JP6579614B2 - Imaging device, imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、行列状に配列された複数の画素の中に位相差画素を離散的に配置した撮像素子、撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging device and an imaging apparatus in which phase difference pixels are discretely arranged among a plurality of pixels arranged in a matrix.
従来より、行列状に配列された複数の画素の中に位相差画素を離散的に配置して、位相差画素から出力される電荷を位相差検出用の情報として用いることができるようにした撮像素子が実用化され、商品化されている。 Conventionally, imaging in which phase difference pixels are discretely arranged among a plurality of pixels arranged in a matrix so that electric charges output from the phase difference pixels can be used as information for phase difference detection The element has been put into practical use and commercialized.
この位相差画素は、撮像素子の撮像面中の所定配置範囲内にある割合で配置されていて、例えば8画素に1画素の割合等で配置されている。そして、位相差画素の所定配置範囲は、撮像面内の特定の一部だけでなく、近年では撮像面のほぼ全体へと拡大される傾向にある。 The phase difference pixels are arranged at a ratio within a predetermined arrangement range on the imaging surface of the imaging element, and are arranged at a ratio of one pixel to eight pixels, for example. And the predetermined arrangement range of the phase difference pixels tends to be expanded not only to a specific part in the imaging surface but also to almost the entire imaging surface in recent years.
ここに、位相差画素は、レンズの瞳の一部を通過した光のみを光電変換する画素であり、具体的には、通常画素の画素開口の一部を遮光構造にすることで特定方向から入射する光線を遮光し、他の特定方向から入射する光線のみを光電変換することで位相差情報を与える電荷を生成する構成のものとなっている。 Here, the phase difference pixel is a pixel that photoelectrically converts only the light that has passed through a part of the pupil of the lens. Specifically, a part of the pixel opening of the normal pixel has a light-shielding structure so that the phase difference pixel can be changed from a specific direction. It is configured to generate charges that provide phase difference information by blocking incident light rays and photoelectrically converting only incident light rays from other specific directions.
従って、位相差画素により生成される電荷量は、通常画素により生成される電荷量よりも原理的に小さくなるために、位相差画素により生成された信号電荷のS/Nは、通常画素により生成された信号電荷のS/Nよりも低くなる。 Accordingly, since the amount of charge generated by the phase difference pixel is in principle smaller than the amount of charge generated by the normal pixel, the S / N of the signal charge generated by the phase difference pixel is generated by the normal pixel. It becomes lower than the S / N of the signal charge.
ところで、撮像素子には、複数の光電変換画素で生成された電荷をミックスしてから読み出すミックス読出モードで動作するものがある。こうしたミックス読出モードは、例えば、通常、静止画像よりも画素数は少なくて良いが比較的速い一定のフレームレート(60fps等)で読み出す必要がある動画撮影やライブビュー撮影、あるいは、コントラストAFなどに用いられる。 Incidentally, some image sensors operate in a mixed readout mode in which charges generated by a plurality of photoelectric conversion pixels are mixed and then read out. In such a mixed readout mode, for example, for moving image shooting, live view shooting, or contrast AF, which usually requires fewer pixels than a still image but needs to be read at a relatively fast constant frame rate (60 fps or the like). Used.
上述したような位相差画素を備える撮像素子においてミックス読出モードの動作を行う場合に、位相差画素の取り扱いとして、画像用の画素データから除外する方法と、通常画素と区別することなく画像用の画素データとして通常画素とミックスして読み出す方法と、がある。 When an operation of the mixed readout mode is performed in an image sensor including the phase difference pixel as described above, as a method of handling the phase difference pixel, a method for excluding it from pixel data for an image and an image There is a method of reading out pixel data mixed with normal pixels.
これらの内の位相差画素をミックス読み出しの対象から除外する方法は、処理回路を複雑にして消費電力の増加等も招くだけでなく、位相差画素位置の空間情報を間引くことになるために、位相差パターンに起因したモアレの発生、色付き、線の縮れ化等の画質劣化を引き起こしてしまう。画素全体における位相差画素の割合が極めて低いときにはこうした影響を無視することも可能であったが、位相差画素の割合が高まってきている近年の撮像素子に対しては無視することができない。 The method of excluding these phase difference pixels from the target of the mix readout not only causes the processing circuit to be complicated and increases the power consumption, but also thins out the spatial information of the phase difference pixel position. Image quality deterioration such as generation of moire due to the phase difference pattern, coloring, and line shrinkage is caused. Such influence can be ignored when the ratio of the phase difference pixels in the whole pixel is extremely low, but it cannot be ignored for the recent image pickup device in which the ratio of the phase difference pixels is increasing.
そこで、ミックス読出モードの動作を行う際には、位相差画素により生成された電荷もミックスして読み出すと共に、位相差画素がミックスされたミックス画素の画質劣化(感度低下、フォーカスがずれている被写体上に発生する例えばギザギザ状の幾何学模様、等の位相差画素に起因する画質劣化)を、後段のデジタル処理により補正するようにしている。 Therefore, when performing the mixed read mode operation, the charges generated by the phase difference pixels are also mixed and read out, and the image quality of the mix pixel mixed with the phase difference pixels is deteriorated (sensitivity is decreased, the subject is out of focus). For example, image quality deterioration due to phase difference pixels such as a jagged geometric pattern) generated on the top is corrected by digital processing in the subsequent stage.
具体例として、特開2015−23312号公報には、位相差画素により生成された電荷もミックスして読み出す撮像素子が記載されている。 As a specific example, Japanese Patent Laying-Open No. 2015-23312 describes an imaging device that mixes and reads out charges generated by phase difference pixels.
上述したような位相差画素の電荷量が通常画素の電荷量よりも小さくなる点に対応する方法として、例えば、通常画素に対する電子シャッタと位相差画素に対する電子シャッタとを独立に制御して、位相差画素の露光時間と通常画素の露光時間とを異ならせ、それぞれの画素に最適な電荷蓄積時間となるようにすることが考えられる。 As a method corresponding to the point that the charge amount of the phase difference pixel becomes smaller than the charge amount of the normal pixel as described above, for example, the electronic shutter for the normal pixel and the electronic shutter for the phase difference pixel are controlled independently. It is conceivable that the exposure time of the phase difference pixel and the exposure time of the normal pixel are made different so that the optimum charge accumulation time is obtained for each pixel.
しかし、撮影範囲内に移動被写体が存在する場合は、露光時間が異なる位相差画素と通常画素とで被写体の移動量(ぶれ量)が異なるために、位相差画素の配置パターンを反映した被写体の不自然なブレ像の画像データが得られることとなってしまう。従って、こうした画像データを、位相差画素を含むようにミックス読み出しする場合には、ミックス画素に位相差画素が含まれるか否か、さらに含まれる場合には1つのミックス画素に何画素分の位相差画素が含まれるか、といったパターンが反映された画像が撮像素子から出力されてしまう。 However, if there is a moving subject within the shooting range, the amount of movement (blurring amount) of the subject differs between the phase difference pixels and the normal pixels that have different exposure times. Image data of an unnatural blur image will be obtained. Therefore, when such image data is mixed and read out so as to include phase difference pixels, whether or not the phase difference pixels are included in the mix pixels, and how many pixels are included in one mix pixel when included. An image reflecting a pattern indicating whether or not a phase difference pixel is included is output from the image sensor.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、通常画素から適切な露光量の電荷を得られると共に、位相差検出を行うのにより好ましい露光量の電荷を位相差画素から得られ、さらに移動被写体が存在しても不自然なブレが生じない画像を得ることができる撮像素子、撮像装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to obtain a charge with an appropriate exposure amount from a normal pixel and obtain a charge with a preferable exposure amount from a phase difference pixel by performing phase difference detection, and further move An object of the present invention is to provide an imaging device and an imaging apparatus capable of obtaining an image that does not cause unnatural blur even when a subject is present.
本発明のある態様による撮像素子は、複数の画素を行列状に配列した画素群を有する撮像素子において、前記画素群の中に離散的に配置された複数の位相差画素と、前記画素群の中の前記位相差画素以外の画素である複数の通常画素と、前記複数の通常画素でなる通常画素群が電荷蓄積を開始するタイミングおよび電荷蓄積を終了するタイミングを制御する通常露光制御部と、前記複数の位相差画素でなる位相差画素群が電荷蓄積を開始するタイミングおよび電荷蓄積を終了するタイミングを、前記通常露光制御部とは独立に制御する位相差露光制御部と、を備え、前記位相差露光制御部は、前記位相差画素群が電荷蓄積を開始してから終了するまでの位相差露光時間を、前記通常画素群が電荷蓄積を開始してから終了するまでの通常露光時間と同一の第1の露光時間と、第2の露光時間と、に分割して、前記第1の露光時間に蓄積された第1電荷と、前記第2の露光時間に蓄積された第2電荷と、を分けて読み出すように制御する。 An imaging device according to an aspect of the present invention includes an imaging device having a pixel group in which a plurality of pixels are arranged in a matrix, a plurality of phase difference pixels discretely arranged in the pixel group, and the pixel group A plurality of normal pixels that are pixels other than the phase difference pixels, and a normal exposure control unit that controls a timing at which the normal pixel group including the plurality of normal pixels starts and ends charge accumulation; wherein the plurality of the timing of the phase difference pixel group composed of a phase difference pixel has finished timing and charge accumulation starts charge accumulation, and a phase difference exposure control unit for controlling independently of the normal exposure control unit, wherein The phase difference exposure control unit sets a phase difference exposure time from the start of charge accumulation of the phase difference pixel group to the end thereof, and a normal exposure time from the start of charge accumulation of the normal pixel group to the end thereof. The first charge accumulated in the first exposure time and the second charge accumulated in the second exposure time are divided into the same first exposure time and the second exposure time. And are controlled to be read separately .
本発明のある態様による撮像装置は、上記撮像素子と、前記撮像素子から出力された前記位相差画素の信号に基づき位相差AFを行うAF処理部と、前記撮像素子から出力された前記通常画素の信号、あるいは前記通常画素の信号と前記位相差画素の信号がミックスされた信号に基づき、記録用画像を生成する画像処理部と、を備えている。 An image pickup apparatus according to an aspect of the present invention includes the image pickup device, an AF processing unit that performs phase difference AF based on a signal of the phase difference pixel output from the image pickup device, and the normal pixel output from the image pickup device. Or an image processing unit that generates a recording image based on a signal obtained by mixing the normal pixel signal and the phase difference pixel signal.
本発明の撮像素子、撮像装置によれば、通常画素から適切な露光量の電荷を得られると共に、位相差検出を行うのにより好ましい露光量の電荷を位相差画素から得られ、さらに移動被写体が存在しても不自然なブレが生じない画像を得ることができる。 According to the imaging device and the imaging apparatus of the present invention, it is possible to obtain a charge with an appropriate exposure amount from a normal pixel, obtain a charge with a preferable exposure amount from the phase difference pixel by performing phase difference detection, and a moving subject. Even if it exists, an image can be obtained in which no unnatural blur occurs.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
[実施形態1]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
図1から図5は本発明の実施形態1を示したものであり、図1は撮像装置の構成を示すブロック図である。 1 to 5 show Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an imaging apparatus.
この撮像装置は、図1に示すように、レンズ1と、撮像素子2と、画像処理部3と、AF(オートフォーカス)評価値演算部4と、表示部5と、手振検出部7と、手振補正部8と、露出制御部9と、フォーカス制御部10と、カメラ操作部11と、カメラ制御部12と、を備えている。なお、図1にはメモリカード6も記載されているが、このメモリカード6は撮像装置に対して着脱可能に構成されているために、撮像装置に固有の構成でなくても構わない。
As shown in FIG. 1, the imaging device includes a lens 1, an
レンズ1は、被写体の光学像を撮像素子2の撮像領域に結像する撮像光学系である。このレンズ1は、焦点位置(ピント位置)を調節してフォーカシングを行うためのフォーカスレンズと、通過する光束の範囲を制御するための絞りと、を備え、さらに、本実施形態においては手振補正機能も備えたものとなっている。
The lens 1 is an imaging optical system that forms an optical image of a subject on an imaging area of the
撮像素子2は、レンズ1により結像された被写体の光学像を光電変換して画像信号として出力する。なお、本実施形態においては、撮像素子2が原色ベイヤー配列のカラーフィルタを備えたカラー撮像素子であるとして説明するが、もちろんその他の構成であっても構わない。そして、本実施形態の撮像素子2は、後で図3を参照して説明するように、原色ベイヤー配列の通常画素24a(図3参照)中に、位相差画素25a(図3参照)を離散的に配置して構成されている。また、撮像素子2は、レンズ1の撮影光軸に垂直な面内を移動可能に構成されていて、手振補正機能を備えたものとなっている。
The
画像処理部3は、撮像素子2から出力される画像信号に各種の画像処理を行うものである。この画像処理部3は、撮像素子2から出力された通常画素24aの信号に基づき(少なくとも通常画素24aの信号を用いて、あるいはさらに位相差画素25aの信号を用いて)、記録用画像を生成する画像処理を行う。また、画像処理部3は、例えば通常画素24aと位相差画素25aとをミックス読み出しした場合には、位相差画素25aの画素開口が通常画素24aよりも小さいことに起因する画素信号低下分の増幅、および非合焦位置にある位相差画素25aに起因する画素信号変動分(幾何学模様等)の補正を行う。
The
AF評価値演算部4は、撮像素子2から出力された画像信号に基づいてAF評価値を算出し、カメラ制御部12へ出力するものである。具体的にAF評価値演算部4は、撮像素子2の位相差画素25aから読み出された信号に基づいて位相差を算出し、AF評価値として出力するようになっている。なお、AF評価値演算部4は、さらに、撮像素子2から出力された画像信号に基づいてコントラスト値を算出し、AF評価値として出力するものであっても構わない(つまり、位相差AFに加えて、さらにコントラストAFを行っても構わない)。
The AF evaluation value calculation unit 4 calculates an AF evaluation value based on the image signal output from the
表示部5は、画像処理部3により表示用に画像処理された信号に基づき、画像を表示するものである。この表示部5は、ライブビュー表示や静止画像表示、動作再生表示等を行うとともに、この撮像装置に係る各種の情報等も表示するようになっている。
The
メモリカード6は、画像処理部3により記録用に画像処理された信号(静止画像信号、動画像信号など)を保存するための記録媒体である。
The memory card 6 is a recording medium for storing a signal (still image signal, moving image signal, etc.) subjected to image processing for recording by the
手振検出部7は、加速度センサや角速度センサ等を有して構成され、この撮像装置の手振れを検出してカメラ制御部12へ出力するものである。
The hand shake detection unit 7 includes an acceleration sensor, an angular velocity sensor, and the like, and detects hand shake of the imaging apparatus and outputs it to the
手振補正部8は、カメラ制御部12の制御に基づいて、検出された手振れを相殺するようにレンズ1と撮像素子2との少なくとも一方を移動させ、撮像素子2の撮像領域上に結像される光学的な被写体像に手振れの影響が生じるのを軽減するものである。
Based on the control of the
露出制御部9は、カメラ制御部12により決定されたシャッタ速度(露光時間)に基づいて、該カメラ制御部12の制御の下に、撮像素子2の素子シャッタ(この素子シャッタには、グローバルシャッタやローリングシャッタが含まれている)を制御し、画像を取得させるものである。さらに、露出制御部9は、カメラ制御部12により決定された絞り値に基づいて、レンズ1に含まれる絞りの制御等も行うようになっている。また、露出制御部9は、撮像素子2の駆動情報をカメラ制御部12へ出力するようになっている。
Based on the shutter speed (exposure time) determined by the
フォーカス制御部10は、焦点を調節するためにレンズ1を駆動するものである。すなわち、フォーカス制御部10は、AF評価値演算部4からAF評価値を受けたカメラ制御部12の制御に基づいて、レンズ1に含まれるフォーカスレンズを駆動し、撮像素子2に結像される被写体像が合焦に至るようにする。また、フォーカス制御部10は、レンズ位置などのレンズ駆動情報をカメラ制御部12へ出力するようになっている。
The
上述したAF評価値演算部4、フォーカス制御部10、およびカメラ制御部12により、撮像素子2から出力された位相差画素25aの信号に基づき位相差AFを行うAF処理部が構成されている。
The AF evaluation value calculation unit 4, the
カメラ操作部11は、この撮像装置に対する各種の操作入力を行うための操作部である。このカメラ操作部11には、撮像装置の電源をオン/オフするための電源スイッチ、静止画撮影、動画撮影などを指示入力するためのレリーズボタン、静止画撮影モードや動画撮影モード、ライブビューモードなどを設定するためのモードボタン等の操作部材が含まれている。 The camera operation unit 11 is an operation unit for performing various operation inputs to the imaging apparatus. The camera operation unit 11 includes a power switch for turning on / off the power of the imaging apparatus, a release button for inputting instructions for still image shooting, moving image shooting, and the like, a still image shooting mode, a moving image shooting mode, and a live view mode. An operation member such as a mode button for setting and the like is included.
カメラ制御部12は、フォーカス制御部10からのレンズ駆動情報やAF評価値演算部4からのAF評価値、露出制御部9からの駆動情報、画像処理部3からの処理情報、手振検出部7からの手振情報、カメラ操作部11からの操作入力などに基づいて、画像処理部3、メモリカード6、手振補正部8、露出制御部9、フォーカス制御部10等を含むこの撮像装置全体を制御するものである。
The
そして、カメラ制御部12は、自動露出制御に基づき、あるいはカメラ操作部11から入力された設定値に基づき、シャッタ速度(露光時間)を決定して、決定したシャタ速度の情報を露出制御部9へ出力する。
Then, the
図2は撮像素子2の構成を示すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the
撮像素子2は、画素露光制御部20と、画素部23と、メモリ部26と、ミックス処理部30と、加算部31と、アナログデジタルコンバータ(ADC)32と、を備えている。
The
まず、画素部23は、複数の画素を行列状に配列した画素群を有しており、画素群は、複数の通常画素24aでなる通常画素群24と、複数の位相差画素25aでなる位相差画素群25と、を含む。
First, the
ここに、図3は画素部23における通常画素24aおよび複数の位相差画素25aの配列の一例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the arrangement of the
複数の位相差画素25aは、画素部23に行列状に配列された画素群の中に離散的に配置されている。ここに、位相差画素25aは、レンズ1の瞳の一部を通過した光のみを光電変換する画素であり、具体的には、通常画素24aの画素開口の一部を遮光構造にすることで特定方向から入射する光線を遮光し、他の特定方向から入射する光線のみを光電変換することで位相差情報を与える電荷を生成する構成のものとなっている。この図3に示す例では、位相差画素25aは、水平方向に4画素に1画素の割合、垂直方向に2画素に1画素の割合で、画素部23のほぼ全面に渡って配置されている。
The plurality of
また、複数の通常画素24aは、画素部23に行列状に配列された画素群の中の、位相差画素25a以外の画素である。なお、この図3に示す例では、画素部23に通常画素24aおよび位相差画素25aのみを配列しているが、その他の機能を備えた画素をさらに配置するようにしても構わない。
The plurality of
画素露光制御部20は、通常画素群24を制御する通常露光制御部21と、位相差画素群25を制御する位相差露光制御部22と、を備えている。
The pixel
通常露光制御部21は、図4に記載の制御線21aを介して通常画素群24と接続されていて、複数の通常画素24aでなる通常画素群24が電荷蓄積を開始するタイミングおよび電荷蓄積を終了するタイミングを制御する。
The normal
位相差露光制御部22は、上述した図4に記載の制御線21aとは独立に設けられた制御線22aを介して位相差画素群25と接続されていて、複数の位相差画素25aでなる位相差画素群25が電荷蓄積を開始するタイミングおよび電荷蓄積を終了するタイミングを、通常露光制御部21とは独立に制御する。
The phase difference
メモリ部26は、通常メモリ部27と、第1位相差メモリ部28と、第2位相差メモリ部29と、を含んでいる。
The
通常メモリ部27は、通常画素群24が蓄積した電荷を保持する。
The
第1位相差メモリ部28は、位相差画素群25が図5に記載の第1の露光時間T1において蓄積した電荷を保持する。
The first phase
第2位相差メモリ部29は、位相差画素群25が図5に記載の第2の露光時間T2において蓄積した電荷を保持する。
The second phase
ミックス処理部30は、複数の画素から読み出された信号をミックスするものである。ここに、ミックス処理は、隣接する複数の同一色の画素信号(例えば、同一色の2×2画素、あるいは3×3画素など)を、例えば、加算(あるいは重み付け加算)、または平均(あるいは重み付け平均)等する処理である。そして、ミックス処理部30は、位相差画素25aから読み出された信号をミックスする場合には、第1の露光時間T1に蓄積された第1電荷に係る信号を用いる。
The
加算部31は、第1の露光時間T1に蓄積された第1電荷と、第2の露光時間T2に蓄積された第2電荷と、を加算する。
The
ADC32は、ミックス処理部30から出力された信号、および加算部31から出力された信号を、アナログ信号からデジタル信号へ変換するものであり、例えば列並列型AD変換器(列並列型ADC)として構成されている。ただし、ADC32は列並列型ADCに限定されるものではなく、ライン単位の処理を所望の時間で完了することができれば他の構成のものでも構わない。
The
なお、図2に示す構成例では、ADC32の前段にミックス処理部30および加算部31を設けている(従って、ミックス処理部30および加算部31はアナログ処理部となる)が、この構成に限定されるものではなく、例えば、ADC32の後段にミックス処理部30および加算部31を設けても構わない(この場合には、ミックス処理部30および加算部31はデジタル処理部となる)。
In the configuration example shown in FIG. 2, the
次に、図4は通常画素24aおよび位相差画素25aに関連する回路構成の概要を示す図である。この図4の左側に通常画素24aに関連する回路構成を、図4の右側に位相差画素25aに関連する回路構成を示している。
Next, FIG. 4 is a diagram showing an outline of a circuit configuration related to the
通常画素24aと位相差画素25aは、何れも、光を受光して光電変換を行い電荷を生成するフォトダイオードPDを備えている。
Each of the
通常画素24aのフォトダイオードPDは、第1スイッチSW1を介して通常メモリ部27内に設けられたメモリM0に接続され、第1スイッチSW1および第2スイッチSW2を介して電圧源VDDに接続されている。第1スイッチSW1は通常露光制御部21からの制御線21aにより制御され、第2スイッチSW2も同様に通常露光制御部21からの図示しない制御線により制御されるようになっている。
The photodiode PD of the
位相差画素25aのフォトダイオードPDは、第1スイッチSW1および第3スイッチSW3を介して、第1位相差メモリ部28内に設けられたメモリM1および第2位相差メモリ部29内に設けられたメモリM2に接続されている。また、位相差画素25aのフォトダイオードPDは、第1スイッチSW1および第2スイッチSW2を介して電圧源VDDに接続されている。位相差画素25aに係る第1スイッチSW1は、位相差露光制御部22からの制御線22aにより制御され、第2スイッチSW2も同様に位相差露光制御部22からの図示しない制御線により制御されるようになっている。また、第3スイッチSW3も、位相差露光制御部22からの図示しない制御線により制御され、第1スイッチSW1を介して、フォトダイオードPDをメモリM1とメモリM2とへ切り替え可能に接続する。
The photodiode PD of the
このような構成において、第1スイッチSW1および第2スイッチSW2を共にオンすることで、フォトダイオードPDがリセットされる。このリセット状態から、第1スイッチSW1および第2スイッチSW2を共にオフすることで、フォトダイオードPDへの電荷蓄積が開始される。また、メモリM0,M1,M2もスイッチSW2,SW3の制御を通して電圧源VDDと接続しリセットされる。 In such a configuration, the photodiode PD is reset by turning on both the first switch SW1 and the second switch SW2. From this reset state, by turning off both the first switch SW1 and the second switch SW2, charge accumulation in the photodiode PD is started. Also, the memories M0, M1, and M2 are connected to the voltage source VDD through the control of the switches SW2 and SW3 and are reset.
また、通常画素24aに関して、第2スイッチSW2をオフにした状態で、第1スイッチSW1のみをオンすることで、通常画素24aのフォトダイオードPDに蓄積された電荷がメモリM0へ転送される。
In addition, with respect to the
さらに、位相差画素25aに関して、第2スイッチSW2をオフにした状態で、第1スイッチSW1をオンし、さらに第3スイッチSW3をメモリM1側へ切り替えれば、位相差画素25aのフォトダイオードPDに蓄積された電荷がメモリM1へ転送される。また、第2スイッチSW2をオフにした状態で、第1スイッチSW1をオンし、さらに第3スイッチSW3をメモリM2側へ切り替えれば、位相差画素25aのフォトダイオードPDに蓄積された電荷がメモリM2へ転送される。
Further, regarding the
次に、図5は、撮像素子2においてグローバルシャッタ撮像動作を行ったときの各部の動作を示すタイミングチャートである。
Next, FIG. 5 is a timing chart showing the operation of each unit when a global shutter imaging operation is performed in the
通常画素24aと位相差画素25aは、上述したように、独立な制御線21a,22aを介して独立に制御されるようになっている。このような構成を用いて、画素露光制御部20は、この図5に示すような制御を行う。
As described above, the
すなわち、全ての通常画素24aは、垂直同期信号VDの立ち上がりタイミングからカメラ制御部12により決定された露光時間Texpだけ遡った時点で、フォトダイオードPDのリセットRSTを一斉に終了することにより、同時に露光を開始する。
That is, all the
そして、全ての通常画素24aは、垂直同期信号VDの立ち上がりタイミングで、フォトダイオードPDに蓄積された電荷の通常メモリ部27への転送MTを一斉に行うことにより、同時に露光を終了する。
All the
一方、画素露光制御部20は位相差画素群25が電荷蓄積を開始してから終了するまでの位相差露光時間Tを、通常画素群24が電荷蓄積を開始してから終了するまでの通常露光時間(つまり、上述した露光時間Texp)よりも長くなるように設定する。
On the other hand, the pixel
そして、位相差露光制御部22は、位相差画素群25が電荷蓄積を開始してから終了するまでの位相差露光時間Tを、通常画素群24が電荷蓄積を開始してから終了するまでの通常露光時間Texpと同一の第1の露光時間T1と、第2の露光時間T2と、に分割して、第1の露光時間T1に蓄積された第1電荷と、第2の露光時間T2に蓄積された第2電荷と、を分けて読み出すように制御する。
Then, the phase difference
すなわち、位相差露光制御部22は、通常露光制御部21が電荷蓄積を開始するタイミング(通常画素24aのリセットRST終了タイミング)から、第2の露光時間T2だけ遡ったタイミングで、全ての位相差画素25aのフォトダイオードPDのリセットRSTを一斉に終了することにより、全ての位相差画素25aの露光(電荷蓄積)を同時に開始する。
In other words, the phase difference
その後、位相差露光制御部22は、電荷蓄積の開始から第2の露光時間T2が経過した時点(つまり、通常画素群24が一斉に露光を開始するのと同じ時点)で、第2の露光時間T2にフォトダイオードPDに蓄積された第2電荷の第2位相差メモリ部29への転送MT2(つまり、位相差画素25aの読み出し)を一斉に行う。この第2電荷の読み出し時点が、続く第1電荷の蓄積開始時点となる。
Thereafter, the phase difference
そして、位相差露光制御部22は、第2電荷の読み出しタイミングから第1の露光時間T1が経過した時点(つまり、通常画素群24が一斉に露光を終了するのと同じ時点)で、第1の露光時間T1にフォトダイオードPDに蓄積された第1電荷の第1位相差メモリ部28への転送MT1(つまり、位相差画素25aの読み出し)を一斉に行う。この第1電荷の読み出し時点が、全ての位相差画素25aが同時に露光を終了する時点となる。
Then, the phase difference
メモリ部26に各電荷が保持された後は、メモリ部26からの電荷の読み出しRDは、ADC32の1ライン毎のAD変換に従って、順次に行われ、撮像素子2からデータ出力が行われる。
After each charge is held in the
このときミックス処理部30は、例えばライブビュー画像用あるいは動画像用などのためにミックス処理を行う際に、通常メモリ部27に保持されている信号と第1位相差メモリ部28に保持されている信号とを用いてミックス読み出しパターンに応じてミックスする。こうして、ミックス処理部30は、第2位相差メモリ部28に保持されている信号をミックス処理には用いない。
At this time, the
また、加算部31は、同一の位相差画素位置毎に、第1の露光時間T1に蓄積された第1電荷と、第2の露光時間T2に蓄積された第2電荷と、を加算することで、AF評価値演算部4が位相差AFを行うための信号を生成する。これにより、通常画素24aよりも画素開口が小さい位相差画素25aの感度低下を補って、適切な露光量(あるいはより適切に近付けた露光量)の位相差信号を得ることができる。
Further, the adding
なお、上述した図5に示す例においては、第1の露光時間T1に先立つように第2の露光時間T2を設定したが、これとは逆に、第1の露光時間T1の後に第2の露光時間T2を設定しても構わない。 In the example shown in FIG. 5 described above, the second exposure time T2 is set to precede the first exposure time T1, but conversely, the second exposure time T2 is set after the first exposure time T1. The exposure time T2 may be set.
この場合には、位相差露光制御部22は、通常露光制御部21が電荷蓄積を開始するタイミングと同一のタイミングを電荷蓄積を開始するタイミングとして、電荷蓄積の開始から第1の露光時間T1が経過した時点で第1電荷の読み出しを行い、第1電荷の読み出しタイミングから第2の露光時間T2が経過した時点で第2電荷の読み出しを行うように制御することになる。
In this case, the phase difference
このような実施形態1によれば、通常画素24aと位相差画素25aとを有する撮像素子2において、通常画素群24の電荷蓄積開始/終了タイミングを制御する通常露光制御部21と、位相差画素群25の電荷蓄積開始/終了タイミングを通常露光制御部21とは独立に制御する位相差露光制御部22と、を備えたために、通常画素24aに適した露光量と位相差画素25aに適した露光量とを独立に制御することが可能となる。
According to the first embodiment, in the
また、位相差露光制御部22が、位相差画素群25が電荷蓄積を開始してから終了するまでの位相差露光時間を、通常画素群24が電荷蓄積を開始してから終了するまでの通常露光時間Texpと同一の第1の露光時間T1と、第2の露光時間T2と、に分割して、第1の露光時間T1に蓄積された第1電荷と、第2の露光時間T2に蓄積された第2電荷と、を分けて読み出すように制御するために、第1電荷を画像用に用いることで、通常画素24aの露光時間と位相差画素25aの露光時間とを同じにすることができ、撮影範囲内に移動被写体が存在するときにミックス読み出しを行っても不自然なブレ像の画像データとなることはない。さらに、第1電荷と第2電荷とを加算したものを位相差検出用に出力すれば、通常画素24aよりも画素開口が小さい位相差画素25aの感度低下を補うことができる。
In addition, the phase difference
さらに、位相差露光制御部22が、通常露光制御部21が電荷蓄積を開始するタイミングから、第2の露光時間T2だけ遡ったタイミングを電荷蓄積を開始するタイミングとして、電荷蓄積の開始から第2の露光時間T2が経過した時点で第2電荷の読み出しを行い、第2電荷の読み出しタイミングから第1の露光時間T1が経過した時点で第1電荷の読み出しを行うように制御する場合には、位相差検出用の信号も画像用の信号と同時に取得することができる。
Further, the phase difference
一方、位相差露光制御部22が、通常露光制御部21が電荷蓄積を開始するタイミングと同一のタイミングを電荷蓄積を開始するタイミングとして、電荷蓄積の開始から第1の露光時間T1が経過した時点で第1電荷の読み出しを行い、第1電荷の読み出しタイミングから第2の露光時間T2が経過した時点で第2電荷の読み出しを行うように制御する場合には、画像用の信号の取得を優先して行うことができる。
On the other hand, when the first exposure time T1 has elapsed from the start of charge accumulation, the phase difference
そして、通常画素群24が蓄積した電荷を保持する通常メモリ部27と、位相差画素群25が第1の露光時間T1において蓄積した電荷を保持する第1位相差メモリ部28と、位相差画素群25が第2の露光時間T2において蓄積した電荷を保持する第2位相差メモリ部29と、を含むメモリ部26をさらに備えたために、ミックス処理および加算処理を容易に行うことができ、さらに全画素のAD変換に時間を要する場合でもグローバルシャッタを実現することが可能となる。
Then, a
加えて、ミックス処理部30が、位相差画素25aから読み出された信号をミックスする場合に、第1電荷に係る信号を用いるために、ミックスされる通常画素24aの露光時間と位相差画素25aの露光時間とを同一とすることができる。
In addition, when the
また、撮像素子2が第1電荷と第2電荷とを加算する加算部31をさらに備えたために、撮像素子2から位相差検出用の信号を出力する時点で、既により適切な露光量の信号となり、撮像素子2の外部において加算処理を行うことが不要となる。
In addition, since the
さらに、ミックス処理と加算処理との少なくとも一方、好ましくは両方をAD変換の前段において行うことで、AD変換する画素数を減らし、処理負荷を軽減することができる。 Furthermore, by performing at least one of the mix processing and the addition processing, preferably both in the previous stage of AD conversion, the number of pixels to be AD converted can be reduced, and the processing load can be reduced.
そして、撮像装置において、AF処理部が撮像素子2から出力された位相差画素25aの信号(第1電荷と第2電荷とを加算して得られた信号)に基づき位相差AFを行うことで、SN比の高い信号を用いることができ、位相差AFの精度を向上することが可能となる。
In the imaging apparatus, the AF processing unit performs the phase difference AF based on the signal of the
加えて、撮像装置において、画像処理部3が撮像素子2から出力された通常画素24aの信号に基づき記録用画像を生成することで、画像を得ることができる。このとき、撮像素子2からミックス処理された信号が出力される場合には、通常画素24aの電荷と第1電荷とがミックス処理されているために、画像処理部3が生成した記録用画像に不自然なブレが生じることはない。
[実施形態2]
In addition, in the imaging apparatus, an image can be obtained by generating an image for recording based on the signal of the
[Embodiment 2]
図6から図8は本発明の実施形態2を示したものであり、図6は撮像素子2の構成を示すブロック図である。
6 to 8
この実施形態2において、上述の実施形態1と同様である部分については同一の符号を付すなどして説明を適宜省略し、主として異なる点についてのみ説明する。 In the second embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted as appropriate, and only different points will be mainly described.
上述した実施形態1の撮像装置ではグローバルシャッタ撮像動作を行っていたが、本実施形態の撮像装置はローリングシャッタ撮像動作を行うものとなっている。 In the imaging apparatus of the first embodiment described above, the global shutter imaging operation is performed. However, the imaging apparatus of the present embodiment performs a rolling shutter imaging operation.
撮像素子2は、図6に示すように、画素露光制御部20と、画素部23と、列並列型ADC32Aと、ミックス処理部30Aと、加算部31Aと、を備えている。なお、本実施形態においては、上述した実施形態1と異なり、メモリ部26は設けられていない。ただし、ADCは列並列型ADCに限定されるものではなく、ライン単位の処理を所望の時間で完了することができれば他の構成のものでも構わない。例えば画素単位でAD変換を行う構成の場合には、一般的に1ライン分のメモリを設けて、メモリ内の画素データを順次にAD変換することになる。
As shown in FIG. 6, the
列並列型ADC32Aは、ライン単位でAD変換を行う。
The
また、ミックス処理部30Aおよび加算部31Aは、列並列型ADC32Aの後段に設けられているために、デジタル処理部となっている。
Further, the
次に、図7は通常画素24aおよび位相差画素25aに関連する回路構成の概要を示す図である。この図7の左側に通常画素24aに関連する回路構成を、図4の右側に位相差画素25aに関連する回路構成を示している。
Next, FIG. 7 is a diagram showing an outline of a circuit configuration related to the
本実施形態においては、通常画素24aおよび位相差画素25aのフォトダイオードPDは、上述した実施形態1においてメモリに接続されていたのに代えて、列並列型ADC32A内に配列されているADCに接続されている。
In the present embodiment, the photodiodes PD of the
ここに、通常画素24aに蓄積された電荷、および位相差画素25aに蓄積された第1電荷は、列並列型ADC32A内のADコンバータADC1によりAD変換される。また、位相差画素25aに蓄積された第1電荷は、第3スイッチSW3の切替により、列並列型ADC32A内のADコンバータADC2によりAD変換される。
Here, the charge accumulated in the
続いて、図8は、撮像素子2においてローリングシャッタ撮像動作を行ったときの各部の動作を示すタイミングチャートである。
Next, FIG. 8 is a timing chart showing the operation of each unit when a rolling shutter imaging operation is performed in the
本実施形態においてはローリングシャッタ撮像動作を行っているために、通常画素24aのリセットRSTおよび読み出しRDと、位相差画素25aのリセットRST、第2電荷の読み出しRD2、および第1電荷の読み出しRD1とは、ライン単位でタイミングをずらしながら順次に行われる。このライン単位のタイミングズレ量は、列並列型ADC32Aの変換速度に依存する。
In this embodiment, since the rolling shutter imaging operation is performed, the reset RST and readout RD of the
ここに、位相差露光制御部22が、位相差画素群25が電荷蓄積を開始してから終了するまでの位相差露光時間Tを、通常画素群24が電荷蓄積を開始してから終了するまでの通常露光時間Texpと同一の第1の露光時間T1と、第2の露光時間T2と、に分割して、第1の露光時間T1に蓄積された第1電荷と、第2の露光時間T2に蓄積された第2電荷と、を分けて読み出すように制御するのは上述した実施形態1と同様である。
Here, the phase difference
また、本実施形態においても、第1の露光時間T1に先立つように第2の露光時間T2を設定するに限るものではなく、第1の露光時間T1の後に第2の露光時間T2を設定しても構わない。 Also in the present embodiment, the second exposure time T2 is not limited to be set prior to the first exposure time T1, but the second exposure time T2 is set after the first exposure time T1. It doesn't matter.
このような実施形態2によれば、ローリング撮像動作においても、上述した実施形態1とほぼ同様の効果を奏することができる。 According to the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment described above can be achieved in the rolling imaging operation.
そして、本実施形態においては、位相差露光制御部22は、あるライン上に配置された全ての位相差画素25aの第1の露光時間T1の開始タイミングおよび終了タイミングが、該あるライン上に配置された全ての通常画素24aの電荷蓄積の開始タイミングおよび終了タイミングと等しくなるように制御を行うことになる。これにより、撮影範囲内に移動被写体が存在するときにミックス読み出しを行った場合の、画像の不自然なブレを軽減することができる。
In this embodiment, the phase difference
なお、上述では主として撮像装置について説明したが、撮像装置と同様の処理を行う撮像方法であっても良いし、コンピュータに撮像装置と同様の処理を行わせるための処理プログラム、該処理プログラムを記録するコンピュータにより読み取り可能な一時的でない記録媒体、等であっても構わない。 In the above description, the imaging apparatus is mainly described. However, an imaging method that performs the same processing as the imaging apparatus may be used, and a processing program for causing a computer to perform the same processing as the imaging apparatus and the processing program are recorded. It may be a non-temporary recording medium that can be read by a computer.
また、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明の態様を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。このように、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。 Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope in the implementation stage. In addition, various aspects of the invention can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, you may delete some components from all the components shown by embodiment. Furthermore, the constituent elements over different embodiments may be appropriately combined. Thus, it goes without saying that various modifications and applications are possible without departing from the spirit of the invention.
1…レンズ
2…撮像素子
3…画像処理部
4…AF評価値演算部
5…表示部
6…メモリカード
7…手振検出部
8…手振補正部
9…露出制御部
10…フォーカス制御部
11…カメラ操作部
12…カメラ制御部
20…画素露光制御部
21…通常露光制御部
21a,22a…制御線
22…位相差露光制御部
23…画素部
24…通常画素群
24a…通常画素
25…位相差画素群
25a…位相差画素
26…メモリ部
27…通常メモリ部
28…第1位相差メモリ部
29…第2位相差メモリ部
30,30A…ミックス処理部
31,31A…加算部
32…アナログデジタルコンバータ(ADC)
32A…列並列型ADC
ADC1,ADC2…ADコンバータ
M0,M1,M2…メモリ
PD…フォトダイオード
SW1,SW2,SW3…第1,第2,第3スイッチ
VDD…電圧源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
32A ... Column parallel ADC
ADC1, ADC2 ... AD converter M0, M1, M2 ... Memory PD ... Photodiode SW1, SW2, SW3 ... First, second and third switches VDD ... Voltage source
Claims (8)
前記画素群の中に離散的に配置された複数の位相差画素と、
前記画素群の中の前記位相差画素以外の画素である複数の通常画素と、
前記複数の通常画素でなる通常画素群が電荷蓄積を開始するタイミングおよび電荷蓄積を終了するタイミングを制御する通常露光制御部と、
前記複数の位相差画素でなる位相差画素群が電荷蓄積を開始するタイミングおよび電荷蓄積を終了するタイミングを、前記通常露光制御部とは独立に制御する位相差露光制御部と、
を具備し、
前記位相差露光制御部は、前記位相差画素群が電荷蓄積を開始してから終了するまでの位相差露光時間を、前記通常画素群が電荷蓄積を開始してから終了するまでの通常露光時間と同一の第1の露光時間と、第2の露光時間と、に分割して、前記第1の露光時間に蓄積された第1電荷と、前記第2の露光時間に蓄積された第2電荷と、を分けて読み出すように制御することを特徴とする撮像素子。 In an image sensor having a pixel group in which a plurality of pixels are arranged in a matrix,
A plurality of phase difference pixels discretely arranged in the pixel group;
A plurality of normal pixels that are pixels other than the phase difference pixels in the pixel group;
A normal exposure control unit that controls the timing at which the normal pixel group including the plurality of normal pixels starts charge accumulation and the timing at which charge accumulation ends;
A phase difference exposure control unit that controls the timing at which the phase difference pixel group including the plurality of phase difference pixels starts charge accumulation and the timing at which charge accumulation ends, independently of the normal exposure control unit;
Equipped with,
The phase difference exposure control unit includes a phase difference exposure time from the start of charge accumulation of the phase difference pixel group to the end thereof, and a normal exposure time of the normal pixel group from start to end of charge accumulation. The first charge accumulated in the first exposure time and the second charge accumulated in the second exposure time are divided into the same first exposure time and the second exposure time. And an image pickup element that controls to read out separately .
該ミックス処理部は、前記位相差画素から読み出された信号をミックスする場合には、前記第1電荷に係る信号を用いることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。 The image pickup device according to claim 1, wherein the mix processing unit uses a signal related to the first charge when the signal read from the phase difference pixel is mixed.
前記撮像素子から出力された前記位相差画素の信号に基づき位相差AFを行うAF処理部と、 An AF processing unit that performs phase difference AF based on a signal of the phase difference pixel output from the image sensor;
前記撮像素子から出力された前記通常画素の信号、あるいは前記通常画素の信号と前記位相差画素の信号がミックスされた信号に基づき、記録用画像を生成する画像処理部と、 An image processing unit that generates a recording image based on a signal of the normal pixel output from the image sensor or a signal obtained by mixing the signal of the normal pixel and the signal of the phase difference pixel;
を具備したことを特徴とする撮像装置。 An imaging apparatus comprising:
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