JP4637029B2 - 撮像装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子を備えた、例えば電子カメラ等の撮像装置及びその制御方法に関する。

従来の撮像装置においては、静止画である本撮影の前に、背面モニタに動画を表示して撮影者が構図の確認を行えるようにし、また、この時得られた画像を元にしてカメラが自動的にＡＦ動作を行えるようになっている。この際の従来の撮像装置について、図を用いて以下に説明する。

図１は、撮像装置に具備される撮像素子の概略構成図であり、図５は、静止画撮影の際の撮像素子の動作を示すシーケンス図である。ここで、静止画撮影では、静止画画像として全ての画素データを読み出す時の動作を説明する。

図１は、ＸＹアドレス型の走査方法を採る撮像素子２０５の構成を示したものである。１０１は、駆動の単位である１つの画素を示している。１０２は、光を電荷に変換するフォトダイオード（以下、このフォトダイオードを「ＰＤ」と称する）である。１０６は、電荷を一時的に蓄積しておく領域であるフローティングディフュージョン（以下、このフローティングディフュージョンを「ＦＤ」と称する）である。１０３は、転送パルスφＴＸによってＰＤ１０２で発生した電荷をＦＤ１０６に転送する転送スイッチである。１０７は、ソースフォロアとして機能する増幅ＭＯＳアンプである。１０８は、選択パルスφＳＥＬＶによって画素を選択する選択スイッチである。１０９は、リセットパルスφＲＥＳによってＦＤ１０６に蓄積された電荷を除去するリセットスイッチである。

１１１は、増幅ＭＯＳアンプ１０７の負荷となる定電流源である。１１５は、選択スイッチ１０８で選択された画素のＦＤ１０６に蓄積された電荷を、増幅ＭＯＳアンプ１０７と定電流源１１１による電荷・電圧変換で電圧に変換された後、信号出力線１１０を経て画素データとして読み出す読み出し回路である。１１２は、読み出し回路１１５で読み出した画素データ（画素信号）を選択する選択スイッチであり、水平走査回路１１６によって駆動される。水平走査回路１１６によって選択された画素データは出力アンプ１１３で増幅されて撮像素子２０５から出力される。１１４は、スイッチ１０３，１０８，１０９を選択するための垂直走査回路である。ここで、φＴＸ、φＲＥＳ、φＳＥＬＶのそれぞれにおいて、垂直走査回路１１４によって走査選択された第ｎ番目の走査ラインをφＴＸｎ、φＲＥＳｎ、φＳＥＬＶｎ、第ｎ＋１番目の走査ラインをφＴＸｎ＋１、φＲＥＳｎ＋１、φＳＥＬＶｎ＋１とする。図１には、便宜上、第ｎ番目の走査ラインから第ｎ＋６番目の走査ラインまでを示している。また、ＦＤ１０６、増幅ＭＯＳアンプ１０７及び定電流源１１１により、「フローティングディフュージョンアンプ」が構成される。

図５には、静止画撮影の一括リセット全画素読み出し動作における駆動パルスと、当該駆動パルスに基づく撮像素子の動作シーケンスが示されている。なお、図５では、垂直走査回路１１４によって走査選択された第ｎラインから第ｎ＋６ラインに関して記述している。

一括リセット全画素読み出し動作では、第ｎラインから第ｎ＋６ラインの全てのラインにおいて、時刻ｔ５０１からｔ５０２の間、φＲＥＳとφＴＸにパルスが印加され、転送スイッチ１０３及びリセットスイッチ１０９をオンにする。そして、第ｎラインから第ｎ＋６ラインの全画素に対してＰＤ１０２とＦＤ１０６に蓄積されている不要電荷を除去するリセット動作を行う。時刻ｔ５０２で全ての転送スイッチ１０３がオフとなり、ＰＤ１０２に発生した電荷の蓄積動作が開始される。次に時刻ｔ５０３からｔ５０４の間、φＴＸｎにパルスが印加されて第ｎラインの画素の転送スイッチ１０３がオンし、当該画素のＰＤ１０２に蓄積された電荷をＦＤ１０６に転送する転送動作が行われる。なお、リセットスイッチ１０９は、この転送動作に先んじてオフにしておく必要があり、図５では、時刻ｔ５０２で転送スイッチ１０３をオフしている。ここで、時刻ｔ５０２からｔ５０３までが第ｎラインの蓄積時間となる。

第ｎラインの転送動作の終了に続いて、時刻ｔ５０４からｔ５０５の間、φＳＥＬＶｎにパルスが印加されて選択スイッチ１０８がオンすることにより、ＦＤ１０６で保持した電荷が電圧に変換され、画素データ（画素信号）として読み出し回路１１５に出力される。読み出し回路１１５で一時的に保持された画素データは、水平走査回路１１６によって時刻ｔ５０５より順次出力される。そして、時刻ｔ５０６で第ｎラインにおける画素からの画素データの読み出しが完了する。ここで、この水平走査回路１１６は、シフトレジスタ回路として駆動させるだけでなく、所定の駆動パルスも発生させることも可能である。

第ｎライン目の画素データの出力が完了すると、続いて時刻ｔ５０６からｔ５０７の間、φＴＸｎ＋１にパルスが印加されて第ｎ＋１ラインの画素の転送スイッチ１０３がオンし、当該画素のＰＤ１０２に蓄積された電荷をＦＤ１０６に転送する転送動作が行われる。ここで、時刻ｔ５０２からｔ５０６までが第ｎ＋１ラインの蓄積時間となる。第ｎ＋１ラインの転送動作の終了に続いて、時刻ｔ５０７からｔ５０８の間、φＳＥＬＶｎ＋１にパルスが印加されて選択スイッチ１０８がオンすることにより、ＦＤ１０６で保持した電荷が電圧に変換され、画素データとして読み出し回路１１５に出力される。読み出し回路１１５で一時的に保持された画素データは、水平走査回路１１６によって時刻ｔ５０８より順次出力される。そして、時刻ｔ５０９で第ｎ＋１ラインにおける画素からの画素データの出力が完了する。

ここまでは、第ｎラインと第ｎ＋１ラインの動作について説明したが、第ｎ＋１ラインの読み出し完了後に、第ｎ＋２ラインから第ｎ＋６ラインまでについても同様の動作を行って蓄積、転送、読み出し動作を行うことができる。

このように、一括リセット全画素読み出し動作を行った場合、全画素一括でリセット動作を行いライン毎に順次読み出しを行うため、図５から明らかなようにライン毎に蓄積時間が異なってしまう。そこで、このようなシステムでは、露光量を制御するためのメカニカルなシャッタを別途用意し、時刻ｔ５０２からｔ５０３の間で、当該シャッタの開閉動作を行う必要がある。

ここで、水平走査回路１１６の動作について、図８と図１０を用いて説明する。なお、図８には、図１０に示す水平走査回路１１６によって走査選択されたｍラインからｍ＋６ラインに関して記述している。

図１０は、図１に示す読み出し回路１１５と水平走査回路１１６の詳細な構成を示す図である。
１００１は、フローティングディフュージョンアンプの出力電圧を保持するための電圧保持容量である。１００２は、φＳＥＬＶによってフローティングディフュージョンアンプの出力と電圧保持容量１００１とを繋ぐためのＶ選択スイッチ１００２である。

図８は、水平走査回路１１６の動作を示すシーケンス図である。図８には、水平走査動作の駆動パルスと、当該駆動パルスに基づく水平走査回路１１６の動作シーケンスが示されている。

水平走査動作では、時刻ｔ８０１からｔ８０２の間、最初にφＳＥＬＶにパルスが印加されてＶ選択スイッチ１００２がオンし、第ｍラインから第ｍ＋６ラインの全ての電圧保持容量１００１に電圧が印加される。このφＳＥＬＶには、図５でφＳＥＬＶｎからφＳＥＬＶｎ＋６のいずれかにパルスが印加された場合に、パルスが印加される回路構成となっている。よって、φＳＥＬＶｎからφＳＥＬＶｎ＋６のいずれかにパルスが印加されたときに、その１ライン分のフローティングディフュージョンアンプの出力が電圧保持容量１００１に保持できる。

第ｍラインの電圧保持容量１００１における保持電圧を出力アンプ１１３へ読み出しする場合、時刻ｔ８０３からｔ８０４の間、つまりφＳＥＬＨｍにパルスが印加されている間、選択スイッチ１１２がオンする。この保持電圧の読み出しに先んじて、Ｖ選択スイッチ１００２をオフにする必要がある。図８では、時刻ｔ８０２でＶ選択スイッチ１００２がオフされている。続いて、第ｍ＋１ラインから第ｍ＋６ラインまでの保持電圧を読み出す場合、図８のように、φＳＥＬＨｍ＋１からφＳＥＬＨｍ＋６までにパルスを順番に印加することで読み出し動作を行うことができる。以上のように、読み出し動作を行うことにより、センサ上の全ての画素の画素データを読み出すことができる。

次に、図６を用いて、動画用画像として間引いて画素データを読み出す時のローリング電子シャッタ動作を説明する。図６は、動画撮影の際に間引いて画素データを読み出す撮像素子の動作を示すシーケンス図である。一般的に、動画撮影の際に、静止画の時のように全ての画素データの読み出しを行うと、動画の表示が間に合わなくなってしまう。そこで、動画用画像を取り込むときには、画素データの間引き処理を行って短時間で読み出しを行い、動画表示に間に合わせるようにしている。

ローリング電子シャッタでの間引き動作では、第ｎラインにおいて、まず時刻ｔ６０１からｔ６０２の間、φＲＥＳｎとφＴＸｎにパルスが印加されて、転送スイッチ１０３及びリセットスイッチ１０９がオンする。これにより、第ｎラインのＰＤ１０２とＦＤ１０６に蓄積されている不要電荷が除去されてリセット動作が行われる。続いて、時刻ｔ６０２でφＲＥＳｎとφＴＸｎへのパルスの印加が解除されて、転送スイッチ１０３及びリセットスイッチ１０９がオフになり、ＰＤ１０２に発生した電荷の蓄積動作が開始される。次に、時刻ｔ６０５からｔ６０６の間、φＴＸｎにパルスが印加されて、転送スイッチ１０３がオンし、ＰＤ１０２に蓄積された電荷をＦＤ１０６に転送する転送動作が行われる。ここで、時刻ｔ６０２から時刻ｔ６０５までが第ｎラインの蓄積時間となる。

第ｎラインの転送動作の終了に続いて、時刻ｔ６０６からｔ６０７の間、φＳＥＬＶｎにパルスが印加されて選択スイッチ１０８がオンすることにより、ＦＤ１０６で保持した電荷が電圧に変換され、画素データ（画素信号）として読み出し回路１１５に出力される。読み出し回路１１５で一時的に保持された画素データは、水平走査回路１１６によって時刻ｔ６０７より順次出力される。そして、時刻ｔ６０８で第ｎラインにおける画素からの画素データの読み出しが完了する。

続いて、第ｎ＋１ラインと第ｎ＋２ラインでは、画素データの間引き処理により、リセット、転送、読み出し動作は行われない。そして、第ｎ＋３ラインにおいて、時刻ｔ６０３からｔ６０４の間、φＲＥＳｎ＋３とφＴＸｎ＋３にパルスが印加されて、転送スイッチ１０３及びリセットスイッチ１０９がオンする。これにより、第ｎ＋３ラインのＰＤ１０２とＦＤ１０６に蓄積されている不要電荷が除去されてリセット動作が行われる。続いて、時刻ｔ６０４でφＲＥＳｎ＋３とφＴＸｎ＋３へのパルスの印加が解除されて、転送スイッチ１０３及びリセットスイッチ１０９がオフになり、ＰＤ１０２に発生した電荷の蓄積動作が開始される。次に、時刻ｔ６０８からｔ６０９の間、φＴＸｎ＋３にパルスが印加されて、転送スイッチ１０３がオンし、ＰＤ１０２に蓄積された電荷をＦＤ１０６に転送する転送動作が行われる。ここで、時刻ｔ６０４から時刻ｔ６０８までが第ｎ＋３ラインの蓄積時間となる。

第ｎ＋３ラインの転送動作の終了に続いて、時刻ｔ６０９からｔ６１０の間、φＳＥＬＶｎ＋３にパルスが印加されて選択スイッチ１０８がオンすることにより、ＦＤ１０６で保持した電荷が電圧に変換され、画素データとして読み出し回路１１５に出力される。読み出し回路１１５で一時的に保持された画素データは、水平走査回路１１６によって時刻ｔ６１０より順次出力される。そして、時刻ｔ６１１で第ｎ＋３ラインにおける画素からの画素データの読み出しが完了する。

再び、第ｎ＋４ラインと第ｎ＋５ラインでは、画素データの間引き処理により、リセット、転送、読み出し動作は行われない。そして、第ｎ＋６ラインにおいて、第ｎライン（あるいは、第ｎ＋３ライン）と同様のリセット、転送、読み出し動作が行われる。また、水平走査回路１１６の動作については、図５を用いて説明した、静止画撮影の一括リセット全画素読み出し動作と同様である。

ここで、図６では、第ｎラインにおいて、時刻ｔ６０５の転送開始から時刻ｔ６０８の読み出し終了までをＴｒｅａｄとし、時刻ｔ６０１から時刻ｔ６０３までの時間をＴｗａｉｔとする。他のラインにおいても同様に、転送開始から読み出し終了までの時間がＴｒｅａｄとなり、あるラインのリセット開始から次のラインのリセット開始までの間の時間がＴｗａｉｔとなる。このように、各ラインにおいてＴｒｅａｄとＴｗａｉｔが同じ時間になるようにすることで、全てのラインの蓄積時間を同じにすることができ、このように駆動させることをスリットローリングシャッタ制御と呼んでいる。図６に示す例では、垂直方向の画素の画素データを１／３に間引いて読み出した場合の動作を示している。しかし、同様な動作を行うことで、画素データを任意の１／ｎに間引いて読み出しを行うことができる。

次に、コントラストＡＦ、いわゆる山登りＡＦ時のセンサからの読み出しについて説明する。コントラストＡＦを行う場合、１枚の画像データではなく、連続的な画像データが必要となる。また、単位時間あたりの画像データの数が少ないとＡＦに時間がかかってしまうため、一般的には、画素データを間引いた画像の読み出しが行われる。このように、画素データが間引かれて読み出された画像データに対するＡＦ評価値の算出は、以下のようにして行われる。

図３は、撮像素子２０５に対するＡＦエリア３０１の位置を示す図である。また、図１１は、従来の撮像装置のＡＦ評価値における算出の際の読み出し処理を示し、ＡＦエリア３０１の左上部分を含む矩形領域３０２の拡大図である。ここで、図１１には、動画用画像の生成において垂直方向の画素の画素データを１／５に間引いた場合を示している。従来の撮像装置では、撮像素子２０５により得られた画像の各画素データのうち、画像の中央部分に位置するＡＦエリア３０１のみの画素の画素データを読み出し、以下のようにしてＡＦ評価値Ｖｎを求める。

図１１において、ＡＦエリア３０１で読み出される各画素の画素値をｖ（ｘ，ｙ）で表し、その差分値をΔ（ｘ，ｙ）＝ｖ（ｘ，ｙ）−ｖ（ｘ＋１，ｙ）で表わすとき、ＡＦ評価値Ｖｎは、次式で与えられる。ここで、ｘ，ｙは、各画素を特定する行及び列方向のインデックスであり、ｘ，ｙそれぞれが異なることによりＡＦエリア３０１の各画素を一意に指定することができる。

Ｖｎ＝Σ｜Δ（ｘ，ｙ）｜
ここで、Σは、ＡＦエリア３０１中でＡＦ評価値Ｖｎの算出の際に読み出される全画素を示すインデックスｘ，ｙについての和を表わす。すなわち、ＡＦ評価値Ｖｎは、ＡＦエリア３０１のコントラストを表わす値となっている。

図４は、ＡＦ評価値による合焦判定の様子を示す図である。
図４の横軸は、撮像レンズのレンズ位置を表わしており、左が遠側、右が近側となっている。図４の縦軸は、ＡＦ評価値Ｖｎの値を示している。撮像レンズのレンズ位置を遠側から近側に所定ステップずつ（例えば、１ステップずつ）移動させていくと、ＡＦ評価値Ｖｎが徐々に増加していく。そして、更に移動させていくと、ＡＦ評価値Ｖｎが減少に切り替わり、この時、撮像レンズは合焦位置を通過している。そして、ＡＦ評価値Ｖｎの減少への切り替わりを検知したら、撮像レンズの駆動方向を近側から遠側に反転してＡＦ評価値Ｖｎが最大になるポイントを検出し、そこで撮像レンズを停止する。このＡＦ評価値Ｖｎが最大になるポイントが合焦位置である。このようにＡＦ評価値の最大値を検出するＡＦ方式は、一般的に山登りＡＦ（又は、ＴＶＡＦ（コントラスト検知オートフォーカス）；例えば、特許文献１参照））と呼ばれており、デジタルスチルカメラではこのような山登り方式のＡＦを行うものが主流となっている。また、従来の撮像装置では、一般的に背面モニタ表示用の画像を用いて、この山登りＡＦを行っている。

特開２００５−３００６３１号公報

ＡＦ評価値を求める時に、動画用に垂直方向の画素の画素データが間引かれた画像を用いているため、水平方向にコントラストのある被写体においては、間引きがないため精度良くＡＦ評価値を求めることが可能である。これに対して、垂直方向にコントラストのある被写体においては、間引き処理により画像が劣化しているため、ＡＦ評価値の精度が悪くなり、測距動作が行えなくなるという問題がある。

また、動画用の画像を用いてＡＦ評価値を求める場合、動画の表示間隔よりも長い時間にわたる電荷の蓄積は行えないため、被写体が暗い場合には露光不足の画像となって、やはりＡＦ評価値の精度が悪くなり、測距動作が行えなくなるという問題がある。さらに、ＡＦ評価値の精度を上げるために、動画用画像よりも少し明るめに露光時間を制御したいと考えても、動画用画像の露光時間から変更することはできない。

本発明は上述の問題点にかんがみてなされたものであり、焦点調節動作を最適に行うことを実現する撮像装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するために、本発明の技術的特徴としては、複数の画素を有して構成され、被写体の光学像を光電変換して撮像信号を得る撮像手段と、前記撮像手段によって光電変換された各々の画素ごとの撮像信号を順次読み出す読み出し手段とを具備する撮像装置の制御方法であって、画像信号を生成するために、前記複数の画素の中で第１の領域に対応する画素から撮像信号を読み出し、前記画像信号を生成するための撮像信号の読み出しとは異なるタイミングで、合焦状態を検出するために、前記複数の画素の中で前記第１の領域とは異なる第２の領域に対応する画素から撮像信号を読み出すことを特徴とする。

本発明によれば、焦点調節動作を最適に行うことが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。ここで、本実施形態においては、本発明に係る撮像装置としてデジタルカメラを適用した場合の例について説明する。

図２は、本発明の実施形態に係るデジタルカメラ（撮像装置）２００の概略構成図である。
図２において２０１は、被写体の光学像を前述の撮像素子２０５に結像させるレンズ部である。２０２は、被写体までの距離を測定する測距装置２１４と被写体の光量（輝度）を測定する測光装置２１３の出力信号に基づいて、レンズ部２０１に対してフォーカスレンズ制御や絞り制御などを行うレンズ駆動装置である。２０３は、一眼レフカメラに使用されるフォーカルプレーン型シャッタである。２０４は、シャッタ２０３の駆動を制御するシャッタ駆動装置である。

２０５は、レンズ部２０１により結像された被写体の光学像を光電変換する複数の画素を有し、画像の撮像を行う撮像素子であり、その詳細な構成は図１に示すものと同様である。２０６は、撮像素子２０５より出力される各画素データにおける画像信号の増幅や、アナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換、Ａ／Ｄ変換後の画像データに各種の補正処理や圧縮処理等を行う画像信号処理回路である。

２０７は、後述の全体制御・演算部２０９による制御に基づき、撮像素子２０５及び画像信号処理回路２０６に各種のタイミング信号を出力する駆動手段であるタイミング発生部である。２０９は、各種の演算処理と当該デジタルカメラ２００の全体を制御する全体制御・演算部である。２０８は、画像信号処理回路２０６から出力される画像データを一時的に記憶するためのメモリ部である。２１１は、画像データを記録するための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。２１０は、画像データを記録媒体２１１に記録する、あるいは、画像データを記録媒体２１１から読み出すための記録媒体制御インターフェース部である。

２１２は、コンピュータ等の外部装置と通信を行うための外部インターフェース部である。２１３は、被写体の輝度を測定する測光装置である。２１４は、被写体までの距離を測定する測距装置である。２１５は、デジタルカメラ２００の撮影状態、当該デジタルカメラ２００が縦位置で構えられているか、横位置で構えられているかを検出する縦横検知装置である。２１６は、画像データに基づく画像を表示する表示装置である。

次に、撮影時のデジタルカメラ２００の動作について説明する。
デジタルカメラ２００の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、更に画像信号処理回路２０６などの撮像系回路の電源がオンする。その後、レリーズボタン（不図示）が半押しされると、露光量を制御するために全体制御・演算部２０９は、測光装置２１３に被写体輝度を測定させ、レンズ駆動装置２０２に当該被写体輝度の測定結果に応じたレンズ部２０１の絞り調整を行わせる。

また、動画を表示するために全体制御・演算部２０９は、シャッタ駆動装置２０４を制御してシャッタ２０３を開き、タイミング発生部２０７と画像信号処理回路２０６を制御して撮像素子２０５から動画用の画像信号を読み出す。この際、全体制御・演算部２０９は、撮像素子２０５で撮像した画像の画素データを間引いて読み出すように制御して、撮像素子２０５から動画用画像を生成するための動画用の画像信号を読み出す。そして、全体制御・演算部２０９は、画像信号処理回路２０６を制御して当該画像信号を処理し、当該処理により生成された画像データに基づく動画用画像を表示装置２１４に表示する。この動作を連続的に行うことにより表示装置２１４に動画が表示される。

同時に、測距を行うために全体制御・演算部２０９は、タイミング発生部２０７と画像信号処理回路２０６を制御して撮像素子２０５からＡＦ評価用の画像信号を読み出す。この際、全体制御・演算部２０９は、動画用画像の生成の際に読み出されなかった画素データを撮像素子２０５から読み出すように制御して、ＡＦ評価用画像を生成するためのＡＦ評価用の画像信号を読み出す。そして、全体制御・演算部２０９は、画像信号処理回路２０６を制御して当該画像信号を処理して、ＡＦ評価用画像の画像データを生成し、当該ＡＦ評価用画像の画像データに基づいて被写体との測距に係るＡＦ評価値を演算して、被写体の合焦状態を検出する。

そして、レリーズボタン（不図示）が全押しされると、静止画を撮影するために全体制御・演算部２０９は、タイミング発生部２０７と画像信号処理回路２０６を制御して、撮像素子２０５から静止画用の画像信号を取り出して所定の処理を行う。そして、全体制御・演算部２０９は、当該所定の処理により生成された画像データを一旦メモリ部２０８に記録し、この記録された画像データを、記録媒体制御インターフェース２１０を介して記録媒体２１１に記録する。これで一連の撮像シーケンスが終了し、また元に戻る。

図７は、本発明の実施形態に係るデジタルカメラ（撮像装置）２００の制御方法を示すシーケンス図である。この図７は、被写体との測距に係るＡＦ評価値算出の際の撮像素子２０５における動作を示している。本実施形態に係るデジタルカメラ２００では、表示装置２１６に表示する動画画像の生成においては図６に示すように間引いて読み出した画素データを用い、ＡＦ評価値の算出においては動画画像の生成の際に読み出されなかった（間引かれた）画素データを用いる。

図１に示す撮像素子２０５の第ｎラインは、図６で説明したように、すでに画素データの読み出しが完了している。そして、まず、第ｎ＋１ラインのリセット動作として、図７の時刻ｔ７０１からｔ７０２の間、タイミング発生部２０７からφＲＥＳｎ＋１とφＴＸｎ＋１にパルスが印加される。これによって、リセットスイッチ１０９と転送スイッチ１０３がオンし、第ｎ＋１ラインのＰＤ１０２とＦＤ１０６に蓄積されている不要電荷が除去されてリセット動作が行われる。

続いて、時刻ｔ７０２でタイミング発生部２０７からのφＲＥＳｎ＋１とφＴＸｎ＋１へのパルスの印加が解除されて転送スイッチ１０３及びリセットスイッチ１０９がオフになり、ＰＤ１０２に発生した電荷の蓄積動作が開始される。この後も同様の動作を行い、第ｎ＋２ライン、第ｎ＋４ライン及び第ｎ＋５ラインのリセット動作を順次行う。

次に、時刻ｔ７０５からｔ７０６の間、タイミング発生部２０７からφＴＸｎ＋１にパルスが印加されて、転送スイッチ１０３がオンし、ＰＤ１０２に蓄積された電荷をＦＤ１０６に転送する転送動作が行われる。ここで、時刻ｔ７０２から時刻ｔ７０５までが第ｎ＋１ラインの蓄積時間となる。

第ｎ＋１ラインにおける転送動作の終了後、時刻ｔ７０６からｔ７０７の間、タイミング発生部２０７からφＳＥＬＶｎ＋１にパルスが印加されて選択スイッチ１０８がオンする。これによって、ＦＤ１０６で保持した電荷が増幅ＭＯＳアンプと定電流源１１１により電圧に変換され、画素データ（画素信号）として読み出し回路１１５に出力される。読み出し回路１１５で一時的に保持された画素データは、水平走査回路１１６によって時刻ｔ７０７より順次出力される。そして、時刻ｔ７０８で第ｎ＋１ラインにおける画素からの画素データの読み出しが完了する。第ｎ＋２ライン、第ｎ＋４ライン及び第ｎ＋５ラインの画素データの読み出しについても、上述した第ｎ＋１ラインの場合と同様に行われる。

ここで、図７では、第ｎ＋１ラインにおいて、時刻ｔ７０５の転送開始から時刻ｔ７０８の読み出し終了までをＴ１ｒｅａｄとし、時刻ｔ７０１から時刻ｔ７０３までの時間をＴ１ｗａｉｔとする。他のラインにおいても同様に、転送開始から読み出し終了までの時間がＴ１ｒｅａｄとなり、あるラインのリセット開始から次のラインのリセット開始までの間の時間がＴ１ｗａｉｔとなる。ここで、Ｔ１ｒｅａｄとＴ１ｗａｉｔが同じ時間になるようにしないと、蓄積時間が一定とならない。

次に、本実施形態に係るデジタルカメラ２００の水平走査回路１１６の動作について、図９と図１０を用いて説明する。なお、図９には、図１０に示す水平走査回路１１６によって走査選択されたｍラインからｍ＋６ラインに関して記述している。

図１０は、前述したように、図１に示す読み出し回路１１５と水平走査回路１１６の詳細な構成を示す図である。図９は、本発明の実施形態に係るデジタルカメラ２００の水平走査回路１１６の動作を示すシーケンス図であり、特に、撮像素子２０５で撮像した画像の一部を読み出す場合の動作を示している。

水平走査動作では、時刻ｔ９０１からｔ９０２の間、最初にタイミング発生部２０７からφＳＥＬＶにパルスが印加されてＶ選択スイッチ１００２がオンし、第ｍラインから第ｍ＋６ラインの全ての電圧保持容量１００１に電圧が印加される。このφＳＥＬＶには、φＳＥＬＶｎからφＳＥＬＶｎ＋６のいずれかにパルスが印加された場合に、パルスが印加される回路構成となっている。よって、φＳＥＬＶｎからφＳＥＬＶｎ＋６のいずれかにパルスが印加されたときに、その１ライン分のフローティングディフュージョンアンプの出力が電圧保持容量１００１に保持できる。

第ｍ＋２ラインの電圧保持容量１００１における保持電圧を出力アンプ１１３へ読み出しする場合、時刻ｔ９０３からｔ９０４の間、つまりφＳＥＬＨｍ＋２にパルスが印加されている間、選択スイッチ１１２がオンする。この保持電圧の読み出しに先んじて、Ｖ選択スイッチ１００２をオフにする必要がある。図９では、時刻ｔ９０２でＶ選択スイッチ１００２がオフされている。続いて、第ｍ＋３ライン目から第ｍ＋４ラインまでの保持電圧を読み出す場合、図９のように、φＳＥＬＨｍ＋２、φＳＥＬＨｍ＋４にパルスを順番に印加することで読み出し動作を行うことができる。以上のように、読み出し動作を行うことにより、センサ上の一部の画素の画素データのみを読み出すことができる。

次に、本実施形態に係るデジタルカメラ２００のＡＦ評価値の算出の際の読み出し処理について、図３と図１２を用いて説明する。
図３は、前述したように、撮像素子２０５に対するＡＦエリア３０１の位置を示す図である。図１２は、本発明の実施形態に係るデジタルカメラ２００のＡＦ評価値における算出の際の読み出し処理を示し、ＡＦエリア３０１の左上部分を含む矩形領域３０２の拡大図である。ここで、図１２には、動画用画像（第１の画像）の生成において垂直方向の画素の画素データを１／５に間引いた場合を示している。本実施形態に係るデジタルカメラ２００では、撮像素子２０５により得られた画像の各画素データのうち、画像の中央部分に位置するＡＦエリア３０１のみの画素の画素データを読み出す。この読み出しにより、被写体との測距に係るＡＦ評価値の算出用のＡＦ評価用画像（第２の画像）が生成される。そして、以下のようにしてＡＦ評価値Ｖｎを求める。

本実施形態に係るデジタルカメラ２００では、図１２に示すように、ＡＦ評価値Ｖｎの算出の際に、ＡＦエリア３０１内の画素の画素データのうち、動画用画像の生成の際に読み出されなかった（間引かれた）画素の画素データを読み出す。

図１２において、ＡＦ評価値Ｖｎの算出の際に読み出される各画素の画素値をｖ（ｘ，ｙ）で表し、その差分値をΔ（ｘ，ｙ）＝ｖ（ｘ，ｙ）−ｖ（ｘ＋１，ｙ）で表わす。ここで、ｘ，ｙは、各画素を特定する行及び列方向のインデックスであり、ｘ，ｙそれぞれが異なることによりＡＦエリア３０１の各画素を一意に指定することができる。このように、ｘを変えて差分を計算した場合、水平方向（横方向）のコントラスト値を計算することになり、縦線の被写体に焦点を合わせることができる。

また、垂直方向（縦方向）の画素をほとんど間引いていないので、その差分値をΔ（ｘ，ｙ）＝ｖ（ｘ，ｙ）−ｖ（ｘ，ｙ＋１）としてｙを変えて差分値を計算した場合、縦方向のコントラスト値を計算することになり、横線の被写体にも焦点を合わせることができる。

どちらの場合でも、ＡＦ評価値Ｖｎは次式で与えられる。
Ｖｎ＝Σ｜Δ（ｘ，ｙ）｜
ここで、Σは、ＡＦエリア３０１中でＡＦ評価値Ｖｎの算出の際に読み出される全画素を示すインデックスｘ，ｙについての和を表わす。すなわち、ＡＦ評価値Ｖｎは、ＡＦエリア３０１のコントラストを表わす値となっている。

これ以降は、従来と同じ動作でＡＦを行うことができる。本実施形態では、ＡＦ評価値Ｖｎの算出を、ＡＦ評価用画像における縦方向及び横方向の異なる方向の画素データに対して行うようにしている。この際、ＡＦ評価値Ｖｎの算出をソフトではなく、ＩＣなどハードウエア（不図示）で行う場合、一方向しか演算ができないことが考えられる。このような場合には、一旦、ＡＦ評価用画像をメモリ２０８に読み出して、当該メモリ上で当該ＡＦ評価用画像を９０°回転させてからハードウエアで演算を行うことにより、両方向のＡＦ評価値の演算を行うことが可能となる。さらに、このような演算を行うことにより、ＡＦ一眼レフカメラによくある、クロスタイプのＡＦセンサ（縦線／横線どちらの被写体でも測距を行えるセンサ）と同様の機能を実現することが可能となる。

図１３は、動画用画像の読み出しとＡＦ評価用画像の読み出しのタイミングの第１の例を示す模式図である。図１３において、上（奥）が画素領域であるＣＭＯＳセンサの上部、下（手前）がＣＭＯＳセンサの下部を示し、横軸が時間となっている。また、ＣＭＯＳセンサの左右については示していない。

１３０１の平行四辺形は、動画用画像１枚分の蓄積と読み出しを示し、特に、１３０３の部分は、動画用画像の読み出しを示している。同様に、１３０２の平行四辺形は、ＡＦ評価用画像１枚分の蓄積と読み出しを示し、特に、１３０４の部分は、ＡＦ評価用画像の読み出しを示している。ここで、それぞれの平行四辺形の横の長さが画像の蓄積時間を示している。よって、図１３においては、動画用画像とＡＦ評価用画像の蓄積時間は同じになっている。図１０に示す構成の場合、動画用画像の読み出しとＡＦ評価用画像の読み出しとは同じ読み出し回路を用いることになるので、同じタイミングで読み出しを行うことができない。そこで、図１３に示したように、動画用画像の読み出しとＡＦ評価用画像の読み出しとを異なるタイミングで交互に行うことで両画像の読み出しを行っている。ここでは、画像１枚分の蓄積と読み出しについて説明を行ったが、図６及び図７に示す動作を繰り返すことにより、画像を連続して読み出すことができる。

図１４は、動画用画像の読み出しとＡＦ評価用画像の読み出しのタイミングの第２の例を示す模式図である。この図１４に示す場合は、特に、被写体の輝度が低く暗い場合のタイミングを示している。図１４において、上（奥）が画素領域であるＣＭＯＳセンサの上部、下（手前）がＣＭＯＳセンサの下部を示し、横軸が時間となっている。また、ＣＭＯＳセンサの左右については示していない。

図１３と同様に、１４０１の平行四辺形は、動画用画像１枚分の蓄積と読み出しを示し、特に、１４０３の部分は、動画用画像の読み出しを示している。また、１４０２の平行四辺形は、ＡＦ評価用画像１枚分の蓄積と読み出しを示し、特に、１４０４の部分は、ＡＦ評価用画像の読み出しを示している。ここで、それぞれの平行四辺形の横の長さが画像の蓄積時間を示している。被写体が暗い場合でも、動画用画像は、所定の周期で読み出さないと動きがカクカクして滑らかでは無くなってしまう。そのため、画像が暗く蓄積時間が足りないことがわかっていても、動画として見せるため周期的に読み出し、暗くならないようにゲインをあげることが必要になる。この際、無理矢理ゲインを上げるためノイズの多い画質となってしまう。

これに対して、ＡＦ評価用画像は、ユーザに見せる必要がないということや、暗くノイズの多い画像ではＡＦの精度が低下してしまうということから、図１４に示すように、ＡＦ評価用画像の蓄積時間を動画用画像の蓄積時間よりも長くする。これにより、適正露出のＡＦ評価用画像を得ることができる。これは、動画用画像とＡＦ評価用画像を別のタイミングで読み出しているため、可能となっている。このようにすることで、暗い被写体でもＡＦ精度の低下を回避して当該被写体への焦点合わせが行える。

図１５は、動画用画像の読み出しとＡＦ評価用画像の読み出しのタイミングの第３の例を示す模式図である。この図１５に示す場合は、特に、被写体の輝度が高く明るい場合のタイミングを示している。図１５において、上（奥）が画素領域であるＣＭＯＳセンサの上部、下（手前）がＣＭＯＳセンサの下部を示し、横軸が時間となっている。また、ＣＭＯＳセンサの左右については示していない。

図１３及び図１４と同様に、１５０１の平行四辺形は、動画用画像１枚分の蓄積と読み出しを示し、特に、１５０３の部分は、動画用画像の読み出しを示している。また、１５０２の平行四辺形は、ＡＦ評価用画像１枚分の蓄積と読み出しを示し、特に、１５０４の部分は、ＡＦ評価用画像の読み出しを示している。ここで、それぞれの平行四辺形の横の長さが画像の蓄積時間を示している。被写体が明るい場合には、蓄積時間を短くしないと露光量がオーバーしてしまうので、図１５に示すように短くする処理が必要であるが、図６及び図７に示す画素のリセットタイミングを変えることで対応できる。このように、明るい高輝度の被写体でも、図１５に示すように、動画用画像、ＡＦ評価用画像ともに蓄積時間を短くすることで適正露光の画像を得ることが可能となり、ＡＦ精度を落とさずに当該被写体への焦点合わせが行える。この際、全体制御・演算部２０９において、ＡＦ評価用画像の生成に用いる画素データが所定の輝度になるように、具体的にＡＦ評価用画像の露光量が動画用画像よりも多くなるように制御して、ＡＦ評価値の精度を少しでも向上させるようにすることも可能である。

本実施の形態によれば、ＴＶＡＦにおいて、縦横のいずれかにコントラストのある被写体でもＡＦ評価値を精度良く求めることができるため、どちらの方向でも測距動作を最適に行えるようになり、苦手な方向がなくなる。また、動画用画像とは独立して、ＡＦ評価用画像を読み出すようにすることにより、ＡＦ評価用画像に対して動画用画像の表示間隔よりも長い時間、電荷の蓄積を行うことが可能となる。これにより、被写体が暗い場合でもＡＦ評価値を精度良く求めることができる。さらに、動画用画像とは独立して、ＡＦ評価用画像を読み出すようにすることにより、ＡＦ評価値の精度を向上させるために、動画用画像よりも少し明るめに露光時間を制御することも可能である。

以上のように、上述の構成にすれば、ＡＦ評価値の精度の低下を回避できるので、高精度の焦点調節動作が行える。なお、本実施の形態では、動画撮像の際のＡＦ評価値の取得方法について説明したが、これに限るものではない。例えば、複数の静止画を連続して取得する際に、複数の画素中で第１の領域に対応する画素からの撮像信号に基づいて静止画を得て、第１の領域とは異なる第２の領域に対応する画素からの撮像信号に基づいてＡＦ評価値を求めるように構成しても良い。

撮像装置に具備される撮像素子の概略構成図である。 本発明の実施形態に係るデジタルカメラ（撮像装置）の概略構成図である。 撮像素子に対するＡＦエリアの位置を示す図である。 ＡＦ評価値による合焦判定の様子を示す図である。 静止画撮影の際の撮像素子の動作を示すシーケンス図である。 動画撮影の際に間引いて画素データを読み出す撮像素子の動作を示すシーケンス図である。 本発明の実施形態に係るデジタルカメラ（撮像装置）の制御方法を示すシーケンス図である。 水平走査回路の動作を示すシーケンス図である。 本発明の実施形態に係るデジタルカメラの水平走査回路の動作を示すシーケンス図である。 図１に示す読み出し回路と水平走査回路の詳細な構成を示す図である。 従来の撮像装置のＡＦ評価値における算出の際の読み出し処理を示し、ＡＦエリアの左上部分を含む矩形領域の拡大図である。 本発明の実施形態に係るデジタルカメラのＡＦ評価値における算出の際の読み出し処理を示し、ＡＦエリアの左上部分を含む矩形領域の拡大図である。 動画用画像の読み出しとＡＦ評価用画像の読み出しのタイミングの第１の例を示す模式図である。 動画用画像の読み出しとＡＦ評価用画像の読み出しのタイミングの第２の例を示す模式図である。 動画用画像の読み出しとＡＦ評価用画像の読み出しのタイミングの第３の例を示す模式図である。

符号の説明

１０１ 画素
１０２ フォトダイオード（ＰＤ）
１０３ 転送スイッチ
１０６ フローティングディフュージョン（ＦＤ）
１０７ 増幅ＭＯＳアンプ
１０８ 選択スイッチ
１０９ リセットスイッチ
１１０ 信号出力線
１１１ 定電流源
１１２ 選択スイッチ
１１３ 出力アンプ
１１４ 垂直走査回路
１１５ 読み出し回路
１１６ 水平走査回路
２００ デジタルカメラ
２０１ レンズ部
２０２ レンズ駆動装置
２０３ シャッタ
２０４ シャッタ駆動装置
２０５ 撮像素子
２０６ 画像信号処理回路
２０７ タイミング発生部
２０８ メモリ部
２０９ 全体制御・演算部
２１０ 記録媒体制御Ｉ／Ｆ部
２１１ 記録媒体
２１２ 外部Ｉ／Ｆ部
２１３ 測光装置
２１４ 測距装置
２１５ 縦横検知装置
２１６ 表示装置

Claims (5)

1. 複数の画素で被写体像を光電変換して各々の撮像信号を蓄積して取得する撮像手段と、
   前記複数の画素の中で第１の領域に対応する画素から取得された撮像信号に基づいて画像信号を生成する生成手段と、
   前記複数の画素の中で前記第１の領域とは異なる第２の領域に対応する画素から取得された撮像信号に基づいて合焦状態を検出する検出手段と、
   前記第１の領域に対応する画素の撮像信号の出力と、前記第２の領域に対応する画素の出力を異なるタイミングで行うように撮像信号の読み出し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。
2. 前記検出手段による合焦状態の検出は、前記第２の領域の撮像信号における複数の異なる方向のコントラスト状態を検出することにより行う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、前記第１の領域に対応する画素の撮像信号の出力と、前記第２の領域に対応する画素の出力を異なる間隔で行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記制御手段は、前記検出手段での合焦状態検出に用いる撮像信号が所定の光量になるように蓄積制御をすることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の撮像装置。
5. 複数の画素を有して構成され、被写体の光学像を光電変換して撮像信号を得る撮像手段と、前記撮像手段によって光電変換された各々の画素ごとの撮像信号を順次読み出す読み出し手段とを具備する撮像装置の制御方法であって、
   画像信号を生成するために、前記複数の画素の中で第１の領域に対応する画素から撮像信号を読み出し、
   前記画像信号を生成するための撮像信号の読み出しとは異なるタイミングで、合焦状態を検出するために、前記複数の画素の中で前記第１の領域とは異なる第２の領域に対応する画素から撮像信号を読み出すことを特徴とする撮像装置の制御方法。

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