JP7067907B2 - 固体撮像装置及び信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置及び信号処理装置に関する。

ビデオカメラや電子スチルカメラなどの撮像システムにおいて、撮影時のフォーカス（ピント、焦点）調整を自動的に行うオートフォーカス（ＡＦ）機能が広く普及している。ＡＦ機能を備えた撮像装置としては、撮像信号と焦点検出信号との両方の取得が可能な撮像装置が知られている。特許文献１には、行毎に縦線検知と横線検知とを切り替えることにより、クロス測距を実現した撮像装置が記載されている。

国際公開第２０１３／１２８５８１号

しかしながら、特許文献１に記載の撮像装置のように行毎に縦線検知と横線検知とを切り替える方法では、位相差情報の空間解像度が低下し、焦点位置合わせ精度が低下することがあった。

本発明の目的は、焦点検出用の位相差情報の空間解像度を向上しうる固体撮像装置及び信号処理装置を提供することにある。

本発明の一観点によれば、複数の行及び複数の列に渡って配された複数の画素と、前記複数の画素のうち対応する画素から信号を読み出す読み出し回路と、を有し、前記複数の画素の各々は、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部に対して第１の方向に配された第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部に対して前記第１の方向と交差する第２の方向に配された第３の光電変換部と、前記第２の光電変換部に対して前記第２の方向に配され且つ前記第３の光電変換部に対して前記第１の方向に配された第４の光電変換部と、前記第１乃至第４の光電変換部に集光する１つのマイクロレンズと、を有し、前記読み出し回路は、３回の読み出し動作により、前記対応する画素の前記第１乃至第４の光電変換部の全部から電荷を読み出し、かつ、前記対応する画素の前記第１乃至第４の光電変換部のうち、１つの光電変換部のみで生成された電荷に基づく信号を識別できるように、前記対応する画素から複数の信号を読み出すように構成されており、前記読み出し回路は、前記対応する画素の前記１つの光電変換部を、前記第１乃至第４の光電変換部の中から選択できるように構成されている固体撮像装置が提供される。

また、本発明の他の一観点によれば、複数の行及び複数の列に渡って配された複数の画素を有し、前記複数の画素の各々が、第１乃至第４の光電変換部と、前記第１乃至第４の光電変換部に集光する１つのマイクロレンズと、を有する固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理装置であって、第１の方向の位相差情報を含む一対の第１の位相差検出信号に基づき、前記第１の方向の位相差を算出し、前記第１の方向と交差する第２の方向の位相差情報を含む一対の第２の位相差検出信号に基づき、前記第２の方向の位相差を算出する位相差算出部を有し、前記一対の第１の位相差検出信号及び前記一対の第２の位相差検出信号の各々は、前記固体撮像装置における３回の読み出し動作によって取得された３つの信号に基づく信号であり、前記一対の第１の位相差検出信号の各々は、前記第１乃至第４の光電変換部のうちの１つの光電変換部のみで生成された電荷に基づく信号であり、前記一対の第２の位相差検出信号の各々は、前記第１乃至第４の光電変換部のうちの２つの光電変換部で生成された電荷に基づく信号である信号処理装置が提供される。

本発明によれば、焦点検出用の位相差検出信号を出力する機能を備えた固体撮像装置において、位相差情報の空間解像度を向上することができる。

本発明の第１実施形態による固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素の平面レイアウトの一例を示す概略図である。 固体撮像装置の読み出し方法の一例を示すタイミング図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置を含む撮像ユニットを示す概略断面図である。 画素と射出瞳像との関係の一例を示す平面図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の読み出し方法を示すタイミング図である。 本発明の第３実施形態による固体撮像装置の画素の平面レイアウトを示す概略図である。 本発明の第４実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態による撮像システム及び移動体の構成例を示す図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図１乃至図７を用いて説明する。

はじめに、本実施形態による固体撮像装置の構造について、図１乃至図３を用いて説明する。図１は、本実施形態による固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図３は、本実施形態による固体撮像装置の画素の平面レイアウトの一例を示す概略図である。

本実施形態による固体撮像装置１００は、図１に示すように、画素領域１０と、垂直走査回路２０と、列読み出し回路３０と、水平走査回路４０と、出力回路５０と、制御回路６０と、を有している。

画素領域１０には、複数の行及び複数の列に渡ってマトリクス状に配された複数の画素１２が設けられている。図１には、画素行Ｖ１から画素行Ｖｎまでのｎ個の画素行を含む画素領域１０を示している。それぞれの画素行は、行方向に１列に配された複数の画素１２を含む。画素領域１０に配される画素アレイの行数及び列数は、特に限定されるものではない。また、画素領域１０には、撮像信号や焦点検出用信号を検出する画素１２のほかに、遮光されたオプティカルブラック画素や信号を出力しないダミー画素等の他の画素（図示せず）が配置されていてもよい。

画素領域１０の画素アレイの各画素行には、第１の方向（図１において横方向、一例では水平方向）に延在して、制御線１４が配されている。制御線１４は、第１の方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。本明細書では、制御線１４の延在する第１の方向を、行方向と表記することがある。また、画素領域１０の画素アレイの各列には、第１の方向と交差する第２の方向（図１において縦方向、一例では垂直方向）に延在して、出力線１６が配されている。出力線１６は、第２の方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。本明細書では、出力線１６の延在する第２の方向を、列方向と表記することがある。

各画素行の制御線１４は、垂直走査回路２０に接続されている。垂直走査回路２０は、画素１２から画素信号を読み出す際に画素１２内の読み出し回路を駆動するための制御信号を、制御線１４を介して画素１２に供給する回路部である。各列の出力線１６の一端は、列読み出し回路３０に接続されている。画素１２から読み出された画素信号は、出力線１６を介して列読み出し回路３０に入力される。列読み出し回路３０は、画素１２から読み出された画素信号に対して所定の信号処理、例えば増幅処理やＡＤ変換処理等の信号処理を実施する回路部である。列読み出し回路３０は、差動増幅回路、サンプルホールド回路、ＡＤ変換回路等を含み得る。

水平走査回路４０は、列読み出し回路３０で処理された画素信号を列毎に順次、出力回路５０に転送するための制御信号を、列読み出し回路３０に供給する回路部である。出力回路５０は、バッファアンプ、差動増幅器などから構成され、列読み出し回路３０から読み出された画素信号を固体撮像装置１００の外部の信号処理部に出力するための回路部である。制御回路６０は、垂直走査回路２０、列読み出し回路３０、水平走査回路４０及び出力回路５０の動作やそのタイミングを制御する制御信号を供給するための回路部である。垂直走査回路２０、列読み出し回路３０、水平走査回路４０及び出力回路５０の動作やそのタイミングを制御する制御信号の少なくとも一部は、固体撮像装置１００の外部から供給してもよい。

それぞれの画素１２は、例えば図２に示す回路により構成され得る。図２に示す画素１２は、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄと、転送トランジスタＭ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ，Ｍ１ｄと、リセットトランジスタＭ２と、増幅トランジスタＭ３と、選択トランジスタＭ４とを含む。

光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄは、例えばフォトダイオードである。光電変換部ＰＤａは、アノードが基準電圧ノードに接続され、カソードが転送トランジスタＭ１ａのソースに接続されている。光電変換部ＰＤｂは、アノードが基準電圧ノードに接続され、カソードが転送トランジスタＭ１ｂのソースに接続されている。光電変換部ＰＤｃは、アノードが基準電圧ノードに接続され、カソードが転送トランジスタＭ１ｃのソースに接続されている。光電変換部ＰＤｄは、アノードが基準電圧ノードに接続され、カソードが転送トランジスタＭ１ｄのソースに接続されている。

転送トランジスタＭ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ，Ｍ１ｄのドレインは、リセットトランジスタＭ２のソース及び増幅トランジスタＭ３のゲートに接続されている。転送トランジスタＭ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ，Ｍ１ｄのドレイン、リセットトランジスタＭ２のソース及び増幅トランジスタＭ３のゲートの接続ノードは、いわゆるフローティングディフュージョンＦＤである。フローティングディフュージョンＦＤが有する容量成分（容量Ｃ）は、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄから転送される電荷の保持部として機能するとともに、電荷電圧変換部としても機能する。

リセットトランジスタＭ２のドレイン及び増幅トランジスタＭ３のドレインは、電源ノード（電圧ＶＤＤ）に接続されている。増幅トランジスタＭ３のソースは、選択トランジスタＭ４のドレインに接続されている。選択トランジスタＭ４のソースは、出力線１６に接続されている。出力線１６には、電流源１８が接続されている。

図２に示す画素１２の場合、それぞれの画素行に配された制御線１４は、転送ゲート信号線Ｔｘａ，Ｔｘｂ，Ｔｘｃ，Ｔｘｄ、リセット信号線ＲＥＳ、選択信号線ＳＥＬを含む。転送ゲート信号線Ｔｘａは、対応する画素行に属する画素１２の転送トランジスタＭ１ａのゲートに接続される。転送ゲート信号線Ｔｘｂは、対応する画素行に属する画素１２の転送トランジスタＭ１ｂのゲートに接続される。転送ゲート信号線Ｔｘｃは、対応する画素行に属する画素１２の転送トランジスタＭ１ｃのゲートに接続される。転送ゲート信号線Ｔｘｄは、対応する画素行に属する画素１２の転送トランジスタＭ１ｄのゲートに接続される。リセット信号線ＲＥＳは、対応する画素行に属する画素１２のリセットトランジスタＭ２のゲートに接続される。選択信号線ＳＥＬは、対応する画素行に属する画素１２の選択トランジスタＭ４のゲートに接続される。

光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄは、入射光をその光量に応じた量の電荷に変換（光電変換）するとともに、生じた電荷を蓄積する。転送トランジスタＭ１ａは、オンすることにより光電変換部ＰＤａの電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。転送トランジスタＭ１ｂは、オンすることにより光電変換部ＰＤｂの電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。転送トランジスタＭ１ｃは、オンすることにより光電変換部ＰＤｃの電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。転送トランジスタＭ１ｄは、オンすることにより光電変換部ＰＤｄの電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。転送トランジスタＭ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ，Ｍ１ｄは、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄの電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する電荷転送部を構成する。

フローティングディフュージョンＦＤは、その容量成分（容量Ｃ）による電荷電圧変換によって、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄから転送された電荷の量に応じた電圧となる。増幅トランジスタＭ３は、ドレインに電圧ＶＤＤが供給され、ソースに選択トランジスタＭ４を介して電流源１８からバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部（ソースフォロワ回路）を構成する。これにより増幅トランジスタＭ３は、フローティングディフュージョンＦＤの電圧に基づく信号を、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力する。リセットトランジスタＭ２は、オンすることによりフローティングディフュージョンＦＤを電圧ＶＤＤに応じた電圧にリセットする。この際、転送トランジスタＭ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ，Ｍ１ｄがオンすることにより、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄのリセットも可能である。リセットトランジスタＭ２は、転送トランジスタＭ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ，Ｍ１ｄとともに、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄをリセットするリセット部を構成する。

１つの画素１２の４つの光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄの光入射方向には、共通の１つのマイクロレンズＭＬが配されている。これにより、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄには、撮像光学系の射出瞳の異なる瞳領域を通過した光がそれぞれ入射するようになっている。

例えば、図３に示す構成例では、４つの光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄを２行×２列の行列状に配置し、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄの間に共通の１つのフローティングディフュージョンＦＤを配置している。フローティングディフュージョンＦＤと光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄの各々との間には、転送トランジスタＭ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ，Ｍ１ｄのゲート電極ＴＧａ，ＴＧｂ，ＴＧｃ，ＴＧｄが、それぞれ配されている。光電変換部ＰＤａと光電変換部ＰＤｂ、並びに、光電変換部ＰＤｃと光電変換部ＰＤｄとは、平面視において第２の方向（Ｘ方向）に隣接して配されている。また、光電変換部ＰＤａと光電変換部ＰＤｃ、並びに、光電変換部ＰＤｂと光電変換部ＰＤｄとは、平面視において第１の方向（Ｙ方向）に隣接して配されている。

このようにして、１つのマイクロレンズＭＬを共通にする複数の光電変換部ＰＤを所定の方向に隣接して配置することで、当該複数の方向において位相差検出を行うことができる。また、複数の光電変換部ＰＤを複数の方向に隣接して配置することで、当該複数の方向の各々において位相差検出を行うことができる。このように構成することで、被写体毎にコントラストの高い方向での位相差検出が可能となり、より多くの被写体パターンに対して測距精度を高めることができる。

次に、本実施形態による固体撮像装置の動作を説明する前に、図２に示す画素構成から想定される一般的な固体撮像装置の読み出し方法について、図４を用いて説明する。

図４は、固体撮像装置の読み出し方法の一例を示すタイミング図である。図４中、φＶは、垂直走査信号である。制御信号φＳＥＬは、選択信号線ＳＥＬに供給される選択トランジスタＭ４の駆動パルスである。制御信号φＲＥＳは、リセット信号線ＲＥＳに供給されるリセットトランジスタＭ２の駆動パルスである。制御信号φＴｘａ，φＴｘｂ，φＴｘｃ，φＴｘｄは、転送ゲート信号線Ｔｘａ，Ｔｘｂ，Ｔｘｃ，Ｔｘｄに供給される転送トランジスタＭ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ，Ｍ１ｄの駆動パルスである。制御信号φＳＥＬ，φＲＥＳ，φＴｘａ，φＴｘｂ，φＴｘｃ，φＴｘｄは、画素行Ｖ１～Ｖｎのうち垂直走査回路２０により選択された所定の画素行の制御線１４に供給される。制御信号φＳＨｎは、Ｎ信号用のサンプルホールド容量の接続と非接続とを制御するスイッチの制御信号である。制御信号φＳＨｓは、Ｓ信号用のサンプルホールド容量の接続と非接続とを制御するスイッチの制御信号である。φＨは、水平転送信号である。

図４に示す固体撮像装置の読み出し方法では、まず、垂直走査信号φＶに応じた所定のタイミングで制御信号φＳＥＬをハイレベルにして、選択トランジスタＭ４をオンにする。その際、制御信号φＲＥＳはハイレベルであり、フローティングディフュージョンＦＤはリセットされている。制御信号φＲＥＳをローレベルにした後、制御信号φＳＨｎをハイレベルにすることで、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力されたリセット信号（Ｎ信号）を、Ｎ信号用のサンプルホールド容量に保持する。

次いで、制御信号φＴｘａをハイレベルにし、光電変換部ＰＤａ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。その際、制御信号φＳＨｓをハイレベルにすることで、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力された光信号（Ｓ信号）を、Ｓ信号用のサンプルホールド容量に保持する。ここでは、光電変換部ＰＤａに蓄積された信号電荷に基づく信号成分を、Ｓａ信号と呼ぶものとする。次いで、水平転送信号φＨを列毎に順次オンにして、サンプルホールド容量に保持されたＳａ信号とＮ信号とを出力回路５０へと転送する。そして、出力回路５０においてＳａ信号とＮ信号との差分（（Ｓａ－Ｎ）信号）を算出し、Ｓ／Ｎ比の良好な画素信号として出力する（第１読み出し）。

次いで、制御信号φＴｘａ，Ｔｘｂをハイレベルにし、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ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に転送し、フローティングディフュージョンＦＤが保持する信号電荷に加算する。その際、制御信号φＳＨｓをハイレベルにすることで、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力された光信号（Ｓ信号）を、Ｓ信号用のサンプルホールド容量に保持する。光電変換部ＰＤｂに蓄積された信号電荷に基づく信号成分をＳｂ信号とすると、Ｓ信号用のサンプルホールド容量には、Ｓａ信号とＳｂ信号とを加算した（Ｓａ＋Ｓｂ）信号が保持される。次いで、水平転送信号φＨを列毎に順次オンにして、サンプルホールド容量に保持された（Ｓａ＋Ｓｂ）信号とＮ信号とを出力回路５０へと転送する。そして、出力回路５０において（Ｓａ＋Ｓｂ）信号とＮ信号との差分（（Ｓａ＋Ｓｂ－Ｎ）信号）を算出し、Ｓ／Ｎ比の良好な画素信号として出力する（第２読み出し）。

次いで、制御信号φＴｘａ，Ｔｘｂ，Ｔｘｃをハイレベルにし、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ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に転送し、フローティングディフュージョンＦＤが保持する信号電荷に加算する。その際、制御信号φＳＨｓをハイレベルにすることで、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力された光信号（Ｓ信号）を、Ｓ信号用のサンプルホールド容量に保持する。光電変換部ＰＤｃに蓄積された信号電荷に基づく信号成分をＳｃ信号とすると、Ｓ信号用のサンプルホールド容量には、Ｓａ信号とＳｂ信号とＳｃ信号とを加算した（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ）信号が保持される。次いで、水平転送信号φＨを列毎に順次オンにして、サンプルホールド容量に保持された（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ）信号とＮ信号とを出力回路５０へと転送する。そして、出力回路５０において（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ）信号とＮ信号との差分（（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ－Ｎ）信号）を算出し、Ｓ／Ｎ比の良好な画素信号として出力する（第３読み出し）。

次いで、制御信号φＴｘａ，Ｔｘｂ，Ｔｘｃ，Ｔｘｄをハイレベルにし、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄ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に転送し、フローティングディフュージョンＦＤが保持する信号電荷に加算する。その際、制御信号φＳＨｓをハイレベルにすることで、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力された光信号（Ｓ信号）を、Ｓ信号用のサンプルホールド容量に保持する。光電変換部ＰＤｄに蓄積された信号電荷に基づく信号成分をＳｄ信号とすると、Ｓ信号用のサンプルホールド容量には、Ｓａ信号とＳｂ信号とＳｃ信号とＳｄ信号を加算した（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号が保持される。次いで、水平転送信号φＨを列毎に順次オンにして、サンプルホールド容量に保持された（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号とＮ信号とを出力回路５０へと転送する。そして、出力回路５０において（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号とＮ信号との差分（（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ－Ｎ）信号）を算出し、Ｓ／Ｎ比の良好な画素信号として出力する（第４読み出し）。

このようにして得た（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ－Ｎ）信号は、撮像信号として用いることができる。

また、Ｓｂ信号は、（Ｓａ＋Ｓｂ－Ｎ）信号と（Ｓａ－Ｎ）信号との差分から算出することができる。Ｓｃ信号は、（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ－Ｎ）信号と（Ｓａ＋Ｓｂ－Ｎ）信号との差分から算出することができる。Ｓｄ信号は、（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ－Ｎ）信号と（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ－Ｎ）信号との差分から算出することができる。したがって、Ｓａ信号、Ｓｂ信号、Ｓｃ信号、Ｓｄ信号の情報をそれぞれ得ることができ、複数方向の位相ずれを計算することができる。

しかしながら、参考例による固体撮像装置の読み出し方法では、一フレームに計４回の読み出し動作（第１乃至第４読み出し）を行う必要があるため、一連の読み出し動作に時間がかかり、フレームレートの低下につながるという課題がある。また、特許文献１においては、偶数行と奇数行とで位相差検出方向を切り替えることによりフレームレートが低下する課題に対応しているが、同方向の位相差検出情報が２行毎になってしまうため、測距情報の空間解像度が低下するという課題が生じる。

本実施形態による固体撮像装置の駆動方法は、これらの課題に鑑みて、フレームレートの低下防止と測距情報の空間解像度の低下防止との両立を実現するものである。

図５は、本実施形態の固体撮像装置１００を含む撮像ユニットを示す概略断面図である。図５では、図３におけるＡ－Ｂ線に沿った断面を想定し、画素１２に含まれる複数の光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄのうち、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｃのみを示している。

撮影レンズの射出瞳２０２を通過した光は、撮影レンズから射出瞳距離２０８を隔てて配置された固体撮像装置１００に入射する。固体撮像装置１００は、前述のように、複数の光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄと１つのマイクロレンズＭＬを各々が含む複数の画素１２を有する。通常、撮影レンズの射出瞳２０２のサイズはミリメートルオーダーであるのに対し、画素１２のサイズはマイクロメートルオーダーである。実際の比率で図示すると説明に支障があるので、固体撮像装置１００の構成要素に関しては、一部を抜き出し拡大して示すものとする。すなわち、図５において、画素１２－３は像高０の中央部、画素１２－１，１２－５は左右像高が高い位置、画素１２－２，１２－４は左右像高が中程度の位置における画素１２の拡大図である。

撮影レンズの射出瞳２０２は、マイクロレンズＭＬによって画素１２の表面に射出瞳像２０７を形成する。このとき、射出瞳像２０７の中心と画素１２の中心とは、特に像高の高い位置において、射出瞳距離２０８とマイクロレンズＭＬのピッチとが特定の条件を満たしている場合を除き、一致しない。このため、１つの画素１２に含まれる複数の光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄの間において、入射光量差、すなわち感度差が発生する。なお、特定の条件とは、総ての画素１２において射出瞳像２０７の中心と画素１２の中心とが一致するときの、射出瞳距離２０８とマイクロレンズＭＬのピッチとの関係である。

図５において、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｃに示した網掛け部分の面積が、各光電変換部ＰＤａ，ＰＤｃに蓄積された信号電荷の量によって決まる感度に対応している。この図では、上記特定の条件を満たす場合よりも像高方向（ここでは水平方向）に見たマイクロレンズＭＬのピッチに対する射出瞳距離２０８が短いときの、像高に応じて光電変換部間の感度差が変化する様子を概念的に示している。なお、射出瞳像２０７の中心位置が変化する要因として、撮影レンズの射出瞳距離２０８と水平像高２０９とがあり、射出瞳像２０７の径が変化する要因として、撮影レンズの瞳径２１０がある。射出瞳像２０７の中心位置と径とによって、光電変換部ＰＤａと光電変換部ＰＤｃとの間の感度差の量が決まる。

図６は、画素１２と射出瞳像２０７との関係の一例を示す平面図である。画素１２と射出瞳像２０７との位置関係は、前述のように、撮影レンズの光軸中心に対する画素１２の位置によって変化する。例えば、図５に示したようにマイクロレンズＭＬのピッチに対する射出瞳距離２０８が短い場合、撮影レンズから見て左下方向に像高が高い画素１２では、図６に示すように、射出瞳像２０７が画素１２の中心から左上方向にずれることになる。撮影レンズから見て左下方向とは、撮影レンズの光軸中心に対してＨアドレスとＶアドレスとが共に小さい方向である。

図６に示す画素１２においては、Ｓａ信号、Ｓｂ信号及びＳｃ信号と比較してＳｄ信号の感度が相対的に低くなるため、Ｓｄ信号は他の信号と比べて相対的に利用価値が低い。そこで、Ｓｄ信号についてはＳｂ信号又はＳｃ信号と同時に読み出しを行い、フレームレートの低下を抑制する。Ｓｄ信号をＳｂ信号及びＳｃ信号のうちのどちらと同時に読み出すかは、被写体のコントラストの高い方向に応じて決めるとよい。具体的には、被写体のコントラストの高い方向と直交する方向により近い方向に配置された２つの光電変換部ＰＤの信号を同時に読み出すようにすることが好ましい。

例えば、水平方向のコントラストが相対的に高い被写体に対しては、垂直方向に位置する光電変換部ＰＤｃ，ＰＤｄからＳｃ信号とＳｄ信号とを同時に読み出すように構成する。水平方向の位相差検出に（Ｓａ＋Ｓｂ）信号と（Ｓｃ＋Ｓｄ）信号とを用いることで、Ｓ／Ｎ比を良好にできるからである。また、垂直方向の位相差検出には、Ｓａ信号とＳｂ信号とを用いればよい。この場合、位相差検出用信号に相対的に感度の低いＳｄ信号が含まれないため、Ｓ／Ｎ比が良好となる。

逆に、垂直方向のコントラストが相対的に高い被写体に対しては、水平方向に位置する光電変換部ＰＤｂ，ＰＤｄからＳｂ信号とＳｄ信号とを同時に読み出すように構成する。この場合、垂直方向の位相差検出に（Ｓａ＋Ｓｄ）信号と（Ｓｂ＋Ｓｃ）信号とを用いることで、Ｓ／Ｎ比を良好にできるからである。また、水平方向の位相差検出には、Ｓａ信号とＳｃ信号とを用いればよい。この場合、位相差検出用信号に相対的に感度の低いＳｄ信号が含まれないため、Ｓ／Ｎ比が良好となる。

表１は、撮影レンズの射出瞳距離、撮像素子の像高、及び被写体のコントラストに応じた、位相差検出に用いる信号の好適な組み合わせを一覧にしたものである。

表１中、「撮影レンズの射出瞳距離」は、図５における射出瞳距離２０８に対応している。マイクロレンズＭＬのピッチに対して最適な距離、すなわち像高に応じて射出瞳像２０７が画素１２の中心からずれない所定の距離を基準として、撮影レンズの射出瞳距離が長いか短いかによって読み出し条件を変えることを意味している。表１中、「短い」は、焦点検出距離が当該所定の距離未満である場合を示し、「長い」は焦点検出距離が当該所定の距離以上である場合を示している。

また、表１中、「撮像素子の像高」は、撮影レンズ側から見たときの、撮影レンズの光学中心を基準とした画素の位置を示している。「被写体のコントラスト」は、撮像素子の水平・垂直方向に対する被写体のコントラストの高い方向を示している。「水平方向の位相差検出」及び「垂直方向の位相差検出」は、位相差検出に用いる信号の組を示している。例えば、「Ｓａ＋Ｓｂ ｖｓ Ｓｃ＋Ｓｄ」は、（Ｓａ＋Ｓｂ）信号と（Ｓｃ＋Ｓｄ）信号とを位相差検出用信号として用いることを意味している。また、「Ｓａ ｖｓ Ｓｃ」は、Ｓａ信号とＳｃ信号とを位相差検出用信号として用いることを意味している。

図７は、本実施形態による固体撮像装置の読み出し方法を示すタイミング図である。図７（ａ）は、被写体のコントラストが水平方向に高い場合の、図６に対応する画素１２（像高が「左上」）における読み出し動作を示すタイミング図である。図７（ｂ）は、被写体のコントラストが垂直方向に高い場合の、図６に対応する画素１２における読み出し動作を示すタイミング図である。図７に示す各信号は、図４と同様である。

マイクロレンズＭＬのピッチに対する射出瞳距離２０８が短い撮像条件により水平方向のコントラストが高い被写体を撮像する場合、図７（ａ）に示すタイミングチャートに従って信号の読み出しを行う。

まず、垂直走査信号φＶに応じた所定のタイミングで制御信号φＳＥＬをハイレベルにして、選択トランジスタＭ４をオンにする。その際、制御信号φＲＥＳはハイレベルであり、フローティングディフュージョンＦＤはリセットされている。制御信号φＲＥＳをローレベルにした後、制御信号φＳＨｎをハイレベルにすることで、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力されたリセット信号（Ｎ信号）を、Ｎ信号用のサンプルホールド容量に保持する。

次いで、制御信号φＴｘａをハイレベルにし、光電変換部ＰＤａ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。その際、制御信号φＳＨｓをハイレベルにすることで、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力された光信号（Ｓ信号）を、Ｓ信号用のサンプルホールド容量に保持する。ここでは、光電変換部ＰＤａに蓄積された信号電荷に基づく信号成分を、Ｓａ信号と呼ぶものとする。次いで、水平転送信号φＨを列毎に順次オンにして、サンプルホールド容量に保持されたＳａ信号とＮ信号とを出力回路５０へと転送する。そして、出力回路５０においてＳａ信号とＮ信号との差分（（Ｓａ－Ｎ）信号）を算出し、Ｓ／Ｎ比の良好な画素信号として出力する（第１読み出し）。

次いで、制御信号φＴｘａ，Ｔｘｂをハイレベルにし、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ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に転送し、フローティングディフュージョンＦＤが保持する信号電荷に加算する。その際、制御信号φＳＨｓをハイレベルにすることで、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力された光信号（Ｓ信号）を、Ｓ信号用のサンプルホールド容量に保持する。光電変換部ＰＤｂに蓄積された信号電荷に基づく信号成分をＳｂ信号とすると、Ｓ信号用のサンプルホールド容量には、Ｓａ信号とＳｂ信号とを加算した（Ｓａ＋Ｓｂ）信号が保持される。次いで、水平転送信号φＨを列毎に順次オンにして、サンプルホールド容量に保持された（Ｓａ＋Ｓｂ）信号とＮ信号とを出力回路５０へと転送する。そして、出力回路５０において（Ｓａ＋Ｓｂ）信号とＮ信号との差分（（Ｓａ＋Ｓｂ－Ｎ）信号）を算出し、Ｓ／Ｎ比の良好な画素信号として出力する（第２読み出し）。

次いで、制御信号φＴｘａ，Ｔｘｂ，Ｔｘｃ，Ｔｘｄをハイレベルにし、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄ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に転送し、フローティングディフュージョンＦＤが保持する信号電荷に加算する。その際、制御信号φＳＨｓをハイレベルにすることで、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力された光信号（Ｓ信号）を、Ｓ信号用のサンプルホールド容量に保持する。光電変換部ＰＤｄに蓄積された信号電荷に基づく信号成分をＳｄ信号とすると、Ｓ信号用のサンプルホールド容量には、Ｓａ信号とＳｂ信号とＳｃ信号とＳｄ信号を加算した（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号が保持される。次いで、水平転送信号φＨを列毎に順次オンにして、サンプルホールド容量に保持された（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号とＮ信号とを出力回路５０へと転送する。そして、出力回路５０において（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号とＮ信号との差分（（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ－Ｎ）信号）を算出し、Ｓ／Ｎ比の良好な画素信号として出力する（第３読み出し）。

このように、列読み出し回路３０は、複数の画素１２の各々から、一の光電変換部ＰＤのみで生成された電荷に基づく信号（（Ｓａ－Ｎ）信号）を読み出すように構成されている。また、列読み出し回路３０は、２以上の光電変換部で生成された電荷に基づく信号（（Ｓａ＋Ｓｂ－Ｎ）信号、（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ－Ｎ）信号）と、を含む複数の信号を読み出すように構成されている。

このようにして得た（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ－Ｎ）信号は、撮像信号として用いることができる。また、（Ｓｃ＋Ｓｄ）信号は、（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ－Ｎ）信号と（Ｓａ＋Ｓｂ－Ｎ）信号との差分から算出することができる。これにより、（Ｓａ＋Ｓｂ）信号及び（Ｓｃ＋Ｓｄ）信号を、水平方向の位相差検出のための位相差信号として用いることができる。また、Ｓｂ信号は、（Ｓａ＋Ｓｂ－Ｎ）信号と（Ｓａ－Ｎ）信号との差分から算出することができる。これにより、Ｓａ信号及びＳｂ信号を、垂直方向の位相差検出のための一対の位相差信号として用いることができる。すなわち、固体撮像装置から出力される（Ｓａ－Ｎ）信号、（Ｓａ＋Ｓｂ－Ｎ）信号及び（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ－Ｎ）信号は、位相差情報を識別可能な信号である。

マイクロレンズＭＬのピッチに対する射出瞳距離２０８が短い撮像条件により垂直方向のコントラストが高い被写体を撮像する場合、図７（ｂ）に示すタイミングチャートに従って信号の読み出しを行う。

まず、垂直走査信号φＶに応じた所定のタイミングで制御信号φＳＥＬをハイレベルにして、選択トランジスタＭ４をオンにする。その際、制御信号φＲＥＳはハイレベルであり、フローティングディフュージョンＦＤはリセットされている。制御信号φＲＥＳをローレベルにした後、制御信号φＳＨｎをハイレベルにすることで、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力されたリセット信号（Ｎ信号）を、Ｎ信号用のサンプルホールド容量に保持する。

次いで、制御信号φＴｘａをハイレベルにし、光電変換部ＰＤａ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。その際、制御信号φＳＨｓをハイレベルにすることで、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力された光信号（Ｓ信号）を、Ｓ信号用のサンプルホールド容量に保持する。ここでは、光電変換部ＰＤａに蓄積された信号電荷に基づく信号成分を、Ｓａ信号と呼ぶものとする。次いで、水平転送信号φＨを列毎に順次オンにして、サンプルホールド容量に保持されたＳａ信号とＮ信号とを出力回路５０へと転送する。そして、出力回路５０においてＳａ信号とＮ信号との差分（（Ｓａ－Ｎ）信号）を算出し、Ｓ／Ｎ比の良好な画素信号として出力する（第１読み出し）。

次いで、制御信号φＴｘａ，Ｔｘｃをハイレベルにし、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｃ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に転送し、フローティングディフュージョンＦＤが保持する信号電荷に加算する。その際、制御信号φＳＨｓをハイレベルにすることで、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力された光信号（Ｓ信号）を、Ｓ信号用のサンプルホールド容量に保持する。光電変換部ＰＤｃに蓄積された信号電荷に基づく信号成分をＳｃ信号とすると、Ｓ信号用のサンプルホールド容量には、Ｓａ信号とＳｃ信号とを加算した（Ｓａ＋Ｓｃ）信号が保持される。次いで、水平転送信号φＨを列毎に順次オンにして、サンプルホールド容量に保持された（Ｓａ＋Ｓｃ）信号とＮ信号とを出力回路５０へと転送する。そして、出力回路５０において（Ｓａ＋Ｓｃ）信号とＮ信号との差分（（Ｓａ＋Ｓｃ－Ｎ）信号）を算出し、Ｓ／Ｎ比の良好な画素信号として出力する（第２読み出し）。

次いで、制御信号φＴｘａ，Ｔｘｂ，Ｔｘｃ，Ｔｘｄをハイレベルにし、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄ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に転送し、フローティングディフュージョンＦＤが保持する信号電荷に加算する。その際、制御信号φＳＨｓをハイレベルにすることで、選択トランジスタＭ４を介して出力線１６に出力された光信号（Ｓ信号）を、Ｓ信号用のサンプルホールド容量に保持する。光電変換部ＰＤｄに蓄積された信号電荷に基づく信号成分をＳｄ信号とすると、Ｓ信号用のサンプルホールド容量には、Ｓａ信号とＳｂ信号とＳｃ信号とＳｄ信号を加算した（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号が保持される。次いで、水平転送信号φＨを列毎に順次オンにして、サンプルホールド容量に保持された（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号とＮ信号とを出力回路５０へと転送する。そして、出力回路５０において（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号とＮ信号との差分（（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ－Ｎ）信号）を算出し、Ｓ／Ｎ比の良好な画素信号として出力する（第３読み出し）。

このようにして得た（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ－Ｎ）信号は、撮像信号として用いることができる。また、Ｓｃ信号は、（Ｓａ＋Ｓｃ－Ｎ）信号と（Ｓａ－Ｎ）信号との差分から算出することができる。これにより、Ｓａ信号及びＳｃ信号を、水平方向の位相差検出のための一対の位相差信号として用いることができる。また、（Ｓｂ＋Ｓｄ）信号は、（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ－Ｎ）信号と（Ｓａ＋Ｓｃ－Ｎ）信号との差分から算出することができる。これにより、（Ｓａ＋Ｓｃ）信号及び（Ｓｂ＋Ｓｄ）信号を、垂直方向の位相差検出のための一対の位相差信号として用いることができる。すなわち、固体撮像装置から出力される（Ｓａ－Ｎ）信号、（Ｓａ＋Ｓｃ－Ｎ）信号及び（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ－Ｎ）信号は、位相差情報を識別可能な信号である。

なお、ここでは読み出す信号を、Ｓａ信号、（Ｓａ＋Ｓｂ）信号又は（Ｓａ＋Ｓｃ）信号、（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号の３種類としているが、位相差信号を取得するための読み出し信号の組み合わせは、これに限定されるものではない。例えば、（Ｓｃ＋Ｓｄ）信号、（Ｓａ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号、（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号の３種類を読み出すことによっても、２方向の位相差信号を取得することができる。すなわち、（Ｓｃ＋Ｓｄ）信号と（Ｓａ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号とから算出したＳａ信号と、（Ｓａ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号と（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）信号とから算出したＳｂ信号とを、垂直方向の位相差検出のための一対の位相差信号として用いることができる。また、Ｓａ信号とＳｂ信号とから算出した（Ｓａ＋Ｓｂ）信号と、（Ｓｃ＋Ｓｄ）信号とを、水平方向の位相差検出のための一対の位相差信号として用いることができる。

このようにして、相対的に感度の低い画素の信号（Ｓｄ信号）を他の信号と同時に読み出すように構成することにより、計３回の読み出し動作（第１乃至第３読み出し）によって撮像信号と位相差検出信号とを取得することができる。これにより、図４に示す読み出し方法と比較して、１行あたりの読み出し時間を短縮することができ、フレームレートを向上することが可能となる。また、総ての行において水平方向と垂直方向の位相差検出が可能なため、測距情報の空間解像度が低下することを防止することができる。したがって、本実施形態の駆動方法によれば、フレームレートの低下防止と測距情報の空間解像度の低下防止との両立を実現することができる。

このように、本実施形態によれば、位相差検出信号を出力する機能を備えた固体撮像装置において、フレームレートの低下防止と測距情報の空間解像度の低下防止との両立を図ることができる。

［第２実施形態］
第１実施形態による固体撮像装置の読み出し方法では、フレームレートの低下防止の観点から、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄで生成された電荷に基づく信号（Ｓａ信号、Ｓｂ信号、Ｓｃ信号及びＳｄ信号）のうち、一部を加算して読み出した。しかしながら、撮像条件によっては、仮に図４に示す参考例による読み出し方法を適用してもフレームレートに影響しないことも想定される。このような場合には、必ずしも複数の光電変換部ＰＤで生成された電荷に基づく信号を加算して読み出す必要はない。

すなわち、図４に示す参考例による読み出し方法を適用してもフレームレートの低下が生じない撮像条件においては、図４に示す読み出し方法を実施し、Ｓａ信号、Ｓｂ信号、Ｓｃ信号及びＳｄ信号を取得する。そして、撮影レンズの光軸中心に対する画素１２の位置に応じて、表１に示す関係に従って位相差検出に用いる信号を適宜組み合わせる。このように構成することで、総ての行において水平方向と垂直方向の位相差検出が可能なため、測距情報の空間解像度が低下することも防止することができる。したがって、フレームレートの低下防止と測距情報の空間解像度の低下防止との両立を実現することができる。

図４に示す参考例による読み出し方法を適用した場合にフレームレートの低下が生じる撮像条件においては、第１実施形態による固体撮像装置の読み出し方法を適用し、フレームレート低下の影響を抑制すればよい。

［第３実施形態］
第１実施形態においては、図３に示すように、複数の光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄに対して共通の１つのフローティングディフュージョンＦＤを備えた画素１２を示した。しかしながら、フローティングディフュージョンＦＤは、必ずしも画素１２を構成する総ての光電変換部ＰＤにおいて共用する必要はない。

例えば、図８（ａ）に示すように、複数の光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄの各々に対応する複数のフローティングディフュージョンＦＤａ，ＦＤｂ，ＦＤｃ，ＦＤｄを設けるようにしてもよい。或いは、図８（ｂ）に示すように、１つの画素１２に含まれる複数の光電変換部ＰＤを複数のグループに分け、各グループの各々にフローティングディフュージョンＦＤを設けるようにしてもよい。図８（ｂ）は、光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂで共用するフローティングディフュージョンＦＤａｂと、光電変換部ＰＤｃ，ＰＤｄで共用するフローティングディフュージョンＦＤｃｄとを設けた例である。いずれの場合も、リセットトランジスタＭ２、増幅トランジスタＭ３及び選択トランジスタＭ４で構成される画素内読み出し回路は、複数のフローティングディフュージョンＦＤで共用してもよいし、フローティングディフュージョンＦＤ毎に設けてもよい。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像システムについて、図９を用いて説明する。図９は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。

本実施形態の撮像システム３００は、上記実施形態の固体撮像装置１００の構成を適用した撮像装置３０１を含む。撮像システム３００の具体例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラ等が挙げられる。図９に、撮像装置３０１として第１乃至第３実施形態のいずれかに記載の固体撮像装置１００を適用したデジタルスチルカメラの構成例を示す。

図９に例示した撮像システム３００は、撮像装置３０１、被写体の光学像を撮像装置３０１に結像させるレンズ３０２、レンズ３０２を通過する光量を可変にするための絞り３０４、レンズ３０２の保護のためのバリア３０６を有する。レンズ３０２及び絞り３０４は、撮像装置３０１に光を集光する光学系である。

撮像システム３００は、また、撮像装置３０１から出力される出力信号の処理を行う信号処理部３０８を有する。信号処理部３０８は、必要に応じて入力信号に対して各種の補正、圧縮を行って出力する信号処理の動作を行う。例えば、信号処理部３０８は、入力信号に対して、ＲＧＢの画素出力信号をＹ，Ｃｂ，Ｃｒ色空間へ変換する変換処理や、ガンマ補正などの所定の画像処理を施す。また、信号処理部３０８は、撮像装置３０１から出力される位相差検出信号に基づいて位相差を算出する位相差算出部を含む。

撮像システム３００は、更に、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部３１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）３１２を有する。更に撮像システム３００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体３１４、記録媒体３１４に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）３１６を有する。なお、記録媒体３１４は、撮像システム３００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。

更に撮像システム３００は、各種演算を行うとともにデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部３１８、撮像装置３０１と信号処理部３０８に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部３２０を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム３００は、少なくとも撮像装置３０１と、撮像装置３０１から出力された出力信号を処理する信号処理部３０８とを有すればよい。全体制御・演算部３１８及びタイミング発生部３２０は、撮像装置３０１の制御機能の一部又は総てを実施するように構成してもよい。

撮像装置３０１は、画像用信号を信号処理部３０８に出力する。信号処理部３０８は、撮像装置３０１から出力される画像用信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。また、信号処理部３０８は、画像用信号を用いて、画像を生成する。信号処理部３０８で生成された画像は、例えば記録媒体３１４に記録される。また、信号処理部３０８で生成された画像は、液晶ディスプレイなどからなるモニターに動画或いは静止画として映し出される。記録媒体３１４に記憶された画像は、プリンタなどによってハードコピーすることができる。

撮像装置３０１は、また、画素１２が出力する信号に基づく位相差検出信号を信号処理部３０８に出力する。信号処理部３０８の位相差算出部は、位相差検出信号に基づいて２つの画像の位相差を算出し、被写体に合焦しているか否かを検出する。信号処理部３０８が合焦していないことを検出した場合には、全体制御・演算部３１８は、合焦する方向に光学系を駆動する。再び信号処理部３０８は、撮像装置３０１から出力される位相差検出信号を用いて、再び合焦しているか否かを検出する。以下、撮像装置３０１、信号処理部３０８、全体制御・演算部３１８は、合焦するまでこの動作を繰り返す。

なお、信号処理部３０８が備える機能は、撮像装置３０１とは別の信号処理装置により実現してもよい。また、信号処理部３０８が備える機能を、撮像装置３０１が有していてもよい。

上記実施形態の固体撮像装置を用いて撮像システムを構成することにより、被写体に対する焦点検出精度を向上することができ、より良質の画像を取得しうる撮像システムを実現することができる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による撮像システム及び移動体について、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成例を示す図である。

図１０（ａ）は、車載カメラに関する撮像システム４００の一例を示したものである。撮像システム４００は、撮像装置４１０を有する。撮像装置４１０は、第１乃至第３実施形態のいずれかに記載の固体撮像装置１００である。撮像システム４００は、撮像装置４１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部４１２と、撮像装置４１０により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差取得部４１４を有する。また、撮像システム４００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部４１６と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部４１８と、を有する。ここで、視差取得部４１４や距離取得部４１６は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部４１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

撮像システム４００は、車両情報取得装置４２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム４００は、衝突判定部４１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ４３０が接続されている。すなわち、制御ＥＣＵ４３０は、距離情報に基づいて移動体を制御する移動体制御手段の一例である。また、撮像システム４００は、衝突判定部４１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置４４０とも接続されている。例えば、衝突判定部４１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ４３０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置４４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム４００で撮像する。図１０（ｂ）に、車両前方（撮像範囲４５０）を撮像する場合の撮像システム４００を示した。車両情報取得装置４２０は、撮像システム４００を動作させ撮像を実行させるように指示を送る。第１実施形態の固体撮像装置１００を撮像装置４１０として用いることにより、本実施形態の撮像システム４００は、測距の精度をより向上させることができる。

以上の説明では、他の車両と衝突しないように制御する例を述べたが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御等にも適用可能である。更に、撮像システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。

例えば、上記実施形態では、２行×２列の行列状に配された４つの光電変換部ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄを各々の画素１２が備えている場合を例にして説明したが、画素１２は必ずしも４つの光電変換部を備えている必要はない。画素１２は、２方向の位相差情報を取得するために、３以上の光電変換部ＰＤを備えていればよく、３つの光電変換部ＰＤを備えていてもよいし、５以上の光電変換部ＰＤを備えていてもよい。

また、第４及び第５実施形態に示した撮像システムは、本発明の固体撮像装置を適用しうる撮像システムを例示したものであり、本発明の固体撮像装置を適用可能な撮像システムは図９及び図１０に示した構成に限定されるものではない。

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

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。

ＭＬ…マイクロレンズ
ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄ…光電変換部
１０…画素領域
１２…画素
３０…列読み出し回路
１００…固体撮像装置
２０７…射出瞳像
２０８…射出瞳距離
３００，４００…撮像システム
３０１，４１０…撮像装置
３０８…信号処理部

Claims (16)

1. 複数の行及び複数の列に渡って配された複数の画素と、
   前記複数の画素のうち対応する画素から信号を読み出す読み出し回路と、を有し、
   前記複数の画素の各々は、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部に対して第１の方向に配された第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部に対して前記第１の方向と交差する第２の方向に配された第３の光電変換部と、前記第２の光電変換部に対して前記第２の方向に配され且つ前記第３の光電変換部に対して前記第１の方向に配された第４の光電変換部と、前記第１乃至第４の光電変換部に集光する１つのマイクロレンズと、を有し、
   前記読み出し回路は、３回の読み出し動作により、前記対応する画素の前記第１乃至第４の光電変換部の全部から電荷を読み出し、かつ、前記対応する画素の前記第１乃至第４の光電変換部のうち、１つの光電変換部のみで生成された電荷に基づく信号を識別できるように、前記対応する画素から複数の信号を読み出すように構成されており、
   前記読み出し回路は、前記対応する画素の前記１つの光電変換部を、前記第１乃至第４の光電変換部の中から選択できるように構成されている
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記１つの光電変換部のみで生成された電荷に基づく信号と、前記２つ以上の光電変換部で生成された電荷に基づく信号とは、前記第１の方向及び前記第２の方向の位相差情報を識別可能な信号である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の信号は、前記対応する画素に含まれる前記第１乃至第４の光電変換部で生成された電荷に基づく信号を含む
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記読み出し回路は、前記対応する画素から、前記第１の光電変換部で生成された電荷に基づく第１の信号と、前記第１及び第２の光電変換部で生成された電荷に基づく第２の信号と、前記第１乃至第４の光電変換部で生成された電荷に基づく第３の信号と、を読み出すように構成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記読み出し回路は、前記対応する画素から、前記第１の光電変換部で生成された電荷に基づく第１の信号と、前記第１、第３及び第４の光電変換部で生成された電荷に基づく第２の信号と、前記第１乃至第４の光電変換部で生成された電荷に基づく第３の信号と、を読み出すように構成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記読み出し回路は、前記対応する画素から、前記第３及び第４の光電変換部で生成された電荷に基づく第１の信号と、前記第１、第３及び第４の光電変換部で生成された電荷に基づく第２の信号と、前記第１乃至第４の光電変換部で生成された電荷に基づく第３の信号と、を読み出すように構成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記読み出し回路は、前記対応する画素の前記１つの光電変換部を、前記複数の光電変換部の中から、撮影レンズの射出瞳距離に応じて選択する
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記読み出し回路は、前記射出瞳距離が所定の距離以上の場合は、前記複数の光電変換部のうち、前記撮影レンズの光学中心から最も近い光電変換部を前記１つの光電変換部として選択する
   ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
9. 前記読み出し回路は、前記射出瞳距離が所定の距離未満の場合は、前記複数の光電変換部のうち、前記撮影レンズの光学中心から最も遠い光電変換部を前記１つの光電変換部として選択する
   ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
10. 前記第１の方向は、前記第２の方向よりも、被写体のコントラストが高い方向と直交する方向に近い
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 複数の行及び複数の列に渡って配された複数の画素を有し、前記複数の画素の各々が、第１乃至第４の光電変換部と、前記第１乃至第４の光電変換部に集光する１つのマイクロレンズと、を有する固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理装置であって、
    第１の方向の位相差情報を含む一対の第１の位相差検出信号に基づき、前記第１の方向の位相差を算出し、前記第１の方向と交差する第２の方向の位相差情報を含む一対の第２の位相差検出信号に基づき、前記第２の方向の位相差を算出する位相差算出部を有し、
    前記一対の第１の位相差検出信号及び前記一対の第２の位相差検出信号の各々は、前記固体撮像装置における３回の読み出し動作によって取得された３つの信号に基づく信号であり、
    前記一対の第１の位相差検出信号の各々は、前記第１乃至第４の光電変換部のうちの１つの光電変換部のみで生成された電荷に基づく信号であり、
    前記一対の第２の位相差検出信号の各々は、前記第１乃至第４の光電変換部のうちの２つの光電変換部で生成された電荷に基づく信号である
    ことを特徴とする信号処理装置。
12. 前記第２の光電変換部は前記第１の光電変換部に対して前記第１の方向に配され、前記第３の光電変換部は前記第１の光電変換部に対して前記第２の方向に配され、前記第４の光電変換部は前記第２の光電変換部に対して前記第２の方向に配され且つ前記第３の光電変換部に対して前記第１の方向に配されており、
    前記位相差算出部は、第１の信号と第２の信号とに基づき、前記一対の第１の位相差検出信号を算出し、前記第２の信号と第３の信号とに基づき、前記一対の第２の位相差検出信号を算出し、
    前記第１の信号は、前記第１の光電変換部で生成された電荷に基づく信号であり、
    前記第２の信号は、前記第１及び第２の光電変換部で生成された電荷に基づく信号であり、
    前記第３の信号は、前記第１乃至第４の光電変換部で生成された電荷に基づく信号である
    ことを特徴とする請求項１１記載の信号処理装置。
13. 前記第２の光電変換部は前記第１の光電変換部に対して前記第１の方向に配され、前記第３の光電変換部は前記第１の光電変換部に対して前記第２の方向に配され、前記第４の光電変換部は前記第２の光電変換部に対して前記第２の方向に配され且つ前記第３の光電変換部に対して前記第１の方向に配されており、
    前記位相差算出部は、第１の信号と第２の信号と第３の信号とに基づき、前記一対の第１の位相差検出信号を算出し、前記第１の信号と前記第２の信号と前記第３の信号に基づき、前記一対の第２の位相差検出信号を算出し、
    前記第１の信号は、前記第１の光電変換部で生成された電荷に基づく信号であり、
    前記第２の信号は、前記第１、第３及び第４の光電変換部で生成された電荷に基づく信号であり、
    前記第３の信号は、前記第１乃至第４の光電変換部で生成された電荷に基づく信号である
    ことを特徴とする請求項１１記載の信号処理装置。
14. 前記第２の光電変換部は前記第１の光電変換部に対して前記第１の方向に配され、前記第３の光電変換部は前記第１の光電変換部に対して前記第２の方向に配され、前記第４の光電変換部は前記第２の光電変換部に対して前記第２の方向に配され且つ前記第３の光電変換部に対して前記第１の方向に配されており、
    前記位相差算出部は、第１の信号と第２の信号と第３の信号とに基づき、前記一対の第１の位相差検出信号を算出し、前記第２の信号と前記第３の信号とに基づき、前記一対の第２の位相差検出信号を算出し、
    前記第１の信号は、前記第３及び第４の光電変換部で生成された電荷に基づく信号であり、
    前記第２の信号は、前記第１、第３及び第４の光電変換部で生成された電荷に基づく信号であり、
    前記第３の信号は、前記第１乃至第４の光電変換部で生成された電荷に基づく信号である
    ことを特徴とする請求項１１記載の信号処理装置。
15. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理装置と、を有し、
    前記信号処理装置は、前記第１の方向の位相差情報を含む一対の第１の位相差検出信号に基づき、前記第１の方向の位相差を算出し、前記第２の方向の位相差情報を含む一対の第２の位相差検出信号に基づき、前記第２の方向の位相差を算出し、
    前記一対の第１の位相差検出信号の各々は、前記複数の光電変換部のうちの１つの光電変換部のみで生成された電荷に基づく信号であり、
    前記一対の第２の位相差検出信号の各々は、前記複数の光電変換部のうちの２つ以上の光電変換部で生成された電荷に基づく信号である
    ことを特徴とする撮像システム。
16. 移動体であって、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置の前記画素から出力される信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする移動体。

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