JP5187039B2 - Solid-state imaging device and electronic camera using the same - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置及びこれを用いた電子カメラに関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device and an electronic camera using the same.
近年、AF(オートフォーカス)機能(自動焦点調節機能)を有するビデオカメラや電子スチルカメラなどの電子カメラが広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD型やCMOS型などの固体撮像素子が使用されている。これらの固体撮像素子は、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部を有する画素が二次元マトリクス状に複数配置されている。 In recent years, electronic cameras such as video cameras and electronic still cameras having an AF (autofocus) function (automatic focus adjustment function) have been widely used. In these cameras, a solid-state imaging device such as a CCD type or a CMOS type is used. In these solid-state imaging devices, a plurality of pixels having a photoelectric conversion unit that generates a signal charge according to the amount of incident light is arranged in a two-dimensional matrix.
従来は、このような電子カメラにおいて、撮像に用いる固体撮像素子とは別個に特別な焦点検出素子を設けない場合、焦点検出方式として、固体撮像素子からの画像信号を用いてAFを実現することができるコントラスト方式が採用されている。コントラスト方式は、レンズを少しずつ移動させて画像信号からコントラストを求め、そのコントラストが最大となるようにレンズを移動させて合焦させる方式であり、その際、コントラストが最大となるようにするための制御方法としては山登り方式等が用いられる。したがって、コントラスト方式では、原理的に、高速に合焦させることはできない。 Conventionally, in such an electronic camera, when a special focus detection element is not provided separately from the solid-state image sensor used for imaging, AF is realized using an image signal from the solid-state image sensor as a focus detection method. Contrast method is used. The contrast method is a method in which the lens is moved little by little to obtain the contrast from the image signal, and the lens is moved and focused so that the contrast is maximized. In this case, the contrast is maximized. As a control method, a mountain climbing method or the like is used. Therefore, the contrast method cannot be focused at high speed in principle.
特許文献1には、このようなコントラスト方式を採用した電子カメラにおいて、カメラの背面等に配置された液晶パネル等の表示部にライブビュー表示を表示させるカメラが開示されている。ライブビュー表示は、固体撮像素子から得られた画像信号による画像表示であり、使用者にとっては、本撮影前に被写体のフレーミング等の撮影状況を確認するのに非常に便利である。
そして、特許文献1には、被写体の輝度が低輝度の場合、ライブビュー読み出しモードと、加算読み出しモードとをフレーム毎に交互に切り換えて、CCDカラーエリアセンサからの画像信号の読み出し動作を行い、表示部は、ライブビュー読み出しモード期間で読み出されたライブビュー画像信号に基づき画像表示を行い、AF制御部は、加算読み出しモード期間で読み出された加算輝度画像信号に基づきコントラスト方式によるAF制御を行うことが、開示されている。前記ライブビュー読み出しモードは、CCDカラーエリアセンサの、垂直方向に配列された複数個の光電変換素子から所定数の光電変換素子毎に間引いて電荷を読み出して、ライブビュー画像信号を生成する読み出しモードである。前記加算読み出しモードは、CCDカラーエリアセンサの、垂直方向に配列された連続する複数個の光電変換素子、または水平方向に配列された連続する複数個の光電変換素子で生成された電荷を加算して読み出して、加算輝度画像信号を生成する読み出しモードである。
And in
したがって、特許文献1に開示された電子カメラでは、被写体の輝度が低下した場合においては、通常の読み出し動作に比較して同じ光量でも大きな出力が得られる加算輝度画像信号に基づいてコントラスト方式によるAF制御を行うことにより、安定したコントラスト方式によるAF制御を行うことができるようになる。また、被写体の輝度が低下した場合においても、表示部はライブビュー画像信号に基づいて画像を表示することにより被写体の色情報を得ることができるようになる。
Therefore, in the electronic camera disclosed in
特許文献1に開示された電子カメラでは、ライブビュー読み出しモードと加算読み出しモードとのフレーム毎の交互切り換えは、被写体の輝度が低輝度の場合にのみ行われ、被写体の輝度が比較的高い通常の場合は行われない(特許文献1の図8等)。
In the electronic camera disclosed in
ところで、近年、焦点検出方式としていわゆる瞳分割位相差方式を採用し焦点検出素子としても兼用できるように構成された固体撮像素子が提案されている(例えば、下記特許文献2)。瞳分割位相差方式は、コントラスト方式と異なりレンズを試行錯誤的に動かす必要がないので、原理的に、高速に合焦させることができる。
By the way, in recent years, a solid-state imaging device has been proposed that adopts a so-called pupil division phase difference method as a focus detection method and can also be used as a focus detection device (for example,
特許文献2に開示された固体撮像素子では、被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する撮像用画素とは別に、瞳分割位相差方式に従って焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を生成する焦点検出用画素(「AF用画素」とも称す。)が複数配置されている。この固体撮像素子では、AF用画素は、2分割された光電変換部を有している。このような光電変換部上に、マイクロレンズが画素に対して1対1に設けられている。2分割された光電変換部は、マイクロレンズによって撮像レンズの射出瞳と略結像関係(すなわち、略共役)となる位置に配置されている。したがって、撮像レンズの射出瞳とマイクロレンズとの間の距離はマイクロレンズの大きさに対して十分に長いことから、2分割された光電変換部は、マイクロレンズの略焦点位置に配置されていることになる。以上述べた関係から、各画素において、2分割された光電変換部の一方部分は、撮像レンズの射出瞳の一部の領域であって射出瞳の中心から所定方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。また、各AF用画素において、2分割された光電変換部の他方部分は、撮像レンズの射出瞳の一部であって射出瞳の中心から反対方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
前記特許文献1に開示された電子カメラでは、被写体の輝度が低輝度の場合、ライブビュー表示が表示されつつAF制御が行われるので、使用者はライブビュー表示で合焦状態を確認することができ、非常に好ましい。
In the electronic camera disclosed in
しかしながら、前記特許文献1に開示された電子カメラでは、合焦速度の遅いコントラスト方式によりAF制御を行うので、比較的近距離において比較的高速で動く被写体に対しては、焦点調節が全く追従できなくなってしまい、合焦した状態でライブビュー表示させることは不可能であった。
However, since the electronic camera disclosed in
このように、従来は、比較的近距離において比較的高速で動く被写体をそれに追従した合焦状態でライブビュー表示させることができる電子カメラは、全く存在していなかった。しかるに、電子カメラにおいて、比較的近距離において比較的高速で動く被写体をそれに追従した合焦状態でライブビュー表示させることができれば、使用者にとってその利便性は計り知れない。 As described above, there has been no electronic camera that can display a live view of a subject moving at a relatively high speed in a relatively short distance in a focused state following the object. However, in an electronic camera, if a subject moving at a relatively high speed at a relatively short distance can be displayed in a live view in a focused state following the object, the convenience for the user is immeasurable.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、比較的近距離において比較的高速で動く被写体をそれに追従した合焦状態でライブビュー表示させることができる電子カメラ、及び、これに用いられる固体撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an electronic camera capable of displaying a live view of a subject moving at a relatively high speed in a relatively short distance in a focused state following the subject. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device.
なお、特許文献2は、単に、撮像用画素とは別に瞳分割位相差方式に従ったAF用画素を有する固体撮像素子を開示するに留まり、そのような固体撮像素子から、ライブビュー表示等と関連して信号を読み出す手法等について、何ら開示も示唆もしていない。また、特許文献1に開示された電子カメラにおいて行われる、ライブビュー読み出しモードと加算読み出しモードとのフレーム毎の交互切り換えは、被写体の輝度が低輝度の場合にその輝度低下を補うための特殊な動作であることは、明らかである。したがって、特許文献1の記載内容を考慮しても、特許文献2に開示された固体撮像素子から信号読み出すに際して、異なる読み出しモードをフレーム毎に切り換えるようなことは、到底想到し得ない。
Note that
前記課題を解決するため、本発明の第1の態様による固体撮像装置は、2次元状に配置された複数の画素であって、各々が、光学系により結像される被写体像による入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部を有する複数の画素と、ライブビュー表示を行うように前記複数の画素から信号を読み出す制御を行う読み出し制御手段と、を備え、前記複数の画素は、前記被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する複数の撮像用画素と、瞳分割位相差方式に従って前記光学系の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を出力する複数の焦点検出用画素と、を含むものである。 In order to solve the above-described problem, the solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention includes a plurality of pixels arranged two-dimensionally, each of which is incident light from a subject image formed by an optical system. A plurality of pixels having a photoelectric conversion unit that generates and accumulates corresponding signal charges, and read control means for performing control to read signals from the plurality of pixels so as to perform live view display, and the plurality of pixels include: A plurality of imaging pixels that output an imaging signal for forming an image signal indicating the subject image, and a focus detection signal for detecting a focus adjustment state of the optical system according to a pupil division phase difference method And a plurality of focus detection pixels.
本発明の第2の態様による固体撮像装置は、2次元状に配置された複数の画素であって、各々が、光学系により結像される被写体像による入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部を有する複数の画素と、前記複数の画素から信号を読み出す制御を行う読み出し制御手段と、を備え、前記複数の画素は、前記被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する複数の撮像用画素と、瞳分割位相差方式に従って前記光学系の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を出力する複数の焦点検出用画素と、を含み、前記読み出し制御手段は、所定の動作モード時に、2つ以上の読み出しモードをフレーム毎に順次循環的に繰り返して行い、前記2つ以上の読み出しモードは、ライブビュー表示のための撮像用信号を読み出すライブビュー用読み出しモードと、前記焦点検出用信号を読み出す焦点検出用読み出しモードとを、含むものである。 The solid-state imaging device according to the second aspect of the present invention is a plurality of pixels arranged two-dimensionally, each generating a signal charge corresponding to incident light from a subject image formed by an optical system. A plurality of pixels each having a photoelectric conversion unit to be stored; and a read control unit that performs control to read signals from the plurality of pixels, and the plurality of pixels are configured to form an image signal indicating the subject image. A plurality of image pickup pixels for outputting a signal for use and a plurality of focus detection pixels for outputting a focus detection signal for detecting a focus adjustment state of the optical system according to a pupil division phase difference method, The control means cyclically repeats two or more readout modes for each frame in a predetermined operation mode, and the two or more readout modes read an imaging signal for live view display. A reading mode for live view out, and a read mode for focus detection to read out the focus detection signals, is intended to include.
本発明の第3の態様による固体撮像装置は、前記第2の態様において、前記複数の画素の各列に対応して設けられ対応する列の前記画素の出力信号が供給される垂直信号線を備え、前記ライブビュー用読み出しモードにおいて、列方向に間引いた画素の信号読み出しが行われるものである。 A solid-state imaging device according to a third aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the second aspect, wherein the vertical signal line provided corresponding to each column of the plurality of pixels and supplied with the output signal of the pixel in the corresponding column is provided. In addition, in the live view readout mode, pixel signals read out in the column direction are read out.
本発明の第4の態様による固体撮像装置は、前記第1又は第2の態様において、前記焦点検出用読み出しモードにおいて、信号を有効に読み出すべき画素に関して、当該各画素の露光時間が同一の長さでかつ同一のタイミングとなる電子シャッタ動作が行われるものである。 In the solid-state imaging device according to the fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect, in the focus detection readout mode, the exposure time of each pixel is the same for the pixel from which the signal is to be effectively read out. In addition, an electronic shutter operation is performed at the same timing.
本発明の第5の態様による固体撮像装置は、前記第2乃至第4のいずれかの態様において、前記焦点検出用読み出しモードにおいて、一部の領域の画素の信号を読み出す部分読み出しが行われるものである。 A solid-state imaging device according to a fifth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the second to fourth aspects, wherein partial readout for reading out the pixel signals of a partial region is performed in the focus detection readout mode. It is.
本発明の第6の態様による固体撮像装置は、前記第2乃至第5のいずれかの態様において、前記2つ以上の読み出しモードは、自動露光用測光情報に用いるための撮像用信号を読み出す自動露光用読み出しモードを含むものである。 The solid-state imaging device according to a sixth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the second to fifth aspects, wherein the two or more readout modes are automatic readouts of imaging signals for use in photometric information for automatic exposure. This includes an exposure readout mode.
本発明の第7の態様による固体撮像装置は、前記第6の態様において、前記自動露光用読み出しモードにおいて、信号を有効に読み出すべき画素に関して、当該各画素の露光時間が同一の長さでかつ同一のタイミングである電子シャッタ動作が行われるものである。 The solid-state imaging device according to a seventh aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the sixth aspect, wherein in the automatic exposure readout mode, the exposure time of each pixel has the same length with respect to the pixel from which a signal is to be effectively read. The electronic shutter operation at the same timing is performed.
本発明の第8の態様による固体撮像装置は、前記第6又は第7の態様において、前記複数の画素の各列に対応して設けられ対応する列の前記画素の出力信号が供給される垂直信号線を備え、前記自動露光用読み出しモードにおいて、行方向の2つ以上の画素の信号を加算して読み出す水平画素加算が行われるものである。 According to an eighth aspect of the present invention, in the sixth or seventh aspect, the solid-state imaging device is provided corresponding to each column of the plurality of pixels, and is supplied with an output signal of the pixel in the corresponding column. A signal line is provided, and in the automatic exposure readout mode, horizontal pixel addition is performed by adding and reading out signals of two or more pixels in the row direction.
本発明の第9の態様による固体撮像装置は、前記第6乃至第8のいずれかの態様において、前記自動露光用読み出しモードにおいて、列方向の信号読み出しに関して、連続する2行の画素の信号を読み出した後にM行(Mは偶数)の画素の信号を読み飛ばすことが繰り返されるものである。 The solid-state imaging device according to a ninth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the sixth to eighth aspects, wherein in the automatic exposure readout mode, the signals of the pixels in two consecutive rows are read regarding the signal readout in the column direction. After reading out, it is repeated that signals of pixels in M rows (M is an even number) are skipped.
本発明の第10の態様による固体撮像装置は、前記第9の態様において、前記複数の画素の各々は、当該画素の前記光電変換部からの前記信号電荷を受け取って当該信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部、及び、当該画素を選択する選択部を有し、前記複数の画素は、前記光電変換部が列方向に順次並んだL個(Lは2以上の偶数)の画素毎に画素ブロックをなし、前記画素ブロック毎に、当該画素ブロックに属する前記L個の画素が1組の前記電荷電圧変換部、前記増幅部、前記リセット部及び前記選択部を共有し、前記Mが{L×(2+N)−2}(Nは0以上の整数)であるものである。 According to a tenth aspect of the present invention, in the ninth aspect, each of the plurality of pixels receives the signal charge from the photoelectric conversion unit of the pixel and converts the signal charge into a voltage. Charge voltage conversion unit, an amplification unit that outputs a signal corresponding to the potential of the charge voltage conversion unit, a charge transfer unit that transfers charges from the photoelectric conversion unit to the charge voltage conversion unit, and a potential of the charge voltage conversion unit A reset unit that resets, and a selection unit that selects the pixel. The plurality of pixels are pixels for each of L pixels (L is an even number of 2 or more) in which the photoelectric conversion units are sequentially arranged in a column direction. A block is formed, and for each pixel block, the L pixels belonging to the pixel block share a set of the charge-voltage conversion unit, the amplification unit, the reset unit, and the selection unit, and M is {L × (2 + N) -2} N is one integer of 0 or more).
本発明の第11の態様による固体撮像装置は、前記第2乃至第9のいずれかの態様において、前記複数の画素の各々は、当該画素の前記光電変換部からの前記信号電荷を受け取って当該信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部、及び、当該画素を選択する選択部を有するものである。 In the solid-state imaging device according to an eleventh aspect of the present invention, in any one of the second to ninth aspects, each of the plurality of pixels receives the signal charge from the photoelectric conversion unit of the pixel, and A charge-voltage converter that converts signal charge into voltage; an amplifier that outputs a signal corresponding to the potential of the charge-voltage converter; a charge transfer unit that transfers charge from the photoelectric converter to the charge-voltage converter; A reset unit that resets the potential of the voltage conversion unit and a selection unit that selects the pixel are included.
本発明の第12の態様による固体撮像装置は、前記第11の態様において、前記複数の画素は、前記光電変換部が列方向に順次並んだL個(Lは2以上の整数)の画素毎に画素ブロックをなし、前記画素ブロック毎に、当該画素ブロックに属する前記L個の画素が1組の前記電荷電圧変換部、前記増幅部、前記リセット部及び前記選択部を共有したものである。 The solid-state imaging device according to a twelfth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the eleventh aspect, wherein each of the plurality of pixels is L pixels (L is an integer of 2 or more) in which the photoelectric conversion units are sequentially arranged in a column direction. A pixel block is formed, and for each pixel block, the L pixels belonging to the pixel block share a set of the charge-voltage conversion unit, the amplification unit, the reset unit, and the selection unit.
本発明の第13の態様による固体撮像装置は、前記第2乃至第12のいずれかの態様において、前記複数の撮像用画素には、ベイヤー配列に従って配列されたカラーフィルタが設けられたものである。 A solid-state imaging device according to a thirteenth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the second to twelfth aspects, wherein the plurality of imaging pixels are provided with color filters arranged according to a Bayer array. .
本発明の第14の態様による電子カメラは、前記第2乃至第13のいずれかの態様による固体撮像装置と、ライブビュー表示を行い得る表示部と、を備え、前記所定の動作モードにおいて、前記ライブビュー用読み出しモードにおいて読み出された信号に基づいて前記表示部にライブビュー表示を表示させつつ、前記焦点検出用読み出しモードにおいて読みされた信号に基づいて前記光学系の自動焦点調節を行うものである。 An electronic camera according to a fourteenth aspect of the present invention includes the solid-state imaging device according to any one of the second to thirteenth aspects and a display unit capable of performing live view display, and in the predetermined operation mode, An automatic focus adjustment of the optical system is performed based on the signal read in the focus detection readout mode while displaying the live view display on the display unit based on the signal read in the live view readout mode. It is.
本発明の第15の態様による電子カメラは、前記第6乃至第13のいずれかの態様による固体撮像装置と、ライブビュー表示を行い得る表示部と、を備え、前記所定の動作モードにおいて、前記ライブビュー用読み出しモードにおいて読み出された信号に基づいて前記表示部にライブビュー表示を表示させつつ、前記焦点検出用読み出しモードにおいて読みされた信号に基づいて瞳分割位相差方式に従って前記光学系の自動焦点調節を行うとともに、前記自動露光用読み出しモードにおいて読みされた信号に基づいて自動露光制御を行うものである。 An electronic camera according to a fifteenth aspect of the present invention includes the solid-state imaging device according to any one of the sixth to thirteenth aspects and a display unit capable of performing live view display, and in the predetermined operation mode, While displaying the live view display on the display unit based on the signal read in the live view readout mode, the optical system of the optical system according to the pupil division phase difference method based on the signal read in the focus detection readout mode. In addition to performing automatic focus adjustment, automatic exposure control is performed based on signals read in the automatic exposure readout mode.
本発明によれば、比較的近距離において比較的高速で動く被写体をそれに追従した合焦状態でライブビュー表示させることができる電子カメラ、及び、これに用いられる固体撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an electronic camera capable of displaying an object moving at a relatively high speed in a relatively short distance in a live view in a focused state following the object, and a solid-state imaging device used therefor. .
以下、本発明による固体撮像装置及びこれを用いた電子カメラについて、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a solid-state imaging device according to the present invention and an electronic camera using the same will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態] [First Embodiment]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る電子カメラ1を示す概略ブロック図である。電子カメラ1には、撮影レンズ2が装着される。この撮影レンズ2は、レンズ制御部2aによってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ2の像空間には、固体撮像素子3の撮像面が配置される。
FIG. 1 is a schematic block diagram showing an
固体撮像素子3は、撮像制御部4の指令によって駆動され、信号を出力する。固体撮像素子3から出力される信号は、被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号、撮影レンズ2の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号のいずれかである。撮像用信号の一部は、自動露光用測光情報に用いられる場合もある。いずれにおいても信号は、信号処理部5、及びA/D変換部6を介して処理された後、メモリ7に一旦蓄積される。メモリ7は、バス8に接続される。バス8には、レンズ制御部2a、撮像制御部4、マイクロプロセッサ9、焦点演算部10、露光演算部14、記録部11、画像圧縮部12、画像処理部13、表示制御部15なども接続される。表示制御部15は、ライブビュー表示などのモニタ画像等を液晶表示部(LCD)16に表示させる。上記マイクロプロセッサ9には、レリーズ釦などの操作部9aが接続される。また、上記の記録部11には記録媒体11aが着脱自在に装着される。固体撮像素子3、撮像制御部4及び信号処理部5等によって、本発明の一実施の形態による固体撮像装置が構成されている。
The solid-
図2は、図1中の固体撮像素子3の概略構成を示す回路図である。固体撮像素子3は、2次元マトリクス状に配置された複数の画素20と、画素20から信号を出力するための周辺回路とを有している。図2において、画素数は、横に8列縦に4行の32個の画素を示している。しかし、本実施の形態では、画素数はそれよりもはるかに多くなっている。もっとも、本発明では、画素数は特に限定されるものではない。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the solid-
本実施の形態では、固体撮像素子3は、画素として、被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する撮像用画素20eと、瞳分割位相差方式に従って撮影レンズ2の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を出力する焦点検出用画素(以下、「AF用画素」と称する。)20a,20b,20c,20dとを有しているが、図2ではそれらのいずれであるかを区別することなく、符号20で示している。その具体的な回路構成や構造は、後述する。これらの画素20は、周辺回路の駆動信号に従って、撮像用信号又は焦点検出用信号を出力する。また、すべての画素20は、同時に光電変換部がリセットされて露光時間が同一の長さでかつ同一のタイミングとなる電子シャッタ動作が行われることも、1行ずつ読み出す所謂ローリングシャッタによる電子シャッタ動作も可能となっている。
In the present embodiment, the solid-
周辺回路は、垂直走査回路21、水平走査回路22、これらと接続されている駆動信号線23〜27、画素20からの信号を受け取る垂直信号線28、垂直信号線28に接続される定電流源29及びカラムアンプ30、トランジスタからなる前段スイッチ31及び後段スイッチ32、カラムアンプ30から出力される信号を前段スイッチ31及び後段スイッチ32を介して受け取る水平信号線33、出力アンプ34等からなる。
The peripheral circuit includes a
本実施の形態では、前段スイッチ31は、垂直信号線28(ひいてはカラムアンプ30)に対して1対1に設けられている。これに対し、後段スイッチ32は、行方向の4本ずつの垂直信号線28のグループ毎に(すなわち、4個の前段スイッチ毎に)設けられている。各前段スイッチ3の一端が対応するカラムアンプ30に接続され、同じグループに属する4つの前段スイッチ31の他端が共通に接続されて当該グループに対応する後段スイッチ32の一端に接続されている。各後段スイッチ32の他端は水平信号線33に接続されている。前段スイッチ31のゲートは、異なるグループの対応するもの同士が共通に接続されて水平走査回路22から駆動信号φHを受ける。各後段スイッチ32のゲートはそれぞれ水平走査回路22から駆動信号φGを受ける。本実施の形態では、このような構成によって、水平走査回路22からの駆動信号φH,φGを変更することで、行方向の4つの画素20の信号をそれぞれ加算して読み出す水平画素加算を行うことも、水平画素加算を行わずに行方向の画素の信号を個々に読み出すこともできるようになっている。水平画素加算し得る画素数は、前記4つを所望の数に変えれば所望の数に設定し得る。なお、水平画素加算を選択的に行い得るようにする回路構成が、前述した構成に限定されるものではないことは、言うまでもない。
In the present embodiment, the
なお、本実施の形態では、相関二重サンプリング回路(CDS回路)は、図1中の信号処理部5に設けられ、信号が出力アンプ34を介して固体撮像素子3の外部に出力された後に信号処理部5で相関二重サンプリング処理が行われるようになっている。もっとも、CDS回路を固体撮像素子3に搭載してもよいことは、言うまでもない。CDS回路を固体撮像素子3に搭載する場合、当該CDS回路をカラムアンプ30を用いた構成とすることも可能である。
In the present embodiment, the correlated double sampling circuit (CDS circuit) is provided in the
各画素20は、いずれの画素20a,20b,20c,20d,20eであっても、同一の回路構成を有している。図3は、図1中の固体撮像素子3の画素20を示す回路図である。
Each
各画素20は、一般的なCMOS型固体撮像素子と同様に、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードPDと、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンFDと、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタAMPと、フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDに電荷を転送する電荷転送部としての転送トランジスタTXと、フローティングディフュージョンFDの電位をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタRESと、当該画素20を選択するための選択部としての選択トランジスタSELとを有し、図3に示すように接続されている。なお、本実施の形態では、画素20のトランジスタAMP,TX,RES,SELは、全てnMOSトランジスタである。図3において、Vddは電源電圧である。
Each
転送トランジスタTXのゲートは、行毎に、垂直走査回路21からの転送トランジスタTXを制御する制御信号φTXを転送トランジスタTXに供給する制御線24に、接続されている。リセットトランジスタRESのゲートは、行毎に、垂直走査回路21からのリセットトランジスタRESを制御する制御信号φRSTをリセットトランジスタRESに供給する制御線23に、接続されている。選択トランジスタSELのゲートは、行毎に、垂直走査回路21からの選択トランジスタSELを制御する制御信号φSELを選択トランジスタSELに供給する制御線25に、接続されている。
The gate of the transfer transistor TX is connected to a
フォトダイオードPDは、入射光の光量(被写体光)に応じて信号電荷を生成する。転送トランジスタTXは、転送パルス(制御信号)φTXのハイレベル期間にオンし、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。リセットトランジスタRESは、リセットパルス(制御信号)φRSTのハイレベル期間にオンし、フローティングディフュージョンFDをリセットする。 The photodiode PD generates a signal charge according to the amount of incident light (subject light). The transfer transistor TX is turned on during the high level period of the transfer pulse (control signal) φTX, and transfers the signal charge accumulated in the photodiode PD to the floating diffusion FD. The reset transistor RES is turned on during a high level period of the reset pulse (control signal) φRST to reset the floating diffusion FD.
増幅トランジスタAMPは、そのドレインが電源電圧Vddに接続され、そのゲートがフローティングディフュージョンFDに接続され、そのソースが選択トランジスタSELのドレインに接続され、定電流源29を負荷とするフォースフォロア回路を構成している。増幅トランジスタAMPは、フローティングディフュージョンFDの電圧値に応じて、選択トランジスタSELを介して垂直信号線28に読み出し電流を出力する。選択トランジスタSELは、選択パルス(制御信号)φSELのハイレベル期間にオンし、増幅トランジスタAMPのソースを垂直信号線28に接続する。
The amplification transistor AMP has a drain connected to the power supply voltage Vdd, a gate connected to the floating diffusion FD, a source connected to the drain of the selection transistor SEL, and a force follower circuit having the constant
垂直走査回路21は、撮像制御部4からの駆動パルス(図示せず)を受けて、画素20の行毎に、選択パルスφSEL、リセットパルスφRST及び転送パルスφTXをそれぞれ出力する。また、水平走査回路22は、撮像制御部4からの駆動パルス(図示せず)を受けて、制御信号φH1〜φH4,φG1,φG2を出力する。
The
図4は、図1中の固体撮像素子3の有効画素領域を模式的に示す概略平面図である。図4では、理解を容易にするため、有効画素領域には16×16個の画素20が存するものとしている。図4において、焦点検出領域は太線で囲んでいる。本実施の形態では、図4に示すように、固体撮像素子3の有効画素領域には、中央に配置された十字状をなす2つの焦点検出領域と、左右に配置されてそれぞれ上下に延びる2つの焦点検出領域と、上下に配置されてそれぞれ左右に延びる2つの焦点検出領域とが、設けられている。なお、図4に示すように、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸を定義する。XY平面と平行な平面が固体撮像素子3の撮像面(受光面)と一致している。X軸方向の並びを行、Y軸方向の並びを列とする。なお、入射光は図3の紙面手前側から奥側に入射する。これらの点は、後述する図についても同様である。
FIG. 4 is a schematic plan view schematically showing an effective pixel region of the solid-
本実施の形態では、いずれの画素20にもベイヤー配列に従ってカラーフィルタが設けられている。図4では、当該画素に設けられたカラーフィルタの色を、符号R,G,Bとして示している。Rは赤色、Gは緑色、Bは青色である。また、当該画素に設けられたカラーフィルタの色を区別しないで分類すると、固体撮像素子3は、1種類の撮像用画素20eと、4種類のAF用画素20a,20b,20c,20dとを有している。図4では、AF用画素20a,20b,20c,20dにはそれぞれ符号a,b,c,dを付している。また、撮像用画素20eには、いずれの符号a,b,c,dも付していない。したがって、例えば、図4において、「R」は赤色カラーフィルタが設けられた撮像用画素20eを意味し、「Ga」は緑色カラーフィルタが設けられたAF用画素20aを意味する。
In the present embodiment, each
図5(a)は撮像用画素20eの主要部を模式的に示す概略平面図、図5(b)は図5(a)中のX1−X2線に沿った概略断面図である。撮像用画素20eは、光電変換部としてのフォトダイオードPDと、フォトダイオードPD上にオンチップで形成されたマイクロレンズ42と、フォトダイオードPDの光入射側に設けられたR(赤色),G(緑色),B(青色)のいずれかのカラーフィルタ50とを備えている。また、図5に示すように、マイクロレンズ42の略焦点面には、遮光部としての金属層等の遮光層43が形成されている。遮光層43は、必要に応じて配線層を兼ねる。遮光層43には、撮像用画素20eにおいて、当該撮像用画素20eのマイクロレンズ42の光軸Oに対して同心の正方形の開口43aが形成されている。画素20eのフォトダイオードPDは、開口43aを通過した光を全て有効に受光し得る大きさを有している。なお、遮光層43とマイクロレンズ42との間や、基板44と遮光層43との間には、層間絶縁膜等が形成されている。
FIG. 5A is a schematic plan view schematically showing the main part of the
本実施の形態では、画素20eにおいて、マイクロレンズ42の略焦点面に配置された遮光層43に前記開口43aが形成されていることによって、画素20eのフォトダイオードPDは、撮影レンズ2の射出瞳の中心から実質的に偏心していない前記射出瞳の領域(開口43aのマイクロレンズ42による投影像に相当)からの光束を受光して光電変換することになる。
In the present embodiment, in the
図6(a)はAF用画素20aの主要部を模式的に示す概略平面図、図6(b)は図6(a)中のX3−X4線に沿った概略断面図である。図6において、図5中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。この点は、後述する図7乃至図9についても同様である。
FIG. 6A is a schematic plan view schematically showing the main part of the
AF用画素20aが撮像用画素20eと異なる所は、AF用画素20aにおいて、遮光層43には、当該AF用画素20aのマイクロレンズ42の光軸Oに対して同心の正方形(開口43aと同じ大きさの正方形)のちょうど右側(+X側)半分の大きさの長方形の開口43bが形成されている点のみである。なお、画素20aのフォトダイオードPDは、画素20eのフォトダイオードPDと同じ大きさを有している。このように本実施の形態では開口43bは開口43aの半分であるが、これに限定されず、例えば、開口43bは、当該AF用画素20aのマイクロレンズ42の光軸Oに対して同心の正方形(開口43aと同じ大きさの正方形)の右側(+X側)40%程度又は60%程度の大きさの長方形の開口としてもよい。なお、AF用画素20aの開口43bはAF用画素20bの後述する開口43cと同じ大きさを有することが好ましく、AF用画素20cの後述する開口43dはAF用画素20dの後述する開口43eと同じ大きさを有することが好ましい。
The
画素20aにおいて、遮光層43に前記開口43bが形成されていることによって、画素20aのフォトダイオードPDは、撮影レンズ2の射出瞳の中心から−X方向へ実質的に偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
In the
図7(a)はAF用画素20bの主要部を模式的に示す概略平面図、図7(b)は図7(a)中のX5−X6線に沿った概略断面図である。AF用画素20bが撮像用画素20eと異なる所は、AF用画素20bにおいて、遮光層43には、当該AF用画素20bのマイクロレンズ42の光軸Oに対して同心の正方形(開口43aと同じ大きさの正方形)のちょうど左側(−X側)半分の大きさの長方形の開口43cが形成されている点のみである。これによって、画素20bのフォトダイオードPDは、撮影レンズ2の射出瞳の中心から+X方向へ実質的に偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
FIG. 7A is a schematic plan view schematically showing the main part of the
図8(a)はAF用画素20cの主要部を模式的に示す概略平面図、図8(b)は図8(a)中のY1−Y2線に沿った概略断面図である。AF用画素20cが撮像用画素20eと異なる所は、AF用画素20cにおいて、遮光層43には、当該AF用画素20cのマイクロレンズ42の光軸Oに対して同心の正方形(開口43aと同じ大きさの正方形)のちょうど上側(+Y側)半分の大きさの長方形の開口43dが形成されている点のみである。これによって、画素20cのフォトダイオードPDは、撮影レンズ2の射出瞳の中心から−Y方向へ実質的に偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
FIG. 8A is a schematic plan view schematically showing the main part of the
図9(a)はAF用画素20dの主要部を模式的に示す概略平面図、図9(b)は図9(a)中のY3−Y4線に沿った概略断面図である。AF用画素20dが撮像用画素20eと異なる所は、AF用画素20dにおいて、遮光層43には、当該AF用画素20dのマイクロレンズ42の光軸Oに対して同心の正方形(開口43aと同じ大きさの正方形)のちょうど下側(−Y側)半分の大きさの長方形の開口43eが形成されている点のみである。これによって、画素20dのフォトダイオードPDは、撮影レンズ2の射出瞳の中心から+Y方向へ実質的に偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
FIG. 9A is a schematic plan view schematically showing the main part of the
なお、カラーフィルタ50の配列は必ずしもベイヤー配列に限定されるものではない。また、カラー撮像用として構成する場合であっても、AF用画素20a,20b,20c,20dには必ずしもカラーフィルタ50を設ける必要はない。
Note that the arrangement of the
図10は、本実施の形態による電子カメラ1の所定動作モード時の、固体撮像素子3からの信号読み出し状況を模式的に示すタイミングチャートである。本実施の形態による電子カメラ1は、図10に示すように、ライブビュー表示のための撮像用信号を固体撮像素子3から読み出すライブビュー用読み出しモードと、焦点検出用信号を固体撮像素子3から読み出す焦点検出用読み出しモード(「AF読み出しモード」とも称す。)と、自動露光用測光情報に用いるための撮像用信号を固体撮像素子3から読み出す自動露光用読み出しモード(「AE読み出しモード」とも称す。)とを、フレーム毎に順次循環的に繰り返して行う。例えば、ライブビュー用読み出しフレームは約1/40秒、AF読み出しフレームは約1/100秒、AE読み出しフレームは約1/200秒とすることができる。なお、これらの読み出しモードの順序は、図10に示す例に限定されるものではない。これらの読み出しモードの具体例について、以下に説明する。
FIG. 10 is a timing chart schematically showing a signal readout state from the solid-
今、各画素20が図4に示すように配置されているものとすると、ライブビュー用読み出しモードでは、撮像制御部4による制御下で、例えば、図4中の右側に○印を付したように、列方向に間引いて画素20を読み出し、2行ずつ読み飛ばして1,4,7,10,13,16行目を読み出す。このように読み飛ばす行数は偶数であることが好ましい。これは、ベイヤー読み出しを保持するためである。なお、ライブビュー用読み出しモードでは、列方向に間引いた画素20の信号読み出しを行うことが、高速に信号を読み出すために好ましいが、全行の画素20の信号を読み出してもよい。
Assuming that each
図11は、図2に示すように画素20の数が4×8個である場合に、ライブビュー用読み出しモードにおいて、1行目を読み出し、2,3行目を読み飛ばし、4行目を読み出す例を示す、タイミングチャートである。この例では、水平画素加算を行わずに、行方向の全画素を読み出している。また、この例では、ローリングシャッタによる電子シャッタ動作が行われている。図11において、期間T1は1行目の選択期間である。期間T2の終了時点から期間T3の開始時点までが、1行目の露光時間となる。期間T4,T5において読み出された信号と、期間T6,T7において読み出された信号との差分を取るCDS処理が、固体撮像素子3の外部の信号処理部5によって行われる。4行目が選択されている期間T8では、期間T1の動作と同様の動作が4行目に関して行われる。
FIG. 11 shows that when the number of
図11に示す例では、ライブビュー用読み出しモードにおいて、読み出し行に関して、前述したように行方向の全画素を読み出している。しかし、ライブビュー用読み出しモードにおいて、読み出し行に関して、任意の一部の列の画素だけを読み出してもよい。例えば、行方向の画素を4列毎に1列ずつ読み出してもよい。この場合には、より高速に信号を読み出すことができる。このような一部の列の画素の読み出しは、例えば、特開2007−208685号に開示されているようなシフトレジスタ回路を用いて、水平走査回路22を構成することにより、実現することができる。なお、ライブビュー用読み出しモードにおいて一部の行の画素を部分的に読み出すために、特開2007−208685号に開示されているようなシフトレジスタ回路を用いて、垂直走査回路21を構成してもよい。
In the example shown in FIG. 11, in the live view readout mode, all pixels in the row direction are read out for the readout row as described above. However, in the live view readout mode, only pixels in an arbitrary partial column may be read out regarding the readout row. For example, the pixels in the row direction may be read out every four columns. In this case, the signal can be read out at higher speed. Such readout of pixels in some columns can be realized, for example, by configuring the
AF読み出しモードでは、各画素20が図4に示すように配置されているものとすると、例えば、図4中の右側に○印を付したように、行方向に延びた3つの焦点検出領域に対応する3,8,14行目を読み出す。本実施の形態では、このとき、各行について、水平方向の全画素20を読み出す。もっとも、水平方向のうち焦点検出領域に対応する列部分の画素のみを読み出すように構成することも可能である。ここでは、先のライブビュー画像等から、行方向に延びた焦点検出領域の信号を用いた方が被写体の焦点調節状態を精度良く検出し得ると判断されたものとし、撮像制御部4による制御下で、行方向に延びた3つの焦点検出領域に対応する行のみを読み出している。しかしながら、例えば、先のライブビュー画像等から、列方向に延びた焦点検出領域の信号を用いた方が被写体の焦点調節状態を精度良く検出し得ると判断されたような場合には、撮像制御部4による制御下で、6〜11行目を部分的に読み出す。このとき、本発明では、水平方向の全画素20を読み出す。もっとも、列部分に並んだ焦点検出領域に対応する列の部分の画素のみを読み出すように構成することも可能である。なお、被写体の状況等によっては、例えば、いずれか1つの焦点検出領域のみの信号を読み出すようにすることも可能である。また、AF読み出しモードにおいて、行方向に延びた焦点検出領域及び列方向に延びた焦点検出領域の全てについて、信号を読み出すと、より精度良く焦点調節状態を検出することができるので、好ましい。その例を、後に第3の実施の形態として説明する。
In the AF readout mode, if each
図12は、図2に示すように画素20の数が4×8個である場合に、AF読み出しモードにおいて、1,2行目を読み飛ばし、3行目を読み出し、4行目を読み飛ばす例を示す、タイミングチャートである。この例では、水平画素加算を行わずに、行方向の全画素を読み出している。また、この例では、全画素20に関して、当該各画素の露光時間が同一の長さでかつ同一のタイミングとなる電子シャッタ動作が行われる。このため、ローリングシャッタ動作の場合に比べて、同一フレームで読み出される各AF用信号間に時間差が生じないため、焦点検出の精度を大幅に高めることができる。なお、所望の焦点検出のために有効に読み出すべき画素20のみの露光時間が同一の長さでかつ同一のタイミングとなるだけでもよい。
FIG. 12 shows that when the number of
図12に示す例では、AF読み出しモードにおいて、読み出し行に関して、前述したように行方向の全画素を読み出している。しかし、AF読み出しモードにおいて、読み出し行に関して、任意の一部の列の画素だけを読み出してもよい。例えば、行方向の画素について、焦点検出領域に対応する列のみを読み出してもよい。この場合には、より高速に信号を読み出すことができる。このような一部の列の画素の読み出しは、例えば、特開2007−208685号に開示されているようなシフトレジスタ回路を用いて、水平走査回路22を構成することにより、実現することができる。なお、AF読み出しモードにおいて一部の行の画素を部分的に読み出すために、特開2007−208685号に開示されているようなシフトレジスタ回路を用いて、垂直走査回路21を構成してもよい。
In the example shown in FIG. 12, in the AF readout mode, all pixels in the row direction are read out for the readout row as described above. However, in the AF read mode, only a part of pixels in a certain column may be read regarding the read row. For example, only the column corresponding to the focus detection area may be read for the pixels in the row direction. In this case, the signal can be read out at higher speed. Such readout of pixels in some columns can be realized, for example, by configuring the
図12において、全画素20に関して、期間T11の終了時点から期間T12の開始時点までが露光時間となる。期間T13は、3行目の選択期間である。期間T14,T15において読み出された信号と、期間T16,T17において読み出された信号との差分を取るCDS処理が、固体撮像素子3の外部の信号処理部5によって行われる。このとき、信号成分を取得する期間T14,T15とノイズ成分を取得するT16,T17の期間との間に、リセット期間T18が存在するため、リセット期間T18に生ずるノイズ分が残ってしまう。しかしながら、そのようなノイズ分が残っても焦点検出の精度にはほとんど影響を与えない。
In FIG. 12, with respect to all the
AE読み出しモードでは、各画素20が図4に示すように配置されているものとすると、例えば、図4中の右側に○印を付したように、連続する2行である1,2行目を読み出した後、偶数行である6行読み飛ばして、9,10行目を読み出す。このように、連続する2行を読み出した後に偶数行読み飛ばすことを繰り返すと、カラーフィルタ50がベイヤー配列に従って配列されていることから、列方向に隣り合う異なる色の画素が読み出されるので、連続して読み出す行がない場合に比べて、擬色を低減することができる。したがって、自動露光制御をより高い精度で行うことができるので、好ましい。
In the AE readout mode, assuming that the
また、自動露光用測光情報に用いる信号(AE信号)においては、その分解能については局所的な平均化情報があれば十分であって、分解能を高めるよりも感度が高い方が好ましい場合がある。そこで、本実施の形態では、AE読み出しモードにおいては、行方向の4つの画素20の信号をそれぞれ加算して読み出す水平画素加算を行う。このように、本実施の形態では、色も混ぜて加算するが、色毎に水平方向の画素を加算するように構成してもよい。この場合、ベイヤー配列の単位をR,G1,G2,Bと表記するとき、例えば、水平信号線33を、色毎に2本(G1及びG2で1本、R及びBで1本)を設けるか、あるいは、色毎に4本(R,G1,G2,Bをそれぞれ1本)設けてもよい。なお、本発明では、AE読み出しモードにおいては、行方向の全画素20の信号を水平画素加算を行うことなくそれぞれ読み出してもよい。
Further, in the signal (AE signal) used for the photometric information for automatic exposure, it is sufficient that there is local averaged information for the resolution, and it may be preferable that the sensitivity is higher than the resolution is increased. Therefore, in the present embodiment, in the AE readout mode, horizontal pixel addition is performed by adding and reading the signals of the four
図12に示す例では、AE読み出しモードにおいて、前述したように、行方向の画素20の信号を水平画素加算して読み出している。しかし、AE読み出しモードにおいて、読み出し行に関して、任意の一部の列の画素だけを水平画素加算を行うことなく読み出してもよい。この場合にも、高速に信号を読み出すことができる。このような一部の列の画素の読み出しは、例えば、特開2007−208685号に開示されているようなシフトレジスタ回路を用いて、水平走査回路22を構成することにより、実現することができる。なお、AE読み出しモードにおいて一部の行の画素を部分的に読み出すために、特開2007−208685号に開示されているようなシフトレジスタ回路を用いて、垂直走査回路21を構成してもよい。
In the example shown in FIG. 12, in the AE readout mode, as described above, the signals of the
図13は、図2に示すように画素20の数が4×8個である場合に、AE読み出しモードにおいて、1,2行目を読み出し、3,4行目を読み飛ばす例を示す、タイミングチャートである。この例では、水平方向の画素20を4つずつ加算して読み出している。また、この例では、全画素20に関して、当該各画素の露光時間が同一の長さでかつ同一のタイミングとなる電子シャッタ動作が行われる。このため、ローリングシャッタ動作の場合に比べて、同一フレームで読み出される各自動露光測光情報に用いる撮像用信号間に時間差が生じないため、自動露光制御の精度を大幅に高めることができる。なお、所望の露光量検出のために有効に読み出すべき画素20のみの露光時間が同一の長さでかつ同一のタイミングとなるだけでもよい。
FIG. 13 shows an example in which the first and second rows are read and the third and fourth rows are skipped in the AE read mode when the number of
図13において、全画素20に関して、期間T21の終了時点から期間T22の開始時点までが露光時間となる。期間T23は、1行目の選択期間である。期間T24,T25においてそれぞれ水平方向の4画素を加算して読み出された信号と、期間T26,T27においてそれぞれ水平方向の4画素を加算して読み出された信号との差分を取るCDS処理が、固体撮像素子3の外部の信号処理部5によって行われる。このとき、信号成分を取得する期間T24,T25とノイズ成分を取得するT26,T27の期間との間に、リセット期間T28が存在するため、リセット期間T28に生ずるノイズ分が残ってしまう。しかしながら、そのようなノイズ分が残っても露光量検出の精度にはほとんど影響を与えない。
In FIG. 13, for all the
本実施の形態による電子カメラ1では、以上説明した図10に示すように各読み出しモードがフレーム毎に繰り返される動作モードにおいて、各ライブビュー用読み出しモードのフレームで読み出された撮像用信号が信号処理部5、A/D変換部6及びメモリ7を経て表示制御部15によって利用されて、当該撮像用信号に基づくライブビュー表示が液晶表示部16に表示される。また、図10に示す動作モードにおいて、各AF読み出しモードのフレームで読み出されたAF用信号が信号処理部5、A/D変換部6及びメモリ7を経て焦点演算部10によって利用されて、当該AF用信号に基づいて瞳分割位相差方式に従ってデフォーカス量が算出され、そのデフォーカス量に応じて合焦状態となるようにレンズ制御部2aが撮影レンズ2を作動させて自動焦点調節を行う。さらに、図10に示す動作モードにおいて、各AE読み出しモードのフレームで読み出されたAE用信号が信号処理部5、A/D変換部6及びメモリ7を経て露光演算部14によって利用されて、当該AE用信号に基づいて最適な露光量を演算し、レンズ制御部2aは露光演算部14で得られた露光量に応じた露光量となるように撮影レンズ2の絞りを調整するとともに、撮像制御部4はこの露光量に応じたシャッタ時間を設定する。
In the
このようにして、本実施の形態による電子カメラ1は、図10に示す動作モードにおいて、ライブビュー用読み出しモードにおいて読み出された信号に基づいて液晶表示部16にライブビュー表示を表示させつつ、AF用読み出しモードにおいて読みされた信号に基づいて瞳分割位相差方式に従って撮影レンズ2の自動焦点調節を行うとともに、AE用読み出しモードにおいて読みされた信号に基づいて自動露光制御を行う。したがって、使用者は、合焦状態でかつ適性露出状態でライブビュー表示を見ることができる。そして、本実施の形態によれば、ライブビュー表示を表示させつつ行うAF制御として瞳分割位相差方式によるAF制御が行われるので、比較的近距離において比較的高速で動く被写体をそれに追従した合焦状態でライブビュー表示させることができるため、使用者にとってその利便性は計り知れない。
Thus, the
このような図10に示す動作モードは、例えば、使用者が撮影モードに設定して操作部9aのレリーズ釦の半押し操作を行うことで開始される。そして、例えば、そのレリーズ釦が全押し操作されると、本撮影が行われる。このとき、全押し操作の前に合焦状態でかつ適性露出状態となっているので、即時にシャッターを切ることができ、シャッタータイミングを逃さない。なお、本撮影時には、例えば、前述したライブビュー用読み出しモードにおいて間引きを行わずに全行読み出される。撮像制御部4によって、この撮像用信号は、メモリ7に蓄積される。その後、マイクロプロセッサ9は、操作部9aの指令に基づき、必要に応じて画像処理部13や画像圧縮部12にて所望の処理を行い、記録部に処理後の信号を出力させ記録媒体11aに記録する。なお、前述したような図10に示す動作モードは、例えば、レリーズ釦の半押し操作を行わなくても、撮影モードに設定するだけで開始するようにしてもよい。
The operation mode shown in FIG. 10 is started, for example, when the user sets the shooting mode and performs a half-press operation on the release button of the
本撮影時、本例では電子シャッタのみで例示したが、メカシャッタと組み合わせてもよいことは、自明である。 At the time of actual photographing, in this example, only the electronic shutter is illustrated, but it is obvious that it may be combined with a mechanical shutter.
なお、本実施の形態では、ライブビュー用の画像信号に、焦点検出画素の出力信号が含まれないので、従来どおりの精彩なライブビュー画像が得られる。また、AE行においても、AF画素の行と合致していないので、特に平均化情報に関しては高感度、高精度なAE情報を得ることができる。 In the present embodiment, the live view image signal does not include the output signal of the focus detection pixel, so that a live view image with the same quality as before can be obtained. Also, since the AE row does not match the AF pixel row, highly sensitive and highly accurate AE information can be obtained particularly with respect to the averaging information.
[第2の実施の形態] [Second Embodiment]
図14は、本発明の第2の実施の形態による電子カメラで用いられる固体撮像素子63を示す回路図であり、図2に対応している。図14においても、図2と同様に、4×8個の画素20(2×8個の画素ブロック70)を示している。図15は、図14に示す固体撮像素子63の画素ブロック70を示す回路図である。図14及び図15において、図2及び図3中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
FIG. 14 is a circuit diagram showing a solid-
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、以下に説明する点のみである。本実施の形態では、固体撮像素子63において、列方向に隣り合う2つの画素20毎に、当該2つの画素20が1組のフローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有している。図14及び図15では、1組のフローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有する2つの画素20を、画素ブロック70として示している。また、図15では、画素ブロック70内の上側の画素20のフォトダイオードPD及び転送トランジスタTXをそれぞれ符号PD1,TX1で示し、画素ブロック70内の下側の画素20のフォトダイオードPD及び転送トランジスタTXをそれぞれ符号PD2,TX2で示し、両者を区別している。また、転送トランジスタTX1のゲート電極に供給される制御信号をφTX1とし、転送トランジスタTX2のゲート電極に供給される制御信号をφTX2とし、両者を区別している。なお、図2及び図3ではnは画素行を示しているが、図14及び図15ではnは画素ブロック70の行を示している。例えば、1行目の画素20と2行目の画素20とにより1行目の画素ブロック70が構成され、3行目の画素20と4行目の画素20とにより2行目の画素ブロック70が構成されている。
This embodiment is different from the first embodiment only in the points described below. In the present embodiment, in the solid-
本実施の形態における固体撮像素子63の有効画素領域を模式的に示す概略平面図も基本的に図4となり、例えば、各読み出し時に○印の画素行が読み出される。ただし、ここでは、AE読み出し時においては、2行目及び3行目の画素行を読み出すものとする。また、本実施の形態においても、前記第1の実施の形態と同様に、所定の動作モードにおいて、図10に示すように各読み出しモードがフレーム毎に繰り返される。
The schematic plan view schematically showing the effective pixel area of the solid-
図16は、図11の場合と同様に、図14に示すように画素20の数が4×8個(画素ブロック70の数が2×8個)である場合に、ライブビュー用読み出しモードにおいて、1行目の画素行(1行目の画素ブロック70の上側画素行)を読み出し、2,3行目の画素行(1行目の画素ブロック70の下側画素行と2行目の画素ブロック70の上側画素行)を読み飛ばし、4行目の画素行(2行目の画素ブロック70の下側画素行)を読み出す例を示す、タイミングチャートである。この例においても、水平画素加算を行わずに行方向の全画素を読み出しているとともに、ローリングシャッタによる電子シャッタ動作が行われている。
As in the case of FIG. 11, FIG. 16 shows the live view readout mode when the number of
図17は、図12の場合と同様に、図14に示すように画素20の数が4×8個(画素ブロック70の数が2×8個)である場合に、AF読み出しモードにおいて、1,2行目の画素行(1行目の画素ブロック70の上側画素行及び下側画素行)を読み飛ばし、3行目の画素行(2行目の画素ブロック70の上側画素行)を読み出し、4行目の画素行(2行目の画素ブロック70の下側画素行)を読み飛ばす例を示す、タイミングチャートである。この例においても、水平画素加算を行わずに行方向の全画素を読み出すとともに、全画素20に関して、当該各画素の露光時間が同一の長さでかつ同一のタイミングとなる電子シャッタ動作が行われている。
As in the case of FIG. 12, FIG. 17 shows that when the number of
図18は、図13の場合とは異なり、図14に示すように画素20の数が4×8個(画素ブロック70の数が2×8個)である場合に、AE読み出しモードにおいて、1行目の画素行(1行目の画素ブロック70の上側画素行)を読み飛ばし、2,3行目の画素行(1行目の画素ブロック70の下側画素行と2行目の画素ブロック70の上側画素行)を読み出し、4行目の画素行(2行目の画素ブロック70の下側画素行)を読み飛ばす例を示す、タイミングチャートである。この例においても、水平方向の画素20を4つずつ加算して読み出すとともに、読み出すべき画素20に関して、当該各画素の露光時間が同一の長さでかつ同一のタイミングとなる電子シャッタ動作が行われている。
FIG. 18 differs from FIG. 13 in the case where the number of
本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる。また、本実施の形態によれば、2つの画素20が1組のフローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有しているので、1画素当たりのトランジスタ数を削減することができ、開口率を大きくすることができる。
Also in this embodiment, the same advantages as those in the first embodiment can be obtained. Further, according to the present embodiment, since the two
ところで、本実施の形態のように、光電変換部(フォトダイオード)が列方向に順次並んだL個(Lは2以上の整数。本実施の形態では、L=2。)の画素20毎に画素ブロック70をなし、画素ブロック70毎に、当該画素ブロック70に属する前記L個の画素20が1組のフローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有する場合、(i)AE読み出しモードにおいて、列方向の信号読み出しに関して連続する2行の画素20の信号を読み出した後にM行(Mは偶数)の画素の信号を読み飛ばすことが繰り返されるという条件、及び、(ii)前記Mが{L×(2+N)−2}(Nは0以上の整数)であるという条件、を満たすことが好ましい。上記(i)の条件を満たすことで、列方向に隣り合う異なる色の画素が読み出されるので、連続して読み出す行がない場合に比べて、擬色を低減することができ、ひいては、自動露光制御をより高い精度で行うことができる。そして、上記(ii)の条件を満たすことで、画素ブロック70において1組のフローティングディフュージョンFD及び増幅トランジスタAMP等を共有するものでありながら、読み出すべき画素行に関して露光時間が同一の長さでかつ同一のタイミングとなる電子シャッタ動作が可能になり、ひいては、同一フレームで読み出される各自動露光測光情報に用いる撮像用信号間に時間差が生じないため、自動露光制御の精度を大幅に高めることができる。
By the way, as in this embodiment, photoelectric conversion units (photodiodes) are sequentially arranged in the column direction for each of L pixels 20 (L is an integer of 2 or more. In this embodiment, L = 2). When the
その理解を容易にするため、L=2、N=0、M=2の例を図19に示し、L=2、N=2、M=6の例を図20に示し、L=2、N=4、M=10の例を図21に示している。なお、図19乃至図21において、各行の画素の色は、ベイヤー配列を前提とした上で、GとRの交互列の色で代表した。例えば、L=2、N=12、M=26としてもよい。また、L=4の場合、Mは例えば6,10,14,18のいずれかにしてもよいし、L=6の場合、Mは例えば10,16,22,28のいずれかにしてもよい。 In order to facilitate the understanding, an example of L = 2, N = 0, M = 2 is shown in FIG. 19, an example of L = 2, N = 2, M = 6 is shown in FIG. 20, and L = 2, An example of N = 4 and M = 10 is shown in FIG. In FIG. 19 to FIG. 21, the colors of the pixels in each row are represented by alternating colors of G and R on the assumption of the Bayer arrangement. For example, L = 2, N = 12, and M = 26 may be set. Further, when L = 4, M may be any one of 6, 10, 14, and 18, and when L = 6, M may be any one of 10, 16, 22, and 28, for example. .
[第3の実施の形態] [Third Embodiment]
図22は、本発明の第3の実施の形態による電子カメラで用いられる固体撮像素子の有効画素領域を模式的に示す概略平面図であり、図4に対応している。図22において、図4中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。 FIG. 22 is a schematic plan view schematically showing an effective pixel region of a solid-state imaging device used in an electronic camera according to the third embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 22, elements that are the same as or correspond to those in FIG. 4 are given the same reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted.
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、AF読み出しモードで読み出す行のみである。前記第1の実施の形態では、AF読み出しモードにおいて、図4中の右側に○印を付したように、行方向に延びた3つの焦点検出領域に対応する3,8,14行目を読み出している。これに対し、本実施の形態では、AF読み出しモードにおいて、図22中の右側に○印を付したように、行方向に延びた3つの焦点検出領域及び列方向に延びた3つの焦点検出領域の全てに対応する3,6〜11,14行目を読み出す。この場合のタイミングチャートは、前記第1の実施の形態の場合のAF読み出しモードのタイミングチャートを、読み出し行に合わせて改変したものとなる。ただし、4行目までの範囲では、読み飛ばし行及び読み出し行は、本実施の形態においても前記第1の実施の形態と同じである。したがって、本実施の形態についてのAF読み出しモードの4行目までタイミングチャートは、図12と同じとなる。 This embodiment differs from the first embodiment only in the rows that are read in the AF read mode. In the first embodiment, in the AF readout mode, the third, eighth, and fourteenth rows corresponding to the three focus detection areas extending in the row direction are read out as indicated by a circle on the right side in FIG. ing. In contrast, in the present embodiment, in the AF readout mode, as indicated by a circle on the right side in FIG. 22, three focus detection areas extending in the row direction and three focus detection areas extending in the column direction The third, sixth to eleventh and fourteenth rows corresponding to all of the above are read out. The timing chart in this case is obtained by modifying the timing chart in the AF readout mode in the case of the first embodiment in accordance with the readout row. However, in the range up to the fourth line, the skip-read line and the read line are the same as in the first embodiment in this embodiment. Therefore, the timing chart up to the fourth line in the AF read mode according to the present embodiment is the same as FIG.
本実施の形態によれば、AF読み出しモードにおいて、行方向に延びた焦点検出領域及び列方向に延びた焦点検出領域の全てについて、信号を読み出している。したがって、本実施の形態によれば、より精度良く焦点調節状態を検出することができる。 According to the present embodiment, in the AF read mode, signals are read from all of the focus detection areas extending in the row direction and the focus detection areas extending in the column direction. Therefore, according to the present embodiment, the focus adjustment state can be detected with higher accuracy.
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.
例えば、前述した各実施の形態では、ライブビュー用読み出しモード、AF読み出しモード及びAE読み出しモードの3つの読み出しモードが順次循環的に繰り返して行われる例を挙げたが、例えば、ライブビュー用読み出しモード及びAF読み出しモードの2つの読み出しモードのみを順次循環的に繰り返して行ってもよい。この場合、例えば、固体撮像素子とは別に自動露光用測光情報を得るための検出器を設け、その検出器からの信号によって自動露光制御を行ってもよい。 For example, in each of the above-described embodiments, an example in which the three readout modes of the live view readout mode, the AF readout mode, and the AE readout mode are sequentially and repeatedly performed has been described. Alternatively, only the two readout modes of the AF readout mode may be sequentially repeated cyclically. In this case, for example, a detector for obtaining photometric information for automatic exposure may be provided separately from the solid-state imaging device, and automatic exposure control may be performed by a signal from the detector.
3 固体撮像素子
20a,20b,20c,20d AF用画素
20e 撮像用画素
3 Solid-
Claims (9)
前記複数の画素から信号を読み出す制御を行う読み出し制御手段と、
を備え、
前記複数の画素は、前記被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する複数の撮像用画素と、瞳分割位相差方式に従って前記光学系の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を出力する複数の焦点検出用画素と、を含み、
前記読み出し制御手段は、所定の動作モード時に、2つ以上の読み出しモードをフレーム毎に順次循環的に繰り返して行い、
前記2つ以上の読み出しモードは、ライブビュー表示のための撮像用信号を読み出すライブビュー用読み出しモードと、前記焦点検出用信号を読み出す焦点検出用読み出しモードとを、含み、
前記2つ以上の読み出しモードは、自動露光用測光情報に用いるための撮像用信号を読み出す自動露光用読み出しモードを含み、
前記複数の画素の各列に対応して設けられ対応する列の前記画素の出力信号が供給される垂直信号線を備え、
前記自動露光用読み出しモードにおいて、行方向の2つ以上の画素の信号を加算して読み出す水平画素加算が行われ、
前記自動露光用読み出しモードにおいて、列方向の信号読み出しに関して、連続する2行の画素の信号を読み出した後にM行(Mは偶数)の画素の信号を読み飛ばすことが繰り返され、
前記複数の画素の各々は、当該画素の前記光電変換部からの前記信号電荷を受け取って当該信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部、及び、当該画素を選択する選択部を有し、
前記複数の画素は、前記光電変換部が列方向に順次並んだL個(Lは2以上の偶数)の画素毎に画素ブロックをなし、
前記画素ブロック毎に、当該画素ブロックに属する前記L個の画素が1組の前記電荷電圧変換部、前記増幅部、前記リセット部及び前記選択部を共有し、
前記Mが{L×(2+N)−2}(Nは0以上の整数)である、
ことを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of pixels arranged two-dimensionally, each having a photoelectric conversion unit that generates and accumulates signal charges corresponding to incident light from a subject image formed by an optical system;
Read control means for performing control to read signals from the plurality of pixels,
With
The plurality of pixels include a plurality of imaging pixels that output imaging signals for forming an image signal indicating the subject image, and a focus for detecting a focus adjustment state of the optical system according to a pupil division phase difference method. A plurality of focus detection pixels that output detection signals;
The read control means sequentially and repeatedly performs two or more read modes for each frame during a predetermined operation mode,
The two or more read mode, the live view readout mode for reading an image signal for a live view display, and a read mode for focus detection to read out the focus detection signal, seen including,
The two or more readout modes include an automatic exposure readout mode for reading out an imaging signal for use in automatic exposure metering information,
A vertical signal line provided corresponding to each column of the plurality of pixels to which an output signal of the pixel in the corresponding column is supplied;
In the automatic exposure readout mode, horizontal pixel addition is performed by adding and reading signals of two or more pixels in the row direction,
In the readout mode for automatic exposure, with respect to signal readout in the column direction, reading out signals of pixels in M rows (M is an even number) after reading out signals of pixels in two consecutive rows is repeated,
Each of the plurality of pixels receives the signal charge from the photoelectric conversion unit of the pixel and converts the signal charge into a voltage, and outputs a signal corresponding to the potential of the charge voltage conversion unit. An amplification unit, a charge transfer unit that transfers charges from the photoelectric conversion unit to the charge voltage conversion unit, a reset unit that resets the potential of the charge voltage conversion unit, and a selection unit that selects the pixel,
The plurality of pixels form a pixel block for each of L pixels (L is an even number of 2 or more) in which the photoelectric conversion units are sequentially arranged in a column direction,
For each pixel block, the L pixels belonging to the pixel block share a set of the charge-voltage conversion unit, the amplification unit, the reset unit, and the selection unit,
The M is {L × (2 + N) −2} (N is an integer of 0 or more).
A solid-state imaging device.
前記所定の動作モードにおいて、前記ライブビュー用読み出しモードにおいて読み出された信号に基づいて前記表示部にライブビュー表示を表示させつつ、前記焦点検出用読み出しモードにおいて読みされた信号に基づいて前記光学系の自動焦点調節を行うことを特徴とする電子カメラ。 A solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 7 and a display unit capable of performing live view display,
In the predetermined operation mode, while the live view display is displayed on the display unit based on the signal read in the live view read mode, the optical signal is read based on the signal read in the focus detection read mode. An electronic camera characterized by automatic focusing of the system.
前記所定の動作モードにおいて、前記ライブビュー用読み出しモードにおいて読み出された信号に基づいて前記表示部にライブビュー表示を表示させつつ、前記焦点検出用読み出しモードにおいて読みされた信号に基づいて瞳分割位相差方式に従って前記光学系の自動焦点調節を行うとともに、前記自動露光用読み出しモードにおいて読みされた信号に基づいて自動露光制御を行うことを特徴とする電子カメラ。 A solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 7 and a display unit capable of performing live view display,
In the predetermined operation mode, while displaying a live view display on the display unit based on the signal read in the live view readout mode, pupil division based on the signal read in the focus detection readout mode An electronic camera that performs automatic focus adjustment of the optical system according to a phase difference method, and performs automatic exposure control based on a signal read in the read mode for automatic exposure.
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