JP5076416B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は光電変換素子と撮像装置に関する。

焦点検出機能を備えた撮像素子として、一対の光電変換部を備えた画素から構成される撮像素子が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
この撮像素子では、ひとつのマイクロレンズの下に一対の光電変換部を備える画素構成とすることによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式により焦点検出を行うことが開示されている。また、ＣＭＯＳイメージセンサーとして撮像素子を構成するとともに、一対の光電変換部の出力を共通の増幅回路を介して共通の出力線により画素外に出力する回路構成にすることにより、回路素子数や出力線数を低減することが開示されている。

この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開２００２−３３３５７０号公報

しかしながら、上述した従来の撮像素子には次のような欠点がある。ＣＭＯＳイメージセンサにより構成された撮像素子の場合には、一対の光電変換部の電荷蓄積タイミングを同一にできないため、一対の光電変換部の出力に基づいて生成される一対の像データ列は電荷蓄積タイミングがずれたデータとなる。電荷蓄積タイミングがずれた一対の像データを位相差検出に用いると、電荷蓄積タイミングのずれの間に生じる像移動や像変化のために位相差検出に誤差を生じ、焦点検出精度の低下や焦点検出不能になる。また、ローリングシャッター方式により電荷蓄積時間の制御が行われるために、ラインごとに異なる電荷蓄積時間を設定できず、ラインによっては一対の光電変換部の出力レベルが不足し、位相差検出に用いる一対の像データのコントラストが確保できず、焦点検出精度の低下や焦点検出不能を生じる。

請求項１の発明による撮像素子は、二次元状に配置され、撮像光学系を通過した光束を光電変換した電荷を蓄積する一つの光電変換部を有する撮像画素と、前記複数の撮像画素の一部を置換して第１の方向に配列され、前記撮像光学系の瞳の一対の部分領域を通過した一対の光束をそれぞれ光電変換した電荷を蓄積する第１及び第２の光電変換部を有する焦点検出画素と、前記第１の方向に配列された前記撮像画素のみからなる撮像画素列と前記第１の方向に配列された焦点検出画素を含む焦点検出画素列について、画素列毎に各画素列の出力信号を読み出す読み出し回路と、前記画素列毎に前記画素列内の光電変換部の電荷蓄積の開始と終了とを同一のタイミングで実行する制御部とを備え、前記撮像画素は、前記一つの光電変換部の蓄積電荷を転送する転送部と、前記転送部から転送される電荷を出力信号として出力する出力部とを有し、前記焦点検出画素は、前記第１の光電変換部の蓄積電荷を一時的に保持する第１電荷保持部と、前記第１電荷保持部が保持した蓄積電荷を転送する第１転送部と、前記第２の光電変換部の蓄積電荷を前記第１転送部の転送タイミングよりも早いタイミングで転送する第２転送部と、前記第１転送部から転送される電荷を第１の出力信号として、前記第２転送部から転送される電荷を第２の出力信号として、それぞれ出力する出力部と、を有し、前記読み出し回路は、前記撮像画素列の前記撮像画素の出力信号を読み出すと共に、前記焦点検出画素列の前記焦点検出画素の前記第２の出力信号を読み出した後に当該焦点検出画素の前記第１の出力信号を読み出すことを特徴とする。
請求項２の発明による撮像素子は、二次元状に配置され、撮像光学系を通過した光束を光電変換した電荷を蓄積する一つの光電変換部を有する撮像画素と、前記複数の撮像画素の一部を置換して第１の方向に配列され、前記撮像光学系の瞳の一対の部分領域を通過した一対の光束をそれぞれ光電変換した電荷を蓄積する第１及び第２の光電変換部を有する焦点検出画素と、前記第１の方向に配列された前記撮像画素のみからなる撮像画素列と前記第１の方向に配列された焦点検出画素を含む焦点検出画素列について、画素列毎に各画素列の出力信号を読み出す読み出し回路と、前記画素列毎に前記画素列内の光電変換部の電荷蓄積の開始と終了とを同一のタイミングで実行する制御部とを備え、前記撮像画素は、前記一つの光電変換部の蓄積電荷を一時的に保持する電荷保持部と、前記電荷保持部が保持した蓄積電荷を転送する転送部と、前記転送部から転送される電荷を出力信号として出力する出力部とを有し、前記焦点検出画素は、前記第１の光電変換部の蓄積電荷を一時的に保持する第１電荷保持部と、前記第１電荷保持部が保持した蓄積電荷を転送する第１転送部と、前記第２の光電変換部の蓄積電荷を一時的に保持する第２電荷保持部と、前記第２の光電変換部の蓄積電荷を一時的に保持する第２電荷保持部と、前記第２電荷保持部が保持した蓄積電荷を前記第１転送部の転送タイミングよりも早いタイミングで転送する第２転送部と、前記第１転送部から転送される電荷を第１の出力信号として、前記第２転送部から転送される電荷を第２の出力信号として、それぞれ出力する出力部と、を有し、前記読み出し回路は、前記撮像画素列の前記撮像画素の出力信号を読み出すと共に、前記焦点検出画素列の前記焦点検出画素の前記第２の出力信号を読み出した後に当該焦点検出画素の前記第１の出力信号を読み出すことを特徴とする。

本発明によれば、位相差検出に用いる一対の像データの同時性と同一性を実現でき、焦点検出精度の低下や焦点検出不能を防止することができる。

本願発明の一実施の形態による光電変換素子を、デジタルスチルカメラの撮像素子に適用した一実施の形態を説明する。図１は一実施の形態の構成を示す。一実施の形態のデジタルスチルカメラ２０１は交換レンズ２０２とカメラボディ２０３から構成され、交換レンズ２０２はマウント部２０４によりカメラボディ２０３に装着される。

交換レンズ２０２はレンズ駆動制御装置２０６、ズーミング用レンズ２０８、レンズ２０９、フォーカシング用レンズ２１０、絞り２１１などを備えている。レンズ駆動制御装置２０６は、マイクロコンピューターとメモリなどの周辺部品から成り、フォーカシング用レンズ２１０と絞り２１１の駆動制御、絞り２１１、ズーミング用レンズ２０８およびフォーカシング用レンズ２１０の状態検出、後述するボディ駆動制御装置２１４に対するレンズ情報の送信とカメラ情報の受信などを行う。

カメラボディ２０３は撮像素子２１２、ボディ駆動制御装置２１４、液晶表示素子駆動回路２１５、液晶表示素子２１６、接眼レンズ２１７、メモリカード２１９などを備えている。撮像素子２１２には後述する画素が二次元状に配列されており、交換レンズ２０２の予定結像面に配置されて交換レンズ２０２により結像される被写体像を撮像する。なお、詳細を後述するが撮像素子２１２の所定の焦点検出位置には焦点検出用画素が配列される。

ボディ駆動制御装置２１４はマイクロコンピューターとメモリなどの周辺部品から構成され、撮像素子２１２からの画像信号の読み出し、画像信号の補正、交換レンズ２０２の焦点調節状態の検出、レンズ駆動制御装置２０６からのレンズ情報の受信とカメラ情報（デフォーカス量）の送信、ディジタルスチルカメラ全体の動作制御などを行う。ボディ駆動制御装置２１４とレンズ駆動制御装置２０６は、マウント部２０４の電気接点部２１３を介して通信を行い、各種情報の授受を行う。

液晶表示素子駆動回路２１５は、液晶ビューファインダー（ＥＶＦ：電気的ビューファインダー）の液晶表示素子２１６を駆動する。撮影者は接眼レンズ２１７を介して液晶表示素子２１６に表示された像を観察することができる。メモリカード２１９はカメラボディ２０３に脱着可能であり、画像信号を格納記憶する可搬記憶媒体である。

交換レンズ２０２を通過して撮像素子２１２上に形成された被写体像は、撮像素子２１２により光電変換され、その出力はボディ駆動制御装置２１４へ送られる。ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２上の焦点検出用画素の出力データに基づいて所定の焦点検出位置におけるデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送る。また、ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２の出力に基づいて生成した画像信号をメモリカード２１９に格納するとともに、画像信号を液晶表示素子駆動回路２１５へ送り、液晶表示素子２１６に画像を表示させる。

カメラボディ２０３には不図示の操作部材（シャッターボタン、焦点検出位置の設定部材など）が設けられており、これらの操作部材からの操作状態信号をボディ駆動制御装置２１４が検出し、検出結果に応じた動作（撮像動作、焦点検出位置の設定動作、画像処理動作）の制御を行う。

レンズ駆動制御装置２０６はレンズ情報をフォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態、絞り開放Ｆ値などに応じて変更する。具体的には、レンズ駆動制御装置２０６は、レンズ２０８、２１０の位置と絞り２１１の絞り位置をモニターし、モニター情報に応じてレンズ情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからモニター情報に応じたレンズ情報を選択する。レンズ駆動制御装置２０６は、受信したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を算出し、このレンズ駆動量に基づいてフォーカシングレンズ２１０を不図示のモーター等の駆動源により合焦点へと駆動する。

図２は撮影画面上における焦点検出位置を示す。撮影画面１００の５カ所に焦点検出エリア１０１〜１０５が配置される。これらの焦点検出エリア１０１〜１０５は、後述する撮像素子２１２の焦点検出用画素が撮影画面１００上で被写体像をサンプリングする領域を示し、長方形で示した焦点検出エリア１０１〜１０５の長手方向に焦点検出用画素が直線的に配列される。撮影者は、複数の焦点検出エリア１０１〜１０５の中から撮影構図に応じて焦点検出エリア選択操作部材（不図示）により焦点検出エリアを手動で選択する。

図３は撮像素子２１２の詳細構成を示す正面図である。なお、図３では撮像素子２１２上のひとつの焦点検出エリア近傍を拡大して示し、縦横は図２の撮影画面１００の縦横に対応する。撮像素子２１２は、撮像用の撮像画素３１０と焦点検出用の焦点検出画素３１１から構成される。撮像画素３１０は、図４に示すようにマイクロレンズ１０、光電変換部１１および不図示の色フィルタを備えている。色フィルタは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類からなり、それぞれの分光感度は図６に示すものとなっている。撮像素子２１２には、各色フィルタを備えた撮像画素３１０がベイヤー配列されている。

一方、焦点検出画素３１１は、図５に示すようにマイクロレンズ１０と一対の光電変換部１２，１３を備えている。焦点検出画素３１１には光量をかせぐために色フィルタは配置されておらず、その分光特性は光電変換を行うフォトダイオードの分光感度、赤外カットフィルタ（不図示）の分光特性を総合した図７に示す分光特性となり、図６に示す緑画素、赤画素および青画素の分光特性を加算したような分光特性となり、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素、青画素の感度の光波長領域を包括している。

撮像画素３１０の光電変換部１１は、マイクロレンズ１０により最も明るい交換レンズの射出瞳（たとえばＦ１．０）を通過する光束をすべて受光するような形状に設計される。焦点検出画素３１１の一対の光電変換部１２、１３は、マイクロレンズ１０により最も明るい交換レンズの射出瞳（たとえばＦ１．０）を通過する光束をすべて受光するような形状に設計される。また、図３に示すように、二次元的に配置される撮像画素３１０にはＲＧＢのベイヤー配列の色フィルタが備えられる。焦点検出用の焦点検出画素３１１は、撮像画素３１０のＢとＧが配置されるべき行（列）に直線的に配置される。焦点検出画素３１１は図２に示す焦点検出エリアの中に配列される。

図８は撮像画素３１０の断面図である。撮像画素３１０において、撮像用の光電変換部１１の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１１が前方に投影される。光電変換部１１は半導体回路基板２９上に形成される。不図示の色フィルタはマイクロレンズ１０と光電変換部１１の中間に配置される。

図９は焦点検出画素３１１の断面図である。焦点検出用画素３１１において、焦点検出用の光電変換部１２、１３の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１２、１３が前方に投影される。光電変換部１２、１３は半導体回路基板２９上に形成される。

ここで、図１０により瞳分割型位相差検出方式による焦点検出原理を説明する。図において、９０は交換レンズの予定結像面に配置されたマイクロレンズの前方ｄ０の距離に設定された射出瞳である。なお、距離ｄ０は、マイクロレンズの曲率、屈折率およびマイクロレンズと光電変換部の間の距離などに応じて決まる距離であって、以下では測距瞳距離と呼ぶ。９１は交換レンズの光軸、５０、６０はマイクロレンズ、５２、５３、６２、６３は焦点検出用画素の一対の光電変換部、７２、７３、８２、８３は焦点検出光束である。また、９２はマイクロレンズ５０、６０により投影された光電変換部５２、６２の領域（以下、測距瞳と呼ぶ）、９３はマイクロレンズ５０、６０により投影された光電変換部５３、８３の領域（以下、測距瞳と呼ぶ）である。

図１０においては、光軸９１上にある焦点検出用画素（マイクロレンズ５０と一対の光電変換部５２、５３を有する）と、隣接する焦点検出用画素（マイクロレンズ６０と一対の光電変換部６２、６３を有する）とを模式的に例示するが、その他の焦点検出用画素においても、一対の光電変換部はそれぞれ一対の測距瞳９２、９３から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。焦点検出用画素の配列方向は、一対の測距瞳の並び方向すなわち一対の光電変換部の並び方向と一致させる。

マイクロレンズ５０、６０は光学系の予定結像面近傍に配置されており、光軸９１上に配置されたマイクロレンズ５０によりその背後に配置された一対の光電変換部５２、５３の形状がマイクロレンズ５０、６０から投影距離ｄ０だけ離間した射出瞳９０上に投影され、その投影形状は測距瞳９２，９３を形成する。すなわち、投影距離ｄ０にある射出瞳９０上で各焦点検出用画素の光電変換部の投影形状（測距瞳９２，９３）が一致するように、各画素の投影方向が決定される。焦点検出用画素において、マイクロレンズに関して光電変換部と交換レンズ（撮影光学系）の射出瞳とが共役である。

光電変換部５２は、測距瞳９２を通過しマイクロレンズ５０に向う焦点検出光束７２によってマイクロレンズ５０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。一方、光電変換部５３は、測距瞳９３を通過しマイクロレンズ５０に向う焦点検出光束７３によってマイクロレンズ５０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部６２は、測距瞳９２を通過しマイクロレンズ６０に向う焦点検出光束８２によってマイクロレンズ６００上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。一方、光電変換部６３は、測距瞳９３を通過しマイクロレンズ６０に向う焦点検出光束８３によってマイクロレンズ６０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

このような焦点検出用画素を直線状に多数配置し、各画素の一対の光電変換部の出力を測距瞳９２および測距瞳９３に対応した出力グループにまとめることによって、測距瞳９２と測距瞳９３を各々通過する焦点検出光束が焦点検出用画素列上に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。

この情報に対して後述する像ズレ検出演算処理（相関処理、位相差検出処理）を施すことによって、いわゆる瞳分割方式で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に一対の測距瞳の重心間隔に応じた変換演算を行うことによって、予定結像面に対する現在の結像面（予定結像面上のマイクロレンズアレイの位置に対応した焦点検出位置における結像面）の偏差（デフォーカス量）を算出することができる。なお、上述した説明では、測距瞳が絞り開口によって制限されていないものとして説明したが、実際は測距瞳が絞り開口により制限された形状と大きさになる。

図１１は撮像画素と射出瞳の関係を説明する図である。なお、図１０に示す要素と同じ要素に対しては説明を省略する。７０はマイクロレンズ、７１は撮像画素の光電変換部、８１は撮像光束、９４はマイクロレンズ７０により投影された光電変換部７１の領域である。図において、光軸９１上にある撮像画素（マイクロレンズ７０と光電変換部７１からなる）を模式的に例示してあるが、その他の撮像画素においても光電変換部はそれぞれ領域から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。

マイクロレンズ７０は光学系の予定結像面近傍に配置されており、光軸９１上に配置されたマイクロレンズ７０によりその背後に配置された光電変換部７１の形状がマイクロレンズ７０から投影距離ｄ０だけ離間した射出瞳９０上に投影され、その投影形状は領域９４を形成する。光電変換部７１は領域９４を通過し、マイクロレンズ７０に向う焦点検出光束８１によりマイクロレンズ７０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。このような撮像画素を二次元状に多数配置することによって、各画素の光電変換部に基づいて画像情報が得られる。なお、上述した説明では領域９４は絞り開口によって制限されていないものとして説明したが、実際は領域９４は絞り開口によって制限された形状と大きさになる。

図１２は、一実施の形態のデジタルスチルカメラ（撮像装置）の動作を示すフローチャートである。ボディ駆動制御装置２１４は、カメラに電源が投入されている間、この動作を繰り返し実行する。ステップ１００においてカメラの電源がオンされるとステップ１１０へ進み、測光装置（不図示）によって測光した被写界輝度に応じて自動的に決定された撮影絞り値、あるいは操作部材（不図示）によってユーザーが手動で設定した撮影絞り値に応じた絞り制御情報をレンズ駆動制御装置２０６へ送り、絞り開口径を撮影絞り値に設定する。さらに、この絞り開口径にて撮像画素のデータを間引き読み出しし、電子ビューファインダーに表示させる。

ステップ１２０では、絞り開口径が撮影絞り値に設定された状態で焦点検出画素列からデータを読み出す。なお、焦点検出エリアは選択部材（不図示）を用いてユーザーにより選択されている。ステップ１３０では焦点検出画素列に対応した一対の像データに基づいて、後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理）を行い、像ズレ量を演算してデフォーカス量を算出する。ステップ１４０では合焦近傍か否か（算出されたデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるか）を調べる。

合焦近傍でないと判定した場合はステップ１５０へ進み、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送信し、交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０を合焦位置に駆動させ、ステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。なお、焦点検出不能な場合もこのステップ１５０へ分岐し、レンズ駆動制御装置２０６へスキャン駆動命令を送信し、交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０を無限から至近までの間でスキャン駆動させ、ステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。

一方、合焦近傍であると判定した場合はステップ１６０へ進み、レリーズボタン（不図示）の操作によりシャッターレリーズがなされたか否かを判定し、なされていないと判定された場合はステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。シャッターレリーズがなされたと判定された場合はステップ１７０へ進み、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り制御情報を送信し、交換レンズ２０２の絞り値を撮影絞り値に設定する。絞り制御が終了した時点で、撮像素子２１２に撮像動作を行わせ、撮像素子２１２の撮像画素および全ての焦点検出画素から画像データを読み出す。

ステップ１８０において、焦点検出画素列の各画素位置の画素データを焦点検出画素のデータおよび周囲の撮像画素のデータに基づいて補間する。続くステップ１９０では撮像画素のデータおよび補間されたデータからなる画像データをメモリーカード２１９に記録し、ステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。

次に、図１２のステップ１３０の焦点検出演算について詳細に説明する。焦点検出画素列から出力される一対のデータ列（α１〜αＭ、β１〜βＭ：Ｍはデータ数）に対し（１）式に示すような高周波カットフィルタ処理を施し、第１データ列、第２データ列（Ａ１〜ＡＮ、Ｂ１〜ＢＮ）を生成することによって、データ列から相関処理に悪影響を及ぼすノイズ成分や高周波成分を除去する。なお、演算時間の短縮を図る場合や、すでに大きくデフォーカスしていて高周波成分が少ないことがわかっている場合には、この処理を省略することもできる。
Ａｎ＝αn＋２・αn+1＋αn+2、
Ｂｎ＝βn＋２・βn+1＋βn+2 ・・・（１）
（１）式において、ｎ＝１〜Ｎである。

データ列Ａｎ、Ｂｎに対し例えば（２）式により相関演算を行い、相関量Ｃ（ｋ）を演算する。
Ｃ（ｋ）＝Σ｜Ａn・Ｂn+1+k−Ｂn+k・Ａn+1｜ ・・・（２）
（２）式において、Σ演算はｎについて累積される。ｎのとる範囲はずらし量ｋに応じてＡn、Ａn+1、Ｂn+k、Ｂn+1+kのデータが存在する範囲に限定される。ずらし量ｋは整数であり、データ列のデータ間隔を単位とした相対的シフト量である。

（２）式の演算結果は、図１３(ａ)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量（図１３(ａ)ではｋ＝ｋj＝２）において相関量Ｃ(ｋ)が極小（小さいほど相関度が高い）になる。次に、（３）式〜（６）式による３点内挿の手法を用いて、連続的な相関量に対する極小値Ｃ(ｘ)を与えるシフト量ｘを求める。
ｘ＝ｋj＋Ｄ／ＳＬＯＰ ・・・（３）
Ｃ(ｘ)＝ Ｃ(ｋj)−｜Ｄ｜ ・・・（４）
Ｄ＝｛Ｃ(kj-1)−Ｃ(kj+1)｝／２ ・・・（５）
ＳＬＯＰ＝ＭＡＸ｛Ｃ(kj+1)−Ｃ(kj)，Ｃ(kj-1)−Ｃ(kj)）｝ ・・・（６）

（３）式で算出されたずらし量ｘの信頼性があるかどうかは、次のようにして判定される。図１３(ｂ)に示すように、一対のデータの相関度が低い場合は、内挿された相関量の極小値Ｃ(ｘ)の値が大きくなる。したがって、Ｃ(ｘ)が所定のしきい値以上の場合は算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。あるいは、Ｃ(ｘ)をデータのコントラストで規格化するために、コントラストに比例した値となるＳＬＯＰでＣ(ｘ)を除した値が所定値以上の場合は、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。あるいはまた、コントラストに比例した値となるＳＬＯＰが所定値以下の場合は、被写体が低コントラストであり、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。

図１３(ｃ)に示すように、一対のデータの相関度が低く、シフト範囲ｋmin〜ｋmaxの間で相関量Ｃ(ｋ)の落ち込みがない場合は、極小値Ｃ(ｘ)を求めることができず、このような場合は焦点検出不能と判定する。

なお、焦点検出演算における相関演算式は上述した（２）式に限定されず、例えば次式を用いてもよい。
Ｃ(ｋ)＝Σ｜Ａn／Ａn+1−Ｂn+k／Ｂn+1+k｜ ・・・（７）
（７）式において、Σ演算はｎについて累積される。ｎのとる範囲はずらし量ｋに応じてＡn、Ａn+1、Ｂn+k、Ｂn+1+kのデータが存在する範囲に限定される。

算出されたずらし量ｘの信頼性があると判定された場合は、被写体像面の予定結像面に対するデフォーカス量ＤＥＦを次式により求めることができる。
ＤＥＦ＝ＫＸ・ＰＹ・ｘ ・・・（８）
（８）式において、ＰＹは検出ピッチ（焦点検出画素のピッチ）であり、ＫＸは一対の測距瞳を通過する光束の重心の開き角の大きさによって決まる変換係数である。一対の測距瞳を通過する光束の重心の開き角の大きさは交換レンズの絞り開口の大きさ（絞り値）に応じて変化するので、レンズ情報に応じて決定される。

次に、図１４に示す焦点検出画素３１１のブロック構成図を参照し、一実施の形態の撮像素子２１２について詳細に説明する。図３に示す撮像素子２１２を構成する焦点検出画素３１１は次のような構成になっている。焦点検出画素３１１は、ひとつのマイクロレンズ３１１ａ、マイクロレンズ３１１ａにより集光された光線を光電変換して電荷蓄積する対になった第１光電変換部（フォトダイオード）ＰＤ１と第２光電変換部（フォトダイオード）ＰＤ２、第１光電変換部ＰＤ１に蓄積された電荷を転送する第１転送部３１１ｂ、第１転送部３１１ｂにより転送された電荷を一時的に蓄積保持する第１電荷保持部３１１ｃ、第１電荷保持部３１１ｃに蓄積保持された電荷を転送する第３転送部３１１ｄ、第２光電変換部ＰＤ２に蓄積された電荷を転送する第２転送部３１１ｅ、第２転送部３１１ｅあるいは第３転送部３１１ｄにより転送された電荷を個別に受ける浮遊拡散部（フローティングディフュージョン）ＦＤ、浮遊拡散部ＦＤに転送された電荷の量に応じた出力信号を出力する増幅部（アンプ）ＡＭＰから構成され、これらの各部の動作は蓄積出力制御部３１１ｆにより制御される。

蓄積出力制御部３１１ｆは複数の焦点検出画素に共通に設けられており、第１光電変換部ＰＤ１と第２光電変換部ＰＤ２の電荷蓄積タイミングを揃えるとともに、同一焦点検出エリアに属する焦点検出画素の電荷蓄積タイミングを揃え、異なる焦点検出エリアに属する焦点検出画素に対しては独立に電荷蓄積時間を設定する。第１転送部３１１ｃと第２転送部３１１ｅは共通のタイミングで制御される。

図１５は、焦点検出画素のレイアウト（マイクロレンズ側から見た場合の配置構成）を示す。マイクロレンズ３１１ａの下に、フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２が対になって配置される。電荷蓄積時間外にＰＤ１とＰＤ２で発生する電荷を排出するために、電荷排出ゲート電極４０２と、電源電圧Ｖｄｄが印加された電荷排出ドレイン４０１が設けられる。電荷排出ゲート電極４０２の動作は制御信号ΦＲ１により制御される。電荷蓄積時間内にＰＤ１とＰＤ２で発生する電荷を転送するために電荷転送ゲート電極４０３が設けられ、その動作は制御信号ΦＴ１により制御される。

電荷転送ゲート電極４０３によりＰＤ１から転送された電荷は、電荷保持ゲート電極４０４の下に一時的に蓄積保持され、その動作は制御信号ΦＴ２により制御される。電荷保持ゲート電極４０４の下に一時的に蓄積保持された電荷は、電荷転送ゲート電極４０５により転送され、その動作は制御信号ΦＴ３により制御される。浮遊拡散部ＦＤは、電荷転送ゲート電極４０３によりＰＤ２から転送された電荷および電荷転送ゲート電極４０５により電荷保持ゲート電極４０４経由でＰＤ１から転送された電荷を受ける。

ＦＤはＭＯＳアンプ４０９のゲートに接続され、ＭＯＳアンプ４０９はＦＤが受け取った電荷量に応じた大きさの信号を出力する。ＦＤが受けた電荷を排出するために、電荷排出ゲート電極４０７と、電源電圧Ｖｄｄが印加された電荷排出ドレイン４０８が設けられる。電荷排出ゲート電極４０７の動作は制御信号ΦＲ２により制御される。なお、ＰＤ１、ＰＤ２からＦＤまでの間には電気的な分離領域が形成されており、ＰＤ１からＦＤに転送される電荷と、ＰＤ２からＦＤに転送される電荷とが途中で混ざることはない。

図１６は焦点検出画素の構造を示す断面図である。図１６ではＰＤ１とＦＤを通る断面を示す。焦点検出画素は光の入射方向からマイクロレンズ３１１ａ、アルミ遮光膜４１０、配線および電極類、電気的絶縁層４１１（酸化シリコン膜）、シリコン半導体基板ｐ−Ｓｉ（Ｐ型シリコン）から構成される。マイクロレンズ３１１ａで集光された光線は遮光膜４１０、絶縁層４１１に形成された開口部を通過して半導体基板ｐ−Ｓｉに入射する。光線が入射する半導体部分の表面にはｎ＋領域が形成されており、フォトダイオードＰＤ１を構成している。ＰＤ１に隣接してｎ−領域が形成されており、絶縁層４１１を挟んで配置される電極４０２ａとともに、電荷排出ゲート４０２を構成する。

電荷排出ゲート４０２のｎ−領域に隣接してｎ＋＋領域が形成されており、電荷排出ドレイン４０１を構成する。ＰＤ１に隣接してｎ−領域が形成されており、絶縁層４１１を挟んで配置される電極４０３ａ、電極４０４ａ、電極４０５ａとともに、電荷転送ゲート４０３、電荷保持ゲート４０４、電荷転送ゲート４０５を構成する。電荷転送ゲート４０５を構成するｎ−領域に隣接してフローティングディフュージョンを構成するｎ＋領域が形成される。ＦＤに隣接してｎ−領域が形成されており、絶縁層４１１を挟んで配置される電極４０７ａとともに、電荷排出ゲート４０７を構成する。電荷排出ゲート４０７のｎ−領域に隣接してｎ＋＋領域が形成されており、電荷排出ドレイン４０８を構成する。

図１７は焦点検出画素の構造を示す断面図である。図１７ではＰＤ２とＦＤを通る断面を示す。なお、図１６に示す構造と同様な構造をしており、ＰＤ２とＦＤの間の構造のみが異なる。ＰＤ２に隣接してｎ−領域が形成されており、絶縁層４１１を挟んで配置される電極４０３ａとともに、電荷転送ゲート４０３を構成する。電荷転送ゲート４０３を構成するｎ−領域に隣接してフローティングディフュージョンを構成するｎ＋領域が形成される。

図１８は焦点検出画素の制御信号のタイミングチャートを示す。また、図１９〜図２１は焦点検出画素の電荷蓄積および信号出力動作を示すポテンシャル図（上図がＰＤ１、下図がＰＤ２に対応）である。時刻ｔ０（図１９(ａ)参照）においてＰＤ、ＦＤはリセット(待機状態＝非電荷蓄積モード）されている。制御信号ΦＲ１、ΦＲ２はハイ状態（Ｈ、ＯＮ）、制御信号ΦＴ１、ΦＴ２、ΦＴ３はロー状態（Ｌ、ＯＦＦ）となっており、ＰＤ１およびＰＤ２に発生した電荷は電荷排出ドレインに排出される。また、ＦＤに残っていた電荷も電荷排出ドレインに排出される（リセット）。

時刻ｔ１でＰＤの電荷蓄積が開始される。制御信号ΦＲ１がＬになり、ＰＤ１およびＰＤ２に発生した電荷がＰＤ１、ＰＤ２に蓄積され始める。続く時刻ｔ２（図１９(ｂ)参照）では、ＰＤの電荷蓄積が続けられる。制御信号ΦＲ１はＬのままで、ＰＤ１およびＰＤ２に発生した電荷がＰＤ１、ＰＤ２に蓄積され続ける。時刻ｔ３（図１９(ｃ)参照））でＦＤの準備が完了する。制御信号ΦＲ２をＬとし、ＰＤの電荷蓄積終了に先立ってＦＤのリセットを終了する。

時刻ｔ４（図１９(ｄ)参照）においてＰＤ１、ＰＤ２の蓄積電荷の転送を開始する。制御信号ΦＴ１、ΦＴ２をＨとし、ＰＤ１、ＰＤ２の蓄積電荷の転送を開始する。ＰＤ１に蓄積されていた電荷は、制御信号ΦＴ２が接続された電極の下に形成されるポテンシャル井戸（ウェル）に転送される。一方、ＰＤ２に蓄積されていた電荷はＦＤに転送される。時刻ｔ５（図２０(ｅ)参照）ではＰＤ１、ＰＤ２の電荷蓄積を終了するとともに、蓄積電荷の転送を終了する。制御信号ΦＲ１をＨ、制御信号ΦＴ１をＬにし、ＰＤ１，ＰＤ２の電荷蓄積を終了すると同時に、蓄積電荷の転送を終了する。

ＰＤ１およびＰＤ２に発生した電荷は電荷排出ドレインに排出される。時刻ｔ５からｔ６の間にＦＤに転送された電荷（ＰＤ２で蓄積された電荷）の量に応じた信号出力が増幅部ＡＭＰから画素外に出力される。時刻ｔ６（図２０(ｆ)参照）ではＦＤのリセットを開始する。制御信号ΦＲ２をＨにし、ＰＤ１の蓄積電荷を受ける準備のためにＦＤのリセットを開始する。ＦＤが受けたＰＤ２の蓄積電荷は電荷排出ドレインに排出される（リセット）。時刻ｔ７（図２０(ｇ)参照）でＦＤの準備が完了する。制御信号ΦＲ２をＬにし、ＰＤ１の蓄積電荷を受けるのに先立ってＦＤのリセットを終了する。

時刻ｔ８（図２０(ｈ)参照）において、ポテンシャル井戸（ウェル）に一時的に保持されていたＰＤ１の蓄積電荷をＦＤへ転送開始する。制御信号ΦＴ２をＬ、制御信号ΦＴ３をＨにし、ポテンシャル井戸（ウェル）の蓄積電荷のＦＤへの転送を開始する。時刻ｔ９（図２１(ｉ)参照）ではポテンシャル井戸（ウェル）に一時的に保持されていたＰＤ１の蓄積電荷のＦＤへの転送を終了する。制御信号ΦＴ３をＬにし、ポテンシャル井戸（ウェル）の蓄積電荷のＦＤへの転送を終了する。時刻ｔ９からｔ１０の間にＦＤに転送された電荷（ＰＤ１で蓄積された電荷）の量に応じた信号出力が、増幅部ＡＭＰから画素外に出力される。

時刻ｔ１０（図２１(ｊ)参照）ではＦＤのリセットを開始する。制御信号ΦＲ２をＨにし、次の蓄積電荷を受ける準備のためにＦＤのリセットを開始する。ＦＤが受けたＰＤ１の蓄積電荷は電荷排出ドレインに排出される（リセット）。以降、次の電荷蓄積と信号出力の動作サイクルに入る。

図１８において、ＰＤ１、ＰＤ２は時刻ｔ２からｔ４の間に同じタイミングで電荷蓄積と終了が制御され、時刻ｔ５からｔ６の間にＰＤ２に蓄積された電荷量に応じた信号出力が発生し、時刻ｔ９からｔ１０の間にＰＤ１に蓄積された電荷量に応じた信号出力が発生することになる。

図２２は撮像素子２１２の回路構成を示す。なお、図２２ではｎ行目とｎ＋１行目における２×２の焦点検出画素の部分だけを抜き出して示している。破線で囲んだ領域１５０がひとつの焦点検出画素に対応する回路構成である。また、図１５〜図１７で示した構成要素を同一の番号を付して示す。フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に待機状態において発生する電荷は、排出用ＭＯＳスイッチ４０２を介して電源電圧Ｖｄｄに排出される（フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２がリセットされる）。また、ＦＤに溜まった電荷はリセットＭＯＳスイッチ４０７により電源電圧Ｖｄｄにリセットされる。

ＰＤ１に蓄積された電荷は、転送ＭＯＳスイッチ４０３により電荷保持用ＭＯＳスイッチ４０４に転送され、次に転送ＭＯＳスイッチ４０５によりＦＤに転送される。ＰＤ２に蓄積された電荷は、転送ＭＯＳスイッチ４０３によりＦＤに転送される。ＦＤは増幅用ＭＯＳトランジスタ１６５のゲートに接続され、増幅用ＭＯＳトランジスタ１６５はＦＤに溜まった電荷量に応じた出力信号を発生する。増幅用ＭＯＳトランジスタ１６５の出力信号は、行選択ＭＯＳトランジスタ１６６を介して垂直出力線１９０に出力される。

１７０は増幅用ＭＯＳトランジスタ１６５とともにソースフォロワを構成する負荷ＭＯＳトランジスタ、１７２は画素の出力を転送する出力転送ＭＯＳトランジスタ、１７４は出力転送ＭＯＳトランジスタ１７２によって転送された出力を蓄積する出力蓄積容量、１７６は出力蓄積容量１７４に蓄積されている各出力を水平出力線１９１へ転送する水平転送ＭＯＳトランジスタ、１７８は信号を増幅して出力する差動出力アンプで、１８０は水平転送ＭＯＳトランジスタ１７６のオン、オフを制御する水平走査回路、１７９は行選択ＭＯＳトランジスタ１６６のオン／オフや行ごとに配置された制御信号を制御する垂直走査回路である。

ｎ行目の焦点検出画素の出力を行う場合は次のような動作となる。まず、ＰＤ１、ＰＤ２で電荷蓄積を行った後、ＰＤ１の蓄積電荷を電荷保持用ＭＯＳスイッチ４０４に転送し、ＰＤ２に蓄積された電荷をＦＤに転送する。電荷蓄積と電荷転送を制御する制御信号ΦＲ１、ΦＴ１は全行共通とし、電荷蓄積と電荷転送は全画素同時に行う。次に、制御信号ＰＳｎをＨにしてｎ行目の焦点検出画素を選択する。ｎ行目に配置された全焦点検出画素において、ＦＤに転送されたＰＤ２の電荷の量に応じて増幅用ＭＯＳトランジスタ１６５は出力信号を発生する。

制御信号ＰＴを一時的にハイレベルに切り換えることによって、出力転送ＭＯＳトランジスタ１７２をオンし、この出力信号を並列に出力蓄積容量１７４に出力する。出力蓄積容量１７４に蓄積された出力（ＰＤ２の蓄積電荷に対応）は、水平走査回路１８０からの水平転送ＭＯＳトランジスタ７６へ順次印加される走査タイミング信号により、水平転送期間に差動出力アンプ７８から時系列に出力される。出力終了後、出力蓄積容量１７４をリセットするとともに、制御信号ΦＴ２ｎ、ΦＴ３ｎにより電荷保持用ＭＯＳスイッチ４０４に一時的に保持されたＰＤ１で蓄積された電荷をＦＤに転送する。

ｎ行目に配置された全焦点検出画素において、ＦＤに転送されたＰＤ１の電荷の量に応じて増幅用ＭＯＳトランジスタ１６５は出力信号を発生する。次に、制御信号ＰＴを一時的にハイレベルに切り換えることによって、出力転送ＭＯＳトランジスタ１７２をオンし、この出力信号を並列に出力蓄積容量１７４に出力する。出力蓄積容量１７４に蓄積された出力（ＰＤ２の蓄積電荷に対応）は、水平走査回路１８０からの水平転送ＭＯＳトランジスタ７６へ順次印加される走査タイミング信号により、水平転送期間に差動出力アンプ７８から時系列に出力される。出力終了後に出力蓄積容量１７４をリセットする。

以上の動作により、ｎ行目の各焦点検出画素のＰＤ１およびＰＤ２で蓄積された電荷量に応じた信号が出力される。以上の動作を垂直方向に全行に対して順次行うことによって全画素の画像信号が出力される。図２２には撮像画素の回路構成は示していないが、焦点検出画素のＰＤ１あるいはＰＤ２のどちらか一方に対応する回路構成となっている。

図２３は撮像素子２１２の全画素出力の場合の出力動作を説明する図である。例えば撮像素子２１２のｎ行目のみが焦点検出画素で構成されている場合に、まず全画素で同時に電荷蓄積を行う。次に、撮像画素のみからなる１行目を選択し、１行目の画素の出力を水平転送出力する。２行目以降、１行目と同じ動作を繰り返す。ｎ行目を選択した場合、まずＰＤ２の出力を水平転送（水平転送出力１）し、その後にＰＤ１の出力を水平転送（水平転送出力１）する。この動作は撮像時に行われる。ビューファインダー表示を行う場合は、行を間引いて同様な動作を行う。

図２４は、撮像素子２１２の焦点検出画素のみ出力の場合の出力動作を説明する図である。例えば撮像素子のｎ１行目、ｎ２行目・・・ｎｚ行目のみが焦点検出画素で構成されている場合に、まず全画素で同時に電荷蓄積を行う。次に、ｎ１行を選択し、まずＰＤ２の出力を水平転送（水平転送出力３）し、その後にＰＤ１の出力を水平転送（水平転送出力４）する。同様にｎ２行目・・・ｎｚ行目を順次選択し、同様な動作を行う。これにより、焦点検出画素のみの出力を短期間に得ることができる。この動作は焦点検出時に行われる。

なお、同一行に撮像画素と焦点検出画素が混在している場合には、撮像画素を擬似的に焦点検出画素として取り扱い、ＰＤ１に対応する水平転送期間あるいはＰＤ２に対応する水平転送期間の一方に撮像画素信号を出力するとともに、もう一方の期間には撮像画素からはダミー信号が出力される。

なお、図１４〜図２４に示す撮像素子においては焦点検出画素の一対の光電変換部の一方のみに電荷保持部を設けているので、１画素の中に配置する構成要素が少なくなり、光電変換部の面積を大きくとれて開口率を大きくすることができる。

《その他の実施例および変形例》
図１４〜図２４に示す撮像素子においては焦点検出画素の一対の光電変換部の一方のみに電荷保持部を設けているが、両方に電荷保持部を設けてもよい。このような構成にすると、フォトダイオードからフローティングディフュージョンまでの構造が同一となるので、構想の相違による出力レベルの変動などの問題を回避できる。以下、図２５〜図３１によりこの構造の画素を備えた変形例の撮像素子２１２Ａについて説明する。

図２５は焦点検出画素のブロック構成図である。なお、図１４の構成要素と同様な構成要素に対しては同一の符号を付して相違点を中心に説明する。第２転送部３１１ｅにより転送される電荷が、第２電荷保持部３１１ｇに一時的に保持され、第４転送部３１１ｈにより浮遊拡散部ＦＤに転送される点において図１４の構成と異なる。

図２６は、焦点検出画素のレイアウト（マイクロレンズ側から見た場合の配置構成）である。なお、図１５と同様な構成要素に対しては同一の符号を付して相違点を中心に説明する。電荷転送ゲート電極４０３によりＰＤ２から転送された電荷は、電荷保持ゲート電極４１４の下に一時的に蓄積保持され、その動作は制御信号ΦＴ４により制御される。電荷保持ゲート電極４１４の下に一時的に蓄積保持された電荷は、電荷転送ゲート電極４１５により転送され、その動作は制御信号ΦＴ５により制御される。

浮遊拡散部ＦＤは、電荷転送ゲート電極４０５により電荷保持ゲート電極４０４経由でＰＤ１から転送された電荷および電荷転送ゲート電極４１５により電荷保持ゲート電極４１４経由でＰＤ２から転送された電荷を受ける。なお、焦点検出画素の構造断面図はＰＤ１、ＰＤ２とも図１６と同じ構造となる。

図２７は焦点検出画素の制御信号のタイミングチャートである。また、図２８〜図３０は焦点検出画素の電荷蓄積と信号出力動作を示すポテンシャル図（上図がＰＤ１、下図がＰＤ２に対応）である。時刻ｔ０（図２８(ａ)参照）においてＰＤとＦＤをリセット(待機状態＝非電荷蓄積モード）する。制御信号ΦＲ１、ΦＲ２はハイ状態（Ｈ、ＯＮ）、制御信号ΦＴ１、ΦＴ２、ΦＴ３はロー状態（Ｌ、ＯＦＦ）となっており、ＰＤ１およびＰＤ２に発生した電荷は電荷排出ドレインに排出される。また、ＦＤに残っていた電荷も電荷排出ドレインに排出される（リセット）。

時刻ｔ１ではＰＤの電荷蓄積を開始する。制御信号ΦＲ１がＬになり、ＰＤ１およびＰＤ２に発生した電荷がＰＤ１、ＰＤ２に蓄積され始める。次に、時刻ｔ２（図２８(ｂ)参照）でＰＤの電荷蓄積を続ける。制御信号ΦＲ１はＬのままで、ＰＤ１およびＰＤ２に発生した電荷がＰＤ１、ＰＤ２に蓄積され続ける。時刻ｔ３（図２８(ｃ)参照）においてＦＤの動作準備が完了する。制御信号ΦＲ２をＬにしてＦＤのリセットを終了するとともに、制御信号ΦＴ１、ΦＴ２、ΦＴ４をＨにしてＰＤ１，ＰＤ２の蓄積電荷の転送を開始する。ＰＤ１に蓄積されていた電荷は、制御信号ΦＴ２が接続された電極の下に形成されるポテンシャル井戸（ウェル）に転送される。また、ＰＤ２に蓄積されていた電荷は、制御信号ΦＴ４が接続された電極の下に形成されるポテンシャル井戸（ウェル）に転送される。

時刻ｔ４（図２８(ｄ)参照）ではＰＤ１、ＰＤ２の電荷蓄積と蓄積電荷転送を終了する。制御信号ΦＲ１をＨ、制御信号ΦＴ１をＬにし、ＰＤ１，ＰＤ２の電荷蓄積終了すると同時に蓄積電荷の転送を終了する。ＰＤ１およびＰＤ２に発生した電荷は電荷排出ドレインに排出される。また、制御信号ΦＲ２をＬにしてＦＤのリセットを終了する。

時刻ｔ５（図２９(ｅ)参照）ではポテンシャル井戸（ウェル）に一時的に保持されていたＰＤ１のＦＤへの蓄積電荷の転送を開始する。制御信号ΦＴ２をＬ、制御信号ΦＴ３をＨにし、ポテンシャル井戸（ウェル）の蓄積電荷のＦＤへの転送を開始する。また、時刻ｔ６（図２９(ｆ)参照）ではポテンシャル井戸（ウェル）に一時的に保持されていたＰＤ１のＦＤへの蓄積電荷の転送を終了する。制御信号ΦＴ３をＬにし、ポテンシャル井戸（ウェル）の蓄積電荷のＦＤへの転送を終了する。時刻ｔ６からｔ７の間にＦＤに転送された電荷（ＰＤ１で蓄積された電荷）の量に応じた信号出力が、増幅部ＡＭＰから画素外に出力される。

時刻ｔ７（図２９(ｇ)参照）においてＦＤのリセットを開始する。制御信号ΦＲ２をＨにし、ＰＤ１の蓄積電荷を受ける準備のためにＦＤのリセットを開始する。ＦＤが受けたＰＤ１の蓄積電荷は、電荷排出ドレインに排出される（リセット）。時刻ｔ８（図２９(ｈ)参照）ではＦＤの動作準備を完了する。制御信号ΦＲ２をＬにし、ＰＤ２の蓄積電荷を受けるのに先立ってＦＤのリセットを終了する。時刻ｔ９（図３０(ｉ)参照）で、ポテンシャル井戸（ウェル）に一時的に保持されていたＰＤ２で蓄積された電荷のＦＤへの蓄積電荷の転送を開始する。制御信号ΦＴ４をＬ、制御信号ΦＴ５をＨとし、ポテンシャル井戸（ウェル）の蓄積電荷のＦＤへの転送を開始する。

時刻ｔ１０（図３０(ｊ)参照）では、ポテンシャル井戸（ウェル）に一時的に保持されていたＰＤ２で蓄積された電荷のＦＤへの蓄積電荷の転送を終了する。制御信号ΦＴ５をＬにし、ポテンシャル井戸（ウェル）の蓄積電荷のＦＤへの転送を終了する。時刻ｔ１０からｔ１１の間にＦＤに転送された電荷（ＰＤ２で蓄積された電荷）の量に応じた信号出力が、増幅部ＡＭＰから画素外に出力される。時刻ｔ１１（図３０(ｋ)参照）でＦＤのリセットを開始する。制御信号ΦＲ２をＨにし、次の蓄積電荷を受ける準備のためにＦＤのリセットを開始する。ＦＤが受けたＰＤ２の蓄積電荷は電荷排出ドレインに排出される（リセット）。以降、次の電荷蓄積と信号出力の動作サイクルに入る。

図３１は変形例の撮像素子２１２Ａの回路構成図である。なお、図ではｎ行目とｎ＋１行目における２×２の焦点検出画素の部分だけを抜き出して示している。また、図２２の構成要素と同様な構成要素に対しては同一の番号を付して相違点を中心に説明する。図２２に示す撮像素子２１２と異なる点は、ＰＤ２に蓄積された電荷が転送ＭＯＳスイッチ４０３により電荷保持用ＭＯＳスイッチ４１４に転送され、次に転送ＭＯＳスイッチ４１５によりＦＤに転送される点と、電荷保持用ＭＯＳスイッチ４１４を制御するための制御信号ΦＴ４、転送ＭＯＳスイッチ４１５を制御するための制御信号ΦＴ５が追加された点である。

図２４に示す動作シーケンスでは、全焦点検出画素が同一の電荷蓄積時間で制御されている例を示した。焦点検出エリアごとに異なる電荷蓄積時間を設定可能にすることによって、焦点検出エリアごとに輝度が異なる場合でも、各焦点検出エリアに属する焦点検出画素の出力レベルを焦点検出演算に適したコントラストに持つことができ、一度に複数の焦点検出エリアに対して焦点検出を行う場合に良好な焦点検出動作を行うことができる。例えば図３１において各行に共通に印加されている制御信号ΦＲ１とΦＴ１を行ごとに独立した制御信号とすることによって、各行の焦点検出画素の電荷蓄積時間を独立に制御することが可能になる。

図３２は撮像素子の出力動作の説明図（焦点検出画素のみ出力の場合）である。例えば撮像素子のｎａ行目、ｎｂ行目のみが焦点検出画素で構成されているとした場合に、ｎａ行の焦点検出画素で時刻ｔａから時刻ｔｂの間、電荷蓄積を行わせるとともに、ｎｂ行の焦点検出画素で時刻ｔｄから時刻ｔｅの間、電荷蓄積を行わせる。ここで、それぞれの電荷蓄積時間の中点を時刻ｔｃに揃える。時刻ｔｅにおいてｎａ行の焦点検出画素の電荷蓄積が終了すると、ｎａ行を選択し、ｎａ行に属する焦点検出画素のＰＤ１で蓄積された電荷量に対応する信号を出力する（水平転送出力３）。次に、ｎａ行に属する焦点検出画素のＰＤ２で蓄積された電荷量に対応する信号を出力する（水平転送出力４）。

一方、時刻ｔｂにおいてｎｂ行の焦点検出画素の電荷蓄積が終了すると、ｎｂ行に属する焦点検出画素のＰＤ１およびＰＤ２で蓄積された電荷は電荷保持部に転送され保持される。時刻ｔｆにおいてｎａ行に属する焦点検出画素のＰＤ２で蓄積された電荷量に対応する信号出力が終了すると、ｎｂ行を選択し、ｎｂ行に属する焦点検出画素のＰＤ１で蓄積された電荷量に対応する信号を出力する（水平転送出力３）。次に、ｎｂ行に属する焦点検出画素のＰＤ２で蓄積された電荷量に対応する信号を出力する（水平転送出力４）。

図２３に示す撮像素子の出力動作では、全画素同時蓄積を行った後に、各行の出力を順次読み出す例を示した。撮像画素が光電変換部で蓄積した電荷を一時的に保持する電荷保持部を持たない構造とし、撮像時には従来と同様にローリングシャッタ方式（行毎に異なる電荷蓄積タイミングで電荷蓄積が行われる方式）で各行の画素出力を読み出すようにしてもよい。このようにすれば、焦点検出画素のみが電荷保持部を備えればよいので、撮像画素の光電変換部の開口面積を大きく（開口効率を大きく）し、画像品質を向上することができる。

図３の撮像素子２１２では、焦点検出画素３１１を隙間なく配列する例を示した。図３３に示す撮像素子２１２Ｂでは、焦点検出画素３１１を１画素おきに青画素の位置に焦点検出画素を一列に配列している。焦点検出画素のピッチが大きくなることによって、焦点検出精度は多少低下するが、焦点検出画素の密度が低くなるので画像補間後の画像品質が向上する。

図３に示す撮像素子２１２では、撮像画素がベイヤー配列の色フィルタを備えた例を示したが、色フィルタの構成や配列はこれに限定されることはなく、補色フィルタ（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）を採用してもよい。焦点検出画素はシアンとマゼンタ（出力誤差が比較的目立たない青成分を含む）が配置されるべき画素位置に配置される。

図３に示す撮像素子２１２では、焦点検出画素に色フィルタを設けない例を示したが、撮像画素と同色の色フィルタのうちひとつのフィルタ（たとえば緑フィルタ）を設けるようにしてもよい。この場合でも本発明を適用することができる。

図３に示す撮像素子２１２では、撮像画素の一部を焦点検出画素に置き換えた配置例を示したが、全画素を焦点検出画素とした構成にしてもよい。

図１に示すカメラの構成においては撮像素子が焦点検出素子と撮像素子を兼用する例を示したが、焦点検出用の撮像素子と撮像用の撮像素子を別個にし、撮影光束を分割してそれぞれの撮像素子に撮影光束を導く構成として、焦点検出と撮像を行うようにしてもよい。

図１２に示す一実施の形態の動作では、補正した画像データをメモリーカード２１９に記録する例を示したが、補正した画像データを電子ビューファインダーやボディの背面に設けられた不図示の背面モニター画面に表示するようにしてもよい。

本発明はマイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の撮像素子に限定されず、１画素に一対の光電変換部を備えた画素を有する撮像素子にも適用することができる。例えば偏光を利用した瞳分割型の撮像素子にも適用可能である。

本発明はカメラボディに交換レンズが装着されるデジタルスチルカメラやフィルムスチルカメラに限定されず、レンズ一体型のデジタルスチルカメラやフィルムスチルカメラやビデオカメラにも適用できる。また、本発明は携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュールや監視カメラなどにも適用できる。さらに、カメラ以外の焦点検出装置や測距装置やステレオ測距装置にも適用できる。

一実施の形態によれば、一対の光電変換部の電荷蓄積の開始と終了を同一のタイミングで制御する構成としたので、位相差検出に用いる一対の像データの同時性と同一性を実現でき、焦点検出精度の低下や焦点検出不能を防止することができる。

一実施の形態によれば、一対の光電変換部の電荷蓄積の開始と終了を同一のタイミングで制御する構成としたので、光電変換部に蓄積された電荷を一時的に保持するための電荷保持部を一方の光電変換部のみに設ける場合には、画素の構成要素数が少なくなり、光電変換部の開口効率を上げることができる。

一実施の形態によれば、一対の光電変換部の電荷蓄積の開始と終了を同一のタイミングで制御する構成としたので、光電変換部に蓄積された電荷を一時的に保持するための電荷保持部を両方の光電変換部に設ける場合には、一対の光電変換部に対して光電変換部から増幅部までの構成がまったく同一となり、構成の違いに起因する出力レベルの変動などの誤差要素がなくなり、像データの同一性を確保することができる。

一実施の形態によれば、一対の光電変換部に蓄積された電荷を一時的に保持するための電荷保持部を設けるとともに、ラインごとに電荷蓄積時間を制御可能な構成としたので、ラインごとに最適な電荷蓄積時間を設定して電荷蓄積を行うことができ、位相差検出に用いる一対の像データのコントラストが確保して、焦点検出精度の低下や焦点検出不能を防止することができる。

一実施の形態の構成を示す図 撮影画面上における焦点検出位置を示す図 一実施の形態の撮像素子の詳細構成を示す正面図 撮像画素の構成を示す図 焦点検出画素の構成を示す図 撮像画素の分光感度特性を示す図 焦点検出画素の分光感度特性を示す図 撮像画素の断面図 焦点検出画素の断面図 瞳分割型位相差検出方式による焦点検出原理を説明する図 撮像画素と射出瞳の関係を示す図 一実施の形態のカメラの動作を示すフローチャート 焦点検出演算を説明するための図 一実施の形態の焦点検出画素のブロック構成図 一実施の形態の焦点検出画素のレイアウトを示す図 一実施の形態の焦点検出画素の構造を示す断面図 一実施の形態の焦点検出画素の構造を示す断面図 一実施の形態の焦点検出画素の制御信号のタイミングチャート 一実施の形態の焦点検出画素の電荷蓄積および信号出力動作を示すポテンシャル図 一実施の形態の焦点検出画素の電荷蓄積および信号出力動作を示すポテンシャル図 一実施の形態の焦点検出画素の電荷蓄積および信号出力動作を示すポテンシャル図 一実施の形態の撮像素子の回路構成を示す図 一実施の形態の撮像素子の全画素出力の場合の出力動作を説明する図 一実施の形態の撮像素子の焦点検出画素のみ出力の場合の出力動作を示す図 変形例の焦点検出画素のブロック構成図 変形例の焦点検出画素のレイアウトを示す図 変形例の焦点検出画素の制御信号のタイミングチャート 変形例の焦点検出画素の電荷蓄積および信号出力動作を示すポテンシャル図 変形例の焦点検出画素の電荷蓄積および信号出力動作を示すポテンシャル図 変形例の焦点検出画素の電荷蓄積および信号出力動作を示すポテンシャル図 変形例の撮像素子の回路構成図 変形例の撮像素子の焦点検出画素のみ出力の場合の出力動作を示す図 変形例の撮像素子の詳細構成を示す正面図

符号の説明

３１１ａ マイクロレンズ
３１１ｂ 第１転送部
３１１ｃ 第１電荷保持部
３１１ｄ 第３転送部
３１１ｅ 第２転送部
３１１ｆ 蓄積出力制御部
３１１ｇ 第２電荷保持部
３１１ｈ 第４転送部
４０４ａ 電極
４１０ 遮光膜
４１１ 絶縁層
ＰＤ１ 第１光電変換部
ＰＤ２ 第２光電変換部
ＦＤ 浮遊拡散部
ＡＭＰ 増幅部

Claims (8)

1. 二次元状に配置され、撮像光学系を通過した光束を光電変換した電荷を蓄積する一つの光電変換部を有する撮像画素と、
   前記複数の撮像画素の一部を置換して第１の方向に配列され、前記撮像光学系の瞳の一対の部分領域を通過した一対の光束をそれぞれ光電変換した電荷を蓄積する第１及び第２の光電変換部を有する焦点検出画素と、
   前記第１の方向に配列された前記撮像画素のみからなる撮像画素列と前記第１の方向に配列された焦点検出画素を含む焦点検出画素列について、画素列毎に各画素列の出力信号を読み出す読み出し回路と、
   前記画素列毎に前記画素列内の光電変換部の電荷蓄積の開始と終了とを同一のタイミングで実行する制御部とを備え、
   前記撮像画素は、前記一つの光電変換部の蓄積電荷を転送する転送部と、前記転送部から転送される電荷を出力信号として出力する出力部とを有し、
   前記焦点検出画素は、前記第１の光電変換部の蓄積電荷を一時的に保持する第１電荷保持部と、前記第１電荷保持部が保持した蓄積電荷を転送する第１転送部と、前記第２の光電変換部の蓄積電荷を前記第１転送部の転送タイミングよりも早いタイミングで転送する第２転送部と、前記第１転送部から転送される電荷を第１の出力信号として、前記第２転送部から転送される電荷を第２の出力信号として、それぞれ出力する出力部と、を有し、
   前記読み出し回路は、前記撮像画素列の前記撮像画素の出力信号を読み出すと共に、前記焦点検出画素列の前記焦点検出画素の前記第２の出力信号を読み出した後に当該焦点検出画素の前記第１の出力信号を読み出すことを特徴とする撮像素子。
2. 二次元状に配置され、撮像光学系を通過した光束を光電変換した電荷を蓄積する一つの光電変換部を有する撮像画素と、
   前記複数の撮像画素の一部を置換して第１の方向に配列され、前記撮像光学系の瞳の一対の部分領域を通過した一対の光束をそれぞれ光電変換した電荷を蓄積する第１及び第２の光電変換部を有する焦点検出画素と、
   前記第１の方向に配列された前記撮像画素のみからなる撮像画素列と前記第１の方向に配列された焦点検出画素を含む焦点検出画素列について、画素列毎に各画素列の出力信号を読み出す読み出し回路と、
   前記画素列毎に前記画素列内の光電変換部の電荷蓄積の開始と終了とを同一のタイミングで実行する制御部とを備え、
   前記撮像画素は、前記一つの光電変換部の蓄積電荷を一時的に保持する電荷保持部と、前記電荷保持部が保持した蓄積電荷を転送する転送部と、前記転送部から転送される電荷を出力信号として出力する出力部とを有し、
   前記焦点検出画素は、前記第１の光電変換部の蓄積電荷を一時的に保持する第１電荷保持部と、前記第１電荷保持部が保持した蓄積電荷を転送する第１転送部と、前記第２の光電変換部の蓄積電荷を一時的に保持する第２電荷保持部と、前記第２の光電変換部の蓄積電荷を一時的に保持する第２電荷保持部と、前記第２電荷保持部が保持した蓄積電荷を前記第１転送部の転送タイミングよりも早いタイミングで転送する第２転送部と、前記第１転送部から転送される電荷を第１の出力信号として、前記第２転送部から転送される電荷を第２の出力信号として、それぞれ出力する出力部と、を有し、
   前記読み出し回路は、前記撮像画素列の前記撮像画素の出力信号を読み出すと共に、前記焦点検出画素列の前記焦点検出画素の前記第２の出力信号を読み出した後に当該焦点検出画素の前記第１の出力信号を読み出すことを特徴とする撮像素子。
3. 請求項１または２に記載の撮像素子において、
   前記制御部は前記画素列内の光電変換部の電荷蓄積タイミング制御を前記画素列毎に独立に実行し、
   前記焦点検出画素列は、第１の焦点検出画素列と第２の焦点検出画素列とを有し、
   前記制御部は、前記第１の焦点検出画素列の電荷蓄積時間と前記第２の焦点検出画素列の電荷蓄積時間とが異なり、かつ前記第１の焦点検出画素列の電荷蓄積時間の中心時刻が前記第２の焦点検出画素列の電荷蓄積時間の中心時刻と同一になるように電荷蓄積タイミングを制御することを特徴とする撮像素子。
4. 請求項１または２に記載の撮像素子において、
   前記制御部は、撮像素子の全ての前記撮像画素及び前記焦点検出画素の前記光電変換部について電荷蓄積のタイミングを同一に制御することを特徴とする撮像素子。
5. 請求項１または２に記載の撮像素子において、
   前記焦点検出画素は、マイクロレンズと半導体基板との間に遮光膜と絶縁層を備え、前記マイクロレンズにより集光された光は前記遮光膜と前記絶縁層に形成された開口部を通過して前記半導体基板に入射することを特徴とする撮像素子。
6. 請求項２に記載の撮像素子において、
   前記第１電荷保持部および前記第２電荷保持部は絶縁層を挟んだ電極と半導体領域から構成され、電荷は前記電極下の前記半導体領域に形成されるポテンシャルウェルに保持されることを特徴とする撮像素子。
7. 請求項１に記載の撮像素子において、
   前記第１電荷保持部は絶縁層を挟んだ電極と半導体領域から構成され、電荷は前記電極下の前記半導体領域に形成されるポテンシャルウェルに保持されることを特徴とする撮像素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像素子と、
   前記撮像素子上に像を形成する前記撮像光学系と、
   前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部の出力に基づいて前記撮像光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段とを備えることを特徴とする撮像装置。
   

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