘ、リセットパルスφＲＥＳｘのｎと添え字ｘはそれぞれ、ｎ番目に駆動される、ｘ番目に駆動されるということを示す。行方向に全ての画素の信号を読み出すまで、順次駆動される。

列出力線５０４に出力された信号は、読み出し回路１０３に入力され、増幅アンプ５１２により増幅される。このとき、後述するようにして読み出された単位画素のリセット解除後の出力（ノイズ信号）は、パルスφＴＮにより制御されるＭＯＳスイッチ５１３を介して、蓄電素子５１６に保持される。また、ＰＤから読み出された信号は、パルスφＳ１，φＳ２により制御されるＭＯＳスイッチ５１４，５１５を介して、蓄電素子５１７，５１８に保持される。このようにして読み出し回路１０３の蓄電素子５１６，５１７，５１８にそれぞれ読み出された信号は、水平走査回路１０４により制御されるｐｈ信号によって列毎に順に選択され、不図示の差分出力回路によりノイズ信号が差し引かれた信号が出力される。

なお、読み出し回路１０３は、上述した構成の他に、ＡＤ変換器を有する構成としても良い。

次に、上記構成を有する撮像素子１００の駆動方法について説明する。図６は、本実施形態における撮像素子１００の駆動パターンを示すタイミングチャートである。図６（ａ）では、Ｇフィルタに覆われた単位画素のＰＤ２０３とＰＤ２０４からそれぞれ信号を得ることが可能な分割読み出しを行う。そして、Ｒ及びＢフィルタに覆われた単位画素のＰＤ２０３とＰＤ２０４の信号を加算して読み出す加算読み出しを行う。また、図６（ｂ）では、Ｇフィルタに覆われた単位画素から加算読み出しを行い、Ｒ及びＢフィルタに覆われた単位画素から分割読み出しを行う場合を示している。

まず、図６（ａ）を参照して説明する。時間ｔ６０１の間に、リセットパルスφＲＥＳｘと転送パルスφＴＸ１（ｎ），φＴＸ２（ｎ）を同時に高電位（Ｈ）にすることで、Ｖ行目及びＶ＋１行目のＧフィルタに覆われた単位画素のリセットスイッチ５０５と、転送スイッチ２０５，２０６がオンとなる。これにより、Ｖ行目及びＶ＋１行目のＧフィルタに覆われた画素のＰＤ２０３、ＰＤ２０４、及びＦＤ２０７の電位が、電位ＶＤＤにより初期電位にリセットされる。その後、転送パルスφＴＸ１（ｎ），φＴＸ２（ｎ）が低電位（Ｌ）になると、Ｖ行目及びＶ＋１行目のＧフィルタに覆われた画素のＰＤ２０３、ＰＤ２０４において電荷蓄積が始まる。同様に、時間ｔ６０２の間に、リセットパルスφＲＥＳｘと転送パルスφＴＸ３（ｎ），φＴＸ４（ｎ）を同時にＨにすることにより、Ｖ行目及びＶ＋１行目のＲ及びＢフィルタに覆われた単位画素のリセットスイッチ５０５と、転送スイッチ２０５，２０６がオンとなる。これにより、Ｖ行目及びＶ＋１行目のＲ及びＢフィルタに覆われた単位画素のＰＤ２０３、ＰＤ２０４、及びＦＤ２０７の電位が、電位ＶＤＤにより初期電位にリセットされる。その後、転送パルスφＴＸ３（ｎ），φＴＸ４（ｎ）がＬになると、Ｖ行目及びＶ＋１行目のＲ及びＢフィルタに覆われた単位画素のＰＤ２０３，２０４において電荷蓄積が始まる。Ｇフィルタに覆われた単位画素と、Ｒ及びＢフィルタに覆われた単位画素は、異なるタイミングで信号を読み出すため、電荷蓄積の時間を同じにするには、上述したように、リセットのタイミングも異ならせる必要がある。

次に、測光などにより予め決められた電荷蓄積時間の経過後、時間ｔ６０３において選択パルスφＳＥＬｘをＨにして選択スイッチ５０３をオンすることで信号読み出し行を選択し、選択した２行のうち、Ｇフィルタに覆われた単位画素の信号の読み出し動作を行う。また同時にリセットパルスφＲＥＳｘをＬにして、ＦＤ２０７のリセットを解除する。

時間ｔ６０３の時間ｔ６０４の間にφＴＮパルスをＨにして、ＭＯＳスイッチ５１３をオンにし、ＦＤ２０７のリセット信号であるＮ信号を蓄電素子５１６に保持する。次に、時間ｔ６０５の間に転送パルスφＴＸ１（ｎ）と、パルスφＳ１を同時にＨにすることで、単位画素３０１，３０６の転送スイッチ２０５及びＭＯＳスイッチ５１４をオンする。これにより、単位画素３０１，３０６のＰＤ２０３の光信号とＮ信号が加算された信号である第１ＰＤ信号を、蓄電素子５１７に保持する。次に、リセットスイッチ５０５をオンしない状態で、時間ｔ６０６の間に転送パルスφＴＸ１（ｎ），φＴＸ２（ｎ）とパルスφＳ２を同時にＨにして、単位画素３０１，３０６の転送スイッチ２０５，２０６、及びＭＯＳスイッチ５１５をオンする。これにより、単位画素３０１，３０６のＰＤ２０３の光信号とＰＤ２０４の光信号とＮ信号が加算された信号である第２ＰＤ信号を、蓄電素子５１８に保持する。なお、時間ｔ６０５で一度、転送パルスφＴＸ１（ｎ）をオンしてＰＤ２０３の信号をＦＤ２０７に読み出しているので、時間ｔ６０６では転送パルスφＴＸ１（ｎ）はオフ状態でもよい。また、厳密には、時間ｔ６０１の終了から時間ｔ６０６の終了までが蓄積時間となる。

その後、水平走査回路１０４により制御されるｐｈ信号によって、蓄電素子５１６〜５１８が列毎に順に選択され、第１ＰＤ信号からＮ信号が差分されたＡ像信号と、第２ＰＤ信号からＮ信号が差分された撮像用信号とが、撮像素子１００の外部に出力される。撮像用信号はＰＤ２０３とＰＤ２０４の信号を合成した信号であるので、撮像用信号からＡ像信号を減算することでＰＤ２０４の信号であるＢ像信号が生成される。すなわち位相差検知用の信号として用いることができる（分割読み出し）。このように、Ｇフィルタにより覆われた単位画素からは、位相差検知用のＡ像信号及びＢ像信号と、撮像用信号とを得ることができる。

次に、時間ｔ６０７において、選択中の２行のうち、Ｒ及びＢフィルタに覆われた単位画素の信号を読み出すための準備として、リセットパルスφＲＥＳｘをＨにしてリセットスイッチ５０５をオンすることで、ＦＤ２０７のリセットを行う。次に、時間ｔ６０８において、選択中の２行のうち、Ｒ及びＢフィルタに覆われた単位画素の信号の読み出し動作を行う。また、同時にリセットパルスφＲＥＳｘをＬにして、ＦＤ２０７をリセット解除する。

時間ｔ６０８の時間ｔ６０９の間にパルスφＴＮをＨにして、ＭＯＳスイッチ５１３をオンにし、ＦＤ２０７のリセット信号であるＮ信号を蓄電素子５１６に保持する。次に、時間ｔ６１０の間に転送パルスφＴＸ３（ｎ），φＴＸ４（ｎ）と、パルスφＳ２を同時にＨにして、単位画素３０２，３０５の転送スイッチ２０５，２０６、及びＭＯＳスイッチ５１５をオンする。これにより、単位画素３０２，３０５のＰＤ２０３とＰＤ２０４の光信号とＮ信号が加算された信号である第２ＰＤ信号を、蓄電素子５１８に保持する。

上記の動作により読み出し回路１０３に読み出されたＮ信号、第２ＰＤ信号は、水平走査回路１０４により制御されるｐｈ信号によって、第２ＰＤ信号からＮ信号を差分した撮像用信号が、撮像素子１００の外部に出力される（加算読み出し）。

以下、上述した図６（ａ）に示す駆動制御を、「第１の駆動モード」と呼ぶ。

次に、図６（ｂ）を参照して説明する。時間ｔ６１１では、時間ｔ６０１と同様に、リセットパルスφＲＥＳｘと転送パルスφＴＸ１（ｎ），φＴＸ２（ｎ）を同時にＨにすることで、Ｖ行目及びＶ＋１行目のＧフィルタに覆われた画素のＰＤ２０３、ＰＤ２０４、及びＦＤ２０７をリセットする。また時間ｔ６１２では、時間ｔ６０２と同様に、リセットパルスφＲＥＳｘと転送パルスφＴＸ３（ｎ），φＴＸ４（ｎ）を同時にＨにすることで、Ｖ行目及びＶ＋１行目のＲ及びＢフィルタに覆われたＰＤ２０３、ＰＤ２０４、及びＦＤ２０７をリセットする。

次に、測光などにより予め決められた電荷蓄積時間の経過後、時間ｔ６１３において選択パルスφＳＥＬｘをＨにして選択スイッチ５０３をオンすることで信号読み出し行を選択し、選択した２行のうち、Ｇフィルタに覆われた単位画素の信号の読み出し動作を行う。また同時にリセットパルスφＲＥＳｘをＬにして、ＦＤ２０７のリセットを解除する。

時間ｔ６１３の時間ｔ６１４の間にパルスφＴＮをＨにして、ＭＯＳスイッチ５１３をオンにし、ＦＤ２０７のリセット信号であるＮ信号を蓄電素子５１６に保持する。次に、時間ｔ６１５の間に転送パルスφＴＸ１（ｎ）、φＴＸ２（ｎ）と、パルスφＳ２を同時にＨにすることで、単位画素３０１，３０６の転送スイッチ２０５，２０６、及びＭＯＳスイッチ５１４をオンする。これにより、単位画素３０１，３０６のＰＤ２０３の光信号とＰＤ２０４の光信号とＮ信号が加算された信号である第２ＰＤ信号を、蓄電素子５１８に保持する。

上記の動作により読み出し回路１０３に読み出されたＮ信号、第２ＰＤ信号は、水平走査回路１０４により制御されるｐｈ信号によって、第２ＰＤ信号からＮ信号を差分した撮像用信号が、撮像素子１００の外部に出力される（加算読み出し）。

次に、時間ｔ６１６において、選択中の２行のうち、Ｒ及びＢフィルタに覆われた画素の信号を読み出すための準備として、リセットパルスφＲＥＳｘをＨにしてリセットスイッチ５０５をオンすることで、ＦＤ２０７のリセットを行う。次に、時間ｔ６１７において、選択中の２行のうち、Ｒ及びＢフィルタに覆われた単位画素の信号の読み出し動作を行う。また、同時にリセットパルスφＲＥＳｘをＬにして、ＦＤ２０７をリセット解除する。

時間ｔ６１７の時間ｔ６１８の間にパルスφＴＮをＨにして、ＭＯＳスイッチ５１３をオンにし、ＦＤ２０７のリセット信号であるＮ信号を蓄電素子５１６に保持する。次に、時間ｔ６１９の間に転送パルスφＴＸ１（ｎ）と、パルスφＳ１を同時にＨにすることで、単位画素３０２，３０５の転送スイッチ２０５、及びＭＯＳスイッチ５１４をオンする。これにより、単位画素３０２，３０５のＰＤ２０３の光信号とＮ信号が加算された信号である第１ＰＤ信号を、蓄電素子５１７に保持する。次に、リセットスイッチ５０５をオンしない状態で、時間ｔ６２０の間に転送パルスφＴＸ１（ｎ），φＴＸ２（ｎ）とパルスφＳ２を同時にＨにして、単位画素３０２，３０５の転送スイッチ２０５，２０６、及びＭＯＳスイッチ５１５をオンする。これにより、単位画素３０２，３０５のＰＤ２０３の光信号とＰＤ２０４の光信号とＮ信号が加算された信号である第２ＰＤ信号を、蓄電素子５１８に保持する。なお、時間ｔ６１９で一度、転送パルスφＴＸ１（ｎ）をオンしてＰＤ２０３の信号をＦＤ２０７に読み出しているので、時間ｔ６２０では転送パルスφＴＸ１（ｎ）はオフ状態でもよい。また、厳密には、時間ｔ６１２の終了から時間ｔ６２０の終了までが蓄積時間となる。

その後、水平走査回路１０４により制御されるｐｈ信号によって、蓄電素子５１６〜５１８が列毎に順に選択され、第１ＰＤ信号からＮ信号が差分されたＡ像信号と、第２ＰＤ信号からＮ信号が差分された撮像用信号とが、撮像素子１００の外部に出力される。撮像用信号はＰＤ２０３とＰＤ２０４の信号を合成した信号であるので、撮像用信号からＡ像信号を減算することでＰＤ２０４の信号であるＢ像信号が生成される。すなわち位相差検知用の信号として用いることができる（分割読み出し）。このように、Ｒ及びＢフィルタにより覆われた画素からは、位相差検知用のＡ像信号及びＢ像信号と、撮像用信号とを得ることができる。

以下、上述した図６（ｂ）に示す駆動制御を、「第２の駆動モード」と呼ぶ。

このように、転送パルスφＴＸ１，φＴＸ２を供給する制御信号線と、転送パルスφＴＸ３，φＴＸ４を供給する制御信号線のうち、一方を分割読み出しを行うように駆動し、他方を加算読み出しを行うように駆動する。これにより、撮像用信号のみが求められている画素では位相差検知用の第１ＰＤ信号を読み出す時間が不要となり、撮像のみを行う画素の読み出しを高速化することが可能となる。

また、上述したような簡単な駆動タイミングの制御で、位相差検知用信号として読み出すか、撮像用信号として読み出すかを、Ｇフィルタに覆われた画素群、及び、Ｒフィルタ及びＢフィルタに覆われた画素群のそれぞれについて、制御することが可能となる。

なお、上述したように、撮像素子１００から出力される信号は１行毎に順次出力されるのではなく、１画素おきに異なる行の信号が出力されることになる。従って、画像信号として使用する際には、データ順を画素配置どおりにするために、撮像素子１００の内部もしくは、外部で画素データの並べ替えをする必要がある。

また、上述した例では、各マイクロレンズ２０２に対して、２つのＰＤ２０３、ＰＤ２０４を構成した場合について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、各マイクロレンズ２０２に対して、３つ以上のＰＤを構成することもできる。その場合、転送パルスφＴＸを供給する制御信号線の数を、ＰＤと同数にすることにより、上述した２つのＰＤ２０３、ＰＤ２０４で構成した場合と同様に制御を行うことができる。

次に、上記構成を有する撮像素子１００を撮像装置であるデジタルカメラに適用した場合について説明する。

図７において、レンズ部７０１は、被写体の光学像を撮像素子１００に結像させると共に、レンズ駆動部７０２によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などが行われる。メカニカルシャッタ７０３は、シャッタ制御部７０４によって制御される。撮像素子１００は、レンズ部７０１により結像された被写体の光学像を光電変換して画像信号として取り込む。撮像信号処理回路７０６は、撮像素子１００より出力される画像信号に各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする。また、上述したようにして撮像素子１００から得られた位相差検知用の信号を用いて焦点状態の検出を行う演算回路も含む。

タイミング発生部７０７は、撮像素子１００、撮像信号処理回路７０６に、各種タイミング信号を出力し、少なくとも、上述した図６（ａ）及び図６（ｂ）に示した第１の駆動モード及び第２の駆動モードに対応する２種類のタイミング信号を発生する。制御部７０９は、各種演算と撮像装置全体を制御する。また、被写体の条件に応じて、第１の駆動モードと第２の駆動モードのいずれのタイミング信号を使用するかを切り替える機能を含む。

メモリ７０８は、画像データを一時的に記憶する。インターフェース（Ｉ／Ｆ）７１０は、記録媒体７１１への記録または読み出しを行う。記録媒体７１１は、画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体により構成される。表示部７１２は、各種情報や撮影画像を表示する。

次に、上記構成を有するデジタルカメラにおける撮影時の処理について説明する。図８は、電源をＯＮしてから撮影に至るまでの本実施形態における処理を示すフローチャートである。

メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路７０６などの撮像系回路の電源がオンされる（Ｓ８０１）。そして、制御部７０９は、まず、図６（ａ）を参照して上述した第１の駆動モードをタイミング発生部７０７に設定する（Ｓ８０２）。第１の駆動モードは、Ｇフィルタの単位画素から位相差検知用信号を読み出すモードである。

次に、被写体の色を解析する。具体的には、まず、第１のモードで撮像素子１００を駆動し、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素それぞれから読み出された撮像用信号の平均値Ｒ、平均値Ｇ、平均値Ｂを求める（Ｓ８０３）。そして、平均値Ｒと平均値Ｇとを比較して、その大小関係を判定する（Ｓ８０４）。平均値Ｒの方が大きいと判定された場合は、Ｓ８０６に進み、図６（ｂ）を参照して上述した第２の駆動モードを設定する。第２の駆動モードは、Ｒ及びＢフィルタの画素から位相差検知用信号を読み出すモードである。一方、Ｓ８０４において平均値Ｒが平均値Ｇ以下と判定された場合はＳ８０５に進み、平均値Ｂと平均値Ｇの大小関係を判定する（Ｓ８０５）。平均値Ｂの方が大きいと判定された場合はＳ８０６に進んで、第２の駆動モードを設定し、平均値Ｂが平均値Ｇ以下と判定された場合は、第１の駆動モードの設定のままＳ８０７に進む。

Ｓ８０７において、不図示のレリーズボタンの半押し（ＳＷ１ ＯＮ）により撮影準備が指示されたか否かを判断する。半押しされていなければ、Ｓ８０２に戻って、上述した処理を繰り返す。半押しされていれば、設定された駆動モードで撮像素子１００から得られたＡ像信号とＢ像信号に基づいて、位相差の演算を行う（Ｓ８０８）。このとき、位相差の演算に用いる信号は、Ｓ８０２で設定したようにＧ画素から得られた位相差検知用信号、もしくはＳ８０６で設定したＲ画素またはＢ画素から得られた位相差検知用信号であるので、被写体の色に適した位相差検知が可能となる。また、被写体に含まれる色成分が少ない色は撮像用信号として読み出すので、全画素を位相差検知用信号として読み出すよりも高速な読み出し動作が可能となる。

その後、レリーズボタンの全押し（ＳＷ２ ＯＮ）により、撮影が指示されたか否かを判断する（Ｓ８０９）。全押しされていなければ、Ｓ８０７に戻って上述した処理を繰り返す。全押しされていれば、Ｓ８１０に進んで撮影動作を行い、Ｓ８０２に戻る。

なお、不図示ではあるが、撮影動作が終了すると、撮像素子１００から出力された画像信号は撮像信号処理回路７０６で画像処理され、制御部７０９によりメモリ７０８に書き込まれる。撮像信号処理回路７０６では、並べ替え処理、加算処理やその選択処理が行われる。メモリ７０８に蓄積されたデータは、制御部７０９の制御によりＩ／Ｆ７１０を介して半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体７１１に記録される。また、不図示の外部Ｉ／Ｆ部を介して、直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

また、Ｓ８０３では前述した平均値Ｒ、平均値Ｇ、平均値Ｂとしては、画面全領域に亘って信号の平均値を求めてもよいし、画面中心部を重点化した重み付け平均値であってもよい。また、主要被写体を判断する手段を別途設けて、主要な被写体と判断された画面領域の平均値を重点化してもよい。このような平均値演算は、オートホワイトバランス等で取得される平均値を代用しても構わない。また、当該オートホワイトバランスによる補正結果を加味してＳ８０４及びＳ８０５で行われた大小関係を判定してもよい。

上記の通り、本実施形態によれば、被写体の色に適した位相差検知が可能となると共に、被写体に含まれる色成分が少ない色は撮像用信号として読み出すので、全画素を位相差検知用信号として読み出すよりも高速な読み出し動作が可能となる。

＜変形例＞
図９は、撮影に至るまでの別の処理を示すフローチャートである。以下、撮影開始までの処理を図９を参照して説明する。

メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路７０６などの撮像系回路の電源がオンされる（Ｓ９０１）。そして、制御部７０９は、まず第２の駆動モードをタイミング発生部７０７に設定する（Ｓ９０２）。

次に、Ｓ９０３において、Ｒ画素及びＢ画素から得られたＡ像信号とＢ像信号に基づいて公知の位相差演算を行い、相関値を求める。具体的には、
相関値（ｋ）＝Σ｜Ａ（Ｈ）Ｂ（Ｈ＋ｋ）−Ａ（Ｈ）Ｂ（Ｈ）｜

において最大となる相関値（ｋ）＝相関値（ｋｍａｘ）を求め、Ｒ相関値（ｋｍａｘ）及びＢ相関値（ｋｍａｘ）を記録しておく。
次に、Ｓ９０４において第１の駆動モードをタイミング発生部７０７に設定し、Ｒ及びＢ信号と同様にして、Ｓ９０５においてＧ信号のＡ像信号とＢ像信号に基づいて、Ｇ相関値（ｋｍａｘ）を算出し、記録しておく。

その後、Ｓ９０６において、記録したＲ相関値（ｋｍａｘ）とＧ相関値（ｋｍａｘ）の大小関係を判定する。Ｒ相関値（ｋｍａｘ）の方が大きいと判定された場合は、Ｓ９０８に進み、第２の駆動モードを設定する。Ｓ９０６においてＲ相関値（ｋｍａｘ）がＧ相関値（ｋｍａｘ）以下と判定された場合はＳ９０７に進み、Ｂ相関値（ｋｍａｘ）とＧ相関値（ｋｍａｘ）の大小関係を判定する。ここでＢ相関値（ｋｍａｘ）の方が大きいと判定された場合はＳ９０８に進み、第２の駆動モードを設定する。Ｂ相関値（ｋｍａｘ）がＧ相関値（ｋｍａｘ）以下と判定された場合は、第１の駆動モードの設定のままＳ９０９に進む。

Ｓ９０９において、不図示のレリーズボタンの半押し（ＳＷ１ ＯＮ）により撮影準備が指示されたか否かを判断する。半押しされていなければ、Ｓ９０２に戻って、上述した処理を繰り返す。半押しされていれば、設定された駆動モードで撮像素子１００から得られたＡ像信号とＢ像信号に基づいて、位相差の演算を行う（Ｓ９１０）。このとき、位相差の演算に用いる信号は、Ｓ９０４で設定したようにＧ画素から得られた位相差検知用信号、もしくはＳ９０８で設定したＲ画素またはＢ画素から得られた位相差検知用信号であるので、被写体の色に適した位相差検知が可能となる。また、被写体に含まれる色成分が少ない色は撮像用信号として読み出すので、全画素を位相差検知用信号として読み出すよりも高速な読み出し動作が可能となる。

その後、レリーズボタンの全押し（ＳＷ２ ＯＮ）により、撮影が指示されたか否かを判断する（Ｓ９１１）。全押しされていなければ、Ｓ９０９に戻って、上述した処理を繰り返す。全押しされていれば、Ｓ９１２に進んで撮影動作を行い、Ｓ９０２に戻る。

図９に示す処理では、撮像系が起動した際にＧ画素とＲ画素とＢ画素の位相差演算の相関値を比較して、相関値の高い色信号を位相差検知用信号として読み出すように制御する。これにより、被写体の色に適した位相差検知を行いつつ、レリーズボタンが押された際の位相差検出にかかる読み出し動作を高速にすることができる。

１００：撮像素子、２０１：画素、２０２：マイクロレンズ、２０３，２０４：フォトダイオード、７０６：撮像信号処理回路、７０７：タイミング発生部、７０９：制御部、φＴＸ１，φＴＸ２，φＴＸ３，φＴＸ４：転送パルス

Claims (10)

1. 入射光量に応じた電荷を蓄積する複数の光電変換部を各々が備え、行列状に配置された複数の単位画素と、
   前記複数の単位画素にそれぞれ対応づけて配置された、互いに異なる複数の色に対応する波長の光を主に透過するカラーフィルタと、
   予め決められた複数の行ごとに配され、前記複数の行に含まれる第１の色のカラーフィルタに対応する前記単位画素にそれぞれ接続された第１の制御信号線と、
   前記予め決められた複数の行ごとに配され、前記複数の行に含まれる第２の色のカラーフィルタに対応する前記単位画素にそれぞれ接続された第２の制御信号線と、
   を有することを特徴とする撮像素子。
2. 前記複数の単位画素の各々は、マイクロレンズを備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記第１の制御信号線と前記第２の制御信号線を、それぞれ前記単位画素の互いに異なる行間に配置したことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
4. 前記第１の制御信号線と前記第２の制御信号線を、前記単位画素の同じ行間に配置したことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
5. 前記第１の制御信号線および前記第２の制御信号線は、それぞれ、前記各単位画素に含まれる複数の光電変換部と同数の制御信号線を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子。
6. 前記カラーフィルタは、ベイヤー配列のカラーフィルタであって、前記第１の制御信号線は、緑のカラーフィルタに対応する前記単位画素に接続され、前記第２の制御信号線は、赤および青のカラーフィルタに対応する前記単位画素に接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像素子と、
   前記撮像素子から得られた画像信号を解析した結果に基づいて、前記第１の制御信号線および前記第２の制御信号線のいずれか一方を、接続された前記単位画素から、視差を有する一対の信号および該一対の信号を加算した加算信号を得ることが可能な分割読み出し方法で駆動し、他方を、接続された前記複数の光電変換部から、視差を有する一対の信号を得ずに加算信号を得る加算読み出し方法で駆動するように制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする撮像装置。
8. 前記撮像素子から得られた画像信号に含まれる前記複数の色の信号の色ごとの平均値を求める演算手段を更に有し、
   前記制御手段は、前記複数の色のうち、前記平均値が最も高い色のカラーフィルタに対応する前記単位画素に接続された前記第１の制御信号線または前記第２の制御信号線を、前記分割読み出し方法で駆動するように制御することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記撮像素子から得られた画像信号に基づいて、前記複数の色それぞれについて相関値を演算する演算手段を更に有し、
   前記制御手段は、前記複数の色のうち、前記相関値が最も高い色のカラーフィルタに対応する前記単位画素に接続された前記第１の制御信号線または前記第２の制御信号線を、前記分割読み出し方法で駆動するように制御することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
10. 入射光量に応じた電荷を蓄積する複数の光電変換部を各々が備え、行列状に配置された複数の単位画素と、前記複数の単位画素にそれぞれ対応づけて配置された、互いに異なる複数の色に対応する波長の光を主に透過するカラーフィルタと、予め決められた複数の行ごとに配され、前記複数の行に含まれる第１の色のカラーフィルタに対応する前記単位画素にそれぞれ接続された第１の制御信号線と、前記予め決められた複数の行ごとに配され、前記複数の行に含まれる第２の色のカラーフィルタに対応する前記単位画素にそれぞれ接続された第２の制御信号線と、を有する撮像素子の駆動方法であって、
    制御手段が、前記撮像素子から得られた画像信号を解析した結果に基づいて、前記第１の制御信号線および前記第２の制御信号線のいずれか一方を、接続された前記単位画素から、視差を有する一対の信号および該一対の信号を加算した加算信号を得ることが可能な分割読み出し方法で駆動し、他方を、接続された前記単位画素から、視差を有する一対の信号を得ずに加算信号を得る加算読み出し方法で駆動すると判断する判断工程と、
    読み出し手段が、前記判断工程で判断した結果に応じて、前記第１の制御信号線および前記第２の制御信号線のいずれか一方を前記分割読み出し方法で駆動して、接続された前記単位画素から信号を読み出し、他方を前記加算読み出し方法で駆動して、接続された前記単位画素から信号を読み出す読み出し工程と、
    を有することを特徴とする駆動方法。

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