JP2019186792A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＡＦ検出精度の悪化を防ぐ。【解決手段】 アナログ画素信号の信号レベルと時間に応じて変化する参照レベルを比較することによりデジタルの画素信号に変換するＡＤ変換回路を有し、前記ＡＤ変換回路は変化率の異なる複数の参照信号を有し、ＡＦ演算処理に使用される画素領域における１行内のＡＤ変換時の参照信号の変化率が同じになるように制御する。【選択図】 図１１

Description

本発明は、撮像装置に関するものである。

複数の画素が行列状に配置された撮像素子において、画素配列の列毎に各画素から出力される信号をアナログ／デジタル変換するためのＡＤ変換器を備えた構成がある。ＡＤ変換器の各々では、列毎に画素から出力される画像信号のレベルとランプ状の参照信号のレベルを比較器で比較する。

そして、画像信号と参照信号との比較を開始してから比較器の出力が反転するまでの時間をカウントし、画像信号のデジタル値として出力することでＡＤ変換を行う。このような参照信号比較型のＡＤ変換を高速化するために、各画素から出力される画像信号のレベルに応じて参照信号のスロープ（傾き）を変化させる技術が知られている（特許文献１）。

また、撮像面において瞳分割方式の焦点検出が可能な撮像素子が知られている（特許文献２）。このような撮像素子では、１つの画素に２つのフォトダイオードを備え、各フォトダイオードは１つのマイクロレンズによって撮影レンズの異なる瞳分割領域を通過した光を受光するように構成されている。

２つのフォトダイオードからの出力信号を比較することで、撮影レンズの焦点検出を行うことができる。また、２つのフォトダイオードからの出力信号を加算することにより、撮影画像の信号を得ることができる。

特開２０１６−１５７５８号 特開２００１−１２４９８４号

ところで、特許文献１のような参照信号比較型のＡＤ変換器では、参照信号の傾きの切り替わりにおける信号レベルが合うようにオフセット調整をすることが考えられる。ここで参照信号の傾き毎の信号レベル差は、参照信号が供給される配線における供給元から近い部分と遠い部分で異なる可能性がある。

ここで、特許文献２に記載された撮像面において瞳分割方式の焦点検出を行う撮像素子に上記した参照信号比較型のＡＤ変換器を搭載した場合、同じ行や同じ列内で傾きの異なる参照信号を用いてＡＤ変換された画像信号を用いて相関演算を行うことになる。その場合、参照信号の傾きの切り替わりにおける信号レベル差が原因で正しい相関演算を行うことができない可能性がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、マイクロレンズと複数の光電変換素子とを各々が有する複数の単位画素がマトリクス状に配置された画素群と、前記画素群の各列に設けられ、前記画素群から出力されるアナログ画素信号の信号レベルと、時間の経過とともに信号レベルが変化し、変化率の異なる複数の参照信号のいずれかと比較することによりデジタル画素信号に変換する複数のＡＤ変換回路と、前記アナログ画素信号をＡＤ変換する際に用いられる前記参照信号の変化率が、所定の画素領域における同じ画素行の全ての単位画素で同じにな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。

本発明によれば、撮像面において瞳分割方式の焦点検出を行う撮像素子に参照信号比較型のＡＤ変換回路を採用した場合に、焦点検出精度の低下を防止することができる。

撮像装置のブロック図。 撮像素子の構成図。 撮影レンズの射出瞳から出た光束が単位画素に入射する概念図。 単位画素の等価回路図。 実施例１における撮像素子の駆動タイミングチャート。 ＡＤ変換回路の詳細図。 低輝度時のＡＤ変換のタイミングチャート。 高輝度時のＡＤ変換のタイミングチャート。 各画素のＡＤ変換結果を示す図。 同じ行に異なるＡＤ変換結果が混在したときの出力例を示す図。 実施例１における各領域のＡＤ変換結果を示す図。 実施例１におけるＡＤ変換のタイミングチャート。 実施例２における各領域のＡＤ変換結果を示す図。

（実施例１）
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施例１における撮像装置のブロック図である。撮像装置１００にはレンズユニット３００が着脱自在に取り付けられる。撮像装置１００の内部について説明する。

ミラー１３０は、光束にある場合にレンズを通った入射光を反射し、さらにペンタプリズム１３１により入射光を屈折させることにより、光学ファインダ１０４によりユーザーが撮影する静止画の構図を確認することができる。

システム制御回路（以下、ＣＰＵ）５０は、画像処理を含む撮像装置１００全体を制御する。メカニカルシャッター１２は、撮像素子１４００に入る光量を制御する。撮像素子１４００は、光学像を電気信号に変換する。

デジタルフロントエンド１７００は、撮像素子１４００から出力されるデジタル信号に信号処理を施す。液晶モニター１２００は、ライブビュー（ＬＶ）画像の表示や、撮影した静止画像を表示することが可能である。

シャッタースイッチ６１は２段階になっていて、ユーザーが１段目まで浅く押すことを半押しといい、２段目まで深く押すことを全押しという。半押しをＣＰＵ５０が検知すると、自動ピント合わせや、撮影前の状態における自動露出機構によるシャッター速度と絞り数値の設定が行われる。全押しを検知すると、シャッター１２が動作し撮影動作が実行される。

ＩＳＯ感度設定部６２は、ユーザーの指示に従って撮像装置１００の光量に対する感度を設定する。シャッター秒時設定部６３は、ユーザーの指示に従ってシャッター制御による撮像素子１４００の露光時間を設定する。

電源スイッチ６４は、ユーザーの指示に従って撮像装置１００の電源オン、電源オフの切り替えを行う。又、撮像装置１００に接続されたレンズユニット３００や記録媒体２００等の各種付属装置の電源オン、電源オフの設定も合わせて切り替え設定可能である。

揮発性メモリ（以下ＲＡＭ）７０は、画像データを一時的に記録する。また、ＣＰＵ５０のワークメモリとしての機能ももつ。不揮発性メモリ（ＲＯＭ）７１は、ＣＰＵ５０が動作を行う際のプログラムを格納している。

現像処理部７２は、画像データに対し色マトリクス処理やガンマ処理などの現像処理を行う。オートフォーカス演算部７３は、オートフォーカス用に、焦点距離検出信号から後述するレンズ３１０の位置変更量を計算する。

電源制御部８０は、電池検出回路、ＤＣ−ＤＣコンバータ、通電するブロックを切り替えるスイッチ回路等から構成されている。さらに電池の装着の有無、電池の種類、電池残量の検出を行い、その検出結果及びＣＰＵ５０の指示に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータを制御し、必要な電圧を必要な期間、記録媒体を含む各部に供給する。

電源部は、コネクタ８２及び８４、アルカリ電池やリチウム電池等の一次電池８６、Ｌｉ電池などの二次電池、ＡＣアダプタ等から成る。

インターフェース９０は、コネクタ９２を介して接続されるメモリーカードやハードディスク等の記録媒体とのデータ授受を行う。メモリーカードやハードディスク等の記録媒体２００は、半導体メモリや磁気ディスク等から構成される記録部２０１、撮像装置１００とのコネクタ２０２を有している。

レンズユニット３００は、撮影レンズ３１０、絞り３１２、レンズマウント３１６、レンズ制御部３２０、コネクタ３２２を有する。

レンズマウント３１６は、撮像装置１００のレンズマウント１０６を介してレンズユニット３００を撮像装置１００に取り付ける。

コネクタ３２２は、撮像装置１００のコネクタ１２２を介してレンズユニット３００と撮像装置１００とを電気的に接続する。

レンズ制御部３２０は、コネクタ３２２、１２２およびインターフェース１２０を介して撮像装置１００からの信号を受信する。受信した信号により撮影レンズ３１０の光軸上での位置を変更することで、フォーカスを制御する。同じようにレンズ制御部３２０は撮像装置１００からの信号を受け、絞り３１２の口径の大きさを制御する。

図２は、撮像素子１４００の構成図である。撮像素子１４００には、複数の単位画素２０５が２次元マトリクス状に配置されて画素群２０８を構成しており、垂直方向の並びを「列」と呼び、水平方向の並びを「行」と呼ぶ。

垂直走査回路２０４は、画素信号を出力する画素行を選択するための行選択と、各行に電荷の読み出しに必要な信号を各画素の回路に出力し、選択された行の画素信号が垂直出力線２１０に出力される。

垂直出力線２１０に出力されたアナログ画素信号は、各列に設けられたゲインアンプ２０７により増幅され、アナログ／デジタル（ＡＤ）変換回路２０６によってデジタル画素信号に変換される。さらに、水平走査回路２２０によって水平転送線２０３に出力される。水平走査回路２２０は、１行分のデジタル信号を水平方向に順次出力する。

各列のＡＤ変換回路２０６には、参照信号発生器２１１とタイミング制御部２１２が接続されている。また、各列のＡＤ変換回路２０６には、ＯＲ回路２２１が接続されている。ＯＲ回路２２１についての詳細は後述する。

図３は、撮影レンズの射出瞳から出た光束が単位画素に入射する概念図である。単位画素２０５は、複数の光電変換素子（第１のフォトダイオード３０６Ａ、第２のフォトダイオード３０６Ｂ）、カラーフィルタ３０５、マイクロレンズ３０４を有する。

マイクロレンズ３０４を有する単位画素２０５に対して、撮影レンズの射出瞳３００から出た光束の中心を光軸３０３とする。射出瞳３００を通過した光は、光軸３０３を中心として単位画素２０５に入射する。

図３に示すように、撮影レンズの射出瞳の一部領域３０１を通過する光束はマイクロレンズ３０４を通して、第１のフォトダイオード３０６Ａで受光される。また、撮影レンズの射出瞳の一部領域３０２を通過する光束はマイクロレンズ３０４を通して、第２のフォトダイオード３０６Ｂで受光される。

つまり、フォトダイオード３０６Ａ、３０６Ｂはそれぞれ、撮影レンズの射出瞳の別々の領域の光を受光している。そのため、第１のフォトダイオード３０６Ａと第２のフォトダイオード３０６Ｂの信号とを比較することで位相差の検知が可能となる。

ここで、第１のフォトダイオード３０６Ａから得られる信号を「Ａ像信号」、第２のフォトダイオード３０６Ｂから得られる信号を「Ｂ像信号」と定義する。また、Ａ像信号とＢ像信号を足し合わせた信号を「Ａ＋Ｂ像信号」と定義し、このＡ＋Ｂ像信号は、撮影画像に用いることができる。

図４は、単位画素２０５の等価回路図である。転送制御信号４０２により転送スイッチ４０５Ａを制御し、第１のフォトダイオード３０６Ａにて発生および蓄積された電荷をフローティングデヒュージョン（以後、ＦＤ）４０７に転送する。また、転送制御信号４０１により転送スイッチ４０５Ｂを制御し、第２のフォトダイオード３０６Ｂにて発生および蓄積された電荷をＦＤ４０７に転送する。

ソースフォロアアンプ４０８は、垂直出力線２１０に接続された定電流源４１０と共に構成され、ＦＤ４０７に蓄積された電荷に基づく電圧信号を増幅して、画素信号として出力する。行選択制御信号４０４により行選択スイッチ４０９がオンするように制御し、ソースフォロアアンプ４０８の出力を垂直出力線４１０へ接続する。

ＦＤ４０７に蓄積されている不要電荷をリセットする場合は、リセット制御信号４０３によりリセットスイッチ４０６がオンするように制御する。

さらにフォトダイオード３０６Ａ、３０６Ｂの不要電荷をリセットする際には、リセットスイッチ４０６をオンすると共に、転送制御信号４０２および４０１により転送スイッチ４０５Ａおよび４０５Ｂがオンになるように制御する。

転送制御信号４０１、４０２、リセット制御信号４０３、行選択制御信号４０４は、ＣＰＵ５０の制御により垂直走査回路２０４により生成され、各行にそれぞれの制御信号が供給される。

図５は、本実施例における撮像素子の駆動タイミングチャートである。ここで、焦点検出用の相関演算には、Ａ像信号とＢ像信号がそれぞれ必要である。図１におけるＣＰＵ５０の制御によりオートフォーカス演算部７３で演算された結果を基に、レンズ制御部３２０を制御して撮影レンズの焦点制御を行う。

図５（ａ）は、ＣＰＵ５０の制御により駆動される、Ａ像信号およびＡ＋Ｂ像信号を出力する場合の撮像素子１４００の駆動タイミングチャートであり、横軸方向に時間の経過を示す。また、図５（ａ）の縦軸には、図４で説明したリセット制御信号４０３、転送制御信号４０１、４０２、行選択制御信号４０４を１〜３行目まで示している。

図５（ｂ）は、図５（ａ）のように撮像素子１４００を駆動した場合のＦＤの状態を示す図である。ＦＤに信号が蓄積されるとマイナス電荷が増えるが、図５（ｂ）では、説明をわかりやすくするために下方向が高電位になるように記載している。

時刻Ｔ５００において、リセット制御信号４０３＿１がＬＯＷになり、１行目のＦＤ４０７がリセットされる。時刻Ｔ５０１において、リセット制御信号４０３がＨＩＧＨになり、１行目のＦＤ４０３のリセットが解除される。

時刻Ｔ５０２において、行選択制御信号４０４＿１がＨＩＧＨになり、リセット解除後の１行目のＦＤ３０４の信号（Ｎ信号）が垂直出力線２１０に出力される。

時刻Ｔ５０３において、転送制御信号４０２＿１がＨＩＧＨになり、１行目の第１のフォトダイオード３０６Ａに蓄積された電荷がＦＤに転送され、電圧信号に変換されＡ像信号として垂直出力線２１０に出力される（Ａ像Ｓ信号）。その後、時刻Ｔ５０４において、転送制御信号４０２＿１がＬＯＷになる。

時刻Ｔ５０５において、転送制御信号４０２＿１と転送制御信号４０１＿１が同時にＨＩＧＨになる。１行目の第１のフォトダイオード３０６Ａと第２のフォトダイオード３０６Ｂに蓄積された電荷がＦＤに転送され、電圧信号に変換されＡ＋Ｂ信号として垂直出力線２１０に出力される（Ａ＋Ｂ像Ｓ信号）。

その後、時刻Ｔ５０６において、転送制御信号４０２＿１と転送制御信号４０１＿１がＬＯＷになる。さらに、時刻Ｔ５０７において、行選択信号４０４＿１がＬＯＷになる。ここまでの動作で１行分のＮ信号、Ａ像Ｓ信号、Ａ＋Ｂ像Ｓ信号が出力される。これを各行毎に繰り返す。

図６は、図２に示したＡＤ変換回路２０６の詳細図である。ここでは、ｋ列目とｋ＋１列目のＡＤ変換回路２０６を示している。

参照信号発生器２１１からは、輝度判定用参照信号２１４、低輝度用参照信号２１５、高輝度用参照信号２１６が出力される。参照信号選択部６１１は、参照信号発生器２１１から出力される低輝度用参照信号２１５および高輝度用参照信号２１６のいずれか一方を選択する。

スイッチ（以下、ＳＷ）６００は、参照信号選択部６１１で選択された参照信号、または輝度判定用参照信号２１４を選択して、比較器６１０の一方の入力端子に入力する。また、比較器６１０の他方の入力端子には、垂直出力線２１０に出力されゲインアンプ２０７により増幅された画素信号が入力される。

比較器６１０による輝度判定用参照信号２１４と画素信号の比較結果は、ＳＷ６０１を介して輝度判定部６１２に入力される。輝度判定部６１２の判定出力は、ＳＷ６０３を介して参照信号制御部６１１に入力される。

また、輝度判定部６１２の判定出力は、ＳＷ６０４を介してＯＲ回路２２１に入力される。ＯＲ回路２２１には、各列の輝度判定部６１２の判定出力がＳＷ６０４を介して入力される。ＯＲ回路２２１の出力２２０は、ＳＷ６０３を介して参照信号選択部６１１に入力される。

また、比較器６１０による参照信号選択部６１１で選択された参照信号と画素信号の比較結果は、ＳＷ６０２を介してカウンタ回路６１３に入力される。カウンタ回路６１３は、参照信号に同期してカウント動作を行う。また、タイミング制御部２１２は、カウンタ回路６１３にカウント動作を行うためのクロック信号２１７、カウント値をリセットするリセット信号２１８が入力される。列メモリ６１４は、カウンタ回路６１３のカウンタ値を記憶する。

図７は輝度判定部６１２により低輝度と判定された場合のタイミングチャートであり、横軸方向に時間の経過を示す。

まず、単位画素からリセットレベルのＮ信号が垂直出力線２１０に出力され、ゲインアンプ２０７により増幅される。

時刻Ｔ７００において、参照信号発生器２１１は、初期レベルから時間の経過とともに信号レベルが変化するランプ状の参照信号の出力を開始する。参照信号発生器２１１が参照信号を出力する間、タイミング制御部２１２は、所定周期のクロック信号をカウンタ回路６１３に出力する。所定周期は、参照信号の出力期間とデジタル出力のビット精度により決まる周期である。

カウンタ回路６１３は、タイミング制御部２１２から入力されるクロック信号をカウントしていく。時刻Ｔ７０１において、画素のリセットレベルと参照信号の信号レベルが一致し、比較器６１０の出力がＨＩＧＨからＬＯＷになる。比較器６１０の出力は、カウンタ回路６１３のイネーブルとして働くため、ＬＯＷになった時点でカウンタ回路６１３のカウント動作は停止する。

時刻Ｔ７０２において、参照信号が所定レベルに到達したら、参照信号発生器２１１は、参照信号の信号レベルを初期値に戻す。

時刻Ｔ７０３において、単位画素のリセットレベルのカウント値を列メモリ６１４に記憶し、タイミング制御部２１２から出力されるリセット信号２１８により、カウンタ回路６１３が初期レベルにリセットされる。その後、垂直出力線２１０に画素信号（Ａ像信号またはＡ＋Ｂ像信号）が出力される。

時刻Ｔ７０４において、比較器６１０による比較結果を輝度判定部６１２に入力するためにＳＷ６０１をＨＩＧＨにする。また、比較器６１０の比較結果がカウンタ回路６１３に入力されないようにするために、ＳＷ６０２をＬＯＷにする。

時刻Ｔ７０５において、ＳＷ６００により輝度判定用参照信号２１４を選択して、比較器６１０の入力端子の一方に入力する。

時刻Ｔ７０６において、比較器６１０により輝度判定用参照信号２１４と画素信号の信号レベルを比較することで、画素信号の輝度判定を行う。ここでは、画素信号の信号レベルが参照信号の信号レベルよりも低いため、輝度判定部６１２の出力はＬＯＷになる。

ここで、ＳＷ６０３により輝度判定部６１２が参照信号選択部６１１に接続されているため、輝度判定部６１２の判定出力に応じて、参照信号選択部６１１は、低輝度用参照信号を選択する。

時刻Ｔ７０７において、ＳＷ６００により参照信号選択部６１１の出力を選択するとともに、ＳＷ６０１をＬＯＷにし、ＳＷ６０２をＨＩＧＨにする。

時刻Ｔ７０８において、画素信号をＡＤ変換するために、参照信号発生器２１１は、初期レベルから低輝度用参照信号の出力を開始する。参照信号発生器２１１が参照信号を出力する間、タイミング制御部２１２は、所定周期のクロック信号をカウンタ回路６１３に出力する。

時刻Ｔ７０９において、画素信号の信号レベルと参照信号の信号レベルが一致し、比較器６１０の出力がＨＩＧＨからＬＯＷになる。比較器６１０の出力は、カウンタ回路６１３のイネーブルとして働くため、ＬＯＷになった時点でカウンタ６１３のカウント動作は停止する。

時刻Ｔ７１０において、参照信号が低輝度のＡ／Ｄ変換ビット数分に相当する信号レベルに到達したら、参照信号発生器２１１は、参照信号の信号レベルを初期値に戻す。また、タイミング制御部２１２は、クロック信号を停止する。

時刻Ｔ７１１において、画素信号の信号レベルのカウント値を列メモリ６１４に記憶し、タイミング制御部２１２から出力されるリセット信号２１８により、カウンタ回路６１３が初期レベルにリセットされる。

列メモリ６１４は、記憶された画素信号の信号レベルとリセット信号の信号レベルの差分を算出し、その結果を水平走査回路２０３が列毎に順次出力する。この動作を１行毎に繰り返すことで、撮像素子１４００の画像信号が出力される。

なお、本実施例ではＮ信号の出力後にＳ信号を１回しか出力していないが、Ａ像信号とＡ＋Ｂ像信号の順次出力は、時刻Ｔ７０４〜Ｔ７１１の動作を繰り返すことにより実現できる。

図８は輝度判定部６１２により高輝度と判定された場合のタイミングチャートであり、横軸方向に時間の経過を示す。

まず、単位画素からリセットレベルのＮ信号が垂直出力線２１０に出力され、ゲインアンプ２０７により増幅される。

時刻Ｔ８００において、参照信号発生器２１１は、初期レベルから時間の経過とともに信号レベルが変化するランプ状の参照信号の出力を開始する。参照信号発生器２１１が参照信号を出力する間、タイミング制御部２１２は、所定周期のクロック信号をカウンタ回路６１３に出力する。

カウンタ回路６１３は、タイミング制御部２１２から入力されるクロック信号をカウントしていく。時刻Ｔ８０１において、単位画素のリセットレベルと参照信号の信号レベルが一致し、比較器６１０の出力がＨＩＧＨからＬＯＷになる。比較器６１０の出力は、カウンタ回路６１３のイネーブルとして働くため、ＬＯＷになった時点でカウンタ回路６１３のカウント動作は停止する。

時刻Ｔ８０２において、参照信号が所定レベルに到達したら、参照信号発生器２１１は、参照信号の信号レベルを初期値に戻す。

時刻Ｔ８０３において、単位画素のリセットレベルのカウント値を列メモリ６１４に記憶し、タイミング制御部２１２から出力されるリセット信号２１８により、カウンタ回路６１３が初期レベルにリセットされる。その後、垂直出力線２１０に画素信号（Ａ像信号またはＡ＋Ｂ像信号）が出力される。

時刻Ｔ８０４において、比較器６１０による比較結果を輝度判定部６１２に入力するためにＳＷ６０１をＨＩＧＨにする。また、比較器６１０の比較結果がカウンタ回路６１３に入力されないようにするために、ＳＷ６０２をＬＯＷにする。

時刻Ｔ８０５において、ＳＷ６００により輝度判定用参照信号２１４を選択して、比較器６１０の入力端子の一方に入力する。

時刻Ｔ８０６において、比較器６１０により輝度判定用参照信号２１４と画素信号の信号レベルを比較することで、画素信号の輝度判定を行う。ここでは、画素信号の信号レベルが参照信号の信号レベルよりも高いため、輝度判定部６１２の出力はＨＩＧＨになる。

ここで、ＳＷ６０３により輝度判定部６１２が参照信号選択部６１１に接続されているため、輝度判定部６１２の判定出力に応じて、参照信号選択部６１１は、高輝度用参照信号を選択する。

時刻Ｔ８０７において、ＳＷ６００により参照信号選択部６１１の出力を選択するとともに、ＳＷ６０１をＬＯＷにし、ＳＷ６０２をＨＩＧＨにする。

時刻Ｔ８０８において、画素信号をＡＤ変換するために、参照信号発生器２１１は、初期レベルから高輝度用参照信号の出力を開始する。ここで、高輝度用参照信号は、低輝度用参照信号よりも時間の経過に対する信号レベルの変化率が相対的に大きい。参照信号発生器２１１が参照信号を出力する間、タイミング制御部２１２は、所定周期のクロック信号をカウンタ回路６１３に出力する。

時刻Ｔ８０９において、画素信号の信号レベルと参照信号の信号レベルが一致し、比較器６１０の出力がＨＩＧＨからＬＯＷになる。比較器６１０の出力は、カウンタ回路６１３のイネーブルとして働くため、ＬＯＷになった時点でカウンタ６１３のカウント動作は停止する。

時刻Ｔ８１０において、参照信号が低輝度のＡ／Ｄ変換ビット数分に相当する信号レベルに到達したら、参照信号発生器２１１は、参照信号の信号レベルを初期値に戻す。また、タイミング制御部２１２は、クロック信号を停止する。

時刻Ｔ８１１において、画素信号の信号レベルのカウント値を列メモリ６１４に記憶し、タイミング制御部２１２から出力されるリセット信号２１８により、カウンタ回路６１３が初期レベルにリセットされる。

列メモリ６１４は、記憶された画素信号の信号レベルとリセット信号の信号レベルの差分を算出し、その結果を水平走査回路２０３が列毎に順次出力する。この動作を１行毎に繰り返すことで、撮像素子１４００の画像信号が出力される。

なお、前述した通り高輝度用の参照信号は、低輝度用よりも時間の経過に対する信号レベルの変化率が相対的に大きい。例えば傾き４倍で走査している場合は、カウンタ値が８００であった場合は、後段で４倍の出力３２００として出力する。

図９は、各画素のＡＤ変換結果を示す図である。縦が行で、横が列を示している。例えばＲｉ行目、Ｃｊ＋１列目の単位画素９００は高輝度用参照信号を用いてＡＤ変換された単位画素であり、Ｒｉ行目、Ｃｊ＋２列目の単位画素９０１は低輝度用参照信号を用いてＡＤ変換された単位画素である。このように同じ行に低輝度参照信号を用いてＡＤ変換された単位画素と、高輝度用参照信号を用いてＡＤ変換された単位画素が混在することになる。

図１０は、同じ行に異なる参照信号を用いてＡＤ変換された単位画素が混在したときの出力例を示す。

列群１０００と列群１００２の単位画素は、それぞれ低輝度用参照信号を用いてＡＤ変換され、列群１００１の単位画素は、高輝度用参照信号を用いてＡＤ変換されている。図１０からわかるように、ＡＤ変換を行う際に用いる参照信号の傾きが切り替わる部分で、信号レベル差が発生している。

一般的に画像信号は、公知のγ補正が施されるため、実際にはこのような参照信号の傾きの切り替わりポイントが高輝度であまり目立たない。これに対し、自動焦点検出制御（ＡＦ）を行う場合には、リニアな値で相関演算が行われるため、傾きの切り替わりの影響が無視できない。

図１１は、本実施例におけるＡＤ変換結果の例を示している。図１１（ａ）は、Ａ像信号をＡＤ変換した結果を示し、図１１（ｂ）は、Ａ＋Ｂ像信号をＡＤ変換した結果を示す。

図１１に示すように、ＡＦ演算処理に使用される画素領域１１０３の画素信号をＡＤ変換する場合に、同じ行の画素群が低輝度用参照信号または高輝度用参照信号のいずれか一方のみを用いてＡＤ変換されるように制御される。

なお、ＡＦ演算処理に使用しない画素領域１１０２では、図９と同様に、同じ行の画素群に低輝度用参照信号を用いてＡＤ変換された単位画素と、高輝度用参照信号を用いてＡＤ変換された単位画素が混在している。

さらに、Ａ像信号とＡ＋Ｂ像信号は、それぞれ同じ行におけるＡＤ変換に用いる参照信号の傾きを同じにすることで、図１０で説明したような参照信号の切り替わり部分でのレベル差が発生しなくなり、精度の高いＡＦのための相関演算を行うことが可能になる。

例えば、Ａ像信号を出力する場合（１つの単位画素における１つの光電変換素子の信号を出力する場合）の図１１（ａ）における画素行１１０４は、低輝度用参照信号を用いてＡＤ変換している。また、同じ画素行においてＡ＋Ｂ像信号を出力する場合（１つの単位画素における全ての光電変換素子の信号を出力する場合）の図１１（ｂ）における画素行１１０５は、高輝度用参照信号を用いてＡＤ変換している。

なお、本実施例では一部の画素領域をＡＦ演算処理に使用する例を示したが、全画素領域をＡＦ演算処理に使用する場合には、全ての領域において、同じ行のＡＤ変換処理を同じ傾きの参照信号を用いて行うように制御する。

図１２は、ＡＦ演算処理に使用される画素領域（所定の画素領域）において、高輝度判定された画素があった場合のタイミングチャートを示している。

まず、単位画素からリセットレベルのＮ信号が垂直出力線２１０に出力され、ゲインアンプ２０７により増幅される。

時刻Ｔ１２００において、参照信号発生器２１１は、初期レベルから時間の経過とともに信号レベルが変化するランプ状の参照信号の出力を開始する。参照信号発生器２１１が参照信号を出力する間、タイミング制御部２１２は、所定周期のクロック信号をカウンタ回路６１３に出力する。

カウンタ回路６１３は、タイミング制御部２１２から入力されるクロック信号をカウントしていく。時刻Ｔ１２０１において、単位画素のリセットレベルと参照信号の信号レベルが一致し、比較器６１０の出力がＨＩＧＨからＬＯＷになる。比較器６１０の出力は、カウンタ回路６１３のイネーブルとして働くため、ＬＯＷになった時点でカウンタ回路６１３のカウント動作は停止する。

時刻Ｔ１２０２において、参照信号が所定レベルに到達したら、参照信号発生器２１１は、参照信号の信号レベルを初期値に戻す。

時刻Ｔ１２０３において、画素のリセットレベルのカウント値を列メモリ６１４に記憶し、タイミング制御部２１２から出力されるリセット信号２１８により、カウンタ回路６１３は初期レベルにリセットされる。その後、垂直出力線２１０に画素信号（Ａ像信号またはＡ＋Ｂ像信号）が出力される。

時刻Ｔ１２０４において、比較器６１０による比較結果を輝度判定部６１２に入力するためにＳＷ６０１をＨＩＧＨにする。また、比較器６１０の比較結果がカウンタ回路６１３に入力されないように、ＳＷ６０２をＬＯＷにする。

さらに、今回、ＡＤ変換を行うｋ列目がＡＦ演算処理に使用される画素領域である場合には、ＳＷ６０３によりＡＦ演算処理領域における高輝度検知を行うためのＯＲ回路２２１の出力信号が参照信号選択部６１１に入力されるようにする。

なお、タイミングチャートには図示していないが、ＡＦ演算処理に使用される領域ではＳＷ６０４をＯＮにして、ＯＲ回路２２１の入力を有効にする。

時刻Ｔ１２０５において、ＳＷ６００により輝度判定用参照信号２１４を選択して、比較器６１０の入力端子の一方に入力する。

時刻Ｔ１２０６において、比較器６１０により輝度判定用参照信号２１４と画素信号の信号レベルを比較することで、画素信号の輝度判定を行う。

ここでｋ番目の列では、画素信号の信号レベルが参照信号の信号レベルよりも低いため、輝度判定部６１２の出力はＬＯＷ（低輝度用参照信号を用いる判定）になる。このような場合でも、本実施例では、ＡＦ演算処理に使用される領域に含まれる他の列（例えば、ｋ＋１番目の列）の輝度判定部６１２の判定結果が高輝度用参照信号を用いる判定である場合には、ｋ番目の列においても輝度判定結果がＨＩＧＨになる。

そして、参照信号選択部６１１は高輝度用参照信号を選択する。すなわち、ＡＦ演算処理に使用される領域に含まれる全ての列の参照信号選択部６１１が高輝度用の参照信号を選択する。

なお、図示していないが、仮にＡＦ演算処理に使用される領域に含まれる全ての列における輝度判定部６１２の判定結果がＬＯＷになる場合は、全ての参照信号選択部６１１は低輝度用の参照信号を選択する。

時刻Ｔ１２０７において、ＳＷ６００により参照信号選択部６１１の出力を選択するとともに、ＳＷ６０１をＬＯＷにして、ＳＷ６０２をＨＩＧＨにする。

時刻Ｔ１２０８において、画素信号をＡＤ変換するために、参照信号発生器２１１は、初期レベルから高輝度用参照信号の出力を開始する。参照信号発生器２１１が参照信号を出力する間、タイミング制御部２１２は、所定周期のクロック信号をカウンタ回路６１３に出力する。

時刻Ｔ１２０９において、画素信号の信号レベルと参照信号レベルが一致し、比較器６１０の出力がＨＩＧＨからＬＯＷになる。比較器６１０の出力は、カウンタ回路６１３のイネーブルとして働くため、ＬＯＷになった時点でカウンタ６１３のカウント動作は停止する。

時刻Ｔ１２１０において、参照信号２１１が低輝度のＡ／Ｄ変換ビット数分に相当する信号レベルに到達したら、参照信号発生器２１１は、参照信号の信号レベルを初期値に戻す。また、タイミング制御部２１２は、クロック信号を停止する。

時刻Ｔ１２１１において、画素信号の信号レベルのカウント値を列メモリ６１４に記憶し、タイミング制御部２１２から出力されるリセット信号２１８により、カウンタ回路６１３が初期レベルにリセットされる。

列メモリ６１４は、記憶された画素信号の信号レベルとリセット信号の信号レベルの差分を算出し、その結果を水平走査回路２０３が列毎に順次出力する。この動作を１行毎に繰り返すことで、撮像素子１４００の画像信号が出力される。

なお、高輝度用の参照信号は、低輝度用よりも時間の経過に対する信号レベルの変化率が相対的に大きいため、その変化率に応じて後段でＡＤの出力値をゲイン倍する。

以上説明したように、本実施例によれば、ＡＦ演算処理に使用される画素領域では、同じ傾きの参照信号を用いてＡＤ変換を行うように構成することにより、ＡＦ検出精度の悪化を防ぐことが可能になる。

（実施例２）
図１３は、実施例２において、Ａ像信号を１回ＡＤ変換し、Ａ＋Ｂ像信号を２回ＡＤ変換した場合の各領域のＡＤ変換結果を示している。

図１３（ａ）に示すＡ像信号のＡＤ変換結果と、図１３（ｂ）に示すＡ＋Ｂ像信号の１回目のＡＤ変換結果は、実施例１で説明した図１１と同じである。実施例１の図１２で示したように、ＡＦ演算処理に使用される画素領域では、ＳＷ６０３がＨＩＧＨになっており、ＡＦ演算処理に使用される画素領域では、同じ参照信号を用いて１行分の画素信号のＡＤ変換が行われる。

それに対して、Ａ＋Ｂ像信号の２回目のＡＤ変換では、ＳＷ６０３がＬＯＷになっており、実施例１の図７、図８で示したように、各単位画素の信号レベルに応じた参照信号を用いたＡＤ変換が行われる。そして、図１３（ｃ）に示すように、領域１３００のように全面において、低輝度用参照信号を用いてＡＤ変換した単位画素と、高輝度用参照信号を用いてＡＤ変換した単位画素が混在する。

このようにＡ＋Ｂ像信号を異なるＡＤ変換方法で順次行うことで２回出力することにより、ＡＦ検出精度の悪化を防ぐとともに、撮像画像の出力における低輝度の階調悪化を防ぐことが可能となる。

１００ 撮像装置

Claims (6)

1. マイクロレンズと複数の光電変換素子とを各々が有する複数の単位画素がマトリクス状に配置された画素群と、
   前記画素群の各列に設けられ、前記画素群から出力されるアナログ画素信号の信号レベルと、時間の経過とともに信号レベルが変化し、変化率の異なる複数の参照信号のいずれかと比較することによりデジタル画素信号に変換する複数のＡＤ変換回路と、
   前記アナログ画素信号をＡＤ変換する際に用いられる前記参照信号の変化率が、所定の画素領域における同じ画素行の全ての単位画素で同じにな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。
2. 前記所定の画素領域は、ＡＦ演算処理に使用される画素領域であ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、１つの単位画素における１つの光電変換素子の信号を出力する場合に、同じ画素行の全ての単位画素をＡＤ変換する際に用いられる前記参照信号の変化率が同じになるように制御することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記制御手段は、１つの単位画素における全ての光電変換素子の信号を出力する場合に、同じ画素行の全ての単位画素をＡＤ変換する際に用いられる前記参照信号の変化率が同じになるように制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記制御手段は、前記所定の画素領域において、少なくとも１つの単位画素で変化率が相対的に大きい参照信号を用いてＡＤ変換すると判定された場合に、同じ画素行の全ての単位画素を前記変化率が相対的に大きい参照信号を用いてＡＤ変換するように制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記制御手段は、前記所定の画素領域における同じ画素行の全ての単位画素をＡＤ変換する際に用いられる参照信号の変化率が同じになるように制御する駆動と、単位画素の各々の信号レベルに応じた変化率の参照信号を用いてＡＤ変換するように制御する駆動とを順次行うように制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。

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