JP2018061116A - 撮像装置、撮像装置の制御方法、プログラム、および、記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】焦点検出および撮影画像の取得に要求される画質の維持とフレームレートの高速化を実現することが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置（１０）は、撮像光学系の互いに異なる瞳領域を通過する光を受光する第１のフォトダイオード（２０１Ａ）および第２のフォトダイオード（２０１Ｂ）を含む撮像素子（１０１）と、第１のフォトダイオードに蓄積された第１の電荷を第１の信号（Ａ像信号）として読み出し、第１の電荷と第２のフォトダイオードに蓄積された第２の電荷との合算電荷を第２の信号（Ａ＋Ｂ像信号）として読み出す制御手段（１０９）とを有し、制御手段は、第１の転送制御により、第１のフォトダイオードから第１の電荷を転送し、第１の転送制御とは異なる第２の転送制御により、第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードから第１の電荷および第２の電荷をそれぞれ転送する。【選択図】図５

Description

本発明は、焦点検出が可能な撮像装置に関する。

特許文献１には、撮像素子から得られた信号により焦点検出が可能な撮像素子が開示されている。１つのマイクロレンズに対応するフォトダイオードを２つに分割し、２つの分割フォトダイオードが撮像レンズの互いに異なる瞳面の光を受光するように構成されている。そして、２つの分割フォトダイオードの出力信号を比較して、焦点検出を行う。また、単位画素を構成する２つの分割フォトダイオードからの出力信号を加算して、通常の撮像画像を得ることもできる。

特許文献２には、第１の転送動作により２つの分割フォトダイオードの一方から画素信号（Ａ像信号）を読み出し、その後、リセットせずに、第２の転送動作により２つの分割フォトダイオードの両方の画素信号（Ａ＋Ｂ像信号）を読み出す方法が開示されている。

特許文献３には、転送スイッチがオフ状態となる第１のレベルと、転送スイッチがオン状態となる第２のレベルと、第１のレベルと第２のレベルとの間にある第３のレベルとを有する撮像装置が開示されている。特許文献３の撮像装置は、転送スイッチをオン状態からオフ状態にするときに第２のレベルから第１のレベルへ移行する間に第３のレベルを所定時間保持する。このような構成により、転送スイッチ領域にある電荷の一部がフォトダイオードに戻ってしまうことにより発生するランダムノイズや残像を抑制することができる。

特許第３７７４５９７号 特開２０１３−１０６１９４号公報 特許第３６６７２１４号

特許文献２のように第１の転送動作および第２の転送動作の両方に関して、特許文献３のように転送スイッチのオン状態からオフ状態への第３のレベルを所定時間保持して転送パルス信号の立下り時間を確保することは可能である。しかしながら、第１の転送動作および第２の転送動作の両方において十分な立下り時間を確保しようとすると、高速なフレームレートを実現することが困難である。一方、転送パルス信号の立下り時間を確保しないと、ランダムノイズなどの影響により画質性能が低下する可能性がある。

そこで本発明は、上記問題に鑑み、焦点検出および撮影画像の取得に要求される画質の維持とフレームレートの高速化を実現することが可能な撮像装置、撮像装置の制御方法、プログラム、および、記憶媒体を提供する。

本発明の一側面としての撮像装置は、撮像光学系の互いに異なる瞳領域を通過する光を受光する第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードを含む撮像素子と、前記第１のフォトダイオードに蓄積された第１の電荷を第１の信号として読み出し、該第１の電荷と前記第２のフォトダイオードに蓄積された第２の電荷との合算電荷を第２の信号として読み出す制御手段とを有し、前記制御手段は、第１の転送制御により、前記第１のフォトダイオードから前記第１の電荷を転送し、前記第１の転送制御とは異なる第２の転送制御により、前記第１のフォトダイオードおよび前記第２のフォトダイオードから前記第１の電荷および前記第２の電荷をそれぞれ転送する。

本発明の他の側面としての撮像装置の制御方法は、前記第１の転送制御により、前記第１のフォトダイオードから前記第１の電荷を転送するステップと、前記第１の転送制御とは異なる第２の転送制御により、前記第１のフォトダイオードおよび前記第２のフォトダイオードから前記第１の電荷および前記第２の電荷をそれぞれ転送するステップとを有する。

本発明の他の側面としてのプログラムは、前記撮像装置の制御方法をコンピュータに実行させる。

本発明の他の側面としての記憶媒体は、前記プログラムを記憶している。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。

本発明によれば、焦点検出および撮影画像の取得に要求される画質の維持とフレームレートの高速化を実現することが可能な撮像装置、撮像装置の制御方法、プログラム、および、記憶媒体を提供することができる。

本実施形態における撮像装置のブロック図である。 本実施形態における撮像素子の画素配列図である。 本実施形態における単位画素の回路図である。 本実施形態における撮像素子の回路構成図である。 本実施形態における画素信号の読み出し動作を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本実施形態における撮像装置について説明する。図１は、撮像装置１０のブロック図である。撮像装置１０において、撮像光学系は、撮像レンズ１００および絞り２０４（レンズ絞り）を備えている。撮像光学系により形成された被写体像（光学像）は、マイクロレンズ１０２とフォトダイオード２０１とを有する撮像素子１０１で受光される。撮像素子１０１は、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサである。撮像レンズ１００を通過した光は、撮像レンズ１００の焦点位置の近傍に結像する。マイクロレンズ１０２は、撮像レンズ１００（撮像光学系）の互いに異なる瞳領域を通過した光を瞳領域ごとに分割して出射する。撮像レンズ１００は、焦点検出（距離測定）結果に応じて焦点を合わせる動作（合焦動作）を行う焦点駆動機構（不図示）を有する。

アナログ信号処理回路（ＡＦＥ）１０４は、撮像素子１０３から出力される画像信号に対して相関二重サンプリング処理、信号増幅、基準レベル調整、および、Ａ／Ｄ変換処理などのアナログ信号処理を行う。デジタル信号処理回路（ＤＦＥ）１０５は、アナログ信号処理回路１０４から出力される画像信号に対して基準レベル調整などのデジタル信号処理を行う。

画像処理回路１０６は、デジタル信号処理回路１０５から出力された画像信号に対して、後述するＡ像とＢ像との相関演算、焦点検出、および、欠陥補正などの画像処理を行う。メモリ回路１０７は、画像処理回路１０６から出力された画像信号などを記録（保持）する不揮発性メモリである。記録回路１０８は、画像処理回路１０６から出力された画像信号などを記録するメモリカードなどの記録媒体である。制御回路１０９（ＣＰＵなどの制御手段）は、撮像素子１０１や画像処理回路１０６などの撮像装置１０の各部（撮像装置１０の全体）を統括的に駆動および制御する。操作回路１１０は、撮像装置１０に設けられた操作部材からの信号を受け付け、制御回路１０９に対してユーザの命令を伝達する。表示回路１１１は、撮影画像やライブビュー画像、および、各種の設定画面などを表示する。

本実施形態において、制御回路１０９は、第１の転送制御により、第１のフォトダイオードに蓄積された第１の電荷を第１の信号（Ａ像信号）として読み出す。また制御回路１０９は、第１の電荷と第２のフォトダイオードに蓄積された第２の電荷との合算電荷を第２の信号（Ａ＋Ｂ像信号）として読み出す。また制御回路１０９は、第１の転送制御により、第１のフォトダイオードから第１の電荷を転送し、第１の転送制御とは異なる第２の転送制御により、第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードから第１の電荷および第２の電荷をそれぞれ転送する。なお制御回路１０９は、第１の転送制御を行った後、浮遊拡散容量（後述のフローティングディフュージョン領域３０３）に対するリセット動作を行うことなく第２の転送制御を行う。これらの詳細については、後述する。なお、第１の転送制御および第２の転送制御はそれぞれ、制御回路１０９と後述のゲート駆動回路１２５０とにより実現される。

また制御回路１０９は、第２の信号（Ａ＋Ｂ像信号）から第１の信号（Ａ像信号）を減算することにより第３の信号（Ｂ像信号）を生成する。制御回路１０９は、第１の信号（Ａ像信号）と第３の信号（Ｂ像信号）とを用いて位相差方式の焦点検出を行い、第２の信号（Ａ＋Ｂ像信号）を用いて撮影画像データを生成する。

次に、図２を参照して、撮像素子１０１の構成、マイクロレンズ１０２とフォトダイオード２０１との関係、および、画素の定義について説明する。図２は、撮像素子１０１の画素配列図であり、撮像素子１０１およびマイクロレンズ１０２を図１の光軸Ｚに沿った方向（光軸方向）から見た図を示している。

本実施形態において、１つのマイクロレンズ１０２に対応する１つの画素を単位画素２００と定義する。また、１つのマイクロレンズ１０２に対して複数の分割画素（複数の副画素（光電変換部）としての複数のフォトダイオード２０１）が水平方向（光軸方向と直交するＸ軸方向）に２個並んで配置されている。本実施形態において、１つのマイクロレンズ１０２に対する（１つのマイクロレンズ１０２を共有する）２つの分割画素をそれぞれ、フォトダイオード２０１Ａ（第１のフォトダイオード）およびフォトダイオード２０１Ｂ（第２のフォトダイオード）という。このように本実施形態において、フォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂは、一つのマイクロレンズ１０２を共有している。また撮像素子１０１は、マイクロレンズ１０２と、マイクロレンズ１０２を共有するフォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂとがそれぞれ二次元状に複数配列されている。なお本実施形態では、１つのマイクロレンズ１０２に対して２つの分割画素を設けているが、例えば４つの分割画素など、２つ以外の複数の分割画素を有する構成であっても本実施形態は適用可能である。

次に、図３を参照して、撮像素子１０１における単位画素２００の回路構成について説明する。図３は、単位画素２００の回路図である。単位画素２００は、フォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂ、転送スイッチ３０２Ａ、３０２Ｂ、フローティングディフュージョン領域３０３、増幅部３０４、リセットスイッチ３０５、および、選択スイッチ３０６を含んで構成される。

フォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂ（光電変換部）は、撮像光学系の互いに異なる瞳領域を通過した光（同一のマイクロレンズを通過した光）を受光し、その受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換部として機能する。転送スイッチ３０２Ａ（第１の転送スイッチ、第１の転送トランジスタ）は、フォトダイオード２０１Ａで発生して蓄積された電荷（Ａ像信号に対応する第１の電荷）を転送する。転送スイッチ３０２Ｂ（第２の転送スイッチ、第２の転送トランジスタ）は、フォトダイオード２０１Ｂで発生して蓄積された電荷（Ｂ像信号に対応する第２の電荷）を転送する。

フォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂで発生して蓄積された電荷は、転送スイッチ３０２Ａ、３０２Ｂの動作に応じて、共通のフローティングディフュージョン領域３０３（浮遊拡散容量）に転送される。フローティングディフュージョン領域３０３は、第１の転送制御により、転送スイッチ３０２Ａから転送された第１の電荷（Ａ像信号に対応する電荷）を保持する。またフローティングディフュージョン領域３０３は、第２の転送制御により、転送スイッチ３０２Ａおよび転送スイッチ３０２Ｂからそれぞれ転送された第１の電荷と第２の電荷との合算電荷（Ａ＋Ｂ像信号に対応する電荷）を保持する。

制御回路１０９は、転送パルス信号ＰＴＸＡ（第１の制御信号）により転送スイッチ３０２Ａのオン状態およびオフ状態を制御し、転送パルス信号ＰＴＸＢ（第２の制御信号）により転送スイッチ３０２Ｂのオン状態およびオフ状態を制御する。転送スイッチ３０２Ａは、転送パルス信号ＰＴＸＡがＨレベル（第１のレベル）の場合にオン状態、転送パルス信号ＰＴＸＡがＬレベル（第２のレベル）の場合にオフ状態となる。転送スイッチ３０２Ｂは、転送パルス信号ＰＴＸＢがＨレベル（第１のレベル）の場合にオン状態、転送パルス信号ＰＴＸＢがＬレベル（第２のレベル）の場合にオフ状態となる。

フローティングディフュージョン領域３０３（浮遊拡散容量）は、フォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂから転送された電荷を一時的に保持するとともに、保持した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部として機能する。増幅部３０４は、ソースフォロワＭＯＳトランジスタであり、フローティングディフュージョン領域３０３に保持した電荷に基づく電圧信号を増幅し、画素信号として出力する。リセットスイッチ３０５は、リセットパルス信号ＰＲＥＳにより制御され、フローティングディフュージョン領域３０３の電位を基準電位３０８（ＶＤＤ）にリセットするリセット手段である。選択スイッチ３０６は、垂直選択パルス信号ＰＳＥＬにより制御され、増幅部３０４で増幅された画素信号を垂直出力線３０７に出力する。３０８は共通電源の基準電位（ＶＤＤ）である。

次に、図４を参照して、撮像素子１０１の回路構成について説明する。図４は、撮像素子１０１の回路構成図である。画素領域１２００には、複数の単位画素２００が行列状に配置されている。なお、説明の簡略化のため、画素領域１２００には複数の単位画素２００として８×４画素が含まれているが、実際の画素数はさらに多数である。

垂直シフトレジスタ１２０１は、制御回路１０９の指令に基づいて垂直走査を行い、各行の画素ごとに共通の駆動信号線１２２２を通して駆動パルスを出力する。なお、駆動信号線１２２２として、簡略化のため、転送パルス信号ＰＴＸＡ’、ＰＴＸＢ’、および、転送パルスの移行パターン制御信号Ｐｌ１、Ｐｌ２のみを示しているが、実際には行ごとに前述の信号以外の複数の駆動信号線が接続されている。

垂直シフトレジスタ１２０１から出された転送パルス信号ＰＴＸＡ’、ＰＴＸＢ’は、ゲート駆動回路１２５０（制御手段）を介して、転送パルス信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢに変換され、転送スイッチ３０２Ａ、３０２Ｂを制御する。ゲート駆動回路１２５０は、転送パルス信号ＰＴＸＡ’、ＰＴＸＢ’を入力し、移行パターン制御信号Ｐｌ１、Ｐｌ２に応じて、出力する転送パルス信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢのオン状態からオフ状態の移行パターンを制御する。例えば、移行パターン制御信号Ｐｌ１、Ｐｌ２に応じてゲート駆動回路１２５０内の定電流源（不図示）の電流量を切り替えることにより、ゲートの立下り量を制御する。本実施形態において、定電流源の電流量は、移行パターン制御信号Ｐｌ１の場合には第１の電流量に設定され、移行パターン制御信号Ｐｌ２の場合には第２の電流量に設定される。なお、移行パターン制御信号Ｐｌ１、Ｐｌ２が出力されない場合、転送パルス信号ＰＴＸＡ’、ＰＴＸＢ’はそのまま転送パルス信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢとして、遅延なく出力される。

同じ列の単位画素２００は、共通の垂直出力線３０７に接続されている。各画素からの信号は、垂直出力線３０７を介して、共通の読み出し回路１２０３に入力される。読み出し回路１２０３で処理された信号は、水平走査を行うための水平シフトレジスタ１２２０により、順次、出力アンプ１２２１に出力される。定電流源１２０２は、垂直出力線３０７に接続されている。

読み出し回路１２０３は、列ごとに複数設けられている。なお、各列の構成は共通であるため、第１列のみに関して詳述する。１２０６は、垂直出力線３０７上の信号電圧を増幅するためのオペアンプである。１２０７は、オペアンプ１２０６の基準電圧を供給する基準電圧源（Ｖｒｅｆ）である。１２０４は、クランプ容量（Ｃ０）である。１２０５は、フィードバック容量（Ｃｆ）である。１２２３は、フィードバック容量１２０５の両端をショートさせるためのスイッチである。スイッチ１２２３は、信号ＰＣ０Ｒにより制御される。

１２０８、１２１０、１２０９はそれぞれ、信号電圧を保持するための第１の容量であり、第１の容量１２０８、１２１０、１２０９をそれぞれ容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ、容量ＣＴＳ＿Ａ、容量ＣＴＮとする。１２１２、１２１４、１２１３はそれぞれ、容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ、ＣＴＳ＿Ａ、ＣＴＮへの書き込みを制御するスイッチである。スイッチ１２１２は、信号ＰＴＳＡＢ１により制御され、スイッチ１２１４は、信号ＰＴＳＡ１により制御される。スイッチ１２１３は、信号ＰＴＮ１により制御される。

１２３０、１２３１はそれぞれ、信号電圧を保持するための第２の容量であり、１２３０、１２３１をそれぞれ容量ＣＴＳ２、１２３１とする。第２の容量１２３０、１２３１は、第１の容量１２０８、１２１０、１２０９への信号書き込みと水平シフトレジスタ１２２０の動作とを同時に行うために設けられている。１２１６、１２１８、１２１７はそれぞれ、第２の容量への書き込みを制御するスイッチである。スイッチ１２１６は、容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ（第１の容量１２０８）の信号を容量ＣＴＳ２（第２の容量１２３０）に書き込むため、信号ＰＴＳＡＢ２により制御される。スイッチ１２１８は、容量ＣＴＳ＿Ａ（第１の容量１２１０）の信号を容量ＣＴＳ２（第２の容量１２３０）に書き込むため、信号ＰＴＳＡ２により制御される。スイッチ１２１７は、容量ＣＴＮ（第１の容量１２０９）の信号を容量ＣＴＮ２（第２の容量１２３１）に書き込むため、信号ＰＴＮ２により制御される。

第２の容量の直前には、バッファとしてのボルテージフォロワ回路１２３２、１２３３、１２３４が設けられている。ボルテージフォロワ回路１２３２、１２３３、１２３４はそれぞれ、第１の容量１２０８、１２１０、１２０９に蓄積された電位と等しい電位を、容量分割によらず第２の容量１２３０、１２３１に伝達する機能を有する。スイッチ１２３５、１２３６は、水平シフトレジスタ１２２０からの駆動パルス信号ＰＨ（Ｈ_０〜Ｈ_７）により制御され、容量ＣＴＳ２（第２の容量１２３０）に書き込まれた信号は、共通出力線１２２４を介して出力アンプ１２２１に出力される。また、容量ＣＴＮ２（第２の容量１２３１）に書き込まれた信号は、共通出力線１２２５を介して、出力アンプ１２２１に出力される。

次に、図５を参照して、撮像素子１０１から画素信号を読み出す方法（撮像装置１０の制御方法）について説明する。図５は、画素信号の読み出し動作を示すタイミングチャートである。図５の読み出し動作は、制御回路１０９の指令に基づいて実行される。

まず、選択スイッチ３０６の制御信号（垂直選択パルス信号ＰＳＥＬ）をＬ（ロー）、リセットスイッチ３０５の制御信号（リセットパルス信号ＰＲＥＳ）をＨ（ハイ）に設定し、フローティングディフュージョン領域３０３をリセットした状態から始まる。時刻ｔ１において、転送スイッチ３０２Ａ、３０２Ｂの転送パルス信号ＰＴＸＡ’、ＰＴＸＢ’をＨに設定して転送パルス信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢがＨになると、フォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂに蓄積された電荷（光電荷）がリセットされる（リセット状態）。続いて時刻ｔ２において、転送パルス信号ＰＴＸＡ’、ＰＴＸＢ’をＬに設定して転送パルス信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢがＬになると、フォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂのリセット状態が解除され、フォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂは光電荷の蓄積を開始する。なお、時刻ｔ１〜ｔ２において、移行パターン制御信号Ｐｌ１、Ｐｌ２はＬに設定されているため、ゲート駆動回路１２５０は移行パターンの遅延制御を行わない。

所定の期間だけ電荷を蓄積した後、時刻ｔ３において、選択スイッチ３０６の制御信号（垂直選択パルス信号ＰＳＥＬ）をＨに設定し、増幅部３０４をＯＮにする。続いて時刻ｔ４において、リセットスイッチ３０５の制御信号（リセットパルス信号ＰＲＥＳ）をＬに設定することにより、フローティングディフュージョン領域３０３のリセットを解除する。このときのフローティングディフュージョン領域３０３の電位を、リセット信号レベルとして、増幅部３０４を介して垂直出力線３０７に読み出し、読み出し回路１２０３に入力する。読み出し回路１２０３には、オペアンプ１２０６が基準電圧源１２０７（Ｖｒｅｆ）の出力をバッファする状態（信号ＰＣ０ＲがＨでスイッチ１２２３がＯＮの状態）で、リセット信号レベルが入力される。

その後、時刻ｔ５において、信号ＰＣ０ＲをＬ（スイッチ１２２３をＯＮ）に設定する。続いて時刻ｔ６〜ｔ７において、信号ＰＴＮ１をＨからＬに設定し、スイッチ１２１３をＯＮからＯＦＦにする。これにより、その時点での基準電圧源１２０７（Ｖｒｅｆ）の出力を、フローティングディフュージョン領域３０３から垂直出力線３０７を介して、容量ＣＴＮ（第１の容量１２０９）へ書き込む。

続いて時刻ｔ８において、転送パルス信号ＰＴＸＡ’をＨに設定することにより転送パルス信号ＰＴＸＡをＨ（オン状態）にして、フォトダイオード２０１Ａの光電荷をフローティングディフュージョン領域３０３へ転送する。この際、制御信号Ｐｌ１をＨに設定し、ゲート駆動回路１２５０を駆動状態とする。その後、時刻ｔ９において、転送パルス信号ＰＴＸＡ’をＬに設定することにより、転送パルス信号ＰＴＸＡがＬ（オフ状態）となる。このように、転送パルス信号ＰＴＸＡはオン状態（Ｈレベル）からオフ状態（Ｌレベル）へ移行する。このとき本実施形態では、移行パターン制御信号Ｐｌ１によるゲート駆動回路１２５０の駆動により、転送パルス信号ＰＴＸＡのオン状態からオフ状態への移行には所定の時間（第１の移行時間ΔＴ１：時刻ｔ９〜ｔ１０の期間）を要するように制御される。

その後、時刻ｔ９から第１の移行時間ΔＴ１だけ経過した時刻ｔ１０において、信号ＰＴＳＡ１をＨに設定し、時刻ｔ１１において、信号ＰＴＳＡ１をＬに設定する。これにより、フローティングディフュージョン領域３０３に送られたフォトダイオード２０１Ａの電荷が垂直出力線３０７を介して出力され、容量ＣＴＳ＿Ａ（第１の容量１２１０）に保持された信号値が確定する。時刻ｔ８〜ｔ１１の動作を第１の転送動作という。制御回路１０９は、第１の転送動作を実現するために第１の転送制御を行う。

次に、時刻ｔ１２において、転送パルス信号ＰＴＸＡ’をＨに設定して転送パルス信号ＰＴＸＡをＨ（オン状態）とするとともに、転送パルス信号ＰＴＸＢ’をＨに設定して転送パルス信号ＰＴＸＢをＨ（オン状態）とする。これにより、フォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂの光電荷を同時にフローティングディフュージョン領域３０３に読み出すことができる。また、時刻ｔ１２において移行パターン制御信号Ｐｌ２をＨに設定して、ゲート駆動回路１２５０を駆動状態とする。

続いて時刻ｔ１３において、転送パルス信号ＰＴＸＡ’、ＰＴＸＢ’をＬに設定することにより、転送パルス信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢがＬ（オフ状態）になる。このように、転送パルス信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢはオン状態（Ｈレベル）からオフ状態（Ｌレベル）へ移行する。このとき本実施形態では、移行パターン制御信号Ｐｌ２によるゲート駆動回路１２５０の駆動により、転送パルス信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢのオン状態からオフ状態への移行には所定の時間（移行時間ΔＴ２：時刻ｔ１３〜ｔ１４の期間）を要するように制御される。

その後、時刻ｔ１３から移行時間ΔＴ２だけ経過した時刻ｔ１４において、信号ＰＴＳＡＢ１をＨに設定し、時刻ｔ１５において、信号ＰＴＳＡＢ１をＬに設定する。これにより、フローティングディフュージョン領域３０３に送られたフォトダイオード２０１Ａ、２０１Ｂの電荷が垂直出力線３０７を介して出力され、容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ（第１の容量１２０８）に保持された信号値が確定する。時刻ｔ１２〜ｔ１５の動作を第２の転送動作という。第２の転送動作は、フォトダイオード２０１Ａの光電荷に加えて、第１の転送動作では転送されなかったフォトダイオード２０１Ｂの光電荷を含む信号転送である。制御回路１０９は、第２の転送動作を実現するために第２の転送制御を行う。

本実施形態において、転送パルス信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢのオン状態からオフ状態への第１の移行時間ΔＴ１および第２の移行時間ΔＴ２は、ΔＴ１＜ΔＴ２の関係を満たす。その結果、第１の転送動作と第２の転送動作のそれぞれにおいて性能差のある画像信号が得られることになる。これは、第１の転送動作により得られる画像信号と、第２の転送動作により得られる画像信号の目的が互いに異なるために可能となる。具体的には、第１の転送動作は位相差方式の焦点検出信号（副画素信号）を得るための動作であり、画像として直接使用する信号を読み出す動作ではない。このため、ランダムノイズが多少多くても、位相差方式の焦点検出の性能に影響がない程度であれば許容することができる。そこで、フレームレートを向上させるために必要な高速化を優先し、性能的に許容可能な限りにおいて第１の移行時間ΔＴ１を短く設定する。一方、第２の転送動作は画像として使用する信号を読み出す動作である。このため、できる限り、特許文献３に開示されているランダムノイズなどの影響を低減する必要がある。従って、性能重視の緩やかな立ち下げを実現するための移行時間ΔＴ２を設定する。なお、位相差方式の焦点検出性能に影響がない（または、影響が十分小さい）場合、ΔＴ１＝０（緩やかな立ち下げをしない）が理想的である。

第２の転送動作と並行して、後段への出力（水平走査）が行われる。時刻ｔ１２において、信号ＰＴＮ２および信号ＰＴＳＡ２を同時にＬからＨへ設定することにより、スイッチ１２１７、１２１８がオンする。その結果、容量ＣＴＮ（第１の容量１２０９）に保持された信号は、ボルテージフォロワ回路１２３４を介して容量ＣＴＮ２（第２の容量１２３１）へ書き込まれる。また、容量ＣＴＳ＿Ａ（第１の容量１２１０）に保持された信号は、ボルテージフォロワ回路１２３３を介して容量ＣＴＳ２（第２の容量１２３０）に書き込まれる。続いて時刻ｔ１６において、信号ＰＴＮ２および信号ＰＴＳＡ２が同時にＨからＬへ設定され、書き込みが終了する。

その後、時刻ｔ１７〜ｔ１８において、撮像素子１０１はＡ像信号の水平走査を行う。この動作は、容量ＣＴＮ２、ＣＴＳ２に保持された信号を、水平シフトレジスタ１２２０の駆動パルス信号ＰＨが読み出し回路ごとに、順次Ｌ、Ｈ、Ｌに設定することにより、スイッチ１２３５、１２３６が順次オフ、オン、オフする。これにより、スイッチ１２３５、１２３６の動作を行った列の容量ＣＴＳ２、ＣＴＮ２に保持された信号は、共通出力線１２２４、１２２５へそれぞれ読み出され、出力アンプ１２２１により差電圧として出力される。この差電圧がＡ像信号となる。なお、共通出力線１２２４、１２２５は、各列の信号を読み出しごとにリセットスイッチ（不図示）により基準電位にリセットされる。

Ａ像信号の容量ＣＴＳ＿Ａ（第１の容量１２１０）への書き込みが完了した後、時刻ｔ１９以降において、Ａ＋Ｂ像信号の容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ（第１の容量１２０８）への書き込みおよびＡ＋Ｂ像信号の水平走査が行われる。時刻ｔ１９において、信号ＰＴＮ２および信号ＰＴＳＡＢ２を同時にＬからＨへ設定することにより、スイッチ１２１６、１２１７がオンする。これにより、容量ＣＴＮ（第１の容量１２０９）に保持された信号は、ボルテージフォロワ回路１２３４を介して、再び容量ＣＴＮ２（第２の容量１２３１）へ書き込まれる。また、容量ＣＴＳ＿Ａ＋Ｂ（第１の容量１２０８）に保持された信号は、ボルテージフォロワ回路１２３２を介して、容量ＣＴＳ２（第２の容量１２３０）に書き込まれる。そして、時刻ｔ２０において、信号ＰＴＮ２および信号ＰＴＳＡＢ２が同時にＨからＬへ設定され、書き込みが完了する。

その後、容量ＣＴＮ２、ＣＴＳ２に保持された信号は、時刻ｔ２１〜ｔ２２の間に、水平シフトレジスタ１２２０の駆動パルスＰＨが読み出し回路ごとに順次Ｌ、Ｈ、Ｌとなり、それに伴い、スイッチ１２３５、１２３６がオフ、オン、オフとなる。スイッチ１２３５、１２３６がオフ、オン、オフとなった列の容量ＣＴＳ２、ＣＴＮ２に保持された信号は、共通出力線１２２４、１２２５へそれぞれ読み出され、出力アンプ１２２１で差電圧として出力される。この差電圧がＡ＋Ｂ像信号となる。なお、共通出力線１２２４、１２２５は、各列の信号を読み出すごとにリセットスイッチ（不図示）により基準電位にリセットされる。本実施形態において、第２の転送期間に並行して後段への出力を行っているが、であるが、この動作は必須ではない。

このように本実施形態において、制御回路１０９は、第１の転送制御において、転送スイッチ３０２Ａをオン状態からオフ状態へ移行する際に、第１の移行パターンの転送パルス信号ＰＴＸＡを用いて転送スイッチ３０２Ａを制御する。また制御回路１０９は、第２の転送制御において、転送スイッチ３０２Ａ、３０２Ｂのそれぞれをオン状態からオフ状態へ移行する際に、第２の移行パターンの転送パルス信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢを用いて転送スイッチ３０２Ａ、３０２Ｂのそれぞれを制御する。

第１の移行パターンと第２の移行パターンは互いに異なる移行パターンである。本実施形態において、第１の移行パターンは、転送スイッチ３０２Ａをオン状態からオフ状態へ移行する際に、第１の移行時間ΔＴ１をかけて転送パルス信号ＰＴＸＡをＨレベルからＬレベルへ変化させる移行パターンである。第２の移行パターンは、転送スイッチ３０２Ａ、３０２Ｂのそれぞれをオン状態からオフ状態へ移行する際に、第２の移行時間ΔＴ２をかけて転送パルス信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢのそれぞれをＨレベルからＬレベルへ変化させる移行パターンである。本実施形態において、第２の移行時間ΔＴ２は、第１の移行時間ΔＴ１よりも長い。

なお本実施形態では、電荷量が相対的に多い信号（Ａ＋Ｂ像信号）を読み出す場合、電荷量が相対的に少ない信号（Ａ像信号）を読み出す場合よりも転送スイッチの転送パルス信号の立下り時間が長くなるように転送パルス信号の移行パターンを設定している。ただし本実施形態は、これに限定されるものではない。高速なフレームレートを保持しつつ戻り電荷（電荷の転送中における逆方向への電荷移動）を抑制することが可能な他の移行パターンを設定することにより、第１の転送制御および第２の転送制御を実現してもよい。

本実施形態によれば、第１の転送制御により取得する焦点検出信号、および、第２の転送制御により取得する画像信号のそれぞれに必要な性能を維持しつつ、各転送動作による過剰な時間を低減することにより、信号取得動作の高速化が可能となる。なお本実施形態において、ゲート駆動回路１２５０（制御回路１０９）は、転送スイッチの状態変化を回路内の制御電流量の設定に応じて変化させる（定電流源の電流量を変更する）と説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、ゲート駆動回路１２５０（制御回路１０９）は、オンレベルからオフレベルへ移行する間に、複数段階のレベルを切り替える（転送パルス信号に設定されるレベルの段階数を変更する）機能を有していてもよい。このとき、第１の移行パターンとして第１の転送制御におけるオン状態からオフ状態への移行を３段階のレベル、第２の移行パターンとして第２の転送制御におけるオン状態からオフ状態への移行を５段階のレベルのように段階数が変更される。

（その他の実施形態）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

本実施形態によれば、焦点検出および撮影画像の取得に要求される画質の維持とフレームレートの高速化を実現することが可能な撮像装置、撮像装置の制御方法、プログラム、および、記憶媒体を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１０ 撮像装置
１０１ 撮像素子
１０９ 制御回路（制御手段）
２０１Ａ フォトダイオード（第１のフォトダイオード）
２０１Ｂ フォトダイオード（第２のフォトダイオード）

Claims (13)

1. 撮像光学系の互いに異なる瞳領域を通過する光を受光する第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードを含む撮像素子と、
   前記第１のフォトダイオードに蓄積された第１の電荷を第１の信号として読み出し、該第１の電荷と前記第２のフォトダイオードに蓄積された第２の電荷との合算電荷を第２の信号として読み出す制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、
   第１の転送制御により、前記第１のフォトダイオードから前記第１の電荷を転送し、
   前記第１の転送制御とは異なる第２の転送制御により、前記第１のフォトダイオードおよび前記第２のフォトダイオードから前記第１の電荷および前記第２の電荷をそれぞれ転送する、ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮像素子は、
   前記第１のフォトダイオードに蓄積された前記第１の電荷を転送する第１の転送スイッチと、
   前記第２のフォトダイオードに蓄積された前記第２の電荷を転送する第２の転送スイッチと、
   前記第１の転送スイッチから転送された前記第１の電荷、または、前記第１の転送スイッチおよび前記第２の転送スイッチからそれぞれ転送された前記第１の電荷と前記第２の電荷との前記合算電荷を保持する浮遊拡散容量と、を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御手段は、第１の制御信号により前記第１の転送スイッチのオン状態およびオフ状態を制御し、第２の制御信号により前記第２の転送スイッチのオン状態およびオフ状態を制御し、
   前記第１の転送スイッチは、前記第１の制御信号が第１のレベルの場合に前記オン状態、該第１の制御信号が第２のレベルの場合に前記オフ状態となり、
   前記第２の転送スイッチは、前記第２の制御信号が前記第１のレベルの場合に前記オン状態、該第２の制御信号が前記第２のレベルの場合に前記オフ状態となる、ことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記制御手段は、
   前記第１の転送制御において、前記第１の転送スイッチを前記オン状態から前記オフ状態へ移行する際に、第１の移行パターンの前記第１の制御信号を用いて該第１の転送スイッチを制御し、
   前記第２の転送制御において、前記第１の転送スイッチおよび前記第２の転送スイッチのそれぞれを前記オン状態から前記オフ状態へ移行する際に、前記第１の移行パターンとは異なる第２の移行パターンの前記第１の制御信号および前記第２の制御信号を用いて該第１の転送スイッチおよび該第２の転送スイッチのそれぞれを制御する、ことを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記制御手段は、
   前記第１の転送制御において、前記第１の転送スイッチを前記オン状態から前記オフ状態へ移行する際に、第１の移行時間をかけて前記第１の制御信号を前記第１のレベルから前記第２のレベルへ変化させ、
   前記第２の転送制御において、前記第１の転送スイッチおよび前記第２の転送スイッチのそれぞれを前記オン状態から前記オフ状態へ移行する際に、前記第１の移行時間よりも長い第２の移行時間をかけて前記第１の制御信号および前記第２の制御信号のそれぞれを前記第１のレベルから前記第２のレベルへ変化させる、ことを特徴とする請求項３または４に記載の撮像装置。
6. 前記制御手段は、前記第１の転送制御を行った後、前記浮遊拡散容量に対するリセット動作を行うことなく前記第２の転送制御を行うことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記制御手段は、定電流源の電流量を変更することにより、前記第１の転送制御および前記第２の転送制御を実現することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記制御手段は、
   前記第１の制御信号および前記第２の制御信号のそれぞれに関して設定されるレベルの段階数を変更することにより、前記第１の移行パターンおよび前記第２の移行パターンを実現することを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
9. 前記第１のフォトダイオードおよび前記第２のフォトダイオードは、一つのマイクロレンズを共有し、
   前記撮像素子は、前記マイクロレンズと、該マイクロレンズを共有する前記第１のフォトダイオードおよび前記第２のフォトダイオードとがそれぞれ二次元状に複数配列されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 前記制御手段は、
    前記第２の信号から前記第１の信号を減算することにより第３の信号を生成し、
    前記第１の信号と前記第３の信号とを用いて位相差方式の焦点検出を行い、
    前記第２の信号を用いて撮影画像データを生成する、ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
11. 撮像光学系の互いに異なる瞳領域を通過する光を受光する第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードを含む撮像素子と、前記第１のフォトダイオードに蓄積された第１の電荷を第１の信号として読み出し、該第１の電荷と前記第２のフォトダイオードに蓄積された第２の電荷との合算電荷を第２の信号として読み出す制御手段とを有する撮像装置の制御方法であって、
    第１の転送制御により、前記第１のフォトダイオードから前記第１の電荷を転送するステップと、
    前記第１の転送制御とは異なる第２の転送制御により、前記第１のフォトダイオードおよび前記第２のフォトダイオードから前記第１の電荷および前記第２の電荷をそれぞれ転送するステップと、を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
12. 請求項１１に記載の撮像装置の制御方法をコンピュータに実行させるプログラム。
13. 請求項１２に記載のプログラムを記憶していることを特徴とする記憶媒体。