JP4027113B2 - 撮像装置及びシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置及びシステムに関し、特に、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の撮像装置及びシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、デジタルカメラ等に用いる撮像装置は、カラーの画像を得るために、２次元に配列された画素と、被写体からの光を画素に集める撮像レンズとの間にカラーフィルタが配列されている。
【０００３】
図１１は、従来のカラーフィルタ配列の概略図である。ここでは、いわゆるベイヤ配列を示している。Ｒ，Ｇ，Ｂは、それぞれ赤色透過フィルタ、緑色透過フィルタ、青色透過フィルタである。
【０００４】
ここで、図１１に示すようなカラーフィルタが配列された撮像装置からの信号を用いて、撮像だけでなく、焦点検出も行っている。
【０００５】
次に、撮像と焦点検出との双方とを行うためのイメージセンサについて説明する。
【０００６】
図１２は、イメージセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う方法の原理説明図、図１３はイメージセンサの1画素の断面図である。
【０００７】
イメージセンサ１０は撮影レンズ５の予定結像面に配置されている。また、イメージセンサ１０の１画素は２つの光電変換部１０１α、１０１βとから構成されており、各光電変換部の撮影レンズ側に形成されたマイクロレンズ１３０によって光電変換部１０１α、１０１βは撮影レンズ５の瞳と略結像関係になるように設定されている。
【０００８】
ここで、光電変換部１０１αは撮影レンズ５の瞳の図中上方を透過する光束Ｌαを受光し、光電変換部１０１βは撮影レンズ５の瞳の図中下方を透過する光束Ｌβを受光する。焦点検出時は、光電変換部１０１α及び光電変換部１０１βの光電荷を転送ゲート１２０α及び１２０βを介して異なるタイミングでフローティングディフュージョン部１２１に個別に出力し、イメージセンサ１０の外部に読み出す。さらに複数の画素の各光電変換部からの出力より撮影レンズの異なる瞳位置を透過した光束による像が生成される。
【０００９】
撮影レンズの異なる瞳位置を透過した光束より生成される像を用いて焦点検出を行う方法は特開平５−１２７０７４号公報等により公知の技術である。
【００１０】
一方通常撮影時は、光電変換部１０１αと光電変換部１０１βの光電荷は転送ゲート１２０α及び１２０βを同時にＯＮすることにより、同じタイミングでフローティングディフュージョン部１２１へ出力をされ、画素内で加算して出力するように構成されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術は、カラーの画像を得るために、カラーフィルタが配列されているため、各画素から出力される信号のレベルは、カラーフィルタが配列されていない場合に比して低くなる。具体的には約１／３になる。
【００１２】
そこで、本発明は、カラーフィルタの配列を工夫して、撮像と焦点検出との双方を都合よく行えるようにすることを第１の課題とする。
【００１３】
また、上記で説明したイメージセンサは、それを構成するすべての画素が図１３に示すように１画素内が２つ光電変換部に分割された構造を有しており、２つの光電変換部に対して１つのフローティングディフュージョン部で光電荷出力の転送を行わなければならないため、２つの光電変換部の光電荷を個別に出力する際は通常の２倍の読み出し時間が必要となる。
【００１４】
また、前記イメージセンサを用いて撮影レンズの焦点状態を検出する場合、２つの光電変換部の出力を個別に読み出す必要があるが、２つの光電変換部の光電荷を異なるタイミングで読み出すと特に動いている被写体においてはその時間差によって２つの光電変換部により生成される画像が異なってきて２つの像の一致度が低下して焦点検出精度を低下させていた。
【００１５】
さらには、２つの光電変換部に分割されていない画素のフローティングディフュージョン部を２つの光電変換部に分割された画素の光電変換部から離れた位置に配置したり、また非分割画素と分割画素にわたって引き回した構造にすると、光電荷の転送効率の低下をもたらしたり、フローティングディフュージョン部の容量が大きくしてＳ／Ｎの低下を招いていた。本発明は、回路構成を工夫することにより、撮像と焦点検出との双方を都合よく行えるようにすることを第２の課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、第１の光電変換部からの信号と前記第２の光電変換部からの信号とを増幅する第１の増幅手段と、前記第１の光電変換部からの信号を前記第１の増幅手段に転送する第１の転送スイッチと、前記第２の光電変換部からの信号を前記第１の増幅手段に転送する第２の転送スイッチと、前記第２の光電変換部からの信号を増幅する第２の増幅手段と、前記第２の光電変換部からの信号を前記第２の増幅手段へ転送する第３の転送スイッチと、前記第１の光電変換部からの信号と前記第２の光電変換部からの信号とを前記第１の増幅手段の入力部で加算して出力する第１のモードと、前記第１の光電変換部からの信号を前記第１の増幅手段から出力し、前記第２の光電変換部からの信号を前記第２の増幅手段より出力する第２のモードとを制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の撮像システムは、上記撮像装置と、前記撮像装置からの電気信号を読み出して画像を形成する画像形成装置とを備えることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
（構成の説明）
図１は、本発明の実施形態のデジタルスチルカメラ１の模式的な構成図である。図１に示すデジタルスチルカメラ１は、被写体からの光を集める凸レンズ５ａ，凹レンズ５ｂ及び絞り手段５３を有する撮影レンズ５と、絞り手段５３を所定の絞り値に絞り込む絞り駆動手段５２と、撮影レンズ５を動かす撮影レンズ駆動手段５１と、レンズ駆動手段５１，絞り駆動手段５２の動作を制御するレンズＣＰＵ５０と、撮影レンズ５の予定結像面に配置されているイメージセンサ１０と、イメージセンサ１０の駆動を制御するイメージセンサ制御回路２１と、イメージセンサ１０からの画像信号を処理する画像処理回路２４と、画像処理回路２４で処理された画像を表示する液晶表示素子９と、液晶表示素子９を駆動する液晶表示素子駆動回路２５と、液晶表示素子９に表示された被写体像を視るための接眼レンズ３、イメージセンサ１０からの画像信号を記録するメモリ回路２２と、画像処理回路２４で処理された画像をデジタルスチルカメラ１の外部に出力するためのインターフェイス回路２３と、イメージセンサ制御回路２１，メモリ回路２２，インターフェイス回路２３，画像処理回路２４，５１の動作を制御すると共に焦点検出のための演算を行うＣＰＵ２０と、ＣＰＵ２０からレンズＣＰＵ５０へ送られる焦点調節情報を中継する電気接点部２６とを備えている。
【００２１】
なお、図１には、２枚のレンズ５ａ，５ｂを便宜上図示しているが、実際は多数枚のレンズで構成されている。また、メモリ回路２２には撮影レンズ５の固有情報（開放Ｆ値、射出窓情報等）も記憶しており、撮影レンズ５はデジタルスチルカメラ本体１に対して着脱可能としている。
【００２２】
図２は、図１のイメージセンサ１０の概略を示す平面図である。図２には、８行８列の画素を配列した様子を示しているが、実際には、用途に応じた数の画素が配列されている。「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」は各画素のカラーフィルタの色相、赤、緑、青を示している。カラーフィルタの光の透過率は、約３０％である。また、同一の色相の画素は千鳥状に配列しており、撮影画像の解像感を向上させている。
【００２３】
また、（０，０）、（４，０）などに位置する画素の光電変換部は２分割させている。このような画素の光電変換部の面積は、非分割画素の光電変換部の面積の例えば半分以下としている。このため、画素の全てが光電変換部を分割してない撮像装置に比して、Ｓ／Ｎ比が相対的に低下するが、光電変換部を分割させた画素には無色透明のカラーフィルタ「Ｗ」を形成することにより入射光の利用効率を上昇させＳ／Ｎ比の低下を最小限にしている。
【００２４】
また、画素（０，０），（４，０）は、光電変換部の分割方向と平行な方向（図２では行方向）にそれぞれ画素を配列している。
【００２５】
また、画素は、ベイヤ配列に近い配列を示している。ベイヤ配列との違いは、「Ｇ」が少ない点である。このため、通常画像の撮影時は「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の画素出力で色差信号を生成し、カラーフィルタが形成されていない画素の画素出力で輝度信号を生成している。
【００２６】
なお、画素の形状を例えば六角形にしてもよく、またベイヤ配列と異なる他の配列に近い配列としてもよい。
【００２７】
また、図８に示すように２種類の画素の光電変換部の分割方向が直交するような構成にして、例えば柵のように方向性のある被写体に依存しない良好な焦点検出できるようにしてもよい。
【００２８】
図３（ａ），図３（ｂ）は、それぞれ図２の画素（０，０），（０，４）の拡大図である。画素（０，０），（０，４）は、図示しているように画素（０，０）の光電変換部の面積を、画素（０，４）の光電変換部の面積よりも大きくしている。
【００２９】
具体的には、画素（０，０）の光電変換部の幅Ｗα０，Ｗβ０を、画素（４，０）の光電変換部の幅Ｗα４，Ｗβ４より狭くし、画素（０，０）の光電変換部相互の間隔Ｗ０を、画素（４，０）の光電変換部相互の間隔Ｗ４よりも広くしている。
【００３０】
なお、画素（０，０），（０，４）の光電変換部の面積を変えているのは、測光の精度を高めるためである。したがって、測光の精度を必要としない撮像装置では、これらの面積を同じにしてよい。
【００３１】
本実施形態では、例えば画素（１，０），（１，１）の光電変換部の面積を等しくしているが、ＲＧＢの出力レベルの差に応じて変えてもよい。なお、光電変換部の面積とは、画素の開口率で決まる実質的に光電変換が行われる光電変換領域の面積のことを意味する。
【００３２】
図５は、図３の各画素の光電変換部が受光する焦点検出光束を示す図である。各光電変換部は撮影レンズ５の瞳のほぼ全領域の光束を受光できるようになっているため、開放Ｆ値の大きい小口径の撮影レンズにおいても焦点検出が可能である。
【００３３】
ところで、撮影レンズ５の焦点状態を検出する際は、光電変換部の分割方向と同一の方向に配設されている画素の２分割された光電変換部の各出力が独立して読み出される。２つの光電変換部からの出力をそれぞれ独立して読み出す方法については後述する。
【００３４】
図６（ａ），図６（ｂ）は、それぞれ図３（ａ），図３（ｂ）の画素（０，０），（０，４）から焦点検出用に読み出した信号のレベルを示す図である。
【００３５】
撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による像Ｉα、Ｉβの像ずれ量δ１から撮影レンズ５のデフォーカス量が算出されるのは公知の技術で、デフォーカス量ｄｅｆは例えば
ｄｅｆ＝Ｋ１×δ１
という式で算出される。
【００３６】
ここでＫ１は、三角測量における基線長の逆数に相当するパラメータで、デフォーカス量に対する像ずれ量δの敏感度を表している。撮影レンズ５の開放Ｆ値が小さくデフォーカス量が大きい場合、図６（ｂ）のように被写体像はボケが大きくコントラストの低いものになる。
【００３７】
一方、図３（ａ）に示すように、画素（０，０）は光電変換部の分割方向の幅Ｗα０，Ｗβ０が狭く、また２つの光電変換部の分割方向の間隔Ｗ０が広いので、画素（０，４）の位置に配設された画素の光電変換部の幅と間隔とを比較すると、
Ｗα０（＝Ｗβ０）＜Ｗα４（＝Ｗβ４）
Ｗ０＞Ｗ４
を満足するようにしている。
【００３８】
このような構成の画素の各光電変換部が受光する焦点検出光束を示したのが図６（ａ）である。各光電変換部は撮影レンズ５の瞳の一部の光束のみを受光できるようになっている。
【００３９】
撮影レンズ５のデフォーカス量が大きい場合にも、図６（ａ）のように被写体像はボケが小さくコントラストの高いものが得られる。そのため、像Ｉα、Ｉβの相関演算を行い算出される像ずれ量δ２の精度は高い。このときのデフォーカス量ｄｅｆは
ｄｅｆ＝Ｋ２×δ２
として算出される。ここで、三角測量における基線長の逆数に相当するパラメータＫ２は
Ｋ１＞Ｋ２
の関係にあり、同じデフォーカス量でも焦点検出像Ｉα、Ｉβの像ずれ量δ２が大きいため、焦点検出像Ｉα、Ｉβによって得られる焦点検出結果は精度の高いものとなる。
【００４０】
図１０は、図２の画素（０，０），（１，０）の断面図である。図１０において、１１７はＰ型ウェル、１１８はＭＯＳのゲート絶縁膜であるＳｉＯ2膜である。１２６α0〜１２６γ0は表面Ｐ+層であり、ｎ層１２５α0〜１２５γ0と共に光電変換部１０１α0〜１０１γ0を構成している。
【００４１】
また、１２０α0〜１２０γ0は光電変換部１０１α0〜１０１γ0に蓄積された光電荷をＦＤ部１２１α0，１２１γ0へ転送するための転送ゲートである。
【００４２】
さらに、１２９はカラーフィルタ、１３０はマイクロレンズで、マイクロレンズ１３０は撮影レンズ５の瞳とイメージセンサ１０の光電変換部１０１α0〜１０１γ0とが共役になるような形状及び位置に形成されている。
【００４３】
また画素（０，０）では、ＦＤ部１２１α0を挟んで、光電変換部１０１α0，１０１β0がそれぞれ形成されており、更に各光電変換部１０１α0，１０１β0で発生した光電荷は、それぞれ転送ゲート１２０α0、１２０β0’を介して転送される。
【００４４】
また画素（１、０）では、 ＦＤ部１２１γ0は光電変換部１０１γ0，光電変換部１０１β0の間に形成されており、更に各光電変換部１０１γ0，１０１β0で発生した光電荷は、それぞれ転送ゲート１２０γ0、１２０β0を介して転送される。
【００４５】
ここで、転送ゲート１２０γ0，１２０β0’は、同じ制御パルスΦＴＸγ0で制御されるように構成されている。そして、光電変換部１０１β0の光電荷は制御パルスΦＴＸβ0及びΦＴＸγ0のハイ／ロー状態で、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0に選択的に転送される。
【００４６】
図７は、図３のイメージセンサ１０を含む回路構成図である。なお、図７には、説明の都合上（０，０）、（１，０）、（０，１）、（１，１）の４画素分を示している。
【００４７】
図７において、１０３α0〜１０３γ0は図１０の転送ゲート１２０α0〜１２０γ0を含む転送スイッチＭＯＳトランジスタ、１０４はＦＤ部１２１α0，１２１γ0等を所定電位にリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタ、１０５は転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α0〜１０３γ0によって転送された電荷に基づく増幅信号を得るための増幅手段であるソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、１０６はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５で得られる増幅信号の読出対象の画素を選択する水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ、１０７はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５と共にソースフォロワを構成する負荷ＭＯＳトランジスタ、１０８α0，１０８β0は画素の暗出力を転送する暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、１０９α0，１０９β0は画素の明出力を転送する明出力転送ＭＯＳトランジスタ、１１０α0，１１０β0は暗出力転送ＭＯＳトランジスタ１０８α0，１０８β0によって転送された暗出力を蓄積する暗出力蓄積容量、１１１α0，１１１β0は明出力転送ＭＯＳトランジスタ１０９α0，１０９β0によって転送された明出力を蓄積する明出力蓄積容量、１１２α0，１１２β0は暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に蓄積されている各出力を水平出力線へ転送する水平転送ＭＯＳトランジスタ、１１３は水平出力線を所定電位にリセットする水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ、１１４は水平出力線相互に転送された信号の差分を増幅して出力する差動出力アンプで、１１５は水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２α0，１１２β0のオン／オフを制御する水平走査回路、１１６は転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α0〜１０３γ0等のオン／オフを制御する垂直走査回路である。
【００４８】
（動作の説明）
図４は、図１のデジタルスチルカメラ１の動作の概要を示すフローチャートである。
【００４９】
撮影者が、図１には図示しないデジタルスチルカメラ１のメインスイッチをオンすると(Ｓ３０１)、ＣＰＵ２０は、撮影レンズ５の焦点検出のための演算を行う。
【００５０】
撮影レンズ５の焦点検出はイメージセンサ１０の出力を用いて行われる。撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による像を用いて撮影レンズの焦点状態を検出する方法は、例えば特開２００１−１２４９８４号公報に記載されている手法を用いている(Ｓ３０２)。
【００５１】
イメージセンサ１０の出力に基づいて撮影レンズ５のデフォーカス量が算出されると、撮影レンズ５の駆動量が算出される。ＣＰＵ２０は、この算出結果に基づいてレンズＣＰＵ５０を介して撮影レンズ駆動手段５１にレンズ駆動信号を送る。撮影レンズ駆動手段５１は、レンズ駆動信号に従って撮影レンズ５を合焦状態に設定するために駆動する (Ｓ３０３)。
【００５２】
撮影レンズ５の焦点調節が終了すると、ＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１を通じてイメージセンサ１０に撮像を行わせる(Ｓ３０４)。
【００５３】
イメージセンサ１０で撮像された画像信号は、画像処理回路２４でＡ／Ｄ変換された後に画像処理が行われる。このとき、イメージセンサ１０からの出力信号に基づいて色再現のために所定の画像処理が行われる。
【００５４】
画像処理が行われた画像信号は、撮影者が接眼レンズ３を通して被写体像を観察できるようにするために、液晶表示素子駆動回路２５に従って液晶表示素子９に表示される(Ｓ３０５)。
【００５５】
更にＣＰＵ２０は撮像画像を記録するための操作スイッチＳＷ２がオンされると(Ｓ３０６)、ＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に制御信号を送ってイメージセンサ１０によって本撮像を行う（Ｓ３０７）。
【００５６】
そして、画像処理回路２４において後述する輝度調整を含む画像処理が施されて生成された画像は、液晶表示素子駆動回路２５に送られ液晶表示素子９に表示される(Ｓ３０８)。
【００５７】
同時に、ＣＰＵ２０は撮像された画像信号は、そのままデジタルスチルカメラ１のメモリ回路２２に記憶される(Ｓ３０９)。
【００５８】
撮影動作が終了し、撮影者がメインスイッチをオフすると(Ｓ３１０)、デジタルスチルカメラ１の電源が落ちる。
【００５９】
なお、輝度調整の際には、１ライン分の画素からの電荷だけを読み出すようにすればよい。電荷を読み出すラインは、撮像レンズ５の集光特性などを考慮してイメージセンサ１０の中央部付近とすることが好ましい。
【００６０】
図９は、図７のイメージセンサ１０の回路の動作を示すタイミングチャートである。図９（ａ）には、通常の撮像を行う際の第０ラインのタイミングチャートである。図９（ｂ）には、焦点検出用画像を読み出す際の第０ラインのタイミングチャートを示している。
【００６１】
撮像時の概要について説明すると、画素（１，０）では光電変換部１０１α0，１０１β0で変換された電荷が同時にＦＤ部１２１α0に転送され、ＦＤ部１２１α0で加算されてから読み出される。このとき、同時に画素（２，０）では光電変換部１０１γ0で変換された電荷がＦＤ部１２１γ0に転送され読み出される。
【００６２】
図９（ａ）を用いて具体的な撮像時の動作について説明する。まず、垂直走査回路１１６からのタイミング出力によって、制御パルスΦＳ0をハイレベルに切り換えて、水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンして、第０ラインの画素部を選択する。
【００６３】
次に、制御パルスΦＲ0をローレベルに切り換えて、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0のリセットを止めＦＤ部１２１α0，１２１γ0をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルーとしてから、所定時間後に、制御パルスΦＴＮを一時的にハイレベルに切り換えて、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0の暗電圧をソースフォロワ動作で暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0に出力する。
【００６４】
次に、第０ラインの各画素の光電変換部１０１α0〜１０１γ0からの電荷の出力を行うため、制御パルスΦＴＸα0，ΦＴＸγ0を一時的にハイレベルに切り換えて、転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α0，１０３β0’及び１０３γ0を導通する。
【００６５】
このとき、光電変換部１０１α0，１０１β0で変換された電荷はＦＤ部１２１α0に転送され、光電変換部１０１γ0で変換された電荷はＦＤ部１２１γ0に転送される。
【００６６】
光電変換部１０１α0，１０１β0からの電荷がＦＤ部１２１α0に転送されることにより、ＦＤ部１２１α0の電位が光に応じて変化することになる。このときソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５がフローティング状態であるので、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0の電位を、制御パルスΦＴＳを一時的にハイレベルに切り換えることによって明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に出力する。
【００６７】
この時点で、第０ラインの各画素（０，０）、（１，０）の暗出力及び明出力はそれぞれ暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に蓄積されており、更に制御パルスΦＨＣを一時的にハイレベルに切り換えて、水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３を導通して水平出力線をリセットする。
【００６８】
そして、水平転送期間において水平走査回路１１５からの水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２α0，１１２β0への走査タイミング信号により、水平出力線に画素（０，０）、（１，０）の暗出力と光出力とが出力される。
【００６９】
このとき、暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0からの信号を差動増幅器１１４によって差動増幅して出力Ｖｏｕｔするため、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎのよい信号が得られる。
【００７０】
その後、制御パルスΦＲ0をハイレベルに切り換え、制御パルスΦＳ0をローレベルに切り換えて、第０ラインの画素の選択を終了する。
【００７１】
さらに、垂直走査回路１１６は同様に、順々に、次のラインの画素からの電荷の読み出しを行うことにより、イメージセンサ１０の全画素からの信号を出力する。この出力は、画像処理回路２４によって信号処理が行われ、液晶表示素子９に表示され、またメモリ回路２２に画像が記憶される。
【００７２】
焦点状態の検出時の概要について説明すると、光電変換部１０１α0，１０１β0のそれぞれの出力から得られる２つの画像の相関演算を行い、２つの画像の像ずれ量から撮影レンズ５の焦点状態を検出する。
【００７３】
このとき、光電変換部１０１γ0の出力は読み出さないようにする。そして、光電変換部１０１β0の出力は画素（１，０）から出力されるようにする。
【００７４】
図９（ｂ）を用いて具体的な焦点状態の検出時の動作について説明する。まず、垂直走査回路１１６からのタイミング出力によって、制御パルスΦＳ0をハイレベルに切り換えて、水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンして、第０ラインの画素部を選択する。
【００７５】
次に、制御パルスΦＲ0をローレベルに切り換えて、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0のリセットを止めＦＤ部１２１α0，１２１γ0をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルーとしてから、所定時間後に、制御パルスΦＴＮを一時的にハイレベルに切り換えて、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0の暗電圧をソースフォロワ動作で暗出力蓄積容量１１０に出力する。
【００７６】
次に、制御パルスΦＴＸα0，ΦＴＸβ0をハイレベルに切り換えて、転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α0，１０３β0を導通し、光電変換部１０１α0，１０１β0で変換された電荷をＦＤ部１２１α0，１２１γ0に同時に転送する。
【００７７】
このとき、制御パルスΦＴＸγ0はローであるため、光電変換部１０１γ0の光電荷はＦＤ部１２１γ0には転送されない。
【００７８】
光電変換部１０１α0，１０１β0で変換された電荷がＦＤ部１２１α0，１２１β0で変換されたに転送されることにより、ＦＤ部１２１α0，１２１β0の電位が光に応じて変化することになる。このときソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５がフローティング状態であるので、ＦＤ部１２１α0，１２１β0の電位を、制御パルスΦＴＳを一時的にハイレベルに切り換えることによって明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に出力する。
【００７９】
この時点で、第０ラインの各画素（０，０）、（１，０）の暗出力及び明出力はそれぞれ暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に蓄積されており、更に制御パルスΦＨＣを一時的にハイレベルに切り換えて、水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３を導通して水平出力線をリセットする。
【００８０】
そして、水平転送期間において水平走査回路１１５からの水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２α0，１１２β0への走査タイミング信号により、水平出力線に画素（０，０）、（１，０）の暗出力と光出力とが出力される。
【００８１】
このとき、暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0からの信号を差動増幅器１１４によって差動増幅して出力Ｖｏｕｔするため、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎのよい信号が得られる。
【００８２】
その後、制御パルスΦＲ0をハイレベルに切り換え、制御パルスΦＳ0をローレベルに切り換えて、第０ラインの画素の選択を終了する。
【００８３】
イメージセンサ１０からの出力は、ＣＰＵ２０の演算によって、焦点検出用画像信号として整形され、相関演算処理を行った後に撮影レンズ５の焦点状態が算出されることとなる。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の撮像装置により、撮像と焦点検出との双方を行う場合、光電荷の転送効率の低下やＳ／Ｎの低下を招くことなく、都合よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のデジタルスチルカメラ１の模式的な構成図である。
【図２】図１のイメージセンサ１０の概略を示す平面図である。
【図３】図２の画素（０，０），（０，４）の拡大図である。
【図４】図１のデジタルスチルカメラ１の動作を示すフローチャートである。
【図５】焦点検出光束の説明図である。
【図６】焦点検出用信号の説明図である。
【図７】図１のイメージセンサ１０を含む回路構成図である。
【図８】図７のイメージセンサ１０の概略を示す平面図である。
【図９】図７のイメージセンサ１０の回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】図７のイメージセンサ１０の一部断面図である。
【図１１】従来のカラーフィルタ配列の概略図である。
【図１２】イメージセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う方法の原理説明図である。
【図１３】イメージセンサの１画素の断面図である。
【符号の説明】
１ デジタルスチルカメラ
３ 接眼レンズ
５ 撮影レンズ
９ 液晶表示素子
１０ イメージセンサ
２０、５０ ＣＰＵ
２１ イメージセンサ制御回路
２２ メモリ回路
２３ インターフェイス回路
２４ 画像処理回路
２５ 液晶表示素子駆動回路
２６ 電気接点
５１ レンズ駆動手段
５２ 絞り駆動手段
５３ 絞り手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置及びシステムに関し、特に、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の撮像装置及びシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、デジタルカメラ等に用いる撮像装置は、カラーの画像を得るために、２次元に配列された画素と、被写体からの光を画素に集める撮像レンズとの間にカラーフィルタが配列されている。
【０００３】
図１１は、従来のカラーフィルタ配列の概略図である。ここでは、いわゆるベイヤ配列を示している。Ｒ，Ｇ，Ｂは、それぞれ赤色透過フィルタ、緑色透過フィルタ、青色透過フィルタである。
【０００４】
ここで、図１１に示すようなカラーフィルタが配列された撮像装置からの信号を用いて、撮像だけでなく、焦点検出も行っている。
【０００５】
次に、撮像と焦点検出との双方とを行うためのイメージセンサについて説明する。
【０００６】
図１２は、イメージセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う方法の原理説明図、図１３はイメージセンサの1画素の断面図である。
【０００７】
イメージセンサ１０は撮影レンズ５の予定結像面に配置されている。また、イメージセンサ１０の１画素は２つの光電変換部１０１α、１０１βとから構成されており、各光電変換部の撮影レンズ側に形成されたマイクロレンズ１３０によって光電変換部１０１α、１０１βは撮影レンズ５の瞳と略結像関係になるように設定されている。
【０００８】
ここで、光電変換部１０１αは撮影レンズ５の瞳の図中上方を透過する光束Ｌαを受光し、光電変換部１０１βは撮影レンズ５の瞳の図中下方を透過する光束Ｌβを受光する。焦点検出時は、光電変換部１０１α及び光電変換部１０１βの光電荷を転送ゲート１２０α及び１２０βを介して異なるタイミングでフローティングディフュージョン部１２１に個別に出力し、イメージセンサ１０の外部に読み出す。さらに複数の画素の各光電変換部からの出力より撮影レンズの異なる瞳位置を透過した光束による像が生成される。
【０００９】
撮影レンズの異なる瞳位置を透過した光束より生成される像を用いて焦点検出を行う方法は特開平５−１２７０７４号公報等により公知の技術である。
【００１０】
一方通常撮影時は、光電変換部１０１αと光電変換部１０１βの光電荷は転送ゲート１２０α及び１２０βを同時にＯＮすることにより、同じタイミングでフローティングディフュージョン部１２１へ出力をされ、画素内で加算して出力するように構成されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術は、カラーの画像を得るために、カラーフィルタが配列されているため、各画素から出力される信号のレベルは、カラーフィルタが配列されていない場合に比して低くなる。具体的には約１／３になる。
【００１２】
そこで、本発明は、カラーフィルタの配列を工夫して、撮像と焦点検出との双方を都合よく行えるようにすることを第１の課題とする。
【００１３】
また、上記で説明したイメージセンサは、それを構成するすべての画素が図１３に示すように１画素内が２つ光電変換部に分割された構造を有しており、２つの光電変換部に対して１つのフローティングディフュージョン部で光電荷出力の転送を行わなければならないため、２つの光電変換部の光電荷を個別に出力する際は通常の２倍の読み出し時間が必要となる。
【００１４】
また、前記イメージセンサを用いて撮影レンズの焦点状態を検出する場合、２つの光電変換部の出力を個別に読み出す必要があるが、２つの光電変換部の光電荷を異なるタイミングで読み出すと特に動いている被写体においてはその時間差によって２つの光電変換部により生成される画像が異なってきて２つの像の一致度が低下して焦点検出精度を低下させていた。
【００１５】
さらには、２つの光電変換部に分割されていない画素のフローティングディフュージョン部を２つの光電変換部に分割された画素の光電変換部から離れた位置に配置したり、また非分割画素と分割画素にわたって引き回した構造にすると、光電荷の転送効率の低下をもたらしたり、フローティングディフュージョン部の容量が大きくしてＳ／Ｎの低下を招いていた。本発明は、回路構成を工夫することにより、撮像と焦点検出との双方を都合よく行えるようにすることを第２の課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、第１の光電変換部からの信号と前記第２の光電変換部からの信号とを増幅する第１の増幅手段と、前記第１の光電変換部からの信号を前記第１の増幅手段に転送する第１の転送スイッチと、前記第２の光電変換部からの信号を前記第１の増幅手段に転送する第２の転送スイッチと、前記第２の光電変換部からの信号を増幅する第２の増幅手段と、前記第２の光電変換部からの信号を前記第２の増幅手段へ転送する第３の転送スイッチと、前記第１の光電変換部からの信号と前記第２の光電変換部からの信号とを前記第１の増幅手段の入力部で加算して出力する第１のモードと、前記第１の光電変換部からの信号を前記第１の増幅手段から出力し、前記第２の光電変換部からの信号を前記第２の増幅手段より出力する第２のモードとを制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の撮像システムは、上記撮像装置と、前記撮像装置からの電気信号を読み出して画像を形成する画像形成装置とを備えることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
（構成の説明）
図１は、本発明の実施形態のデジタルスチルカメラ１の模式的な構成図である。図１に示すデジタルスチルカメラ１は、被写体からの光を集める凸レンズ５ａ，凹レンズ５ｂ及び絞り手段５３を有する撮影レンズ５と、絞り手段５３を所定の絞り値に絞り込む絞り駆動手段５２と、撮影レンズ５を動かす撮影レンズ駆動手段５１と、レンズ駆動手段５１，絞り駆動手段５２の動作を制御するレンズＣＰＵ５０と、撮影レンズ５の予定結像面に配置されているイメージセンサ１０と、イメージセンサ１０の駆動を制御するイメージセンサ制御回路２１と、イメージセンサ１０からの画像信号を処理する画像処理回路２４と、画像処理回路２４で処理された画像を表示する液晶表示素子９と、液晶表示素子９を駆動する液晶表示素子駆動回路２５と、液晶表示素子９に表示された被写体像を視るための接眼レンズ３、イメージセンサ１０からの画像信号を記録するメモリ回路２２と、画像処理回路２４で処理された画像をデジタルスチルカメラ１の外部に出力するためのインターフェイス回路２３と、イメージセンサ制御回路２１，メモリ回路２２，インターフェイス回路２３，画像処理回路２４，５１の動作を制御すると共に焦点検出のための演算を行うＣＰＵ２０と、ＣＰＵ２０からレンズＣＰＵ５０へ送られる焦点調節情報を中継する電気接点部２６とを備えている。
【００２１】
なお、図１には、２枚のレンズ５ａ，５ｂを便宜上図示しているが、実際は多数枚のレンズで構成されている。また、メモリ回路２２には撮影レンズ５の固有情報（開放Ｆ値、射出窓情報等）も記憶しており、撮影レンズ５はデジタルスチルカメラ本体１に対して着脱可能としている。
【００２２】
図２は、図１のイメージセンサ１０の概略を示す平面図である。図２には、８行８列の画素を配列した様子を示しているが、実際には、用途に応じた数の画素が配列されている。「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」は各画素のカラーフィルタの色相、赤、緑、青を示している。カラーフィルタの光の透過率は、約３０％である。また、同一の色相の画素は千鳥状に配列しており、撮影画像の解像感を向上させている。
【００２３】
また、（０，０）、（４，０）などに位置する画素の光電変換部は２分割させている。このような画素の光電変換部の面積は、非分割画素の光電変換部の面積の例えば半分以下としている。このため、画素の全てが光電変換部を分割してない撮像装置に比して、Ｓ／Ｎ比が相対的に低下するが、光電変換部を分割させた画素には無色透明のカラーフィルタ「Ｗ」を形成することにより入射光の利用効率を上昇させＳ／Ｎ比の低下を最小限にしている。
【００２４】
また、画素（０，０），（４，０）は、光電変換部の分割方向と平行な方向（図２では行方向）にそれぞれ画素を配列している。
【００２５】
また、画素は、ベイヤ配列に近い配列を示している。ベイヤ配列との違いは、「Ｇ」が少ない点である。このため、通常画像の撮影時は「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の画素出力で色差信号を生成し、カラーフィルタが形成されていない画素の画素出力で輝度信号を生成している。
【００２６】
なお、画素の形状を例えば六角形にしてもよく、またベイヤ配列と異なる他の配列に近い配列としてもよい。
【００２７】
また、図８に示すように２種類の画素の光電変換部の分割方向が直交するような構成にして、例えば柵のように方向性のある被写体に依存しない良好な焦点検出できるようにしてもよい。
【００２８】
図３（ａ），図３（ｂ）は、それぞれ図２の画素（０，０），（０，４）の拡大図である。画素（０，０），（０，４）は、図示しているように画素（０，０）の光電変換部の面積を、画素（０，４）の光電変換部の面積よりも大きくしている。
【００２９】
具体的には、画素（０，０）の光電変換部の幅Ｗα０，Ｗβ０を、画素（４，０）の光電変換部の幅Ｗα４，Ｗβ４より狭くし、画素（０，０）の光電変換部相互の間隔Ｗ０を、画素（４，０）の光電変換部相互の間隔Ｗ４よりも広くしている。
【００３０】
なお、画素（０，０），（０，４）の光電変換部の面積を変えているのは、測光の精度を高めるためである。したがって、測光の精度を必要としない撮像装置では、これらの面積を同じにしてよい。
【００３１】
本実施形態では、例えば画素（１，０），（１，１）の光電変換部の面積を等しくしているが、ＲＧＢの出力レベルの差に応じて変えてもよい。なお、光電変換部の面積とは、画素の開口率で決まる実質的に光電変換が行われる光電変換領域の面積のことを意味する。
【００３２】
図５は、図３の各画素の光電変換部が受光する焦点検出光束を示す図である。各光電変換部は撮影レンズ５の瞳のほぼ全領域の光束を受光できるようになっているため、開放Ｆ値の大きい小口径の撮影レンズにおいても焦点検出が可能である。
【００３３】
ところで、撮影レンズ５の焦点状態を検出する際は、光電変換部の分割方向と同一の方向に配設されている画素の２分割された光電変換部の各出力が独立して読み出される。２つの光電変換部からの出力をそれぞれ独立して読み出す方法については後述する。
【００３４】
図６（ａ），図６（ｂ）は、それぞれ図３（ａ），図３（ｂ）の画素（０，０），（０，４）から焦点検出用に読み出した信号のレベルを示す図である。
【００３５】
撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による像Ｉα、Ｉβの像ずれ量δ１から撮影レンズ５のデフォーカス量が算出されるのは公知の技術で、デフォーカス量ｄｅｆは例えば
ｄｅｆ＝Ｋ１×δ１
という式で算出される。
【００３６】
ここでＫ１は、三角測量における基線長の逆数に相当するパラメータで、デフォーカス量に対する像ずれ量δの敏感度を表している。撮影レンズ５の開放Ｆ値が小さくデフォーカス量が大きい場合、図６（ｂ）のように被写体像はボケが大きくコントラストの低いものになる。
【００３７】
一方、図３（ａ）に示すように、画素（０，０）は光電変換部の分割方向の幅Ｗα０，Ｗβ０が狭く、また２つの光電変換部の分割方向の間隔Ｗ０が広いので、画素（０，４）の位置に配設された画素の光電変換部の幅と間隔とを比較すると、
Ｗα０（＝Ｗβ０）＜Ｗα４（＝Ｗβ４）
Ｗ０＞Ｗ４
を満足するようにしている。
【００３８】
このような構成の画素の各光電変換部が受光する焦点検出光束を示したのが図６（ａ）である。各光電変換部は撮影レンズ５の瞳の一部の光束のみを受光できるようになっている。
【００３９】
撮影レンズ５のデフォーカス量が大きい場合にも、図６（ａ）のように被写体像はボケが小さくコントラストの高いものが得られる。そのため、像Ｉα、Ｉβの相関演算を行い算出される像ずれ量δ２の精度は高い。このときのデフォーカス量ｄｅｆは
ｄｅｆ＝Ｋ２×δ２
として算出される。ここで、三角測量における基線長の逆数に相当するパラメータＫ２は
Ｋ１＞Ｋ２
の関係にあり、同じデフォーカス量でも焦点検出像Ｉα、Ｉβの像ずれ量δ２が大きいため、焦点検出像Ｉα、Ｉβによって得られる焦点検出結果は精度の高いものとなる。
【００４０】
図１０は、図２の画素（０，０），（１，０）の断面図である。図１０において、１１７はＰ型ウェル、１１８はＭＯＳのゲート絶縁膜であるＳｉＯ2膜である。１２６α0〜１２６γ0は表面Ｐ+層であり、ｎ層１２５α0〜１２５γ0と共に光電変換部１０１α0〜１０１γ0を構成している。
【００４１】
また、１２０α0〜１２０γ0は光電変換部１０１α0〜１０１γ0に蓄積された光電荷をＦＤ部１２１α0，１２１γ0へ転送するための転送ゲートである。
【００４２】
さらに、１２９はカラーフィルタ、１３０はマイクロレンズで、マイクロレンズ１３０は撮影レンズ５の瞳とイメージセンサ１０の光電変換部１０１α0〜１０１γ0とが共役になるような形状及び位置に形成されている。
【００４３】
また画素（０，０）では、ＦＤ部１２１α0を挟んで、光電変換部１０１α0，１０１β0がそれぞれ形成されており、更に各光電変換部１０１α0，１０１β0で発生した光電荷は、それぞれ転送ゲート１２０α0、１２０β0’を介して転送される。
【００４４】
また画素（１、０）では、 ＦＤ部１２１γ0は光電変換部１０１γ0，光電変換部１０１β0の間に形成されており、更に各光電変換部１０１γ0，１０１β0で発生した光電荷は、それぞれ転送ゲート１２０γ0、１２０β0を介して転送される。
【００４５】
ここで、転送ゲート１２０γ0，１２０β0’は、同じ制御パルスΦＴＸγ0で制御されるように構成されている。そして、光電変換部１０１β0の光電荷は制御パルスΦＴＸβ0及びΦＴＸγ0のハイ／ロー状態で、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0に選択的に転送される。
【００４６】
図７は、図３のイメージセンサ１０を含む回路構成図である。なお、図７には、説明の都合上（０，０）、（１，０）、（０，１）、（１，１）の４画素分を示している。
【００４７】
図７において、１０３α0〜１０３γ0は図１０の転送ゲート１２０α0〜１２０γ0を含む転送スイッチＭＯＳトランジスタ、１０４はＦＤ部１２１α0，１２１γ0等を所定電位にリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタ、１０５は転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α0〜１０３γ0によって転送された電荷に基づく増幅信号を得るための増幅手段であるソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、１０６はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５で得られる増幅信号の読出対象の画素を選択する水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ、１０７はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５と共にソースフォロワを構成する負荷ＭＯＳトランジスタ、１０８α0，１０８β0は画素の暗出力を転送する暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、１０９α0，１０９β0は画素の明出力を転送する明出力転送ＭＯＳトランジスタ、１１０α0，１１０β0は暗出力転送ＭＯＳトランジスタ１０８α0，１０８β0によって転送された暗出力を蓄積する暗出力蓄積容量、１１１α0，１１１β0は明出力転送ＭＯＳトランジスタ１０９α0，１０９β0によって転送された明出力を蓄積する明出力蓄積容量、１１２α0，１１２β0は暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に蓄積されている各出力を水平出力線へ転送する水平転送ＭＯＳトランジスタ、１１３は水平出力線を所定電位にリセットする水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ、１１４は水平出力線相互に転送された信号の差分を増幅して出力する差動出力アンプで、１１５は水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２α0，１１２β0のオン／オフを制御する水平走査回路、１１６は転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α0〜１０３γ0等のオン／オフを制御する垂直走査回路である。
【００４８】
（動作の説明）
図４は、図１のデジタルスチルカメラ１の動作の概要を示すフローチャートである。
【００４９】
撮影者が、図１には図示しないデジタルスチルカメラ１のメインスイッチをオンすると(Ｓ３０１)、ＣＰＵ２０は、撮影レンズ５の焦点検出のための演算を行う。
【００５０】
撮影レンズ５の焦点検出はイメージセンサ１０の出力を用いて行われる。撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による像を用いて撮影レンズの焦点状態を検出する方法は、例えば特開２００１−１２４９８４号公報に記載されている手法を用いている(Ｓ３０２)。
【００５１】
イメージセンサ１０の出力に基づいて撮影レンズ５のデフォーカス量が算出されると、撮影レンズ５の駆動量が算出される。ＣＰＵ２０は、この算出結果に基づいてレンズＣＰＵ５０を介して撮影レンズ駆動手段５１にレンズ駆動信号を送る。撮影レンズ駆動手段５１は、レンズ駆動信号に従って撮影レンズ５を合焦状態に設定するために駆動する (Ｓ３０３)。
【００５２】
撮影レンズ５の焦点調節が終了すると、ＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１を通じてイメージセンサ１０に撮像を行わせる(Ｓ３０４)。
【００５３】
イメージセンサ１０で撮像された画像信号は、画像処理回路２４でＡ／Ｄ変換された後に画像処理が行われる。このとき、イメージセンサ１０からの出力信号に基づいて色再現のために所定の画像処理が行われる。
【００５４】
画像処理が行われた画像信号は、撮影者が接眼レンズ３を通して被写体像を観察できるようにするために、液晶表示素子駆動回路２５に従って液晶表示素子９に表示される(Ｓ３０５)。
【００５５】
更にＣＰＵ２０は撮像画像を記録するための操作スイッチＳＷ２がオンされると(Ｓ３０６)、ＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に制御信号を送ってイメージセンサ１０によって本撮像を行う（Ｓ３０７）。
【００５６】
そして、画像処理回路２４において後述する輝度調整を含む画像処理が施されて生成された画像は、液晶表示素子駆動回路２５に送られ液晶表示素子９に表示される(Ｓ３０８)。
【００５７】
同時に、ＣＰＵ２０は撮像された画像信号は、そのままデジタルスチルカメラ１のメモリ回路２２に記憶される(Ｓ３０９)。
【００５８】
撮影動作が終了し、撮影者がメインスイッチをオフすると(Ｓ３１０)、デジタルスチルカメラ１の電源が落ちる。
【００５９】
なお、輝度調整の際には、１ライン分の画素からの電荷だけを読み出すようにすればよい。電荷を読み出すラインは、撮像レンズ５の集光特性などを考慮してイメージセンサ１０の中央部付近とすることが好ましい。
【００６０】
図９は、図７のイメージセンサ１０の回路の動作を示すタイミングチャートである。図９（ａ）には、通常の撮像を行う際の第０ラインのタイミングチャートである。図９（ｂ）には、焦点検出用画像を読み出す際の第０ラインのタイミングチャートを示している。
【００６１】
撮像時の概要について説明すると、画素（１，０）では光電変換部１０１α0，１０１β0で変換された電荷が同時にＦＤ部１２１α0に転送され、ＦＤ部１２１α0で加算されてから読み出される。このとき、同時に画素（２，０）では光電変換部１０１γ0で変換された電荷がＦＤ部１２１γ0に転送され読み出される。
【００６２】
図９（ａ）を用いて具体的な撮像時の動作について説明する。まず、垂直走査回路１１６からのタイミング出力によって、制御パルスΦＳ0をハイレベルに切り換えて、水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンして、第０ラインの画素部を選択する。
【００６３】
次に、制御パルスΦＲ0をローレベルに切り換えて、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0のリセットを止めＦＤ部１２１α0，１２１γ0をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルーとしてから、所定時間後に、制御パルスΦＴＮを一時的にハイレベルに切り換えて、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0の暗電圧をソースフォロワ動作で暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0に出力する。
【００６４】
次に、第０ラインの各画素の光電変換部１０１α0〜１０１γ0からの電荷の出力を行うため、制御パルスΦＴＸα0，ΦＴＸγ0を一時的にハイレベルに切り換えて、転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α0，１０３β0’及び１０３γ0を導通する。
【００６５】
このとき、光電変換部１０１α0，１０１β0で変換された電荷はＦＤ部１２１α0に転送され、光電変換部１０１γ0で変換された電荷はＦＤ部１２１γ0に転送される。
【００６６】
光電変換部１０１α0，１０１β0からの電荷がＦＤ部１２１α0に転送されることにより、ＦＤ部１２１α0の電位が光に応じて変化することになる。このときソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５がフローティング状態であるので、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0の電位を、制御パルスΦＴＳを一時的にハイレベルに切り換えることによって明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に出力する。
【００６７】
この時点で、第０ラインの各画素（０，０）、（１，０）の暗出力及び明出力はそれぞれ暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に蓄積されており、更に制御パルスΦＨＣを一時的にハイレベルに切り換えて、水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３を導通して水平出力線をリセットする。
【００６８】
そして、水平転送期間において水平走査回路１１５からの水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２α0，１１２β0への走査タイミング信号により、水平出力線に画素（０，０）、（１，０）の暗出力と光出力とが出力される。
【００６９】
このとき、暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0からの信号を差動増幅器１１４によって差動増幅して出力Ｖｏｕｔするため、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎのよい信号が得られる。
【００７０】
その後、制御パルスΦＲ0をハイレベルに切り換え、制御パルスΦＳ0をローレベルに切り換えて、第０ラインの画素の選択を終了する。
【００７１】
さらに、垂直走査回路１１６は同様に、順々に、次のラインの画素からの電荷の読み出しを行うことにより、イメージセンサ１０の全画素からの信号を出力する。この出力は、画像処理回路２４によって信号処理が行われ、液晶表示素子９に表示され、またメモリ回路２２に画像が記憶される。
【００７２】
焦点状態の検出時の概要について説明すると、光電変換部１０１α0，１０１β0のそれぞれの出力から得られる２つの画像の相関演算を行い、２つの画像の像ずれ量から撮影レンズ５の焦点状態を検出する。
【００７３】
このとき、光電変換部１０１γ0の出力は読み出さないようにする。そして、光電変換部１０１β0の出力は画素（１，０）から出力されるようにする。
【００７４】
図９（ｂ）を用いて具体的な焦点状態の検出時の動作について説明する。まず、垂直走査回路１１６からのタイミング出力によって、制御パルスΦＳ0をハイレベルに切り換えて、水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンして、第０ラインの画素部を選択する。
【００７５】
次に、制御パルスΦＲ0をローレベルに切り換えて、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0のリセットを止めＦＤ部１２１α0，１２１γ0をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルーとしてから、所定時間後に、制御パルスΦＴＮを一時的にハイレベルに切り換えて、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0の暗電圧をソースフォロワ動作で暗出力蓄積容量１１０に出力する。
【００７６】
次に、制御パルスΦＴＸα0，ΦＴＸβ0をハイレベルに切り換えて、転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α0，１０３β0を導通し、光電変換部１０１α0，１０１β0で変換された電荷をＦＤ部１２１α0，１２１γ0に同時に転送する。
【００７７】
このとき、制御パルスΦＴＸγ0はローであるため、光電変換部１０１γ0の光電荷はＦＤ部１２１γ0には転送されない。
【００７８】
光電変換部１０１α0，１０１β0で変換された電荷がＦＤ部１２１α0，１２１β0で変換されたに転送されることにより、ＦＤ部１２１α0，１２１β0の電位が光に応じて変化することになる。このときソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５がフローティング状態であるので、ＦＤ部１２１α0，１２１β0の電位を、制御パルスΦＴＳを一時的にハイレベルに切り換えることによって明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に出力する。
【００７９】
この時点で、第０ラインの各画素（０，０）、（１，０）の暗出力及び明出力はそれぞれ暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に蓄積されており、更に制御パルスΦＨＣを一時的にハイレベルに切り換えて、水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３を導通して水平出力線をリセットする。
【００８０】
そして、水平転送期間において水平走査回路１１５からの水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２α0，１１２β0への走査タイミング信号により、水平出力線に画素（０，０）、（１，０）の暗出力と光出力とが出力される。
【００８１】
このとき、暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0からの信号を差動増幅器１１４によって差動増幅して出力Ｖｏｕｔするため、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎのよい信号が得られる。
【００８２】
その後、制御パルスΦＲ0をハイレベルに切り換え、制御パルスΦＳ0をローレベルに切り換えて、第０ラインの画素の選択を終了する。
【００８３】
イメージセンサ１０からの出力は、ＣＰＵ２０の演算によって、焦点検出用画像信号として整形され、相関演算処理を行った後に撮影レンズ５の焦点状態が算出されることとなる。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の撮像装置により、撮像と焦点検出との双方を行う場合、光電荷の転送効率の低下やＳ／Ｎの低下を招くことなく、都合よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のデジタルスチルカメラ１の模式的な構成図である。
【図２】図１のイメージセンサ１０の概略を示す平面図である。
【図３】図２の画素（０，０），（０，４）の拡大図である。
【図４】図１のデジタルスチルカメラ１の動作を示すフローチャートである。
【図５】焦点検出光束の説明図である。
【図６】焦点検出用信号の説明図である。
【図７】図１のイメージセンサ１０を含む回路構成図である。
【図８】図７のイメージセンサ１０の概略を示す平面図である。
【図９】図７のイメージセンサ１０の回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】図７のイメージセンサ１０の一部断面図である。
【図１１】従来のカラーフィルタ配列の概略図である。
【図１２】イメージセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う方法の原理説明図である。
【図１３】イメージセンサの１画素の断面図である。
【符号の説明】
１ デジタルスチルカメラ
３ 接眼レンズ
５ 撮影レンズ
９ 液晶表示素子
１０ イメージセンサ
２０、５０ ＣＰＵ
２１ イメージセンサ制御回路
２２ メモリ回路
２３ インターフェイス回路
２４ 画像処理回路
２５ 液晶表示素子駆動回路
２６ 電気接点
５１ レンズ駆動手段
５２ 絞り駆動手段
５３ 絞り手段
Claims (3)
- 第１の光電変換部からの信号と前記第２の光電変換部からの信号とを増幅する第１の増幅手段と、
前記第１の光電変換部からの信号を前記第１の増幅手段に転送する第１の転送スイッチと、前記第２の光電変換部からの信号を前記第１の増幅手段に転送する第２の転送スイッチと、
前記第２の光電変換部からの信号を増幅する第２の増幅手段と、
前記第２の光電変換部からの信号を前記第２の増幅手段へ転送する第３の転送スイッチと、
前記第１の光電変換部からの信号と前記第２の光電変換部からの信号とを前記第１の増幅手段の入力部で加算して出力する第１のモードと、前記第１の光電変換部からの信号を前記第１の増幅手段から出力し、前記第２の光電変換部からの信号を前記第２の増幅手段より出力する第２のモードとを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。 - 前記第１のモードは、画像の撮像を行うモードであり、前記第２のモードは、焦点検出を行うモードであることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
- 請求項１又は２項記載の撮像装置と、前記撮像装置からの電気信号を読み出して画像を形成する画像形成装置とを備えることを特徴とする撮像システム。
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