JP6218434B2 - 焦点検出センサ - Google Patents

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Description

本発明は、焦点検出センサ、撮像システム及び測距センサに関する。
従来、光電変換素子を有する焦点検出センサで検出した被写体の焦点検出状態に応じて撮像レンズの合焦距離を調整し、自動的に被写体に合焦させるオートフォーカス（以下ＡＦという）機能を有する撮像装置が知られている。さらに、焦点検出センサが有する光電変換素子の電荷蓄積時間や出力ゲインを、被写体の明るさやコントラストに応じて制御することも知られている。
例えば、特許文献１では、複数の光電変換素子（画素）からなるラインセンサを用いる焦点検出センサにおいて、ラインセンサを複数の領域に分割し、領域毎に画素信号の最大値と最小値の差分（コントラスト）が目標値を超えた時点で蓄積を停止させている。また、特許文献２には、焦点検出に使用するラインセンサ対の近傍にモニタセンサを配置し、モニタセンサからの信号によりラインセンサ対の蓄積（積分）時間を制御することが開示されている。
特開２００６−２５１７７７号公報 特開平１０−３３３０２１号公報
しかし、特許文献１に開示された構成では、画素で光電変換された電荷を蓄積回路へ常時転送しているため、蓄積中に蓄積回路で発生するノイズも光電変換された電荷と同様に蓄積してしまう。蓄積時間が長い場合には、発生するノイズ量も増大するため、蓄積結果におけるノイズ成分の影響が無視できなくなり、焦点検出結果に誤差を生じさせる原因となるおそれがある。
一方、特許文献２に開示された構成では、ラインセンサとは別に設けたモニタセンサの出力に基づいて蓄積制御を行うため、蓄積中に画素で光電変換された電荷をメモリ回路やモニタ回路へ転送する必要がない。従って、画素での蓄積が終了するまで、メモリ回路やモニタ回路をリセットすることで、発生するノイズを軽減することができる。しかし、特許文献２では、ラインセンサの近傍にモニタセンサを配置する必要があり、複数のラインセンサを配置する場合、モニタセンサがラインセンサのレイアウトを制約するとともに、高精度の測光を行うためにはモニタセンサ自体の配置にも制約がある。その結果、焦点検出センサのチップ面積が大きくなり、コストを増加させたり、焦点検出センサを用いる光学機器の小型化を妨げたりする。
本発明の目的は、ノイズの少ない画素信号を簡便な構成で得ることができる焦点検出センサ、撮像システム及び測距センサを提供することである。
本発明の焦点検出センサは、光を電荷に変換する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部で生成された電荷を画素信号としてそれぞれ保持する複数のメモリ部と、前記複数の光電変換部の電荷を前記複数のメモリ部にそれぞれ転送する転送部と、前記複数の光電変換部及び前記複数のメモリ部をリセットするリセット部と、前記複数のメモリ部に保持されている画素信号を基に第１の検出信号を出力する検出部と、前記複数の光電変換部のリセットの後の電荷蓄積期間中に、前記転送部を転送状態にする第１の動作モードと、前記複数の光電変換部のリセットの後の電荷蓄積期間中に、前記転送部を非転送状態にして前記複数の光電変換部に電荷を蓄積する第２の動作モードとを切り替えるモード切り替え判定部とを有し、前記モード切り替え判定部は、前記第１の動作モードにおいて得られた前記第１の検出信号に応じて、前記第１の動作モードから前記第２の動作モードに切り替えることを特徴とする。
本発明によれば、ノイズの少ない画素信号を簡便な構成で得ることができる。
焦点検出センサの構成例を示すブロック図である。 焦点検出センサにおけるレジスタを表す図である。 焦点検出センサにおけるラインセンサの１画素分の回路図である。 ラインセンサの動作モードを表すタイミングチャートである。 モード切り替え制御部の構成例を示すブロック図である。 ピーク信号とボトム信号の関係を表す図である。 焦点検出センサの蓄積動作を説明するためのフローチャートである。 モード切り替え制御部の構成例を示すブロック図である。 ピーク信号とボトム信号と差分信号の関係を表す図である。 モード切り替え判定値テーブルを表す図である。 モード切り替え制御部の構成例を示すブロック図である。 ピーク信号とボトム信号と差分信号の関係を表す図である。 カメラの構成例を示すブロック図である。 光学部品とその配置例を示す図である。 焦点検出光学系の構成を模式的に示した斜視図である。 ラインセンサの配置例を示す図である。 カメラの動作例を説明するためのフローチャートである。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る焦点検出センサ２０５の構成例を示すブロック図である。焦点検出センサ２０５は、３つのラインセンサＬ１〜Ｌ３と、各ラインセンサＬ１〜Ｌ３を制御する自動焦点検出用制御部（以降、ＡＦ制御部と呼ぶ）１００と、出力アンプ１０９とを有する。図１では、説明及び理解を容易にするため、ラインセンサＬ１〜Ｌ３のうち、ラインセンサＬ１についてのみ詳細に示している。なお、他のラインセンサＬ２及びＬ３についても、ラインセンサＬ１と同様の構成である。ＡＦ制御部１００から各ラインセンサＬ２及びＬ３に対応した信号線も、ラインセンサＬ１と同様に接続されている。
ラインセンサＬ１は、光電変換部１０１、転送部１０２、リセット部１０３、メモリ部１０４、ボトム検出回路１０５、ピーク検出回路１０６、シフトレジスタ１０７、モード切り替え制御部１０８、及びライン選択スイッチＳＷＬ１を有する。また、ラインセンサＬ１は、位相差検出のために２つのセンサアレイＬ１Ａ及びＬ１Ｂを有する。２つのセンサアレイＬ１Ａ及びＬ１Ｂは、光電変換部１０１内に同数（例えば、約３０〜８０）の画素を有する。各センサアレイＬ１Ａ及びＬ１Ｂは、Ａ像信号及びＢ像信号をそれぞれ出力し、位相差を検出できるようになっている。
ラインセンサＬ１において、光電変換部１０１は、各画素が光電変換した信号電荷を、画素毎に発生させる。メモリ部１０４は、図示しない容量とアンプを有し、光電変換部１０１で光電変換された信号電荷を一時的に記憶するとともに、信号電荷を電圧に変換し、所定ゲインで電圧を増幅する。転送部１０２は、ＡＦ制御部１００から制御される信号ＰＴＸ１によって、転送状態または非転送状態に制御される。転送部１０２は、転送状態の時、光電変換部１０１の画素で光電変換された信号電荷をメモリ部１０４に転送し、非転送状態の時はメモリ部１０４への転送を行わない。リセット部１０３は、ＡＦ制御部１００からの信号ＰＲＥＳ１によって、光電変換部１０１及びメモリ部１０４を所定の電圧Ｖｒｓｔにリセットする。
ピーク検出回路（検出部）１０６は、ラインセンサＬ１の各画素のメモリ部１０４の出力が入力されており、各メモリ部１０４が記憶する積分値のうち、一番大きい値を検出し出力する。ボトム検出回路（検出部）１０５は、ラインセンサＬ１の各画素のメモリ部１０４の出力が入力されており、各メモリ部１０４が記憶する積分値のうち、一番小さい値を検出し出力する。シフトレジスタ１０７は、ＡＦ制御部１００から信号ＳＨＩＦＴ１が入力されると、メモリ部１０４の出力を画素毎に選択し、信号ＬＳＥＬ１によりライン選択スイッチＳＷＬ１をオンしている期間、メモリ部１０４の出力を出力アンプ１０９の入力に順次出力する。出力アンプ１０９は、入力信号を適切なゲインで増幅して画素信号Ｖｏｕｔを出力する。
モード切り替え制御部１０８は、蓄積終了判定部１１０と、モード切り替え判定部１１２とを有し、ラインセンサＬ１の蓄積制御と、第１の動作モード及び第２の動作モードの切り替え制御とを行う。また、モード切り替え制御部１０８は、それぞれの制御に必要な判定値を格納する蓄積終了判定値格納部１１１及びモード切り替え判定値格納部１１３を有する。ＡＦ制御部１００は、レジスタ９００を有し、レジスタ９００に設定された値に基づいてラインセンサＬ１〜Ｌ３の蓄積動作及び像信号の読み出し動作を制御する。
図２は、レジスタ９００のレジスタマップの一部を示す図である。レジスタ９００は、図２に示すレジスタマップに従って、各ラインセンサＬ１〜Ｌ３毎に蓄積制御用のレジスタを有する。レジスタＭＯＤＥ１〜ＭＯＤＥ３は、各ラインセンサＬ１〜Ｌ３の蓄積動作のモード設定値を保持し、第１の動作モードの時には０が設定され、第２の動作モードの時には１が設定される。レジスタＴＳＤＡＴＡ１〜ＴＳＤＡＴＡ３は、各ラインセンサＬ１〜Ｌ３の蓄積終了時間を保持する。レジスタＳＴＡＲＴ１〜ＳＴＡＲＴ３は、蓄積動作を開始するレジスタであり、１が設定されると、ＡＦ制御部１００は、各ラインセンサＬ１〜Ｌ３の蓄積動作を開始する。レジスタＳＴＯＰ１〜ＳＴＯＰ３は、蓄積動作を停止するレジスタであり、１が設定されると、ＡＦ制御部１００は、各ラインセンサＬ１〜Ｌ３の蓄積動作を停止する。レジスタＴＲ１〜ＴＲ３は、蓄積動作が完了したことを示すフラグであり、蓄積動作が終了すると１に設定される。レジスタ９００は、ＡＦ制御部１００が有する通信端子である端子ＣＳ、ＳＣＬＫ、ＤＡＴＡを用いたシリアル通信により、外部（例えばカメラ等のメイン制御部）から読み出しや書き込みが可能となっている。レジスタ９００の値を外部から設定することにより、焦点検出センサ２０５の動作を制御することができる。
次に、第１の動作モード及び第２の動作モードについて、図３及び図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図３は、ラインセンサＬ１における１画素分の光電変換部１０１、転送部１０２、リセット部１０３及びメモリ部１０４の等価回路図である。図１のセンサアレイＬ１Ａ及びＬ１Ｂは、それぞれ、複数の画素を有する。すなわち、センサアレイＬ１Ａ及びＬ１Ｂは、それぞれ、複数の光電変換部１０１、複数の転送部１０２、複数のリセット部１０３及び複数のメモリ部１０４を有する。光電変換部１０１は、例えばフォトダイオードであり、光電変換により光を電荷に変換する。メモリ部１０４は、光電変換部１０１で生成された電荷を画素信号としてそれぞれ保持し、画素信号ＯＵＴ１を出力する。転送部１０２は、光電変換部１０１の電荷をメモリ部１０４に転送する。リセット部１０３は、光電変換部１０１及びメモリ部１０４をリセットする。転送部１０２及びリセット部１０３にはＮＭＯＳトランジスタを用いており、各トランジスタはゲート電圧をハイレベルにすることによりオン状態となり、ローレベルにすることによりオフ状態となる。図３ではメモリ部１０４を容量で表しているが、後段にバッファアンプを設ける場合は、メモリ部１０４はバッファアンプの入力端子であるゲート電極の寄生容量であっても良い。また、メモリ部１０４はバッファアンプの後段の設けたサンプリング回路であっても良い。
図４（ａ）は、第１の動作モードのタイミングチャートを表し、図４（ｂ）は、第２の動作モードのタイミングチャートを表す。なお、信号ＰＲＥＳ１、信号ＰＴＸ１は、デジタル信号であり、ハイレベルは所定の電圧レベル、ローレベルはグランドレベルを表す。信号ＯＵＴ１は、アナログ信号を表し、メモリ部１０４の電圧変動を模式的に表したものである。
まず、第１の動作モードを図４（ａ）を用いて説明する。第１の動作モードは、タイミングｔ１で、信号ＰＲＥＳ１と信号ＰＴＸ１をハイレベルにすることで、リセット部１０３及び転送部１０２がオンし、複数画素のすべての光電変換部１０１及びメモリ部１０４を所定の電圧Ｖｒｓｔにリセットする。リセット動作により、信号ＯＵＴ１は電圧Ｖｒｓｔとなる。
次に、タイミングｔ２では、信号ＰＲＥＳ１をローレベルにする。タイミングｔ２では、転送部１０２は転送状態となっており、光電変換部１０１で光電変換された信号電荷はメモリ部１０４に転送され続け、メモリ部１０４は信号電荷を積分する。メモリ部１０４で信号電荷の積分が開始されると、信号ＯＵＴ１は、信号電荷の大きさに応じた電圧になる。ピーク検出回路１０６は、ラインセンサＬ１の複数の画素の画素信号ＯＵＴ１のうちの最大値を検出してピーク信号ＰＯＵＴとしてを出力する。ボトム検出回路１０５は、ラインセンサＬ１の複数の画素の画素信号ＯＵＴ１のうちの最小値を検出してボトム信号ＢＯＵＴとして出力する。
次に、タイミングｔ３では、信号ＰＴＸ１をローレベルにすることにより、転送部１０２を非転送状態とし、メモリ部１０４は積分動作を停止する。メモリ部１０４は、シフトレジスタ１０７で選択されるまで信号Ｖｓｉｇを保持する。すなわち、第１の動作モードは、電荷蓄積期間ｔ２〜ｔ３中、転送部１０２を転送状態にして、メモリ部１０４は信号電荷を積分する動作となる。
次に、第２の動作モードについて、図４（ｂ）を用いて説明する。第２の動作モードは、タイミングｔ１では、信号ＰＲＥＳ１と信号ＰＴＸ１をハイレベルにすることで、リセット部１０３及び転送部１０２がオンし、複数画素のすべての光電変換部１０１及びメモリ部１０４を所定の電圧Ｖｒｓｔにリセットする。リセット動作により、信号ＯＵＴ１はＶｒｓｔとなる。
次に、タイミングｔ２では、信号ＰＴＸ１をローレベルにし、転送部１０２を非転送状態にする。タイミングｔ２では、光電変換部１０１で光電変換された信号電荷は光電変換部１０１で信号電荷の積分を開始する。タイミングｔ２では、リセット部１０３はオン状態となっているため、メモリ部１０４は所定のリセット電圧Ｖｒｓｔにリセットされている。このため、信号ＯＵＴ１は、リセット電圧Ｖｒｓｔから変化しないため、ピーク検出回路１０６及びボトム検出回路１０５は機能しない。
次に、タイミングｔ３では、信号ＰＲＥＳ１をローレベルにした後、タイミングｔ４で信号ＰＴＸ１をハイレベルにし、転送部１０２を転送状態にする。光電変換部１０１で積分された信号電荷は、メモリ部１０４に転送される。メモリ部１０４は、シフトレジスタ１０７で選択されるまで信号Ｖｓｉｇを保持する。
すなわち、第２の動作モードは、電荷蓄積期間ｔ２〜ｔ４中、転送部１０２を非転送状態にして、光電変換部１０１が信号電荷を積分する動作となる。第２の動作モードでは、電荷蓄積期間ｔ２〜ｔ４中、光電変換部１０１からメモリ部１０４への電荷転送は行われない。さらに、電荷蓄積期間ｔ２〜ｔ４が終了して信号電荷が光電変換部１０１からメモリ部１０４へ転送される直前のタイミングｔ３まで、メモリ部１０４はリセットされ続けている。このため、第２の動作モードでは、電荷蓄積期間ｔ２〜ｔ４中にメモリ部１０４で発生するノイズが信号電荷に重畳されず、ノイズの少ない信号Ｖｓｉｇを得ることができる。電荷蓄積期間ｔ２〜ｔ３中は、信号ＰＲＥＳ１はローレベルでも良い。
図５は、モード切り替え制御部１０８の構成例を示すブロック図である。モード切り替え制御部１０８は、蓄積終了判定部１１０と、蓄積終了判定値格納部１１１と、モード切り替え判定部１１２と、モード切り替え判定値格納部１１３とを有する。蓄積終了判定値格納部１１１は、蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐを格納し、ラインセンサＬ１の画素飽和時の出力値に等しい値を格納する。すなわち、蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐは、ピーク信号ＰＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達した場合には、ラインセンサＬ１は画素飽和状態にあると判断し、蓄積を終了するための値である。蓄積終了判定部１１０は、不図示の比較器を有し、比較器の一方の入力端子には、ピーク検出回路１０６から出力されるピーク信号（第２の検出信号）ＰＯＵＴが入力され、もう一方の入力端子には、蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐが入力される。比較結果が、ＰＯＵＴ≧Ｖｓｔｏｐであれば、信号ＳＴＯＰ１として１を出力し、それ以外の時は０を出力する。信号ＳＴＯＰ１の値は、レジスタ９００のレジスタＳＴＯＰ１に書き込まれる。ＡＦ制御部１００は、蓄積終了レジスタＳＴＯＰ１に１が設定されると、転送部１０２を制御して蓄積動作を停止する。
ここで、図６を用いて、第１の動作モードにおける電荷蓄積時間に対するピーク信号ＰＯＵＴとボトム信号ＢＯＵＴの関係を説明する。図６は、時間Ｔｓにおいて、ピーク信号ＰＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達し、蓄積を終了した時の状態を表している。時間Ｔが０の時、すなわち電荷蓄積時間が０の時、ラインセンサＬ１の各メモリ部１０４の積分値は全てリセット電圧Ｖｒｓｔとなっている。このため、ピーク信号ＰＯＵＴ及びボトム信号ＢＯＵＴは所定のリセット電圧Ｖｒｓｔを出力する。
時間の経過とともに、各メモリ部１０４の積分値は被写体に応じて変化し、ピーク信号ＰＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達した時間Ｔｓで、電荷蓄積動作を終了する。図６において、ダーク信号ＤＡＲＫは、第１の動作モードにおいて、焦点検出センサ２０５を遮光状態（ダーク状態）にした時の出力値である。このダーク信号ＤＡＲＫは、光電変換部１０１の暗電流成分とリセット部１０３や転送部１０２のリーク電流などが主成分である。電圧Ｖｔ１〜Ｖｔ６は、ダーク信号ＤＡＲＫを電荷蓄積時間Ｔ１〜Ｔｓｔｏｐ毎にサンプリングした値であり、モード切り替え判定値を表している。すなわち、電荷蓄積期間中にメモリ部１０４で発生するノイズ成分が重畳されたダーク信号が離散値として予め格納されている。
なお、電荷蓄積時間が長くなると、電荷蓄積中に生じる被写体ブレなどの影響でＡＦ精度が悪化する場合があるため、電荷蓄積の打ち切り時間Ｔｓｔｏｐが設定されている。ピーク信号ＰＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐ以下であっても蓄積開始から時間Ｔｓｔｏｐ経った時点で外部（例えばカメラ等のメイン制御部）からの通信により強制的にラインセンサＬ１の電荷蓄積動作を終了させることができる。
モード切り替え判定値格納部１１３は、図１０に示すように、蓄積時間Ｔｓ毎にモード切り替え判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６を格納している。そして、モード切り替え判定値格納部１１３は、レジスタ９００の蓄積終了時間ＴＳＤＡＴＡ１に対応したモード切り替判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６を選択し、モード切り替え判定部１１２に出力する。
モード切り替え判定部１１２は、不図示の比較器を有し、一方の入力端子にボトム検出回路１０５から出力されるボトム信号（第１の検出信号）ＢＯＵＴを入力し、もう一方の入力端子にはモード切り替え判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６が入力される。比較結果が、ＢＯＵＴ≦Ｖｔ１〜Ｖｔ６であれば、信号ＭＯＤＥ１として１を出力し、それ以外の時は、０を出力する。すなわち、ＢＯＵＴ≦Ｖｔ１〜Ｖｔ６であれば第２の動作モードに設定され、それ以外の時は、第１の動作モードに設定される。信号ＭＯＤＥ１の値は、レジスタ９００のレジスタＭＯＤＥ１に書き込まれる。
例えば、図６の場合、ピーク信号ＰＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達した時間Ｔｓにおいて、ボトム信号ＢＯＵＴは、モード切り替え判定値Ｖｔ５より小さいため、モード切り替え判定部１１２は、信号ＭＯＤＥ１として１を出力する。すなわち、モード切り替え判定部１１２は、第１の動作モードにおいて、ボトム信号ＢＯＵＴが、ダーク信号ＤＡＲＫを無視できないほど小さい場合、第２の動作モードに切り替える。第２の動作モードでは、電荷蓄積期間中にリセット部１０３などで発生するノイズを重畳しないため、第１の動作モードに比較してノイズの小さい信号を得ることができるため、焦点検出の精度を高めることができる。
なお、モード切り替え判定値は、蓄積時間Ｔｓ毎に離散的に設定しているが、蓄積時間Ｔｓに比例したランプ信号を用いてもよい。すなわち、第１の動作モードにおいて、焦点検出センサ２０５を遮光状態（ダーク状態）にした時のダーク信号ＤＡＲＫをランプ信号として発生させ、モード切り替え判定部１１３に入力するようにしてもよい。
次に、焦点検出センサ２０５の蓄積動作について、図７のフローチャートを用いて詳細に説明する。初めに、ステップＳ１２００では、外部（例えば、カメラ等のメイン制御部）からレジスタ９００のレジスタＳＴＡＲＴ１に１が設定されると、ＡＦ制御部１００はラインセンサＬ１の動作を開始させる。
ステップＳ１２０１では、ＡＦ制御部１００は、レジスタＭＯＤＥ１を０に設定し、ラインセンサＬ１を第１の動作モードに設定する。また、ラインセンサＬ１の初期リセット動作を行うために、信号ＰＴＸ１、信号ＰＲＥＳ１をハイレベルにし、光電変換部１０１とメモリ部１０４の電荷をリセットする。
ステップＳ１２０２では、ＡＦ制御部１００は、信号ＰＲＥＳ１をローレベルに設定し、リセット動作を完了すると同時に蓄積動作を開始する。ここで、ＡＦ制御部１００は、信号ＰＴＸ１はハイレベルを保持しているため、転送部１０２は転送状態にある。すなわち、電荷蓄積期間中に光電変換部１０１で光電変換された信号電荷は、転送部１０２を通じてメモリ部１０４で蓄積され電圧に変換される。
ステップＳ１２０３では、蓄積終了判定部１１０は、蓄積終了判定を行い、判定結果をレジスタＳＴＯＰ１に設定する。具体的には、蓄積終了判定部１１０は、ラインセンサＬ１のピーク信号ＰＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達しているか否か、又は、蓄積時間Ｔｓが蓄積終了時間Ｔｓｔｏｐに達したか否かによって蓄積終了を判定し、レジスタＳＴＯＰ１に判定結果を設定する。レジスタＳＴＯＰ１が０の場合は、レジスタＳＴＯＰ１が１に設定されるまで判定動作を継続する。
レジスタＳＴＯＰ１が１の場合、ステップＳ１２０４で、ＡＦ制御部１００は、ラインセンサＬ１の電荷蓄積動作を終了するために、信号ＰＴＸ１をローレベルにし、メモリ部１０４が信号電荷を保持する。
次に、ステップＳ１２０５では、ＡＦ制御部１００は、電荷蓄積を終了した時間Ｔｓを蓄積終了時間レジスタＴＳＤＡＴＡ１に保持する。
次に、ステップＳ１２０６では、モード切り替え判定部１１２は、ボトム検出回路１０５から出力されるボトム信号ＢＯＵＴとモード切り替え判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６とを比較する。そして、モード切り替え判定部１１２は、ＢＯＵＴ≦判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６の場合、信号ＭＯＤＥ１として１を出力し、レジスタＭＯＤＥ１に１を設定する。モード切り替え判定部１１２は、ＢＯＵＴ＞判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６の場合、信号ＭＯＤＥ１として０を出力し、ＭＯＤＥ１レジスタに０を設定する。
レジスタＭＯＤＥ１が０の場合、ラインセンサＬ１の電荷蓄積動作を完了し、ステップＳ１２０７で、蓄積終了フラグレジスタＴＲ１に１を設定して終了する。
レジスタＭＯＤＥ１が１の場合、ＡＦ制御部１００は、再度、ラインセンサＬ１のリセット動作を行うため、ステップＳ１２０９で、信号ＰＴＸ１と信号ＰＲＥＳ１をハイレベルに設定する。
次に、ステップＳ１２１０では、ＡＦ制御部１００は、信号ＰＴＸ１をローレベルに設定し、再リセット動作を完了すると同時に蓄積動作を開始する。ここで、ＡＦ制御部１００は、信号ＰＴＸ１をローレベルに設定しているため、転送部１０２は非転送状態にある。すなわち、電荷蓄積期間中に光電変換部１０１で光電変換された信号電荷は、光電変換部１０１で蓄積される。一方、ＡＦ制御部１００は、信号ＰＲＥＳ１をハイレベルに保持しているため、電荷蓄積中においてもメモリ部１０４はリセットし続けている。このため、ピーク検出回路１０６及びボトム検出回路１０５は機能しない。
次に、ステップＳ１２１１では、ＡＦ制御部１００は、蓄積終了判定を行う。具体的には、ＡＦ制御部１００は、ラインセンサＬ１において初めに行われた第１の動作モードの蓄積終了時間がステップＳ１２０５でレジスタＴＳＤＡＴＡ１に格納されており、蓄積時間Ｔｓが蓄積終了時間ＴＳＤＡＴＡ１と一致すると蓄積終了と判定する。ＡＦ制御部１００は、ステップＳ１２１１で、蓄積時間Ｔｓが蓄積終了時間ＴＳＤＡＴＡ１と一致するまで判定動作を継続する。すなわち、第２の動作モードの蓄積時間は、ステップＳ１２０３で蓄積終了判定となった蓄積時間と同じになる。
蓄積時間Ｔｓが蓄積終了時間ＴＳＤＡＴＡ１と一致すると、ＡＦ制御部１００は、ステップＳ１２１２で、信号ＰＲＥＳ１をローレベルにしてメモリ部１０４のリセットを解除した後、信号ＰＴＸ１をハイレベルにし、転送部１０２を転送状態にする。それにより、光電変換部１０１で蓄積された信号電荷は、転送部１０２を通じてメモリ部１０４に転送される。
ステップＳ１２１３では、ＡＦ制御部１００は、信号ＰＴＸ１をローレベルにすることにより転送部１０２を非転送状態にし、メモリ部１０４が信号電荷を保持する。
そして、ステップＳ１２０７では、ＡＦ制御部１００は、蓄積終了フラグレジスタＴＲ１に１を設定し、ラインセンサＬ１の蓄積動作を終了する。
上述の通り、図７のフローチャートでは、ラインセンサＬ１の動作のみ説明しているが、ラインセンサＬ２及びＬ３についても同様の動作が行われ、信号線についても、ラインセンサＬ２及びＬ３用に設けられて動作する。
以上説明したように、本実施形態によれば、初めに電荷蓄積期間中に信号電荷を光電変換部１０１からメモリ部１０４に転送し、メモリ部１０４で積分する第１の動作モードで焦点検出動作を行う。第１の動作モードにおいて、蓄積が終了した時点で、ボトム信号ＢＯＵＴがリセット部１０３で発生するノイズを無視できないほど小さい場合、第２の動作モードに切り替えて焦点検出動作を行う。第２の動作モードでは、電荷蓄積期間中に信号電荷を光電変換部１０１からメモリ部１０４に転送せず、光電変換部１０１で信号電荷を積分する。また、メモリ部１０４は、信号電荷が読み出されるまでリセットされ続けている。焦点検出センサ２０５は、第２の動作モードに切り替えることで、リセット部１０３で発生するノイズ成分を重畳せずノイズの少ない出力信号を得ることができるため、焦点検出の精度を高めることができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、モード切り替えの判定をボトム検出回路１０５から出力されるボトム信号ＢＯＵＴによって行った。第２の実施形態では、モード切り替えの判定をピーク検出回路１０６から出力されるピーク信号ＰＯＵＴによって行うことを特徴とする。なお、焦点検出センサ２０５の構成や動作、ラインセンサＬ１〜Ｌ３の配置は第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は省略する。
図８は、第２の実施形態におけるモード切り替え制御部１０８の構成例を示すブロック図である。モード切り替え制御部１０８は、蓄積終了判定部１４０１と、蓄積終了判定値格納部１４０２と、モード切り替え判定部１４０３と、モード切り替え判定値格納部１４０４と、差分算出部１４０５とを有する。差分算出部（検出部）１４０５は、ピーク検出回路１０６から出力されるピーク信号ＰＯＵＴとボトム検出回路１０５から出力されるボトム信号ＢＯＵＴとの差分値ＰＯＵＴ−ＢＯＵＴを信号ＰＢＯＵＴとして出力する。蓄積終了判定値格納部１４０２は、焦点状態（デフォーカス量）を算出するために必要なコントラスト値（ピーク信号ＰＯＵＴとボトム信号ＢＯＵＴの差分）を蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐとして格納する。すなわち、コントラスト値が蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達した場合には、ラインセンサＬ１は、デフォーカス量の算出が可能であると判断して蓄積を終了するための値である。
蓄積終了判定部１４０１は、不図示の比較器を有し、比較器の一方の入力には、差分算出部１４０５から出力される差分信号（第２の検出信号）ＰＢＯＵＴが入力され、もう一方の入力には、蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐが入力される。比較結果が、ＰＯＵＴ≧Ｖｓｔｏｐであれば、信号ＳＴＯＰ１として１を出力し、それ以外の時は０を出力する。信号ＳＴＯＰ１の値は、レジスタ９００のレジスタＳＴＯＰ１に書き込まれる。ＡＦ制御部１００は、蓄積終了レジスタＳＴＯＰ１に１が設定されると、転送部１０２を制御し蓄積動作を停止する。
ここで、図９を用いて、第１の動作モードにおける蓄積時間に対するピーク信号ＰＯＵＴとボトム信号ＢＯＵＴと差分信号ＰＢＯＵＴの関係を説明する。図９は、時間Ｔｓにおいて、差分信号ＰＢＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達し、蓄積を終了した時の状態を表している。
時間Ｔが０の時、すなわち蓄積時間が０の時、ラインセンサＬ１の各メモリ部１０４の積分値は全てリセット電圧Ｖｒｓｔとなっているため、ピーク信号ＰＯＵＴ及びボトム信号ＢＯＵＴは所定のリセット電圧Ｖｒｓｔを出力する。時間の経過とともに、各メモリ部１０４の積分値は被写体に応じて変化し、差分信号ＰＢＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達した時間Ｔｓで、蓄積動作を終了する。図９において、電圧Ｖｔ１〜Ｖｔ６（Ｖｔ１は不図示）は、モード切り替え判定値を表している。モード切り替え判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６は、第１の動作モードにおいて、蓄積打ち切り時間Ｔｓｔｏｐで画素飽和出力となる光量が焦点検出センサ２０５に照射した時に、ピーク検出回路１０６から出力される出力値を、蓄積時間毎にサンプリングして予め格納する。
なお、蓄積時間が長くなると、電荷蓄積中に生じる被写体ブレなどの影響でＡＦ精度が悪化する場合があるため、蓄積の打ち切り時間Ｔｓｔｏｐが設定されている。差分信号ＰＢＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐ以下であっても蓄積開始から時間Ｔｓｔｏｐ経った時点でカメラ制御部２０１から通信により強制的にラインセンサＬ１の蓄積動作を終了させることができる。
モード切り替え判定値格納部１４０４は、図１０に示すように、蓄積時間Ｔｓ毎にモード切り替え判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６を格納する。そして、モード切り替え判定値格納部１４０４は、レジスタ９００の蓄積終了時間ＴＳＤＡＴＡ１に対応したモード切り替判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６を選択し、モード切り替え判定部１４０３に出力する。
モード切り替え判定部１４０３は、不図示の比較器を有し、一方の入力端子にピーク検出回路１０６から出力されるピーク信号（第１の検出信号）ＰＯＵＴを入力し、もう一方の入力端子にはモード切り替え判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６が入力される。比較結果が、ＰＯＵＴ≦Ｖｔ１〜Ｖｔ６であれば、信号ＭＯＤＥ１として１を出力し、それ以外の時は、０を出力する。すなわち、ＢＯＵＴ≦Ｖｔ１〜Ｖｔ６であれば第２の動作モードに設定され、それ以外の時は、第１の動作モードに設定される。信号ＭＯＤＥ１の値は、レジスタ９００のレジスタＭＯＤＥ１に書き込まれる。
例えば、図９の場合、差分信号ＰＢＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達した時間Ｔｓにおいて、ピーク信号ＰＯＵＴは、モード切り替え判定値Ｖｔ５より小さいため、モード切り替え判定部１４０３は、信号ＭＯＤＥ１として１を出力する。モード切り替え判定部１４０３は、第１の動作モードにおいて、ピーク検出回路１０６から出力される値が所望の値より低い場合、すなわち、被写体が全体的に暗いために信号出力が低く、ノイズの影響が無視できないような場合に、第２の動作モードに切り替える。第２の動作モードでは、蓄積期間中にメモリ部１０４で発生するノイズを重畳せず、第１の動作モードに比較してノイズの小さい信号を得ることができるため、焦点検出の精度を高めることができる。
なお、モード切り替え判定値は、蓄積時間毎に離散的に設定しているが、蓄積時間に比例したランプ信号を用いてもよい。すなわち、第１の動作モードにおいて、蓄積打ち切り時間Ｔｓｔｏｐで画素飽和出力となる光量が焦点検出センサ２０５に照射した時に、ピーク検出回路１０６から出力される信号をランプ信号として発生させ、モード切り替え判定部１４０３に入力してもよい。
次に、焦点検出センサ２０５の蓄積動作について、図７のフローチャートを用いて説明する。なお、第１の実施形態と動作が異なるステップについてのみ詳細に説明し、その他のステップについては、第１の実施形態と同様のため詳細な説明は省略する。
ステップＳ１２００では、初めに、外部（例えば、カメラ等のメイン制御部）からレジスタ９００のレジスタＳＴＡＲＴ１に１が設定されると、ＡＦ制御部１００は、ラインセンサＬ１の動作を開始させる。
ステップＳ１２０１では、ＡＦ制御部１００は、ラインセンサＬ１の初期リセット動作を行う。ステップＳ１２０２では、ＡＦ制御部１００は、蓄積開始動作を行う。ステップＳ１２０３では、蓄積終了判定部１４０１は、蓄積終了判定を行い、判定結果をレジスタＳＴＯＰ１に設定する。蓄積終了判定部１４０１は、ラインセンサＬ１の差分信号ＰＢＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達しているか否か、又は、蓄積時間Ｔｓが蓄積打ち切り時間Ｔｓｔｏｐに達したか否かによって蓄積終了を判定し、レジスタＳＴＯＰ１に判定結果を設定する。レジスタＳＴＯＰ１が０の場合は、レジスタＳＴＯＰ１が１に設定されるまで判定動作を継続する。
レジスタＳＴＯＰ１が１の場合、ステップＳ１２０４で、ＡＦ制御部１００は、ラインセンサＬ１の蓄積動作を終了するために、信号ＰＴＸ１をローレベルにし、メモリ部１０４が信号電荷を保持する。次に、ステップＳ１２０５では、ＡＦ制御部１００は、蓄積を終了した時間Ｔｓを蓄積終了時間レジスタＴＳＤＡＴＡ１に保持する。
ステップＳ１２０６では、モード切り替え判定部１４０３は、ピーク検出回路１０６から出力されるピーク信号ＰＯＵＴとモード切り替え判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６とを比較する。そして、モード切り替え判定部１４０３は、ＰＯＵＴ≦判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６の場合、信号ＭＯＤＥ１として１を出力し、レジスタＭＯＤＥ１に１を設定する。モード切り替え判定部１４０３は、ＰＯＵＴ＞判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６の場合、信号ＭＯＤＥ１として０を出力し、レジスタＭＯＤＥ１に０を設定する。レジスタＭＯＤＥ１が０の場合、ラインセンサＬ１の蓄積動作を完了し、ステップＳ１２０７で蓄積終了フラグレジスタＴＲ１に１を設定して終了する。
レジスタＭＯＤＥ１が１の場合、ＡＦ制御部１００は、再度、ラインセンサＬ１のリセット動作を行うため、ステップＳ１２０９で、信号ＰＴＸ１と信号ＰＲＥＳ１をハイレベルに設定する。ステップＳ１２１０では、ＡＦ制御部１００は、蓄積開始動作を行い、ステップＳ１２１１で、蓄積終了判定を行う。ステップＳ１２１１では、ＡＦ制御部１００は、蓄積時間Ｔｓが蓄積終了時間ＴＳＤＡＴＡ１と一致するまで判定動作を継続する。すなわち、第２の動作モードの蓄積時間は、ステップＳ１２０３で蓄積終了判定となった蓄積時間と同じになる。
ステップＳ１２１１で、蓄積時間Ｔｓが蓄積終了時間ＴＳＤＡＴＡ１と一致すると、ＡＦ制御部１００は、ステップＳ１２１２で、信号ＰＲＥＳ１をローレベルにしてメモリ部１０４のリセットを解除する。その後、ＡＦ制御部１００は、信号ＰＴＸ１をハイレベルにし、転送部１０２を転送状態にする。ステップＳ１２１２で、ＰＤ部１０１で蓄積された信号電荷は、転送部１０２を通じてメモリ部１０４に転送される。ステップＳ１２１３では、ＡＦ制御部１００は、ラインセンサＬ１の信号保持動作を行う。Ｓ１２０７では、ＡＦ制御部１００は、蓄積終了フラグレジスタＴＲ１に１を設定して終了する。
以上説明したように、本実施形態によれば、初めに電荷蓄積期間中に信号電荷を光電変換部１０１からメモリ部１０４に転送し、メモリ部１０４で積分する第１の動作モードで焦点検出動作を行う。第１の動作モードにおいて蓄積が終了した時点で、被写体が全体的に暗くピーク信号ＰＯＵＴが所望の値より小さい場合、第２の動作モードに切り替えて焦点検出動作を行う。第２の動作モードでは、電荷蓄積期間中に信号電荷を光電変換部１０１からメモリ部１０４に転送せず、光電変換部１０１で信号電荷を積分する。また、メモリ部１０４は、信号電荷が読み出されるまでリセットされ続けている。焦点検出センサ２０５は、第２の動作モードに切り替えることで、メモリ部１０４で発生するノイズ成分を重畳せずノイズの少ない出力信号を得ることができるため、被写体が全体的に暗い場合であっても焦点検出の精度を高めることができる。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、モード切り替えの判定をピーク検出回路１０６から出力されるピーク信号ＰＯＵＴとボトム検出回路１０５から出力されるボトム信号ＢＯＵＴとの差分信号ＰＢＯＵＴによって行う。なお、焦点検出センサ２０５の構成や動作、ラインセンサＬ１〜Ｌ３の配置は第１の実施形態と同様であるため重複する説明は省略する。
図１１は、第３の実施形態におけるモード切り替え制御部１０８の構成例を示すブロック図である。モード切り替え制御部１０８は、蓄積終了判定部１６０１と、蓄積終了判定値格納部１６０２と、モード切り替え判定部１６０３と、モード切り替え判定値格納部１６０４と、差分算出部１６０５とを有する。差分算出部（検出部）１６０５は、ピーク検出回路１０６から出力されるピーク信号ＰＯＵＴとボトム検出回路１０５から出力されるボトム信号ＢＯＵＴとの差分値ＰＯＵＴ−ＢＯＵＴを信号ＰＢＯＵＴとして出力する。蓄積終了判定値格納部１６０２は、蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐを格納する。蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐは、ラインセンサＬ１の画素飽和時の出力値に等しい値である。すなわち、蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐは、ピーク信号ＰＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達した場合には、ラインセンサＬ１は画素飽和状態にあると判断し蓄積を終了するための値である。
蓄積終了判定部１６０１は、不図示の比較器を有し、比較器の一方の入力には、ピーク検出回路１０６から出力されるピーク信号（第２の検出信号）ＰＯＵＴが入力され、もう一方の入力には、蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐが入力される。比較結果が、ＰＯＵＴ≧Ｖｓｔｏｐであれば、信号ＳＴＯＰ１として１を出力し、それ以外の時は０を出力する。信号ＳＴＯＰ１の値は、レジスタ９００のレジスタＳＴＯＰ１に書き込まれる。ＡＦ制御部１００は、蓄積終了レジスタＳＴＯＰ１に１が設定されると、転送部１０２を制御し蓄積動作を停止する。
ここで、図１２を用いて、第１の動作モードにおける蓄積時間に対するピーク信号ＰＯＵＴとボトム信号ＢＯＵＴと差分信号ＰＢＯＵＴとの関係を説明する。図１２は、時間Ｔｓにおいて、ピーク信号ＰＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達し、蓄積を終了した時の状態を表している。
時間Ｔが０の時、すなわち蓄積時間が０の時、ラインセンサＬ１の各メモリ部１０４の積分値は全てリセット電圧Ｖｒｓｔとなっているため、ピーク信号ＰＯＵＴ及びボトム信号ＢＯＵＴは所定のリセット電圧Ｖｒｓｔになる。時間の経過とともに、各メモリ部１０４の積分値は被写体に応じて変化し、ピーク信号ＰＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達した時間Ｔｓで、蓄積動作を終了する。図１２において、Ｖｔ１〜Ｖｔ６(Ｖｔ１は不図示)は、モード切り替え判定値を表している。モード切り替え判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６は、第１の動作モードにおいて、デフォーカス量を算出するために必要なコントラスト値（ピーク信号ＰＯＵＴとボトム信号ＢＯＵＴの差分）を、蓄積時間毎に設定したものである。
なお、蓄積時間が長くなると、電荷蓄積中に生じる被写体ブレなどの影響でＡＦ精度が悪化する場合があるため、蓄積の打ち切り時間Ｔｓｔｏｐが設定されている。ピーク信号ＰＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐ以下であっても蓄積開始からＴｓｔｏｐ時間経った時点でカメラ制御部２０１から通信により強制的にラインセンサＬ１の蓄積動作を終了させることができる。
モード切り替え判定値格納部１６０４は、図１０に示すように、蓄積時間毎にモード切り替え判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６を格納する。そして、モード切り替え判定値格納部１６０４は、レジスタ９００の蓄積終了時間ＴＳＤＡＴＡ１に対応したモード切り替判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６を選択し、モード切り替え判定部１６０３に出力する。モード切り替え判定部１６０３は、不図示の比較器を有し、一方の入力端子に差分算出部１６０５から出力される差分信号（第１の検出信号）ＰＢＯＵＴを入力し、もう一方の入力端子にはモード切り替え判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６を入力し、比較する。比較結果が、ＰＢＯＵＴ≦Ｖｔ１〜Ｖｔ６であれば、信号ＭＯＤＥ１として１を出力し、それ以外の時は、０を出力する。すなわち、ＰＢＯＵＴ≦Ｖｔ１〜Ｖｔ６であれば第２の動作モードに設定され、それ以外の時は、第１の動作モードに設定される。信号ＭＯＤＥ１の値は、レジスタ９００のレジスタＭＯＤＥ１に書き込まれる。
例えば、図１２の場合、ピーク信号ＰＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達した時間Ｔｓにおいて、差分信号ＰＢＯＵＴは、モード切り替え判定値Ｖｔ５より小さいため、モード切り替え判定部１６０３は、信号ＭＯＤＥ１として１を出力する。すなわち、モード切り替え判定部１６０３は、第１の動作モードにおいて、デフォーカス量を算出するために必要なコントラスト値に満たない場合、第２の動作モードに切り替える。なお、本実施例では、蓄積時間毎にモード切り替え判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６を設定しているが、蓄積時間毎に判定値を備えるのではなく、蓄積時間一律に１つの値のみを設定してもよい。第２の動作モードでは、蓄積期間中にリセット部１０３で発生するノイズを重畳せず、第１の動作モードに比較してノイズの小さい信号を得ることができるため、例えば読み出し時のゲインを上げることにより焦点検出の精度を高めることができる。
次に、本実施形態における焦点検出センサ２０５の蓄積動作について、図７のフローチャートを用いて説明する。なお、第１の実施形態と動作が異なるステップについてのみ詳細に説明し、その他のステップについては、第１の実施形態と同様のため詳細な説明は省略する。
ステップＳ１２００では、初めに、外部（例えば、カメラ等のメイン制御部）からレジスタ９００のレジスタＳＴＡＲＴ１に１が設定されると、ＡＦ制御部１００は、ラインセンサＬ１の動作を開始させる。ステップＳ１２０１では、ＡＦ制御部１００は、ラインセンサＬ１の初期リセット動作を行う。Ｓ１２０２では、ＡＦ制御部１００は、蓄積開始動作を行う。ステップＳ１２０３では、蓄積終了判定部１６０１は、蓄積終了判定を行い、判定結果をレジスタＳＴＯＰ１に設定する。具体的には、ラインセンサＬ１のピーク信号ＰＯＵＴが蓄積終了判定値Ｖｓｔｏｐに達しているか否か、又は、蓄積時間Ｔｓが蓄積打ち切り時間Ｔｓｔｏｐに達したか否かによって蓄積終了を判定し、レジスタＳＴＯＰ１に判定結果を設定する。レジスタＳＴＯＰ１が０の場合は、レジスタＳＴＯＰ１が１に設定されるまで判定動作を継続する。
レジスタＳＴＯＰ１が１の場合、ステップＳ１２０４で、ＡＦ制御部１００は、ラインセンサＬ１の蓄積動作を終了するために、信号ＰＴＸ１をハイレベルにし、メモリ部１０４が信号電荷を保持する。次に、ステップＳ１２０５では、ＡＦ制御部１００は、蓄積を終了した時間Ｔｓを蓄積終了時間レジスタＴＳＤＡＴＡ１に保持する。ステップＳ１２０６では、モード切り替え判定部１６０３は、差分算出部１６０５から出力される差分信号ＰＢＯＵＴとモード切り替え判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６とを比較する。そして、モード切り替え判定部１６０３は、ＰＢＯＵＴ≦判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６の場合、信号ＭＯＤＥ１として１を出力し、レジスタＭＯＤＥ１に１を設定する。ＡＦ制御部１００は、ＰＢＯＵＴ＞判定値Ｖｔ１〜Ｖｔ６の場合、信号ＭＯＤＥ１として０を出力し、レジスタＭＯＤＥ１レジスタに０を設定する。レジスタＭＯＤＥ１が０の場合、ラインセンサＬ１の蓄積動作を完了し、ステップＳ１２０７で、蓄積終了フラグレジスタＴＲ１に１を設定して終了する。
レジスタＭＯＤＥ１が１の場合、ＡＦ制御部１００は、再度、ラインセンサＬ１のリセット動作を行うため、ステップＳ１２０９で、信号ＰＴＸ１と信号ＰＲＥＳ１をハイレベルに設定する。ＡＦ制御部１００は、ステップＳ１２１０で、蓄積開始動作を行い、Ｓ１２１１で、蓄積終了判定を行う。ステップＳ１２１１では、ＡＦ制御部１００は、蓄積時間Ｔｓが蓄積終了時間ＴＳＤＡＴＡ１と一致するまで判定動作を継続する。すなわち、第２の動作モードの蓄積時間は、ステップＳ１２０３で蓄積終了判定となった蓄積時間と同じになる。
ステップＳ１２１１で、蓄積時間Ｔｓが蓄積終了時間ＴＳＤＡＴＡ１と一致すると、ＡＦ制御部１００は、ステップＳ１２１２で、信号ＰＲＥＳ１をローレベルにしてメモリ部１０４のリセットを解除する。その後、ＡＦ制御部１００は、信号ＰＴＸ１をハイレベルにし、転送部１０２を転送状態にする。ステップＳ１２１２では、光電変換部１０１で蓄積された信号電荷は、転送部１０２を通じてメモリ部１０４に転送される。ＡＦ制御部１００は、ステップＳ１２１３では、ラインセンサＬ１の信号保持動作を行い、Ｓ１２０７では、蓄積終了フラグレジスタＴＲ１に１を設定して終了する。
以上説明したように、本実施形態によれば、初めに電荷蓄積期間中に信号電荷を光電変換部１０１からメモリ部１０４に転送し、メモリ部１０４で積分する第１の動作モードで焦点検出動作を行う。第１の動作モードにおいて蓄積が終了した時点で、デフォーカス量を算出するために必要なコントラスト値に満たない場合、第２の動作モードに切り替えて焦点検出動作を行う。第２の動作モードでは、電荷蓄積期間中に信号電荷を光電変換部１０１からメモリ部１０４に転送せず、光電変換部１０１で信号電荷を積分する。また、メモリ部１０４は、信号電荷が読み出されるまでリセットされ続けている。焦点検出センサ２０５は、第２の動作モードに切り替えることで、リセット部１０３などで発生するノイズ成分を重畳せずノイズの少ない出力信号を得ることができるため、例えば読み出し時のゲインを上げることにより焦点検出の精度を高めることができる。
（第４の実施形態）
図１３は、本発明の第４の実施形態に係る焦点検出センサ２０５を用いた光学機器の一例としてのカメラ（撮像システム）２００の構成例を示すブロック図である。なお、カメラ２００の構成のうち、自動焦点検出に係る構成以外の構成については省略している。カメラ２００は、カメラ全体の制御を司るカメラ制御部２０１、レリーズボタンの操作に連動したスイッチ２０７、撮像レンズを駆動するためのレンズ通信回路２０２を有する。さらに、カメラ２００は、撮像センサ２０３、被写体の輝度を測定するための測光センサ２０４、焦点状態（デフォーカス量）を検出するための焦点検出センサ２０５、シャッタの開閉を制御するためのシャッタ制御回路２０６を有する。スイッチ２０７は、不図示のレリーズボタンの操作によってオン／オフする２つのスイッチＳＷ１及びＳＷ２を有する。ここで、スイッチＳＷ１はレリーズボタンの第１ストローク（半押し）操作でオンし、スイッチＳＷ２はレリーズボタンの第２ストローク（全押し）操作でオンするものとする。また、スイッチＳＷ１のオンは焦点検出動作を含む撮像準備動作の開始指示に相当し、スイッチＳＷ２のオンは撮像動作の開始指示に相当するものとする。
レンズ通信回路２０２は、カメラ制御部２０１の制御に従って不図示の撮像レンズとレンズ信号２０８を通信し、撮像レンズのフォーカシングレンズや、撮像レンズが有する絞りを制御する。シャッタ制御回路２０６は、カメラ制御部２０１の制御に従って不図示のシャッタ機構が有する電磁石２０９a、２０９bの通電時間を制御することで、シャッタの開閉を制御する。焦点検出センサ２０５は、上記のように、３つのラインセンサＬ１〜Ｌ３を備えており、各ラインセンサＬ１〜Ｌ３から出力される信号像（Ａ像信号、Ｂ像信号）の位相差を基に、撮像レンズの焦点状態（デフォーカス量）を検出する。
カメラ制御部２０１は、不図示のプログラムを格納したＲＯＭ、変数を記憶するためのＲＡＭ、諸パラメータを記憶するためのＥＥＰＲＯＭ（電気的消去、書き込み可能メモリ）を有する。そして、カメラ制御部２０１は、プログラムに基づいて各部を制御することにより、カメラ２００の全体的な動作を制御する。カメラ制御部２０１は、スイッチＳＷ２がオンすると、測光センサ２０４を制御して被写体の輝度を検出し、被写体輝度に応じて撮像レンズの絞り値やシャッタスピード等の撮像条件を決定する。また、カメラ制御部２０１は、レンズ通信回路２０２とシャッタ制御回路２０６とを通じ、決定した撮像条件で撮像センサ２０３を露光する。そして、カメラ制御部２０１は、撮像センサ２０３で蓄積された電荷を読み出し、画像処理を適用することにより、撮像画像データを生成し、図示しない記録媒体に記録する一連の撮像動作を実行する。
図１４は、カメラ２００が有する光学部品とその配置例を示す図であり、カメラ２００の側方から見た光学部品の配置例を示している。なお、図１４では撮像レンズ３０１が含まれているが、撮像レンズ３０１は着脱可能であってもよい。撮像レンズ３０１を介して入射した被写体からの光束３００の大部分は、クイックリターンミラー３０２で上方に反射され、ファインダスクリーン３１０上に結像する。撮像者は、ファインダスクリーン３１０に結像した被写体像をペンタプリズム３１１及び接眼レンズ３１３を介して観察する。接眼レンズ３１３の上方には、測光結像レンズ３１２と測光センサ２０４が設けられる。測光センサ２０４は、ファインダスクリーン３１０に結像した被写体像を測光結像レンズ３１２を通じて受光することで、被写体輝度を測定することができる。
一方、撮像レンズ３０１から入射した光束３００の一部は、クイックリターンミラー３０２を透過し、後方のサブミラー３０９により、下方にある焦点検出光学系に導かれる。焦点検出光学系に入射した光束３００は、視野マスク３０８、赤外カットフィルタ３０７、フィールドレンズ３０６、反射ミラー３０５、絞り３０３、二次結像レンズ３０４を経て焦点検出センサ２０５上に結像する。焦点検出センサ２０５は、結像した像を光電変換して得られる像信号の位相差に基づいて、撮像レンズ３０１の焦点状態（デフォーカス量）を検出することができる。
スイッチ２０７のスイッチＳＷ２がオンになり、撮像動作を行う場合、クイックリターンミラー３０２が上方に回転して光路から退避し、フォーカルプレーンシャッタ３１４が開く。これにより、撮像レンズ３０１から入射した被写体像の光束３００で撮像センサ２０３が露光される。
図１５は、カメラが有する焦点検出光学系の構成を模式的に示した斜視図である。なお、図１５において、説明及び理解を容易にするため、図１４に示した焦点検出光学系のうち反射ミラー３０５及び赤外カットフィルタ３０７を除いた構成を示している。サブミラー３０９で反射された被写体像の光束３００は、視野マスク３０８の近傍に一旦結像する。視野マスク３０８は、視野（画面）内の焦点検出領域（測距点）を決定するための遮光部材で、中央及び左右に配置された縦長の開口部を有する。
フィールドレンズ３０６は、３つのレンズから構成され、それぞれ視野マスク３０８の３つの開口部に対応している。フィールドレンズ３０６の後方には、絞り３０３が配置されている。絞り３０３には、視野マスク３０８の開口部に対応する開口部が中央及び左右にそれぞれ設けられている。フィールドレンズ３０６は、絞り３０３の各開口部を撮像レンズ３０１の射出瞳付近に結像する作用を有している。絞り３０３の後方には、二次結像レンズ３０４が設けられている。二次結像レンズ３０４は、絞り３０３の各開口部に対応した位置に設けられた６つのレンズを有する。視野マスク３０８、フィールドレンズ３０６、絞り３０３、二次結像レンズ３０４を通過した各光束は、焦点検出センサ２０５に含まれる複数のラインセンサＬ１〜Ｌ３上に結像する。
図１６（ａ）は、焦点検出センサ２０５のラインセンサＬ１〜Ｌ３の配置例を示す図である。ラインセンサＬ１〜Ｌ３は、それぞれ、１対のセンサアレイＬ１ＡとＬ１Ｂ、センサアレイＬ２ＡとＬ２Ｂ、センサアレイＬ３ＡとＬ３Ｂを有する。各センサアレイは、センサとしての画素回路が複数、一列に配置された構成を有し、各画素回路の出力から像信号（Ａ像信号、Ｂ像信号）を得ることができる。そして、１対のセンサアレイの各々から得られた像信号の位相差から、撮像レンズ３０１の焦点状態（デフォーカス量）を検出することができる。１対のセンサアレイは、二次結像レンズ３０４などの焦点検出光学系により、ファインダ画面上のほぼ同じ領域に投影され、この領域が測距点を形成する。
図１６（ｂ）は、図１６（ａ）に示す焦点検出センサ２０５に対応するファインダ画面５０１における測距点１〜３とラインセンサＬ１〜Ｌ３の位置関係を示す図である。ファインダ画面５０１には、ラインセンサＬ１に対応する測距点１と、ラインセンサＬ２に対応する測距点２と、ラインセンサＬ３に対応する測距点３の計３つの測距点が存在する。各測距点は、被写体像の縦方向のコントラスト像から撮像レンズ３０１の焦点状態を検出することができる。
図１７は、焦点検出センサ２０５を備えたカメラ２００の動作例を示すフローチャートである。この動作は、ステップＳ１３００で、図１３で示したカメラ２００のスイッチＳＷ１がオンしたことにより、カメラ制御部２０１が実行するものとする。
ステップＳ１３０１では、カメラ制御部２０１は、焦点検出センサ２０５のＡＦ制御部１００と通信し、ＡＦ制御部１００のレジスタＳＴＡＲＴ１〜ＳＴＡＲＴ３に１を設定することにより、ＡＦ蓄積動作を開始させる。これにより、焦点検出センサ２０５は、ラインセンサＬ１〜Ｌ３に対し、図７を用いて説明した蓄積動作を開始する。
ステップＳ１３０２では、カメラ制御部２０１は、焦点検出センサ２０５における蓄積動作が終了したかどうかを、ＡＦ制御部１００の蓄積終了フラグレジスタＴＲ１〜ＴＲ３の値から判定する。蓄積終了フラグレジスタＴＲ１〜ＴＲ３が全て１の場合は、ラインセンサＬ１〜Ｌ３の全てについて蓄積動作が終了しているので、カメラ制御部２０１は、ステップＳ１３０３の処理に進む。一方、蓄積終了フラグレジスタＴＲ１〜ＴＲ３のうち１つでも０のレジスタがある場合、カメラ制御部２０１は、蓄積動作が終了していないラインセンサがあると判断し、蓄積終了が検出されるまで同じ処理を継続して実行する。
ステップＳ１３０３では、カメラ制御部２０１は、ＡＦ制御部１００と通信し、ラインセンサＬ１〜Ｌ３で得られた画素信号を読み出す。ＡＦ制御部１００は、読み出し指示に応じて信号ＳＨＩＦＴ１〜ＳＨＩＦＴ３を出力し、ラインセンサＬ１〜Ｌ３のシフトレジスタ１０７を駆動して信号を読み出し、カメラ制御部２０１に出力する。カメラ制御部２０１は、焦点検出センサ２０５から出力されるラインセンサＬ１〜Ｌ３の画素信号を順次アナログ／デジタル変換し、図示しないＲＡＭに記憶する。
ステップＳ１３０４では、カメラ制御部２０１は、ステップＳ１３０３で得たラインセンサＬ１〜Ｌ３の画素信号から、測距点毎にデフォーカス量を算出する。
ステップＳ１３０５では、カメラ制御部２０１は、主被写体に対応した測距点に対するデフォーカス量が所望の範囲内であれば合焦と判断し、ステップＳ１３０６へ移行する。一方、いずれのデフォーカス量も所望の範囲外ならば、ステップＳ１３１２でカメラ制御部２０１は、ステップＳ１３０４で求めた測距点毎のデフォーカス量の１つに対応する量のレンズ駆動をレンズ通信回路２０２を介して撮像レンズ３０１に指示する。そして、カメラ制御部２０１は、ステップＳ１３０１の処理に戻り、合焦状態と判断されるまで前述の動作を繰り返す。
次に、ステップＳ１３０６では、カメラ制御部２０１は、スイッチＳＷ２の状態を検出し、オンの場合は、ステップＳ１３０７からの撮像動作を開始する。一方、ステップＳ１３０６でスイッチＳＷ２がオフの場合、カメラ制御部２０１は、ステップＳ１３１３でスイッチＳＷ１の状態を検出する。ステップＳ１３１３で、スイッチＳＷ１が依然としてオンであれば、カメラ制御部２０１は、ステップＳ１３０１からの処理を繰り返し、スイッチＳＷ１がオフになっていれば、ＡＦ動作を終了する。
ステップＳ１３０７では、カメラ制御部２０１は、測光センサ２０４を用いて検出した値から露出値を算出し、露出値に対応する絞り値及びシャッタ速度を決定する。
ステップＳ１３０８では、カメラ制御部２０１は、クイックリターンミラー３０２を撮像光路から退避させると同時に、レンズ通信回路２０２を通じて撮像レンズ３０１に対し、絞りをステップＳ１３０７で決定した絞り値に対応する開口とするように指示する。
次に、クイックリターンミラー３０２が撮像光路から完全に退避すると、ステップＳ１３０９では、カメラ制御部２０１は、シャッタ制御回路２０６を介して電磁石２０９ａ、２０９ｂの通電時間によりシャッタスピードを制御し、撮像センサ２０３を露光する。
ステップＳ１３１０では、カメラ制御部２０１は、クイックリターンミラー３０２を撮像光路中の位置に戻し、撮像動作を終了する。その後、撮像センサ２０３で蓄積された画像信号の処理が行われる。
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
１０１ 光電変換部、１０２ 転送部、１０３ リセット部、１０４ メモリ部、１０５ ボトム検出回路、１０６ ピーク検出回路、１１２ モード切り替え判定部

Claims (16)

  1. 光を電荷に変換する複数の光電変換部と、
    前記複数の光電変換部で生成された電荷を画素信号としてそれぞれ保持する複数のメモリ部と、
    前記複数の光電変換部の電荷を前記複数のメモリ部にそれぞれ転送する転送部と、
    前記複数の光電変換部及び前記複数のメモリ部をリセットするリセット部と、
    前記複数のメモリ部に保持されている画素信号を基に第１の検出信号を出力する検出部と、
    前記複数の光電変換部のリセットの後の電荷蓄積期間中に、前記転送部を転送状態にする第１の動作モードと、前記複数の光電変換部のリセットの後の電荷蓄積期間中に、前記転送部を非転送状態にして前記複数の光電変換部に電荷を蓄積する第２の動作モードとを切り替えるモード切り替え判定部とを有し、
    前記モード切り替え判定部は、前記第１の動作モードにおいて得られた前記第１の検出信号に応じて、前記第１の動作モードから前記第２の動作モードに切り替える
    ことを特徴とする焦点検出センサ。
  2. 前記第１の検出信号は、前記複数のメモリ部に保持されている画素信号のうちの最小値であることを特徴とする請求項１記載の焦点検出センサ。
  3. 前記第１の検出信号は、前記複数のメモリ部に保持されている画素信号のうちの最大値であることを特徴とする請求項１記載の焦点検出センサ。
  4. 前記第１の検出信号は、前記複数のメモリ部に保持されている画素信号のうちの最小値と最大値との差分値であることを特徴とする請求項１記載の焦点検出センサ。
  5. 前記検出部は、前記複数のメモリ部に保持されている画素信号を基に第２の検出信号を出力し、
    さらに、前記第２の検出信号に応じて、前記電荷蓄積期間を終了させる蓄積終了判定部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の焦点検出センサ。
  6. 前記第２の検出信号は、前記複数のメモリ部に保持されている画素信号のうちの最大値であることを特徴とする請求項５記載の焦点検出センサ。
  7. 前記第２の検出信号は、前記複数のメモリ部に保持されている画素信号のうちの最小値と最大値との差分値であることを特徴とする請求項５記載の焦点検出センサ。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の焦点検出センサと、
    前記焦点検出センサに光束を結像させるレンズと
    を有することを特徴とする撮像システム。
  9. 光を電荷に変換する複数の光電変換部と、
    前記複数の光電変換部で生成された電荷を画素信号としてそれぞれ保持する複数のメモリ部と、
    前記複数の光電変換部の電荷を前記複数のメモリ部にそれぞれ転送する転送部と、
    前記複数の光電変換部及び前記複数のメモリ部をリセットするリセット部と、
    前記複数のメモリ部に保持されている画素信号を基に第１の検出信号を出力する検出部と、
    前記複数の光電変換部のリセットの後の電荷蓄積期間中に、前記転送部を転送状態にする第１の動作モードと、前記複数の光電変換部のリセットの後の電荷蓄積期間中に、前記転送部を非転送状態にして前記複数の光電変換部に電荷を蓄積する第２の動作モードとを切り替えるモード切り替え判定部とを有し、
    前記モード切り替え判定部は、前記第１の動作モードにおいて得られた前記第１の検出信号に応じて、前記第１の動作モードから前記第２の動作モードに切り替える
    ことを特徴とする測距センサ。
  10. 前記第１の検出信号は、前記複数のメモリ部に保持されている画素信号のうちの最小値であることを特徴とする請求項９記載の測距センサ。
  11. 前記第１の検出信号は、前記複数のメモリ部に保持されている画素信号のうちの最大値であることを特徴とする請求項９記載の測距センサ。
  12. 前記第１の検出信号は、前記複数のメモリ部に保持されている画素信号のうちの最小値と最大値との差分値であることを特徴とする請求項９記載の測距センサ。
  13. 前記検出部は、前記複数のメモリ部に保持されている画素信号を基に第２の検出信号を出力し、
    さらに、前記第２の検出信号に応じて、前記電荷蓄積期間を終了させる蓄積終了判定部を有することを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の測距センサ。
  14. 前記第２の検出信号は、前記複数のメモリ部に保持されている画素信号のうちの最大値であることを特徴とする請求項１３記載の測距センサ。
  15. 前記第２の検出信号は、前記複数のメモリ部に保持されている画素信号のうちの最小値と最大値との差分値であることを特徴とする請求項１３記載の測距センサ。
  16. 請求項９〜１５のいずれか１項に記載の測距センサと、
    前記測距センサに光束を結像させるレンズと
    を有することを特徴とする撮像システム。
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