JP2023059696A - 撮像装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】瞳分割機能を有する撮像素子を用いて焦点検出を行う場合に、焦点検出精度を向上させることができる撮像装置を提供する。【解決手段】画素が行列状に配置され、画素の一列につき、第１の列出力線と第２の列出力線とを含む複数の列出力線がそれぞれ配置された複数の画素列を有する画素配列と、画素からの信号を列出力線を介して読み出す読み出し回路と、を備え、読み出し回路は、画素配列の第１の画素群から、第１の列出力線を介して信号を読み出す第１の読み出し走査と、画素配列の第１の画素群とは異なる第２の画素群から、第２の列出力線を介して信号を読み出す第２の読み出し走査とを行い、第１の読み出し走査により水平方向の位相差信号を読み出し、第２の読み出し走査により垂直方向の位相差信号を読み出す。【選択図】 図９

Description

本発明は、撮像装置及びその制御方法に関する。

デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置にはＣＭＯＳイメージセンサー等の撮像素子が使用されている。

撮像素子には瞳分割機能を有するものがあり、このような撮像素子を備える撮像装置では、瞳分割された被写体像を光電変換して得られる複数の信号から位相差を検出することにより、自動焦点調節（オートフォーカス）が可能となる。

特許文献１には、１つのマイクロレンズに対して複数の光電変換部が設けられた撮像素子を有する撮像装置が開示されている。特許文献１に開示されている撮像装置では、瞳分割された被写体像からＡ像信号とＢ像信号の位相差信号を生成する。Ａ像信号とＢ像信号に対して相関演算を行うことにより焦点のずれ量（デフォーカス量）を算出することができる。

また、特許文献２には、水平方向だけではなく垂直方向にも瞳分割を行い、位相差を検出する撮像装置が開示されている。特許文献２に開示されている撮像装置によれば、瞳分割の方向を所定の周期で切り替えることにより、撮像素子の像分離方向と被写体の像方向（縦線または横線）の不一致による焦点検出精度の低下を抑制することが可能となる。

特開２０１３－１０６１９４号公報 特開２０１４－１５７３３８号公報

特許文献２に開示されているように、撮像素子の像の分離方向と被写体の像方向が一致しない場合は焦点検出精度が低下してしまう。

また、特許文献２に開示された従来技術では、撮像素子に配置された複数の画素から画素信号を読み出す際、予め定められた方向に順次画素信号の読み出しを行う。画素信号の読み出しを行方向に順次行う方法で水平方向（行方向）に瞳分割された位相差信号を取得する場合、概略１行分の読み出し時間で同一行の焦点検出が可能である。

一方、画素信号の読み出しを行方向に順次行う方法で垂直方向（列方向）に瞳分割された位相差信号を取得する場合、同一列の位相差信号を全て読み出すまで同一列の焦点検出ができない。つまり、列方向の焦点検出を行うためには、概略１フレーム分の信号を読み出す必要があり、１フレーム分の読み出し時間に相当する時間がかかる。これにより、撮像素子の信号読み出しの走査方向と瞳分割の方向とによって、焦点調節にかかる時間が異なってくる。

また、瞳分割の方向と信号読み出し方向に起因する焦点検出が可能となる時間の違いは、被写体が移動体の場合に、より焦点検出性能に影響を与える。

つまり、瞳分割が水平方向（行方向）である場合は概略１行分（数マイクロ～数十マイクロ秒）の時間で読み出しが完了するため、被写体が移動体であっても被写体位置のずれは小さい。しかし、瞳分割が垂直方向（列方向）である場合は、概略１フレーム分（数ミリ～数十ミリ秒）の読み出し時間がかかるため、被写体位置のずれが相対的に大きくなり、焦点検出性能が低下してしまう。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、瞳分割機能を有する撮像素子を用いて焦点検出を行う場合に、焦点検出精度を向上させることができる撮像装置を提供することである。

本発明に係る撮像装置は、画素が行列状に配置され、前記画素の一列につき、第１の列出力線と第２の列出力線とを含む複数の列出力線がそれぞれ配置された複数の画素列を有する画素配列と、前記画素からの信号を前記列出力線を介して読み出す読み出し回路と、を備え、前記読み出し回路は、前記画素配列の第１の画素群から、前記第１の列出力線を介して信号を読み出す第１の読み出し走査と、前記画素配列の前記第１の画素群とは異なる第２の画素群から、前記第２の列出力線を介して信号を読み出す第２の読み出し走査とを行い、前記第１の読み出し走査により水平方向の位相差信号を読み出し、前記第２の読み出し走査により垂直方向の位相差信号を読み出すことを特徴とする。

本発明によれば、瞳分割機能を有する撮像素子を用いて焦点検出を行う場合に、焦点検出精度を向上させることが可能となる。

撮像素子の画素と周辺回路の構成図。 撮像素子における画素の構成図。 撮像素子における画素の回路図。 撮像素子の積層構造を示す模式図。 撮像装置の構成例を示すブロック図。 第１の読み出し動作を示すタイミングチャート。 第２の読み出し動作を示すタイミングチャート。 第３の読み出し動作を示すタイミングチャート。 第１の実施形態における垂直走査と瞳分割方向を示す概念図。 第２の実施形態における垂直走査と瞳分割方向を示す概念図。 第３の実施形態における垂直走査と瞳分割方向を示す概念図。 第４の実施形態における画素の構成図。 第４の実施形態における垂直走査と瞳分割方向を示す概念図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る撮像素子１００の画素と周辺回路の構成例を示すブロック図である。

図１において、画素部（画素配列）１０１には行列状に画素１０２が配置され、それぞれにカラーフィルタが形成されたいわゆるベイヤー配列が構成されている。本実施形態では、画素配列の各一列の画素列に２本の列出力線が配置されているものとして説明するが、列出力線の数はこれに限られるものではなく、４本、１２本、２０本等、要求性能に応じて任意の本数配置することが可能である。

画素１０２Ａは、不図示の選択スイッチにより列出力線１０５Ａに接続され、画素信号を行ごとに列回路１０６Ａへ出力する。本実施形態では他に画素１０２Ｃ，１０２Ｄ，１０２Ｆが列出力線１０５Ａに接続されている。

画素１０２Ｂは、不図示の選択スイッチにより列出力線１０５Ｂに接続され、画素信号を行ごとに列回路１０６Ｂへ出力する。本実施形態では他に画素１０２Ｅが列出力線１０５Ｂに接続されている。

ここで、各画素に選択スイッチを複数設け、各画素が列出力線１０５Ａと１０５Ｂの両方に接続されるように構成しても構わない。

選択スイッチは垂直走査回路１０４から信号線１０３を介して特定行の画素の選択制御を行うスイッチであり、垂直走査回路１０４によって行方向に走査される。

タイミングジェネレータ（以下ＴＧ）１１０は、垂直走査回路１０４や画素１０２内のトランジスタ等を制御するパルス信号、および比較基準信号を発生させる。またＤ／Ａ変換器（以下ＤＡＣ）１１１は時間とともにレベルが変化する参照信号（スロープ信号またはランプ信号）を発生させる。参照信号は、ＴＧ１１０の制御により、比較器１０７の一方の信号として入力される。

列回路１０６としては、列出力線１０５Ａ，１０５Ｂに対応した列回路１０６Ａ，１０６Ｂが配置されている。

列回路１０６は、比較器１０７、カウンタ１０８、列メモリ１０９を備えて構成される。

比較器１０７の一方の入力にはＤＡＣ１１１で生成された参照信号が入力され、他方の入力には列出力線１０５が接続されている。比較器１０７は列出力線１０５の電位Ｖを時刻とともに変化する参照信号と比較し、その大小関係が反転するまでの時間を検出する。

カウンタ１０８は、上記の大小関係が反転するまでの時間をクロックに基づいて計測し、その計測時間をもってデジタル信号とする。列メモリ１０９は、カウンタ１０８の計測したデジタル信号を保持する。

水平走査回路１１２は、列回路を行方向に走査し、列ごとに共通して接続された水平信号線１１３Ａ，１１３Ｂを通して、列メモリ１０９に保持されたデジタル信号を出力する。水平走査回路１１２もまたＴＧ１１０によって制御される。

図２は、画素１０２の構成を示す図である。図２（ａ）において、単位画素１０２は、光電変換部をそれぞれ含む副画素２０１，２０２，２０３，２０４を有し、これらの４つの副画素は一つのマイクロレンズを共有している。

図２（ｂ）のように、この４つの副画素のうち、副画素２０１，２０２の合成信号と、副画素２０３，２０４の合成信号を分離して読み出すことにより、左右方向（行方向）に瞳分割された信号が得られる。また、図２（ｃ）のように、副画素２０１，２０３の合成信号と、副画素２０２，２０４の合成信号を分離して読み出すことにより、上下方向（列方向）に瞳分割された信号が得られる。そして、図２（ｄ）のように、４つの副画素の信号を全て合成することにより、撮像信号が得られる。

左右方向（行方向）に瞳分割された信号は、主に縦線を含む被写体の検出に向いており、この分割方向を横目と称することもある。また、上下方向（列方向）に瞳分割された信号は、主に横線を含む被写体の検出に向いており、この分割方向を縦目と称することもある。

以下では、副画素２０１，２０２，２０３，２０４の光電変換に基づく信号を、それぞれＡ信号、Ｂ信号、Ｃ信号、Ｄ信号と呼ぶ。また、例えば副画素２０１，２０２の合成信号をＡ＋Ｂ信号と呼ぶ。

図３は、画素１０２の構成の一例を示す回路図である。副画素２０１に含まれる光電変換部であるフォトダイオード（以下、ＰＤ）３０１Ａは、転送スイッチ３０２Ａを介して共通のフローティングディフュージョン（以下、ＦＤ）３０３に接続される。ここで転送スイッチ３０２Ａは、垂直走査回路１０４から出力された転送パルスＰＴＸＡによって制御される。

副画素２０２，２０３，２０４も同様であり、それぞれのＰＤ３０１Ｂ，３０１Ｃ，３０１Ｄは、転送スイッチ３０２Ｂ，３０２Ｃ，３０２Ｄを介して共通のＦＤ３０３に接続される。各副画素２０２，２０３，２０４の転送スイッチ３０２Ｂ，３０２Ｃ，３０２Ｄは、それぞれ転送パルスＰＴＸＢ，ＰＴＸＣ，ＰＴＸＤによって制御される。

ＦＤ３０３は、ＰＤ３０１Ａ～３０１Ｄから転送された電荷を一時的に蓄積し、電荷を電圧に変換する。リセットスイッチ３０４は、リセットパルスＰＲＥＳによって制御され、ＦＤ３０３に基準電位ＶＤＤを供給する。

画素アンプ３０５は、ＭＯＳトランジスタと定電流源からなるソースフォロア回路である。選択スイッチ３０６は、選択パルスＰＳＥＬによって制御され、画素アンプ３０５の電位変動を列出力線１０５から列回路１０６へ出力する。

図４は、本実施形態の撮像素子１００の構造を示す模式図である。撮像素子１００は、画素部１０１などが形成された第１の基板４０１と、列回路１０６などの読み出し回路が形成された第２の基板４０２とが積層されて構成されている。

第２の基板４０２は、列回路１０６、デジタルフロントエンド４０３、基板メモリ４０４を備えて構成される。列回路１０６は、第１の基板４０１とバンプ等により電気的に接続される。デジタルフロントエンド４０３は、各種演算処理や補正処理を行う。基板メモリ４０４は、ＤＲＡＭ等の揮発性メモリであり、列回路１０６からの信号をデジタルフロントエンド４０３で処理する際に一時的にデータを保持する目的等で用いられる。

図５は、本実施形態の撮像装置５００の構成を示すブロック図である。

撮像素子１００は、入射光を電気信号に変換して出力する。撮影レンズ５０１は、レンズ駆動回路５０２によってフォーカス制御などが行われ、被写体の光学像を撮像素子１００に結像させる。

露光量を制御するシャッタ５０３は、メカ駆動回路５０４により制御される。信号処理回路５０５は、画像信号に対するゲイン処理、オフセット補正処理、ホワイトバランス補正処理などの各種の演算処理を行う。

撮像素子１００と信号処理回路５０５は、複数の信号線で接続されている。本実施形態の撮像装置５００では、撮像素子１００の水平信号線１１３Ａと１１３Ｂから出力された信号が独立に信号処理回路５０５に入力されるように構成されている。

制御回路５０６は、撮像素子１００の駆動制御、オートフォーカス演算、シャッタ制御など、様々な処理を行いながら撮像装置５００全体を制御する。信号処理回路５０５は、制御回路５０６内に組み込まれていてもよい。

記憶回路５０７は、画像データやオフセット補正値を保持する記憶メモリである。記憶回路５０７は、信号処理回路５０５にも接続される。さらに記憶回路５０７は、撮像素子１００のデジタルフロントエンド４０３とも接続され、選択的にデータや補正値の通信が可能に構成されていても構わない。

半導体メモリ等の着脱可能な記録回路５０８は、画像データを記録する。操作・表示回路５０９は、ユーザーの操作を受け付けるとともに、各種の情報を表示する。

図６は、本実施形態における第１の読み出しモードを表すタイミングチャートである。図６は、撮像信号のみを読み出す場合を示している。

時刻ｔ６００までの時点で画素部１０１がリセットされ、電荷蓄積が開始されているものとする。ここでリセットはリセットパルスＰＲＥＳをＨｉ、転送パルスＰＴＸをＨｉとし、電荷蓄積中はリセットパルスＰＲＥＳをＨｉ、転送パルスＰＴＸをＬｏとしている。

時刻ｔ６０１において、選択パルスＰＳＥＬにより、ある行の単位画素１０２が列出力線１０５と接続される。

時刻ｔ６０２において、リセットパルスＰＲＥＳがＨｉからＬｏとなることでリセット解除後のＦＤ３０３の電位Ｖ（Ｎ信号）が列出力線１０５を介して比較器１０７に入力される。

時刻ｔ６０３において、ＤＡＣ１１１は、ランプ状に変化する参照信号ＶＬの出力を開始する。ＤＡＣ１１１が参照信号ＶＬを出力するのと同時に、カウンタ１０８によるカウントが開始される。

時刻ｔ６０４において、入力信号と参照信号ＶＬの大小関係が逆転することにより、比較器１０７の出力が反転し、そのときのカウンタ１０８のカウント値が列メモリ１０９に保持される。その後、参照信号ＶＬが時刻ｔ６０５で所定の上限値に達するまで遷移した後、水平走査回路１１２で信号が出力されることにより、画素１０２のリセット解除後の信号（Ｎ信号）の読み出しが終了する。

時刻ｔ６０６において、転送パルスＰＴＸＡ，ＰＴＸＢ，ＰＴＸＣ，ＰＴＸＤにより、４つの副画素２０１～２０４の電荷がＦＤ３０３に転送され、列出力線１０５の電位Ｖが画素信号（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ信号）に応じた電位となる。また、比較器１０７のリセットがなされる。

時刻ｔ６０７において、ＤＡＣ１１１は、ランプ状に変化する参照信号ＶＬの出力を開始する。ＤＡＣ１１１が参照信号ＶＬを出力するのと同時に、カウンタ１０８によるカウントが開始される。

時刻ｔ６０８において、入力信号と参照信号ＶＬの大小関係が逆転することにより、比較器１０７の出力が反転し、そのときのカウンタ１０８のカウント値が列メモリ１０９に保持される。その後、参照信号ＶＬが時刻ｔ６０９で所定の上限値に達するまで遷移した後、水平走査回路１１２で信号が出力されることにより、画素１０２の画素信号（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ信号）の読み出しが終了する。

その後、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ信号からＮ信号を減算する等の所定の信号処理が行われる。

上記の一連の動作が列出力線１０５Ａ，１０５Ｂ、列回路１０６Ａ，１０６Ｂ、水平信号線１１３Ａ，１１３Ｂで独立に行われる。

図７は、本実施形態における第２の読み出しモードを表すタイミングチャートである。図７は、撮像信号と左右方向（水平方向）の位相差信号の両方を読み出す場合を示している。

時刻ｔ７０５のリセット解除後の信号（Ｎ信号）の読み出し終了までは図６と同様であるため説明を省略する。

時刻ｔ７０６において、転送パルスＰＴＸＡ，ＰＴＸＢにより、副画素２０１，２０２の電荷がＦＤ３０３に転送され、列出力線１０５の電位Ｖが画素信号（Ａ＋Ｂ信号）に応じた電位となる。また、比較器１０７のリセットがなされる。

時刻ｔ７０７において、ＤＡＣ１１１は、ランプ状に変化する参照信号ＶＬの出力を開始する。ＤＡＣ１１１が参照信号ＶＬを出力するのと同時に、カウンタ１０８によるカウントが開始される。

時刻ｔ７０８において、入力信号と参照信号ＶＬの大小関係が逆転することにより、比較器１０７の出力が反転し、そのときのカウンタ１０８のカウント値が列メモリ１０９に保持される。その後、参照信号ＶＬが時刻ｔ７０９で所定の上限値に達するまで遷移した後、水平走査回路１１２で信号が出力される。これにより、画素１０２の画素信号（Ａ＋Ｂ信号）の読み出しが終了する。

時刻ｔ７１０において、転送パルスＰＴＸＡ，ＰＴＸＢ，ＰＴＸＣ，ＰＴＸＤにより、４つの副画素２０１～２０４の電荷がＦＤ３０３に転送され、列出力線１０５の電位Ｖが画素信号（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ信号）に応じた電位となる。また、比較器１０７のリセットがなされる。

時刻ｔ７１１において、ＤＡＣ１１１は、ランプ状に変化する参照信号ＶＬの出力を開始する。ＤＡＣ１１１が参照信号ＶＬを出力するのと同時に、カウンタ１０８によるカウントが開始される。

時刻ｔ７１２において、入力信号と参照信号ＶＬの大小関係が逆転することにより、比較器１０７の出力が反転し、そのときのカウンタ１０８のカウント値が列メモリ１０９に保持される。その後、参照信号ＶＬが時刻ｔ７１３で所定の上限値に達するまで遷移した後、水平走査回路１１２で信号が出力される。これにより、画素１０２の画素信号（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ信号）の読み出しが終了する。

その後、Ａ＋Ｂ信号とＡ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ信号からＮ信号を減算する等の所定の信号処理が行われる。また、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ信号からＡ＋Ｂ信号を減算することにより、Ｃ＋Ｄ信号が得られる。Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ信号により撮像信号が構成され、Ａ＋Ｂ信号とＣ＋Ｄ信号により位相差信号が構成される。

図８は、本実施形態における第３の読み出しモードを表すタイミングチャートである。図８は、撮像信号と上下方向（垂直方向）の位相差信号の両方を読み出す場合を示す。

図７と同様の箇所は冗長となるため説明を省略する。図７と異なる点は、時刻ｔ８０６における電荷転送を転送パルスＰＴＸＡ，ＰＴＸＣにより行うことである。これにより副画素２０１，２０３の電荷がＦＤ３０３に転送され、画素１０２の画素信号（Ａ＋Ｃ信号）が読み出される。

Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ信号からＡ＋Ｃ信号を減算することにより、Ｂ＋Ｄ信号が得られる。Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ信号により撮像信号が構成され、Ａ＋Ｃ信号とＢ＋Ｄ信号により位相差信号が構成される。

このように取得された撮像信号がライブビュー表示などに使用され、位相差信号が焦点検出などに使用される。なお、双方の信号が読み出された場合、双方とも使用されるか、一方のみが使用されるかは撮像装置の動作モードに応じて適宜使い分けられる。

図９は、本実施形態における画素信号の読み出し動作において、読み出し走査と瞳分割方向の関係を説明する概念図である。図９においては、例として６行分の画素が示されており、読み出し走査が行単位で順次行われる場合が示されている。

図９において、行番号６Ｎ、６Ｎ＋２、６Ｎ＋３、６Ｎ＋５は左右瞳分割の位相差信号を得るための行を示し、これらを第１の画素群とする。行番号６Ｎ＋１、６Ｎ＋４は上下瞳分割の位相差信号を得るための行を示し、これらを第２の画素群とする。

本実施形態では、第１の画素群の信号が列出力線１０５Ａを介して第２の読み出しモードで読み出され、これを走査１と表す。同じく第２の画素群の信号が列出力線１０５Ｂを介して第３の読み出しモードで読み出され、これを走査２と表す。

図９の左図は、垂直同期信号（ＶＤ）によって撮像タイミングが規定された、いわゆるスリットローリング動作を示している。図の縦軸が行番号を示し、横軸が時間を示している。実線が該当行の信号読み出しタイミングを、破線が該当行のリセット（電子シャッタの蓄積開始）のタイミングを表し、ハッチングを施した部分が該当行の露光時間に当たる。

垂直同期信号ＶＤから走査１の信号読み出しが開始される。走査１でのリセット（蓄積開始）は、前のフレームで開始されている。走査１の信号読み出し開始後、所定の時間後に走査２の信号読み出しが独立に開始される。走査２のリセット（蓄積開始）は、走査１とは異なるタイミング、異なる蓄積時間で設定することが可能である。例えば走査１の６Ｎ＋３行と走査２の６Ｎ＋４行では、同時間帯に異なる長さで蓄積が行われ、同時間帯に異なる系統で並列的に信号の読み出しが行われる。また走査１が１つのＶＤの間に１回の信号読み出しであるのに対して、走査２は複数回の信号読み出しが可能である。

走査１では、撮像装置１００のライブビュー撮像と左右方向の焦点検出のために、６行中の４行を間引き読み出しする。一方、走査２では上下方向の焦点検出のために、フレームレートを重視し６行中の２行を間引き読み出しする。

上述のように、本実施形態では、走査１を左右瞳分割で行い、走査２を上下瞳分割で行うため、双方の走査で焦点検出が可能である。走査２は走査１で間引かれた行の画素信号を読み出し、走査１よりも信号読み出し行数が少ないため、高速に位相差信号を取得することができる。

言い換えると、走査１においては、第１の画素群の信号を第１のフレームレートで読み出す。そして、走査２においては、第２の画素群の信号を第１のフレームレートよりも速い第２のフレームレートで読み出す。そのため、走査２では、走査１で上下方向の位相差信号を読み出すよりも読み出し時間を短縮することができ（この例では３分の１程度に短縮）、被写体の移動速度が速いことによる焦点検出精度の低下を抑制することが可能である。

走査１、走査２でそれぞれ読み出された撮像信号と位相差信号には、信号処理回路５０５、制御回路５０６で補正処理や相関演算などの所定の処理が施される。そして操作・表示回路５０９でのライブビュー表示やレンズ駆動回路５０２を介した撮影レンズ５０１の焦点調節動作に用いられる。撮影レンズ５０１の焦点調節は、走査１または走査２で読み出された位相差信号を用いて、制御回路５０６により行われる。

このように、選択行ごとにオートフォーカス用の瞳分割の方向に応じて走査を分けることにより、垂直方向の瞳分割の場合で且つ被写体が動いている場合でも、被写体位置のずれを抑制し、焦点検出の精度を向上させることが可能となる。

（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態における画素信号の読み出し動作において、読み出し走査と瞳分割方向の関係を説明する概念図である。図１０においては、例として６行分の画素が示されており、読み出し走査が行単位で順次行われる場合が示されている。

図１０において、行番号６Ｎ、６Ｎ＋２は左右瞳分割の位相差信号を得るための行を示し、行番号６Ｎ＋３、６Ｎ＋５は上下瞳分割の位相差信号を得るための行を示している。これらを、第１の画素群とする。行番号６Ｎ＋１、６Ｎ＋４は上下瞳分割の位相差信号を得るための行を示し、これらを第２の画素群とする。

第２の実施形態では、第１の画素群のうちの６Ｎ、６Ｎ＋２行の信号が列出力線１０５Ａを介して第２の読み出しモードで読み出され、第１の画素群のうちの６Ｎ＋３、６Ｎ＋５行の信号が列出力線１０５Ａを介して第３の読み出しモードで読み出され、これを走査１と表す。同じく第２の画素群の信号が列出力線１０５Ｂを介して第３の読み出しモードで読み出され、これを走査２と表す。

なお、図１０の左図は図９と同様であるため、説明を省略する。

走査１では、撮像装置のライブビュー撮像と左右方向および上下方向の焦点検出のために、６行中の４行を間引き読み出しする。一方、走査２では、上下方向の焦点検出のために、フレームレートを重視し、６行中の２行を間引き読み出しする。

以上のように、第２の実施形態では、走査１を左右瞳分割と上下瞳分割で行い、走査２を上下瞳分割で行うため、双方の走査で焦点検出が可能である。

走査１では左右方向と上下方向双方の位相差信号を読み出すため、被写体の像方向による焦点検出精度の低下を抑制することが可能である。また、走査２は、走査１で間引かれた行の画素信号を読み出し、走査１よりも信号読み出し行数が少ないため、高速に位相差信号を取得することができる。そのため、走査２では、被写体の移動速度が速いことによる焦点検出精度の低下を抑制することが可能である。

被写体の特徴に応じて、走査１と走査２の位相差信号を使い分ける。例えば、走査１は走査２よりも解像度が高いため、静物に対する精度の高い焦点検出を行うことができる。一方、走査２は高速である利点を生かし、焦点検出の頻度（演算回数）を高めることや、移動体の検出に好適である。

走査１と走査２は、画角内の同じ領域で同じ被写体の相関演算を行ってもよいし、異なる領域で異なる被写体の相関演算を行ってもよい。

また、走査２も左右瞳分割で読み出しを行ってもよい。この場合は走査１、走査２の双方で左右方向と上下方向双方の位相差信号を読み出すことになり、走査１よりも高速に左右方向の焦点検出が可能である。

走査１と走査２でそれぞれ読み出された左右方向または上下方向の位相差信号を、信号処理回路５０５や制御回路５０６で合成して一つの位相差信号としても構わない。

例えば、図１０の走査１の６Ｎ＋３行と走査２の６Ｎ＋４行は、ほぼ同時刻に蓄積が行われているため、ほぼ同じ被写体像を検出していることになる。これら双方で間引かれた行の信号を補間処理で補うことによって、焦点検出の解像度を向上させることができる。この場合は走査１と走査２の蓄積時間の違いをゲイン処理などで補正して使用する。

このように、選択行ごとにオートフォーカス用の瞳分割の方向に応じて走査を分けることにより、垂直方向の瞳分割の場合で且つ被写体が動いている場合でも、被写体位置のずれを抑制し、焦点検出の精度を向上させることが可能となる。

（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態における画素信号の読み出し動作において、読み出し走査と瞳分割方向の関係を説明する概念図である。図１１においては、例として６行分の画素が示されており、読み出し走査が行単位で順次行われる場合が示されている。

図１１において、行番号６Ｎ、６Ｎ＋２、６Ｎ＋３、６Ｎ＋５は撮像信号のみを得るための行を示し、これらを第１の画素群とする。行番号６Ｎ＋１、６Ｎ＋４は上下瞳分割の位相差信号を得るための行を示し、これらを第２の画素群とする。

第３の実施形態では、第１の画素群の信号が列出力線１０５Ａを介して第１の読み出しモードで読み出され、これを走査１と表す。同じく、第２の画素群の信号が列出力線１０５Ｂを介して第３の読み出しモードで読み出され、これを走査２と表す。

なお、図１１の左図は図９と同様であるため、説明を省略する。

走査１では、撮像装置１００のライブビュー撮像のために、６行中の４行を間引き読み出しする。一方、走査２では、上下方向の焦点検出のために、フレームレートを重視し、６行中の２行を間引き読み出しする。

以上のように、第３の実施形態では、走査１を瞳分割なしで行い、走査２を上下瞳分割で行うため、走査２のみで焦点検出が可能である。走査１では位相差信号を読み出さないため、フレームレートの向上を図ったり、あるいはブランキング中のパワーセーブを実施することで消費電力の低減を図ったりすることができる。

走査２では、走査１で間引かれた行の画素信号を読み出し、走査１よりも信号読み出し行数が少ないため、高速に位相差信号を取得することができる。そのため、走査２では、被写体の移動速度が速いことによる焦点検出精度の低下を抑制することが可能である。

このように、選択行ごとにオートフォーカス用の瞳分割の方向に応じて走査を分けることにより、垂直方向の瞳分割の場合で且つ被写体が動いている場合でも、被写体位置のずれを抑制し、焦点検出の精度を向上させることが可能となる。

（第３の実施形態の変形例）
上述のように、第３の実施形態では、走査２を上下瞳分割で行っているが、これを左右瞳分割とすることもできる。さらには、例えば、走査２の第１のフレームでは上下瞳分割を適用し、走査２の第２のフレームでは左右瞳分割を適用するというように、撮影フレームによって瞳分割の方向を変更する構成であっても構わない。このようにすることで、被写体の像方向によらず焦点検出が可能となる。

（第４の実施形態）
図１２は、第４の実施形態における画素の構成を示す図である。図１２では、ベイヤー配列の単位画素配列（４画素）において、瞳分割が左右方向（行方向）の画素１０２と瞳分割が上下方向（列方向）の画素１０２が混在している。この例ではＲ、Ｇ１、Ｂと記載された画素１０２は、それぞれ赤、緑、青のカラーフィルタを備え、左右方向に瞳分割されている。Ｇ２と記載された画素１０２は、緑のカラーフィルタを備え、上下方向に瞳分割されている。

図１２（ａ）に示すように、１つの単位画素１０２内で４分割された副画素２０１，２０２，２０３，２０４が、転送パルスＰＴＸＡ，ＰＴＸＢ，ＰＴＸＣ，ＰＴＸＤの制御によって、画素１０２ごとに左右方向と上下方向のどちらかの瞳分割画素として読み分けられる。

例えば、画素Ｇ２の副画素２０２の転送スイッチ３０２Ｂは転送パルスＰＴＸＣで制御され、副画素２０３の転送スイッチ３０２Ｃは転送パルスＰＴＸＢで制御されるよう配線を接続してもよい。この場合は画素Ｒ，Ｇ１，Ｂと画素Ｇ２は常に異なる方向に位相差信号が読み出される。

あるいは、副画素２０２，２０３の転送スイッチ３０２に２本以上の信号線を配し、単位画素Ｒ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂごとに異なる転送パルスを接続してもよい。この場合は副画素２０２，２０３の転送パルスを単位画素Ｒ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂごとに個別に制御することで、一度の走査で左右方向と上下方向双方の位相差信号を読み出すことができる。

また、図１２（ｂ）に示すように、副画素を４分割ではなく単純な２分割として形成し、左右方向の瞳分割と上下方向の瞳分割を単位画素１０２ごとに混在して配置する構成であっても構わない。この場合は単位画素Ｒ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂによらず副画素２０１の転送スイッチ３０２は転送パルスＰＴＸＡで、副画素２０２の転送スイッチ３０２は転送パルスＰＴＸＣで制御されるよう配線が接続される。なお、転送パルスＰＴＸＢ，ＰＴＸＤは使用しない。

このような構成にすることで、単位画素Ｇ２が含まれる行では一度の走査で左右方向と上下方向双方の位相差信号を読み出すことができる。

図１３は、第４の実施形態における画素信号の読み出し動作において、読み出し走査と瞳分割方向の関係を説明する概念図である。図１３においては、例として６行分の単位画素が示されており、読み出し走査が行単位で順次行われる場合が示されている。

図１３において、行番号６Ｎ、６Ｎ＋２、６Ｎ＋３、６Ｎ＋５は位相差信号を得るための行を示し、これらを第１の画素群とする。行番号６Ｎ＋１、６Ｎ＋４は撮像信号のみを得るための行を示し、これらを第２の画素群とする。

第４の実施形態では、第１の画素群に信号が列出力線１０５Ａを介して第２の読み出しモードで読み出され、これを走査１と表す。同じく第２の画素群の信号が列出力線１０５Ｂを介して第１の読み出しモードで読み出され、これを走査２と表す。

なお、図１３の左図は、図９と同様であるため説明を省略する。

走査１では、撮像装置のライブビュー撮像と左右方向および上下方向の焦点検出のために、６行中の４行を間引き読み出しする。一方、走査２ではフレームレートを重視し、６行中の２行を間引き読み出しする。さらに、図１２で示した構成によると、６Ｎ、６Ｎ＋２行は左右方向の位相差信号が読み出される。また６Ｎ＋３、６Ｎ＋５行の単位画素Ｇ２が含まれる列では上下方向の位相差信号が読み出され、６Ｎ＋３、６Ｎ＋５行の画素Ｂが含まれる列では左右方向の位相差信号が読み出される。

以上のように、第４の実施形態では、単位画素の物理的な構成がすでに左右方向と上下方向双方の位相差信号を出力できる構成となっている。そのため、走査１では被写体の像方向による焦点検出精度の低下を抑制することが可能である。走査２は走査１で間引かれた行の画素信号を読み出し、走査１よりも信号読み出し行数が少なく、さらに位相差信号を読み出さないため、高速に撮像信号を取得することができる。走査１では、位相差信号が撮像信号を兼ねているため、走査２の撮像信号は必ずしも表示画像に用いられる必要はない。例えば調光やフリッカー検知等のための測光用信号として用いてもよい。

このように、選択行ごとにオートフォーカス用の瞳分割の方向に応じて走査を分けることにより、被写体の像方向によらず焦点検出の精度を向上することが可能となる。

なお、上記の実施形態で示した動作は被写体の特性や撮像装置の各種モードによって使い分けられる。

（他の実施形態）
また本発明は、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ーがプログラムを読み出し実行する処理でも実現できる。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現できる。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１０１：画素部、１０２：画素、１０３：信号線、１０４：垂直走査回路、１０５：列出力線、１０６：列回路、１０７：比較器、１０８：カウンタ、１０９：列メモリ、１１０：タイミングジェネレータ、１１１：Ｄ／Ａ変換機、１１２：水平走査回路、１１３：水平信号線、３０１：フォトダイオード、３０２：転送スイッチ、３０３：フローティングディフュージョン、３０４：リセットスイッチ、３０５：画素アンプ、３０６：選択スイッチ

Claims (16)

1. 画素が行列状に配置され、前記画素の一列につき、第１の列出力線と第２の列出力線とを含む複数の列出力線がそれぞれ配置された複数の画素列を有する画素配列と、
   前記画素からの信号を前記列出力線を介して読み出す読み出し回路と、を備え、
   前記読み出し回路は、前記画素配列の第１の画素群から、前記第１の列出力線を介して信号を読み出す第１の読み出し走査と、前記画素配列の前記第１の画素群とは異なる第２の画素群から、前記第２の列出力線を介して信号を読み出す第２の読み出し走査とを行い、前記第１の読み出し走査により水平方向の位相差信号を読み出し、前記第２の読み出し走査により垂直方向の位相差信号を読み出すことを特徴とする撮像装置。
2. 前記読み出し回路は、前記第１の読み出し走査により、水平方向の位相差信号および垂直方向の位相差信号の双方を読み出し、前記第２の読み出し走査により、垂直方向の位相差信号を読み出すことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記読み出し回路は、前記第１の読み出し走査により、水平方向の位相差信号および垂直方向の位相差信号の双方を読み出し、前記第２の読み出し走査により、水平方向の位相差信号および垂直方向の位相差信号の双方を読み出すことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記読み出し回路は、前記第１の読み出し走査により、撮像信号をさらに読み出す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. 前記読み出し回路は、前記第２の読み出し走査により、撮像信号をさらに読み出す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. 前記第１の読み出し走査で読み出された水平方向の位相差信号または垂直方向の位相差信号と、前記第２の読み出し走査で読み出された水平方向の位相差信号または垂直方向の位相差信号の少なくとも一方の瞳分割の方向が同じ位相差信号を合成して焦点調節を行う焦点調節手段をさらに備え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。
7. 画素が行列状に配置され、前記画素の一列につき、第１の列出力線と第２の列出力線とを含む複数の列出力線がそれぞれ配置された複数の画素列を有する画素配列と、
   前記画素からの信号を前記列出力線を介して読み出す読み出し回路と、を備え、
   前記読み出し回路は、前記画素配列の第１の画素群から、前記第１の列出力線を介して信号を読み出す第１の読み出し走査と、前記画素配列の前記第１の画素群とは異なる第２の画素群から、前記第２の列出力線を介して信号を読み出す第２の読み出し走査とを行い、前記第１の読み出し走査により撮像信号を読み出し、前記第２の読み出し走査により位相差信号を読み出すことを特徴とする撮像装置。
8. 前記読み出し回路は、前記第１の読み出し走査により、撮像信号と位相差信号の双方を読み出すことを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記読み出し回路は、前記第２の読み出し走査により、垂直方向の位相差信号を読み出すことを特徴とする請求項７または８に記載の撮像装置。
10. 画素が行列状に配置され、前記画素の一列につき、第１の列出力線と第２の列出力線とを含む複数の列出力線がそれぞれ配置された複数の画素列を有する画素配列と、
    前記画素からの信号を前記列出力線を介して読み出す読み出し回路と、を備え、
    前記読み出し回路は、前記画素配列の第１の画素群から、前記第１の列出力線を介して信号を読み出す第１の読み出し走査と、前記画素配列の前記第１の画素群とは異なる第２の画素群から、前記第２の列出力線を介して信号を読み出す第２の読み出し走査とを行い、前記第１の読み出し走査により位相差信号を読み出し、前記第２の読み出し走査により測光用信号を読み出すことを特徴とする撮像装置。
11. 前記読み出し回路は、前記第１の読み出し走査により水平方向の位相差信号を読み出すことを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
12. 前記読み出し回路は、前記第１の読み出し走査により垂直方向の位相差信号を読み出すことを特徴とする請求項１０または１１に記載の撮像装置。
13. 前記読み出し回路は、前記第１の読み出し走査により、前記位相差信号とともに撮像信号を読み出すことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の撮像装置。
14. 画素が行列状に配置され、前記画素の一列につき、第１の列出力線と第２の列出力線とを含む複数の列出力線がそれぞれ配置された複数の画素列を有する画素配列を備える撮像装置を制御する方法であって、
    前記画素からの信号を前記列出力線を介して読み出す読み出し工程を有し、
    前記読み出し工程では、前記画素配列の第１の画素群から、前記第１の列出力線を介して信号を読み出す第１の読み出し走査と、前記画素配列の前記第１の画素群とは異なる第２の画素群から、前記第２の列出力線を介して信号を読み出す第２の読み出し走査とを行い、前記第１の読み出し走査により水平方向の位相差信号を読み出し、前記第２の読み出し走査により垂直方向の位相差信号を読み出すことを特徴とする撮像装置の制御方法。
15. 画素が行列状に配置され、前記画素の一列につき、第１の列出力線と第２の列出力線とを含む複数の列出力線がそれぞれ配置された複数の画素列を有する画素配列を備える撮像装置を制御する方法であって、
    前記画素からの信号を前記列出力線を介して読み出す読み出し工程を有し、
    前記読み出し工程では、前記画素配列の第１の画素群から、前記第１の列出力線を介して信号を読み出す第１の読み出し走査と、前記画素配列の前記第１の画素群とは異なる第２の画素群から、前記第２の列出力線を介して信号を読み出す第２の読み出し走査とを行い、前記第１の読み出し走査により撮像信号を読み出し、前記第２の読み出し走査により位相差信号を読み出すことを特徴とする撮像装置の制御方法。
16. 画素が行列状に配置され、前記画素の一列につき、第１の列出力線と第２の列出力線とを含む複数の列出力線がそれぞれ配置された複数の画素列を有する画素配列を備える撮像装置を制御する方法であって、
    前記画素からの信号を前記列出力線を介して読み出す読み出し工程を有し、
    前記読み出し工程では、前記画素配列の第１の画素群から、前記第１の列出力線を介して信号を読み出す第１の読み出し走査と、前記画素配列の前記第１の画素群とは異なる第２の画素群から、前記第２の列出力線を介して信号を読み出す第２の読み出し走査とを行い、前記第１の読み出し走査により位相差信号を読み出し、前記第２の読み出し走査により測光用信号を読み出すことを特徴とする撮像装置の制御方法。

Images