JP7292990B2 - Imaging device, computer program and storage medium - Google Patents

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Description

本発明は撮像装置等に関する。 The present invention relates to an imaging device and the like.

撮像装置で行われる焦点検出方法の1つに、撮像素子に設けられた焦点検出画素からの信号を用いて、位相差方式の焦点検出を行う撮像面位相差方式がある。 2. Description of the Related Art One focus detection method performed by an imaging device is an imaging plane phase difference method that performs phase difference focus detection using signals from focus detection pixels provided in an imaging device.

特許文献1には、1つの画素に対して、1つのマイクロレンズと複数に分割された光電変換部が形成されている2次元撮像素子を用いた撮像装置が開示されている。複数の光電変換部は、1つのマイクロレンズを介して撮像レンズの射出瞳の異なる領域を受光するように構成され、瞳分割を行っている。個々の光電変換部の信号の像ずれ量から位相差信号を取得し焦点検出を行うとともに、個々の光電変換部の信号を足し合わせて表示用/記録用の画像信号を取得する。また、焦点検出に限らず、各画素の右側の光電変換部と左側の光電変換部で受光した信号を視差信号として表示することで、立体画像の表示が可能となることが開示されている。 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-100001 discloses an imaging device using a two-dimensional imaging element in which one microlens and a plurality of divided photoelectric conversion units are formed for one pixel. The plurality of photoelectric conversion units are configured to receive light in different regions of the exit pupil of the imaging lens via one microlens, and perform pupil division. A phase difference signal is obtained from the image shift amount of the signals of the individual photoelectric conversion units to perform focus detection, and the signals of the individual photoelectric conversion units are added to obtain an image signal for display/recording. In addition to focus detection, it is disclosed that a stereoscopic image can be displayed by displaying signals received by the right and left photoelectric conversion units of each pixel as parallax signals.

さらに、特許文献2には、分割された光電変換部同士の分離領域を光電変換部とは異なる導電型の半導体で構成し、光電変換部をPN接合により分離するようにしている。それによって、分離領域に集光した光も光電変換され、撮像信号における感度不均一性の低減が可能になることが開示されている。 Furthermore, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-200000, the isolation region between the divided photoelectric conversion units is composed of a semiconductor of a conductivity type different from that of the photoelectric conversion units, and the photoelectric conversion units are separated by PN junctions. It is disclosed that this also photoelectrically converts the light condensed on the separation region, making it possible to reduce non-uniform sensitivity in the imaging signal.

また、特許文献3には、蓄積期間中に光電変換部から溢れた電荷を容量に蓄積しておき、信号読み出し時に蓄積した電荷を2つの電荷電圧変換ゲインで読み出すことで、飽和電荷量を増大することが可能な画素構成が示されている。 Further, in Patent Document 3, the amount of saturated charge is increased by accumulating the charge overflowing from the photoelectric conversion unit in a capacitor during the accumulation period and reading out the accumulated charge with two charge-voltage conversion gains when reading out the signal. A possible pixel configuration is shown.

特開昭58-24105号公報JP-A-58-24105 特開2001-250931号公報JP-A-2001-250931 特開2005-328493号公報JP 2005-328493 A

しかし、各画素に対し1つのマイクロレンズと複数の光電変換部を有する2次元撮像素子において、複数の光電変換部の間の領域を光電変換部とは異なる導電型の半導体にすると、そのポテンシャル障壁が小さくなる。従って、PDで蓄えられる飽和電荷量が小さくなってしまう。そのため、各画素が画像信号/位相差信号を出力する撮像素子において、特許文献3の技術をそのまま用いても、画質劣化を抑制しつつ、飽和電荷量を拡大することはできない。
本発明は上記従来例の問題を解決し、モードに応じて画質劣化を抑制しつつ飽和電荷量を拡大可能な撮像装置を提供することを目的とする。
However, in a two-dimensional imaging device having one microlens and a plurality of photoelectric conversion units for each pixel, if the region between the plurality of photoelectric conversion units is made of a semiconductor of a conductivity type different from that of the photoelectric conversion units, the potential barrier becomes smaller. Therefore, the saturation charge amount stored in the PD becomes small. Therefore, even if the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-100001 is used as it is in an imaging device in which each pixel outputs an image signal/phase difference signal, it is not possible to increase the saturation charge amount while suppressing image quality deterioration.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-described problems of the prior art and to provide an imaging apparatus capable of increasing the saturation charge amount while suppressing deterioration of image quality depending on the mode.

撮像装置であって、
複数の画素を有し、各画素がそれぞれ、
光学系の異なる射出瞳領域を通過した複数の光束をそれぞれ受光して光電変換し電荷を生成するための複数の光電変換部と、
前記複数の光電変換部を分離する分離領域と、
前記複数の光電変換部の電荷をそれぞれ蓄積するための前記複数の光電変換部と同数の複数の第1の蓄積部と、を有する撮像素子と、
前記複数の光電変換部と前記複数の第1の蓄積部との間のポテンシャル障壁を、前記分離領域のポテンシャル障壁より低く、かつ、前記複数の光電変換部の空乏電位よりも高くする第1のモードと、前記複数の光電変換部と前記複数の第1の蓄積部との間のポテンシャル障壁を、前記分離領域のポテンシャル障壁より高くする第2のモードと、を選択的に切り替えるための制御手段とを有することを特徴とする。
An imaging device,
having a plurality of pixels, each pixel respectively
a plurality of photoelectric conversion units for receiving and photoelectrically converting a plurality of light beams passing through different exit pupil regions of the optical system to generate electric charges;
a separation region that separates the plurality of photoelectric conversion units;
an imaging device having a plurality of first storage units in the same number as the plurality of photoelectric conversion units for respectively storing charges of the plurality of photoelectric conversion units;
a first potential barrier between the plurality of photoelectric conversion units and the plurality of first storage units that is lower than the potential barrier of the isolation region and higher than the depletion potential of the plurality of photoelectric conversion units; Control means for selectively switching between a mode and a second mode in which a potential barrier between the plurality of photoelectric conversion units and the plurality of first accumulation units is higher than the potential barrier of the isolation region. and

本発明によれば、モードに応じて画質劣化を抑制しつつ飽和電荷量を拡大可能な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 imaging apparatus capable of increasing the saturation charge amount while suppressing deterioration of image quality depending on the mode.

実施例1に係る撮像素子を用いた撮像装置のブロック図である。1 is a block diagram of an image capturing apparatus using an image sensor according to Example 1; FIG. 実施例1における撮像素子の全体構成概略図である。1 is a schematic diagram of the overall configuration of an imaging element in Example 1. FIG. 実施例1における撮像素子の画素配列の概略図である。2 is a schematic diagram of a pixel array of an imaging element in Example 1. FIG. 実施例1における撮像素子の画素の概略平面図と概略断面図である。2A and 2B are a schematic plan view and a schematic cross-sectional view of pixels of an image sensor in Example 1. FIG. 本発明の実施例1における瞳分割の概略説明図である。FIG. 2 is a schematic explanatory diagram of pupil division in Example 1 of the present invention; 実施例1における瞳強度分布を例示する図である。4 is a diagram illustrating pupil intensity distribution in Example 1. FIG. 実施例1における撮影処理のフローチャートである。4 is a flowchart of imaging processing in Example 1. FIG. 実施例1における画素等価回路図である。3 is a pixel equivalent circuit diagram in Example 1. FIG. 実施例1における位相差信号用蓄積期間中の画素の最小ポテンシャルの一例を概略的に示す図(ポテンシャルA1)である。4 is a diagram (potential A1) schematically showing an example of a minimum potential of a pixel during a phase difference signal accumulation period in Example 1. FIG. 実施例1における位相差信号用蓄積期間中の画素の最小ポテンシャルと蓄積された電荷の例を概略的に示す図(ポテンシャルA1)である。FIG. 10 is a diagram (potential A1) schematically showing an example of the minimum potential of a pixel and the accumulated charge during the phase difference signal accumulation period in Example 1; 実施例1における画像信号用蓄積期間中の画素の最小ポテンシャルの一例を概略的に示す図(ポテンシャルB1)である。4 is a diagram (potential B1) schematically showing an example of a minimum potential of a pixel during an image signal accumulation period in Example 1. FIG. 実施例1における画像信号用蓄積期間中の画素の最小ポテンシャルと蓄積された電荷の例を概略的に示す図(ポテンシャルB1)である。FIG. 10 is a diagram (potential B1) schematically showing an example of the minimum potential of a pixel and the accumulated charges during the image signal accumulation period in Example 1; 実施例1における画像信号読み出しシーケンスを概略的に示す図である。4 is a diagram schematically showing an image signal readout sequence in Example 1. FIG. 実施例1における画素信号読み出しシーケンスを概略的に示す図である。4 is a diagram schematically showing a pixel signal readout sequence in Example 1. FIG. 実施例1おける、各ノードの蓄積電荷と光量の関係を模式的に示す図(ポテンシャルA1)である。FIG. 10 is a diagram (potential A1) schematically showing the relationship between the accumulated charge of each node and the amount of light in Example 1; 実施例1おける、各ノードの蓄積電荷と光量の関係を模式的に示す図(ポテンシャルB1)である。FIG. 10 is a diagram (potential B1) schematically showing the relationship between the accumulated charge of each node and the amount of light in Example 1; 実施例1における画像信号蓄積期間中における電荷蓄積の例を概略的に示す図である。4 is a diagram schematically showing an example of charge accumulation during an image signal accumulation period in Example 1. FIG. 実施例1における位相差信号の出力信号電圧・SN比と光量の関係を模式的に示す図である。4 is a diagram schematically showing the relationship between the output signal voltage/SN ratio of the phase difference signal and the amount of light in Example 1. FIG. 実施例1における画像信号の出力信号電圧・SN比と光量の関係を模式的に示す図である。4 is a diagram schematically showing the relationship between the output signal voltage/SN ratio of an image signal and the amount of light in Example 1. FIG. 実施例2における画像信号用蓄積期間中の画素の最小ポテンシャルの一例を概略的に示す図(ポテンシャルB2)である。FIG. 11 is a diagram (potential B2) schematically showing an example of a minimum potential of a pixel during an image signal accumulation period in Example 2; 実施例2おける、各ノードの蓄積電荷と光量の関係を模式的に示す図(ポテンシャルB2)である。FIG. 11 is a diagram (potential B2) schematically showing the relationship between the accumulated charge of each node and the amount of light in Example 2; 実施例3における位相差信号用蓄積期間中の画素の最小ポテンシャルの一例を概略的に示す図(ポテンシャルA3)である。FIG. 16 is a diagram (potential A3) schematically showing an example of a minimum potential of a pixel during a phase difference signal accumulation period in Example 3; 実施例3おける、各ノードの蓄積電荷と光量の関係を模式的に示す図(ポテンシャルA3)である。FIG. 11 is a diagram (potential A3) schematically showing the relationship between the accumulated charge of each node and the amount of light in Example 3; 実施例3における画素等価回路図である。FIG. 11 is a pixel equivalent circuit diagram in Example 3;

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について実施例を用いて説明する。なお、各図において、同一の部材ないし要素については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略ないし簡略化する。
なお、実施例においては、撮像装置としてデジタルスチルカメラに適用した例について説明するが、撮像装置はデジタルムービーカメラ、カメラ付きのスマートフォン、カメラ付きのタブレットコンピュータ、監視カメラなど撮像機能を有する電子機器を含む。
(実施例1)
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Preferred embodiments of the present invention will be described below using examples with reference to the accompanying drawings. In each figure, the same members or elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted or simplified.
In the embodiments, an example in which a digital still camera is used as an imaging device will be described. include.
(Example 1)

図1は、本発明の実施例1に係る撮像素子を用いた撮像装置(デジタルスチルカメラ)100のブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram of an imaging apparatus (digital still camera) 100 using an imaging element according to Embodiment 1 of the present invention.

第1レンズ群101は撮像光学系(結像光学系)の先端に配置され、光軸方向に進退可能に保持される。絞り兼用シャッタ102は、静止画撮像時の露光時間を制御するためのシャッタとして機能するとともに、開口径を調節することで撮像時の光量調節を行う絞りとしても機能する。第2レンズ群103は、絞り兼用シャッタ102と一体となって光軸方向に進退し、第1レンズ群101との進退動作との連動により、変倍作用(ズーム機能)を実現する。 The first lens group 101 is arranged at the tip of an imaging optical system (imaging optical system) and held so as to be able to advance and retreat in the optical axis direction. The diaphragm/shutter 102 functions as a shutter for controlling the exposure time when capturing a still image, and also functions as a diaphragm for adjusting the amount of light when capturing an image by adjusting the aperture diameter. The second lens group 103 advances and retreats in the optical axis direction integrally with the aperture/shutter 102, and realizes a zoom function in conjunction with the advance and retreat movement of the first lens group 101. FIG.

第3レンズ群105(フォーカスレンズ)は、光軸方向の進退により焦点調節を行う。光学ローパスフィルタ106は、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。撮像素子107はCMOSイメージセンサであり、結像光学系の結像面に配置され、入射した光を電気信号に変換する。 The third lens group 105 (focus lens) performs focus adjustment by advancing and retreating in the optical axis direction. The optical low-pass filter 106 is an optical element for reducing false colors and moiré in a captured image. The imaging device 107 is a CMOS image sensor, is arranged on the imaging plane of the imaging optical system, and converts incident light into electrical signals.

ズームアクチュエータ111は、不図示のカム筒を回動することで、第1レンズ群101ないし第2レンズ群103を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。絞りシャッタアクチュエータ112は、絞り兼用シャッタ102の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行う。フォーカスアクチュエータ113は、第3レンズ群105を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。 The zoom actuator 111 rotates a cam cylinder (not shown) to move the first lens group 101 to the second lens group 103 back and forth in the optical axis direction, thereby performing a zooming operation. A diaphragm shutter actuator 112 controls the aperture diameter of the diaphragm/shutter 102 to adjust the amount of photographing light, and controls the exposure time during still image photographing. A focus actuator 113 moves the third lens group 105 back and forth along the optical axis to adjust the focus.

114は夜間撮影時の被写体照明用の電子フラッシュであり、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適だが、連続発光するLEDを備えた照明装置を用いても良い。AF補助光発光部115は、所定の開口パターンを有するマスクの像を、投影レンズを介して被写界に投影し、暗い被写体あるいは低コントラスト被写体に対する焦点検出能力を向上させるためのものである。 Reference numeral 114 denotes an electronic flash for illuminating an object during night photography. A flash illumination device using a xenon tube is preferable, but an illumination device equipped with an LED that continuously emits light may be used. The AF auxiliary light emitting unit 115 projects an image of a mask having a predetermined aperture pattern onto the object field through a projection lens to improve focus detection capability for dark or low-contrast objects.

カメラ内CPU121は、カメラ本体の種々の制御を司り、演算部、ROM、RAM、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、通信インターフェイス回路等を有する。CPU121は、ROMに記憶された所定のコンピュータプログラムに基づいて、カメラ内の各種回路を駆動し、制御手段として撮像、AF、画像処理、記録等の一連の動作を制御する。 The in-camera CPU 121 manages various controls of the camera body, and has an arithmetic unit, ROM, RAM, A/D converter, D/A converter, communication interface circuit, and the like. The CPU 121 drives various circuits in the camera based on a predetermined computer program stored in the ROM, and controls a series of operations such as imaging, AF, image processing, and recording as control means.

フラッシュ制御回路122は、撮影動作に同期して電子フラッシュ114を点灯制御する。補助光駆動回路123は、焦点検出動作に同期してAF補助光発光部115を点灯制御する。撮像素子駆動回路124は、撮像素子107の撮像動作を制御すると共に、撮像素子107から取得した画像信号をA/D変換してCPU121に送信する。画像処理回路125は、撮像素子107が取得した画像のガンマ変換、カラー補間、JPEG圧縮等の処理を行う。 A flash control circuit 122 controls lighting of the electronic flash 114 in synchronization with a photographing operation. The auxiliary light driving circuit 123 controls lighting of the AF auxiliary light emitting section 115 in synchronization with the focus detection operation. The image pickup device drive circuit 124 controls the image pickup operation of the image pickup device 107 , A/D-converts an image signal acquired from the image pickup device 107 , and transmits the signal to the CPU 121 . The image processing circuit 125 performs processing such as gamma conversion, color interpolation, and JPEG compression on the image acquired by the image sensor 107 .

フォーカス駆動回路126は、撮像素子107から取得した信号に基づきカメラ内CPU121で焦点検出を行いその結果に基づいてフォーカスアクチュエータ113を駆動制御し、第3レンズ群105を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。絞りシャッタ駆動回路127は、絞りシャッタアクチュエータ112を駆動制御して絞り兼用シャッタ102の開口を制御する。ズーム駆動回路128は、撮影者のズーム操作に応じてズームアクチュエータ111を駆動しズーム倍率を変更する。 A focus drive circuit 126 performs focus detection by the in-camera CPU 121 based on the signal obtained from the image pickup device 107, drives and controls the focus actuator 113 based on the result, and drives the third lens group 105 forward and backward in the optical axis direction. Adjust the focus. A diaphragm shutter driving circuit 127 drives and controls the diaphragm shutter actuator 112 to control the opening of the diaphragm shutter 102 . A zoom driving circuit 128 drives the zoom actuator 111 according to the zoom operation of the photographer to change the zoom magnification.

表示器131はLCD等から構成され、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。操作スイッチ群132は、操作スイッチ群であり、電源スイッチ、レリーズ(撮影トリガ)スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。撮像装置100に対して着脱可能なフラッシュメモリ133は、撮影済み画像を記録/再生するためのものである。
次に、本実施例における撮像素子107について説明する。図2は、本実施例のCMOSイメージセンサー(撮像素子)の全体構成を概略的に示す図である。
A display 131 is composed of an LCD or the like, and displays information about the photographing mode of the camera, a preview image before photographing, an image for confirmation after photographing, an in-focus state display image at the time of focus detection, and the like. The operation switch group 132 is a group of operation switches, and includes a power switch, a release (shooting trigger) switch, a zoom operation switch, a shooting mode selection switch, and the like. A flash memory 133 detachable from the imaging device 100 is for recording/reproducing captured images.
Next, the imaging element 107 in this embodiment will be described. FIG. 2 is a diagram schematically showing the overall configuration of the CMOS image sensor (imaging element) of this embodiment.

画素アレイ201は、光電変換部と信号読み出し回路からなる画素が、2次元状に複数配置されている。垂直選択回路202により所定の行が選択され、所定行に含まれる画素から信号が垂直信号線に出力される。垂直信号線は画素列毎、複数の画素列毎に一つ、もしくは画素列毎に複数設けることが可能である。列回路203は複数の垂直線に並列に読み出された信号が入力される。列回路203では、信号の増幅やノイズ除去等の処理、信号の保持を行うことが可能である。水平選択回路204は列回路203に保持された信号を順次、ランダムもしくは同時に不図示の水平出力線へ出力する。なお、撮像素子駆動回路124に搭載されるA/D変換機能を、列回路203の列毎に搭載しても良いし、画素毎に搭載しても良い。 In the pixel array 201, a plurality of pixels each including a photoelectric conversion unit and a signal readout circuit are arranged two-dimensionally. A predetermined row is selected by the vertical selection circuit 202, and signals are output to vertical signal lines from pixels included in the predetermined row. It is possible to provide one vertical signal line for each pixel column, one for each of a plurality of pixel columns, or a plurality of vertical signal lines for each pixel column. The column circuit 203 receives signals read out in parallel to a plurality of vertical lines. The column circuit 203 can perform processing such as signal amplification and noise removal, and hold the signal. The horizontal selection circuit 204 sequentially outputs the signals held in the column circuit 203 to horizontal output lines (not shown) at random or simultaneously. Note that the A/D conversion function installed in the image sensor drive circuit 124 may be installed for each column of the column circuit 203 or may be installed for each pixel.

また、CMOSイメージセンサを積層型とし、画素アレイを配置した層とは異なる層内などに、前記A/D変換機能やその他の信号処理回路を搭載しても良い。
図3は、画素アレイ201の画素配列を4列×4行の範囲で、分割された光電変換部を8列×4行の範囲で示したものである。なお、図中x軸方向を行方向と呼び、y軸方向を列方向と呼ぶ。
画素群300は2行×2列の画素からなる単位であり、R(赤)の分光感度を有する画素300Rが左上に、G(緑)の分光感度を有する画素300Gが右上と左下に、B(青)の分光感度を有する画素300Bが右下に配置されている。
Also, the CMOS image sensor may be of a stacked type, and the A/D conversion function and other signal processing circuits may be mounted in a layer different from the layer in which the pixel array is arranged.
FIG. 3 shows the pixel arrangement of the pixel array 201 in a range of 4 columns×4 rows, and the divided photoelectric conversion units in a range of 8 columns×4 rows. In the drawing, the x-axis direction is called the row direction, and the y-axis direction is called the column direction.
The pixel group 300 is a unit consisting of 2 rows×2 columns of pixels. A pixel 300B having a (blue) spectral sensitivity is arranged at the lower right.

さらに、各画素は2列1行に配列された光電変換部により構成されている。受光部である光電変換部は、完全電荷転送可能なフォトダイオード(PD)で構成されており、1つの画素の中で相対的にxが小さい側(図中左側)に配置されたPDをPD301、相対的にxが大きい側(図中右側)に配置されたPDをPD302と呼ぶ。
図3に示した4列×4行の画素(8列×4行のPD)を面上に多数配置し、撮像画像および焦点検出信号の取得を可能としている。また、画素アレイの一部には、画素を2つの光電変換部PD、PDに分割せずに、1つの光電変換部のみを有する画素が存在しても良い。
Further, each pixel is composed of photoelectric conversion units arranged in two columns and one row. The photoelectric conversion portion, which is the light receiving portion, is composed of a photodiode (PD) capable of complete charge transfer. PD B 302 is the PD arranged on the side of A 301 and relatively large x (right side in the drawing).
A large number of 4 columns×4 rows of pixels (8 columns×4 rows of PDs) shown in FIG. In addition, a pixel having only one photoelectric conversion unit may exist in a part of the pixel array without dividing the pixel into two photoelectric conversion units PD A and PD B.

図3に示した画素配列の1つの画素300Gを、撮像素子107の受光面側(+z側)から見た平面図を図4(A)に示し、図4(A)のa-a断面を-y側から見た断面図を図4(B)に示す。図4に示すように、本実施例の画素300Gでは、各画素の受光側に入射光を集光するためのマイクロレンズ401が形成され、x方向に2分割、y方向には分割されていないPDとPDが形成されている。各画素において、マイクロレンズ401と、PD及びPDの間に、カラーフィルタ402が形成される。また、必要に応じて、焦点検出画素毎にカラーフィルタの分光透過率を変えても良いし、カラーフィルタを省略してもよい。 FIG. 4A shows a plan view of one pixel 300G in the pixel array shown in FIG. A cross-sectional view seen from the -y side is shown in FIG. As shown in FIG. 4, in the pixel 300G of this embodiment, a microlens 401 for collecting incident light is formed on the light receiving side of each pixel, which is divided into two in the x direction and not divided in the y direction. PD A and PD B are formed. A color filter 402 is formed between the microlens 401 and the PD A and PD B in each pixel. Moreover, if necessary, the spectral transmittance of the color filter may be changed for each focus detection pixel, or the color filter may be omitted.

図4に示した画素300Gに入射した光は、マイクロレンズ401により集光され、緑色のカラーフィルタ402で緑色が分光された後、PD及びPDで受光される。PD及びPDでは、受光量に応じて電子とホールの対が生成され、空乏層で分離された後、負電荷の電子は、信号電荷として収集・蓄積され、正電荷のホールは定電圧源(不図示)に接続されたp型半導体領域を通じて撮像素子外部へ排出される。なお、光電変換部を構成するn型半導体領域とp型半導体領域を逆にすることで、ホールを信号電荷としてもよい。 Light incident on the pixel 300G shown in FIG. 4 is condensed by the microlens 401, separated into green by the green color filter 402, and then received by the PD A and PD B. FIG . In PD A and PD B , pairs of electrons and holes are generated according to the amount of light received, and after being separated in the depletion layer, negatively charged electrons are collected and accumulated as signal charges, and positively charged holes are collected and stored at a constant voltage. It is discharged to the outside of the imaging device through a p-type semiconductor region connected to a source (not shown). Holes may be used as signal charges by reversing the n-type semiconductor region and the p-type semiconductor region forming the photoelectric conversion portion.

なお、図3に示す画素300R、300Bも画素300Gと同様の構成を有し、画素300Gと同様にして、カラーフィルタ402により各色に分光された光に応じた信号電荷が収集・蓄積される。 The pixels 300R and 300B shown in FIG. 3 have the same configuration as the pixel 300G, and like the pixel 300G, the color filter 402 collects and accumulates signal charges according to the light split into each color.

図4に示した本実施例の画素構造と瞳分割との対応関係を、図5、6を参照して説明する。図5は、図4(B)に示した本実施例の画素構造のa-a断面と、結像光学系の射出瞳面との関係を示す概略図であり、図6は、射出瞳面のx(軸)に沿った瞳強度分布の例である。受光面と瞳領域500は、マイクロレンズによっておおむね共役関係になっており、PDの受光領域と射出瞳領域501、PDの受光領域と射出瞳領域502が、それぞれ、概ね、一致するように構成されている。即ち、PDの受光領域は射出瞳領域501を通過した光束を受光し、PDの受光領域は射出瞳領域502を通過した光束を受光する。図6に示したように、PD、PDの瞳強度分布は、射出瞳をx(軸)方向に分割する。 A correspondence relationship between the pixel structure of the present embodiment shown in FIG. 4 and pupil division will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a schematic diagram showing the relationship between the aa section of the pixel structure of this embodiment shown in FIG. 4B and the exit pupil plane of the imaging optical system, and FIG. is an example of the pupil intensity distribution along the x (axis) of . The light-receiving surface and the pupil region 500 are generally in a conjugate relationship due to the microlenses, and the light-receiving region and the exit pupil region 501 of the PD A and the light-receiving region and the exit pupil region 502 of the PD B are each approximately matched. It is configured. That is, the light-receiving area of PD A receives the luminous flux that has passed through exit pupil area 501 , and the light-receiving area of PD B receives the luminous flux that has passed through exit pupil area 502 . As shown in FIG. 6, the pupil intensity distributions of PD A and PD B divide the exit pupil in the x (axis) direction.

図3に示したように、PDをx(軸)方向に規則的に配列し、これらPD群から取得した被写体信号をA像信号とする。同様に、PDをx(軸)方向に規則的に配列し、これらPD群から取得した被写体像をB像信号とする。A像信号とB像信号の像ズレ量(位相差)を検出することで、x(軸)方向に輝度分布を有する被写体像のデフォーカス量(合焦ずれ量)を検出することができる。
図7は、本実施例による撮像装置100によって行われる被写体追従AF連続撮影のフローチャートであり、図7を用いて被写体追従AF連続撮影について説明する。
As shown in FIG. 3, the PDAs are regularly arranged in the x (axis) direction, and the subject signal acquired from the group of PDAs is defined as the A image signal. Similarly, the PD B 's are arranged regularly in the x (axis) direction, and the subject image obtained from the PD B group is defined as a B image signal. By detecting the image shift amount (phase difference) between the A image signal and the B image signal, the defocus amount (focus shift amount) of the subject image having the luminance distribution in the x (axis) direction can be detected.
FIG. 7 is a flowchart of subject-tracking AF continuous shooting performed by the imaging apparatus 100 according to the present embodiment, and subject-tracking AF continuous shooting will be described with reference to FIG.

撮像装置100は、操作スイッチ群132に含まれる撮影モードを選択するためのスイッチがユーザにより操作され、撮影モードが被写体追従AF連続撮影モードになっているものとする。前記撮影モードのときに、操作スイッチ群132に含まれるレリーズスイッチSW2がオンとなることで撮影が開始され、ステップS701へ移行する。
ステップS701は、記録画像用の蓄積期間であり、画素内ポテンシャルを後述のポテンシャルB1(第2のモード)として露光・蓄積を行う。光量は、絞り兼用シャッタ102を用いて制御する。
In the imaging apparatus 100, it is assumed that the switch for selecting the shooting mode included in the operation switch group 132 is operated by the user, and the shooting mode is the subject tracking AF continuous shooting mode. In the photographing mode, when the release switch SW2 included in the operation switch group 132 is turned on, photographing is started, and the process proceeds to step S701.
Step S701 is an accumulation period for a recording image, during which exposure and accumulation are performed with the in-pixel potential set to a potential B1 (second mode), which will be described later. The amount of light is controlled using the aperture/shutter 102 .

ステップS702では、撮像素子駆動回路124を用いて、蓄積された電荷から得られる画像信号を撮像素子から読み出す。読み出し中は絞りシャッタアクチュエータ112で絞り兼シャッタ102を閉じて、撮像素子107に余分な電荷が蓄積されないように制御しておく。各画素内の複数の光電変換部で生成された電荷信号は最終的にCPU121で例えば画素単位で加算処理されて画像信号が形成される。そしてその画像信号は、記録画像としてフラッシュメモリ133に保存されるとともに、LV(Live View)表示用画像として表示器131等に使用する。 In step S702, the image signal obtained from the accumulated charges is read out from the image sensor using the image sensor drive circuit 124 . During readout, the diaphragm/shutter 102 is closed by the diaphragm/shutter actuator 112 so that the imaging device 107 is controlled so that excess electric charge is not accumulated. The charge signals generated by a plurality of photoelectric conversion units in each pixel are finally added by the CPU 121, for example, in units of pixels to form an image signal. The image signal is stored in the flash memory 133 as a recorded image, and is also used as an LV (Live View) display image for the display device 131 and the like.

ステップS703は、位相差検出用の蓄積期間であり、画素内ポテンシャルを後述のポテンシャルA1(第1のモード)として露光・蓄積を行う。光量は、絞り兼用シャッタ102を用いて制御する。
ステップS704では、各画素の複数の光電変換部でそれぞれ蓄積された視差情報を含む信号を、撮像素子駆動回路124を介してそれぞれ別々にCPU121へ読み出す。複数の光電変換部からの信号はCPU121でそれぞれ別々に処理され、位相差信号が生成され、デフォーカス量算出や焦点検出に用いられる。なお本実施例では本信号はデフォーカス量算出等に用いるだけでなく、CPU121は上記の位相差信号をLV表示用画像等にも使用し表示部で表示可能にしている。なお、CPU121とは別に設けた画像処理回路125において、上記の加算処理や画像信号の形成等を行なっても良い。
Step S703 is an accumulation period for phase difference detection, during which exposure and accumulation are performed with the intra-pixel potential set to a potential A1 (first mode), which will be described later. The amount of light is controlled using the aperture/shutter 102 .
In step S<b>704 , signals including parallax information accumulated by the plurality of photoelectric conversion units of each pixel are separately read out to the CPU 121 via the image sensor driving circuit 124 . Signals from a plurality of photoelectric conversion units are individually processed by the CPU 121 to generate phase difference signals, which are used for defocus amount calculation and focus detection. Note that in this embodiment, this signal is used not only for defocus amount calculation and the like, but also for the CPU 121 to use the above phase difference signal for the LV display image and the like so that it can be displayed on the display unit. Note that an image processing circuit 125 provided separately from the CPU 121 may perform the above addition processing, image signal formation, and the like.

ステップS705では、ステップS704で算出されたデフォーカス量に基づき、レンズ駆動量を算出する。
ステップS706では、ステップS705で算出したレンズ駆動量を元に、レンズを駆動する。
ステップS707では、操作スイッチ群132に含まれるレリーズスイッチ(SW2)がオンかオフかを判断して、オンであればステップS701に戻り連写撮影を続ける。オフであれば連写撮影を停止して撮影を終了する。
In step S705, the lens drive amount is calculated based on the defocus amount calculated in step S704.
In step S706, the lens is driven based on the lens driving amount calculated in step S705.
In step S707, it is determined whether the release switch (SW2) included in the operation switch group 132 is on or off. If it is on, the process returns to step S701 to continue continuous shooting. If it is off, the continuous shooting is stopped and the shooting ends.

次に、画素構造とステップS701、ステップS703の蓄積動作について説明する。
図8は画素の等価回路図である。画素は、PD301、PD302、PDに蓄積された電荷を転送する転送ゲートとしての転送トランジスタ(T)801を有する。また、PDに蓄積された電荷を転送する転送ゲートとしての転送トランジスタ(T)802を有する。803はPDに蓄積された電荷が転送される第1の蓄積部(FD)、804はPDに蓄積された電荷が転送される第1の蓄積部(FD)である。即ち、2つの光電変換部の電荷をそれぞれ蓄積するための2つの第1の蓄積部を有する。
Next, the pixel structure and the accumulation operations in steps S701 and S703 will be described.
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of a pixel. The pixel has a PDA 301, a PDB 302, and a transfer transistor (T A ) 801 as a transfer gate for transferring charges accumulated in the PDA . It also has a transfer transistor (T B ) 802 as a transfer gate for transferring charges accumulated in PD B. 803 is a first storage unit (FD A ) to which charges accumulated in PD A are transferred, and 804 is a first storage unit (FD B ) to which charges accumulated in PD B are transferred. That is, it has two first accumulation units for respectively accumulating the charges of the two photoelectric conversion units.

対応して805はFDと選択的に接続される第2の蓄積部としての蓄積容量(CS)、806はFDと選択的に接続される第2の蓄積部としての蓄積容量(CS)である。807はFDとCSを接続するための蓄積ゲートとしての蓄積トランジスタ(S)、808はFDとCSを接続するための蓄積ゲートとしての蓄積トランジスタ(S)である。809はCS、FD、PDをリセットするためのリセットトランジスタ(R)、810はCS、FD、PDをリセットするためのリセットトランジスタ(R)である。811はFDに接続されるノードの電圧を画素から出力する増幅トランジスタ(SF)、812はFDに接続されるノードの電圧を画素から出力する増幅トランジスタ(SF)である。 Correspondingly, 805 is a storage capacity (CS A ) as a second storage section selectively connected to FD A , and 806 is a storage capacity (CS A ) as a second storage section selectively connected to FD B. B ). 807 is a storage transistor (S A ) as a storage gate for connecting FD A and CS A , and 808 is a storage transistor (S B ) as a storage gate for connecting FD B and CS B. 809 is a reset transistor (R A ) for resetting CS A , FD A and PDA , and 810 is a reset transistor (R B ) for resetting CS B , FD B and PD B. 811 is an amplification transistor (SF A ) that outputs the voltage of the node connected to FD A from the pixel, and 812 is an amplification transistor (SF B ) that outputs the voltage of the node connected to FD B from the pixel.

813はSFと出力線(OUT)815を接続するための選択トランジスタ(X)、814はSFと出力線(OUT)816を接続するための選択トランジスタ(X)である。なお、本実施例では2つの光電変換部を設け、それに対応して2つの第1の蓄積部、2つの第2の蓄積部を有する例を示している。しかし、光電変換部は3つ以上であってもよく、その場合には第1の蓄積部、第2の蓄積部、転送トランジスタ、蓄積トランジスタ、選択トランジスタ等を光電変換部の数に応じて同数設ければ良い。 813 is a selection transistor (X A ) for connecting SF A and an output line (OUT A ) 815 , and 814 is a selection transistor (X B ) for connecting SF B and an output line (OUT B ) 816 . Note that this embodiment shows an example in which two photoelectric conversion units are provided, and correspondingly, two first storage units and two second storage units are provided. However, the number of photoelectric conversion units may be three or more, and in that case, the same number of first storage units, second storage units, transfer transistors, storage transistors, selection transistors, etc. are provided according to the number of photoelectric conversion units. You should set it.

図9は、位相差検出用の蓄積期間であるステップS703に用いられる画素内のポテンシャルA1(第1のモード)を模式的に示す図である。図において、PD、PD、T、T、FD、FD、S、S、CS、CS、PDとPDを分離する分離部901の、信号電荷に対するポテンシャルを模式的に示している。また、図10は、ステップS703における蓄積期間終了時の電荷蓄積の例を概略的に示す図である。図9、図10に示すように、分離部901のポテンシャル障壁の高さ902を、T、T部のポテンシャル障壁の高さ903より高くなるように、T、Tのオフ電圧を設定(制御)している。 FIG. 9 is a diagram schematically showing the intra-pixel potential A1 (first mode) used in step S703, which is the accumulation period for phase difference detection. In the figure, PDA , PDB , TA , TB , FDA, FDB , SA , SB , CSA , CSB , and the potential of the separation section 901 separating PDA and PDB with respect to the signal charge is schematically shown. FIG. 10 is a diagram schematically showing an example of charge accumulation at the end of the accumulation period in step S703. As shown in FIGS. 9 and 10, the off-voltages of T A and T B are adjusted such that the height 902 of the potential barrier in the isolation portion 901 is higher than the height 903 of the potential barrier in the T A and T B portions. It is set (controlled).

更に、その際にT、T部のポテンシャル障壁の高さ903を、前記複数の光電変換部の空乏電位(図9のPDとPDの電位の高さ)よりも高くするように制御している。これにより、図10に示すように、ステップS703における蓄積期間中にPDが飽和した場合にT部のポテンシャル障壁を超えた分の電荷はFD、CSに移動し蓄積される。そして、PDが飽和した場合にT部のポテンシャル障壁を超えた分の電荷はFD、CSに移動し蓄積される。 Furthermore, at that time, the potential barrier height 903 of the T A and T B parts is set higher than the depletion potential of the plurality of photoelectric conversion parts (potential height of PD A and PD B in FIG. 9). controlling. As a result, as shown in FIG. 10, when the PDA is saturated during the accumulation period in step S703, the electric charge exceeding the potential barrier of the TA portion moves to FD A and CS A and is accumulated. Then, when the PD A is saturated, the electric charges exceeding the potential barrier of the TB portion move to the FD B and CS B and are accumulated.

図11は、ステップS701の蓄積期間に用いられるポテンシャルB1(第2のモード)を模式的に示す図である。図11において、PD、PD、T、T、FD、FD、S、S、CS、CS、分離部901の、信号電荷に対するポテンシャルを模式的に示している。また、図12は、ステップS701の蓄積期間終了時の電荷蓄積の例を概略的に示す図である。分離部901のポテンシャル障壁の高さ902を、T、T部のポテンシャル障壁の高さ1101より低くなるように、T、Tのオフ電圧を設定している。これにより、図12に示すように、PD及びPDに蓄積できる電荷量を増やすことができるとともに、蓄積期間中に、PDまたはPDが飽和した場合に、飽和を超えた分の電荷は、対となるPDに移動し蓄積される。
次に、ステップS702とステップS704の画像信号の読み出し方法について説明する。
FIG. 11 is a diagram schematically showing the potential B1 (second mode) used during the accumulation period of step S701. FIG. 11 schematically shows potentials of PDA , PDB , TA , TB, FD A , FD B , SA , SB , CS A , CS B , and the separation section 901 with respect to the signal charge. . FIG. 12 is a diagram schematically showing an example of charge accumulation at the end of the accumulation period in step S701. The off voltages of T A and T B are set so that the height 902 of the potential barrier of the separation portion 901 is lower than the height 1101 of the potential barrier of the T A and T B portions. As a result, as shown in FIG. 12, it is possible to increase the amount of charge that can be stored in PD A and PD B , and if PD A or PD B is saturated during the storage period, the amount of charge that exceeds saturation can be increased. is moved to and accumulated in the paired PD.
Next, the method of reading the image signal in steps S702 and S704 will be described.

図13は画像信号読み出しシーケンスを概略的に示す図である。画像信号読み出しは、垂直選択回路202によって選択された行の画素信号を列回路203に読み出し、その後、水平選択回路204によって撮像素子107から読み出す動作を、繰り返すことにより行われる。
期間1303では、後述する信号N2と信号N2をそれぞれ出力線815、816に行毎に順次読み出す。信号N2、信号N2の読み出し完了後の蓄積期間1304の間に、絞りシャッタアクチュエータ112で絞り兼用シャッタ102を開閉し、露光を行う。期間1305では、後述する各画素の信号N1、信号N1、信号N1+S1、信号N1+S1、信号N2+S2、信号N2+S2を読み出す。
次に、画素信号を列回路203に読み出す画素信号読み出し動作について説明する。
FIG. 13 is a diagram schematically showing an image signal readout sequence. Image signal readout is performed by repeating the operation of reading pixel signals of a row selected by the vertical selection circuit 202 to the column circuit 203 and then reading them from the image sensor 107 by the horizontal selection circuit 204 .
In a period 1303, a signal N2A and a signal N2B , which will be described later, are sequentially read for each row to output lines 815 and 816, respectively. During the accumulation period 1304 after the reading of the signal N2 A and the signal N2 B is completed, the diaphragm shutter actuator 112 opens and closes the diaphragm shutter 102 to perform exposure. In a period 1305, a signal N1A , a signal N1B , a signal N1A + S1A , a signal N1B + S1B , a signal N2A + S2A , and a signal N2B + S2B of each pixel, which will be described later, are read.
Next, a pixel signal readout operation for reading out pixel signals to the column circuit 203 will be described.

図14は、画素駆動シーケンスの1例である。また、図14中のt1~t11は、シーケンス中の各タイミングを表している。また、φXはXのオン/オフを表しており、オン時は上側、オフ時は下側で示している。例えば、タイミングt1ではXはオンであり、タイミングt3ではXはオフである。他のトランジスタについても同様である。また、本シーケンスでは、PDとPD、XとX、RとR、SとS、TとTは同じタイミングで駆動されるため、説明において別する必要がない場合には、PDとPDをPD、XとXをX、RとRをR、SとSをS、TとTをTと表記する。また期間1401~1403は図13の期間1303~1305に対応している。 FIG. 14 is an example of a pixel driving sequence. t1 to t11 in FIG. 14 represent respective timings in the sequence. In addition, φXA represents ON/OFF of XA , and the ON state is indicated by the upper side, and the OFF state by the lower side. For example, XA is on at timing t1, and XA is off at timing t3. The same is true for other transistors. In addition, in this sequence, PD A and PD B , XA and X B , RA and RB , S A and SB , and TA and TB are driven at the same timing. If not, PD A and PD B are denoted by PD, XA and X B by X, RA and RB by R, SA and SB by S, and T A and TB by T. Periods 1401 to 1403 correspond to periods 1303 to 1305 in FIG.

まず、期間1401(期間1303)のタイミングt1で、X、R、S、Tをオンにして、PD、FD、CSのリセットを行う。その後、R、Tをオフにしてからタイミングt2でFD+CSの電圧を、SFを用いて画素から読み出す。これら電圧から得た信号のうち、OUT側の信号を信号N2、OUT側の信号を信号N2と呼ぶ。なお、これらの信号N2、信号N2は固定パターンノイズ信号に相当する。 First, at timing t1 in period 1401 (period 1303), X, R, S, and T are turned on to reset PD, FD, and CS. After that, after turning off R and T, the voltage of FD+CS is read out from the pixel using SF at timing t2. Among the signals obtained from these voltages, the signal on the OUT A side is called signal N2A , and the signal on the OUT B side is called signal N2B . These signals N2 A and N2 B correspond to fixed pattern noise signals.

蓄積期間1402(期間1304)の後の期間1403(期間1305)において、タイミングt5でXをオンにして、FDの電圧を、SFを用いて画素から読み出す。
これら電圧から得た信号のうち、OUT側の信号を信号N1、OUT側の信号を信号N1と呼ぶ。なお、信号N1、信号N1はランダムノイズ及び固定パターンノイズ信号に相当する。
次にタイミングt6でTをオンにして、PDに蓄積した信号電荷をFDに転送し、Tをオフにした後に、タイミングt7でFDの電圧を、SFを用いて画素から読み出す。これら電圧から得た信号のうち、OUT側の信号を信号N1+S1、OUT側の信号を信号N1+S1と呼ぶ。なお、信号S1、信号S1は蓄積期間終了時にPDに蓄積されていた電荷信号に相当する。
In a period 1403 (period 1305) after the accumulation period 1402 (period 1304), X is turned on at timing t5 and the FD voltage is read out from the pixel using SF.
Among the signals obtained from these voltages, the signal on the OUT A side is called signal N1A , and the signal on the OUT B side is called signal N1B . Signals N1 A and N1 B correspond to random noise and fixed pattern noise signals.
Next, T is turned on at timing t6 to transfer the signal charge accumulated in PD to FD, and after T is turned off, the voltage of FD is read out from the pixel using SF at timing t7. Among the signals obtained from these voltages, the signal on the OUT A side is called signal N1 A +S1 A and the signal on the OUT B side is called signal N1 B +S1 B. The signals S1 A and S1 B correspond to charge signals accumulated in the PD at the end of the accumulation period.

次に、蓄積トラジスタSをオンにして、FDとCSを接続し、FDに転送されていた電荷とCSに蓄積した電荷を混合する。続いて、タイミングt8でTをオンにしてPDに蓄積した電荷のうちt1、t6で転送しきれなかった電荷が存在した場合、FDとCSに転送する。続いて、タイミングt9でTをオフにした後のFD+CSの電圧を、SFを用いて画素から読み出す。これら電圧から得た信号のうち、OUT側の信号を信号N2+S2、OUT側の信号を信号N2+S2と呼ぶ。ここで信号S2、信号S2は蓄積期間終了時にPD、FD、CSに蓄積されていた電荷信号に相当する。 Next, the storage transistor S is turned on, the FD and CS are connected, and the charges transferred to the FD and the charges accumulated in CS are mixed. Subsequently, when T is turned on at timing t8 and there are charges that could not be transferred at t1 and t6 among the charges accumulated in PD, they are transferred to FD and CS. Subsequently, the voltage of FD+CS after T is turned off at timing t9 is read from the pixel using SF. Among the signals obtained from these voltages, the signal on the OUT A side is called signal N2 A +S2 A and the signal on the OUT B side is called signal N2 B +S2 B. Here, the signal S2 A and the signal S2 B correspond to charge signals accumulated in PD, FD, and CS at the end of the accumulation period.

各画素から読み出した信号を用いてCPU121は以下の演算処理、
(N1+S1)-N1=S1
(N1+S1)-N1=S1
(N2+S2)-N2A=S2
(N2+S2)-N2=S2
を行うことで、ランダムノイズ及び固定パターンノイズを除去し、信号S1、信号S1、信号S2、信号S2を得る。前述のように、信号S1、信号S1は、蓄積期間終了時にPDに蓄積されていた電荷信号に相当する。
Using the signals read from each pixel, the CPU 121 performs the following arithmetic processing,
(N1 A + S1 A )-N1 A = S1 A
(N1 B +S1 B )−N1 B =S1 B
( N2A + S2A )-N2A= S2A
(N2 B +S2 B )-N2 B =S2 B
, the random noise and the fixed pattern noise are removed to obtain the signal S1A , the signal S1B , the signal S2A , and the signal S2B . As described above, the signal S1 A and the signal S1 B correspond to charge signals accumulated in the PD at the end of the accumulation period.

また信号S2、信号S2は蓄積期間終了時にPD、FD、CSに蓄積されていた電荷信号に相当する。信号S1、信号S1は、電荷電圧変換ゲインが大きいため、信号S2、信号S2と比較して信号読み出しノイズが小さく、高いSN比となる。これらの信号から適切な信号を選択し組み合わせることで、最適な位相差信号、画像信号を得る。
次に、読み出した画素信号の選択方法について説明する。
Signals S2 A and S2 B correspond to charge signals accumulated in PD, FD, and CS at the end of the accumulation period. Since the signal S1 A and the signal S1 B have a large charge-voltage conversion gain, the signal readout noise is small compared to the signal S2 A and the signal S2 B , and the signal-to-noise ratio is high. By selecting and combining suitable signals from these signals, optimum phase difference signals and image signals are obtained.
Next, a method for selecting read pixel signals will be described.

図15は、ポテンシャルA1(第1のモード)における、PD、PD、FD、FD、CS、CSに蓄積される信号電荷量と光量の関係の一例である。以下、光量範囲毎の信号選択について説明する。信号選択は、CPU121により行われる。信号S2の出力値が所定の第1の閾値(図18の1802)を越えていれば信号S2を選択し、前記閾値以下であれば信号S1を選択する。また、同様に信号S2の出力値が前記第1の閾値を越えていれば信号S2を選択し、前記閾値以下であれば信号S1を選択する。このようにすることで、PDで発生した電荷は光量が例えば図15の1501、1502の範囲では、読み出しノイズが小さい高SN比の信号S1が選択される。 FIG. 15 shows an example of the relationship between the amount of signal charge accumulated in PD A , PDB , FD A , FD B , CS A and CS B and the amount of light at potential A1 (first mode). Signal selection for each light amount range will be described below. Signal selection is performed by the CPU 121 . If the output value of signal S2A exceeds a predetermined first threshold (1802 in FIG. 18), signal S2A is selected, and if it is less than the threshold, signal S1A is selected. Similarly, if the output value of the signal S2B exceeds the first threshold value, the signal S2B is selected, and if the output value is equal to or less than the threshold value, the signal S1B is selected. By doing so, the charge generated in the PDA selects a signal S1A with a high SN ratio and low readout noise when the light amount is in the range of 1501 and 1502 in FIG. 15, for example.

一方、発生した電荷がFD、CSに溢れて蓄積されるような光量、即ち、光量が1503以上の範囲では高飽和電荷量である信号S2が選択される。同様に、信号S1と信号S2の選択については、光量が図15の1501の範囲では信号S1が選択され、光量が1502や1503以上の範囲では信号S2が選択される。そして選択された信号はCPU121によって位相差信号として処理されて焦点検出に用いられる。このように構成することによって低照度下の画素におけるSN比を維持しながら高照度下の画素における飽和電荷量を拡大することが可能となる。ただし、切り替え点の光量は、信号S1の飽和電荷量によって決まるため、PDの飽和電荷量が小さい場合は小さい光量となり、PDの飽和電荷量が大きい場合は大きい光量となる。 On the other hand, the signal S2A , which is a high saturation charge amount, is selected in the range where the amount of light is 1503 or more so that the generated charges overflow and accumulate in FD A and CS A . Similarly, regarding the selection of the signal S1B and the signal S2B , the signal S1B is selected when the light amount is in the range 1501 in FIG. 15, and the signal S2B is selected when the light amount is in the range of 1502 or 1503 or more. The selected signal is processed as a phase difference signal by the CPU 121 and used for focus detection. With this configuration, it is possible to increase the saturation charge amount in pixels under high illuminance while maintaining the SN ratio in pixels under low illuminance. However, since the amount of light at the switching point is determined by the amount of saturated charge of the signal S1, the amount of light is small when the amount of saturated charge of the PD is small, and the amount of light is large when the amount of saturated charge of the PD is large.

ポテンシャルA1における蓄積では、PDの飽和電荷量が比較的小さいので、画像信号をPDで蓄積する場合に不利となる。即ち、PDの飽和電荷量が比較的小さいと、切り替え点における画質劣化抑制のためには、追加容量CSを小さくして信号S2のSN比を大きくする必要があり、信号S2の飽和電荷量を大きくすることが困難となる。
そこで、本実施例では、表示/記録用の画像信号を生成する際には、図16、図17に示すように制御する。即ち、図16はPD、PD、FD、FD、CS、CSに蓄積される信号電荷量と光量の関係の一例を示す図であり、図17は、光量が1601、1602、1603のそれぞれにおける電荷蓄積の例を示す図である。
Since the saturation charge amount of the PD is relatively small in the accumulation at the potential A1, it is disadvantageous when the image signal is accumulated in the PD. That is, if the saturation charge amount of the PD is relatively small, it is necessary to reduce the additional capacitance CS and increase the SN ratio of the signal S2 in order to suppress the deterioration of the image quality at the switching point. Difficult to increase.
Therefore, in this embodiment, control is performed as shown in FIGS. 16 and 17 when generating image signals for display/recording. That is, FIG. 16 is a diagram showing an example of the relationship between the amount of signal charge accumulated in PDA , PDB, FD A , FD B , CS A and CS B and the amount of light. , 1603. FIG.

光量が1601の範囲では、図17(A)のように、PDで発生した電荷はPDに蓄積され、PDで発生した電荷はPDで蓄積される。その際に、光量が1602の範囲では、図17(B)のように、PDで発生した電荷はPDで蓄積され、PDで発生した電荷はPDとPDに蓄積される。光量が1603の範囲では、図17(C)のように、PD、PDで発生した電荷がPD、PDで蓄積される。信号選択は、信号S2出力値と信号S2の出力値の合計が所定の第2の閾値(図19の1902)を越えていれば信号S2と信号S2を選択し、前記第2の閾値以下であれば信号S1と信号S1を選択する。 When the amount of light is in the range of 1601, charges generated by PD A are accumulated in PD A , and charges generated by PD B are accumulated in PD B , as shown in FIG. 17A. At this time, in the range where the amount of light is 1602, as shown in FIG. 17B, charges generated in PD A are accumulated in PDA , and charges generated in PD B are accumulated in PD B and PDA . In the range where the amount of light is 1603, charges generated in PD A and PD B are accumulated in PD A and PD B as shown in FIG. 17(C). For signal selection, if the sum of the output values of signal S2A and signal S2B exceeds a predetermined second threshold value (1902 in FIG. 19), signal S2A and signal S2B are selected, and the second is equal to or less than the threshold, the signal S1-- A and the signal S1-- B are selected.

このように、PD、PDで発生した電荷が、PD、PDに蓄積されている、光量が1601、1602、1603の範囲では、信号S1と信号S1が選択される。また、発生した電荷がFD、CSにも蓄積されている、光量が1604の範囲では、信号S2A、信号S2Bが選択される。そしてそれらの電荷信号は最終的にCPU121で加算されて画像信号が形成される。
このようにして得られた出力信号電圧・SN比と光量の関係を説明する。図18は位相差信号用のポテンシャルA1の場合、図19は画像信号用のポテンシャルB1の場合の出力信号電圧・SN比の関係を模式的に示す図である。
In this way, the signals S1A and S1B are selected in the ranges of light amounts 1601, 1602, and 1603 where charges generated in PD A and PD B are accumulated in PD A and PD B. Further, in the range where the amount of light is 1604 and the generated charge is also accumulated in the FD and CS, the signal S2A and the signal S2B are selected. These charge signals are finally added by the CPU 121 to form an image signal.
The relationship between the output signal voltage/SN ratio obtained in this way and the amount of light will be described. FIG. 18 is a diagram schematically showing the relationship between the output signal voltage and the SN ratio in the case of the potential A1 for the phase difference signal, and FIG. 19 is the relationship in the case of the potential B1 for the image signal.

画像信号では、位相差信号と比較して、信号S1の飽和電荷数が大きいため、画像信号用の第2の閾値1902は、位相差信号用の第1の閾値1802と比較して大きい値とすることができる。このようにすることで、画像信号の閾値は、PDとPDの間の分離部901のポテンシャル障壁902から決まるPD飽和電荷量とは独立になる。そのため、ポテンシャル障壁を高くしにくい画像信号/位相差信号を出力する撮像素子において、画像信号の切り替え点における画質劣化を抑制しつつ、飽和電荷量を拡大することができる。 In the image signal, the signal S1 has a larger saturated charge number than the phase difference signal. Therefore, the second threshold 1902 for the image signal is a larger value than the first threshold 1802 for the phase difference signal. can do. By doing so, the threshold value of the image signal becomes independent of the PD saturation charge amount determined by the potential barrier 902 of the separation section 901 between PD A and PD B. FIG. Therefore, in an imaging device that outputs an image signal/phase difference signal for which it is difficult to increase the potential barrier, it is possible to increase the saturation charge amount while suppressing deterioration in image quality at the switching point of the image signal.

また、位相差信号は、撮像素子から信号を読み出した後で画素加算を行なうことでSN比が向上することができるため、画素から出力される切り替え点を画像信号より低く設定しても、画質劣化を抑制することができる。例えば、N画素分を加算する場合、SN比は10×log(N)向上するため、切り替え点の閾値を画像信号と比較して10×log(N)だけSN比が低い値に設定したとしても、画質劣化を抑制することができる。
以上のように構成することで、各画素が撮像/位相差信号を出力する撮像素子において、画質劣化なしに飽和電荷量を拡大することができる。
(実施例2)
In addition, since the SN ratio of the phase difference signal can be improved by performing pixel addition after the signal is read out from the image sensor, the image quality can be improved even if the switching point output from the pixel is set lower than the image signal. Deterioration can be suppressed. For example, when adding N pixels, the SN ratio improves by 10×log(N). Also, image quality deterioration can be suppressed.
By configuring as described above, it is possible to increase the saturation charge amount without deteriorating the image quality in the image pickup device in which each pixel outputs an image pickup/phase difference signal.
(Example 2)

本発明の実施例2は、全体構成、カメラ動作シーケンス等は実施例1と同じであり、ステップS701の画像信号用蓄積期間における画素のポテンシャルが実施例1のポテンシャルB1とは異なる。
図20は、実施例2に係る、画像信号蓄積用の画素の最小ポテンシャルを模式的に示す図であり、本実施例中ではポテンシャルB2と呼ぶ。ポテンシャルB2においては、図11と比べると、転送ゲートTのポテンシャル障壁2001とTのポテンシャル障壁2002に差を設けたポテンシャルとなっている。このような構成とすることで、PDが飽和した場合に発生した電荷はFDに優先的に移動するようにしている。
The second embodiment of the present invention has the same overall configuration, camera operation sequence, etc. as the first embodiment, and the pixel potential in the image signal accumulation period of step S701 is different from the potential B1 of the first embodiment.
FIG. 20 is a diagram schematically showing the minimum potential of pixels for image signal accumulation according to Example 2, which is referred to as potential B2 in this example. 11, the potential B2 has a potential difference between the potential barrier 2001 of the transfer gate TA and the potential barrier 2002 of TB . With such a configuration, charges generated when the PD is saturated preferentially move to the FD A.

図21は、ポテンシャルB2の各ノードにおける蓄積電荷と光量の関係を模式的に示す図である。光量が1601、1602、1603の範囲では、発生した電荷はPD、PDのみに蓄積される。光量が2101の範囲ではPD、PD、FD、CSに蓄積され、光量が2102の範囲ではPD、PD、FD、CS、FD、CSに蓄積される。 FIG. 21 is a diagram schematically showing the relationship between the accumulated charge and the amount of light at each node of potential B2. In the light intensity ranges of 1601, 1602, and 1603, the generated charges are accumulated only in PDA and PDB . In the range 2101, light is accumulated in PD A , PDB , FD A , and CS A , and in the range 2102, light is accumulated in PDA , PDB , FD A , CS A , FD B , and CS B.

予め、光量の範囲が予測でき、2102の光量範囲を読み出す必要がないと判断した場合には、撮像素子から信号S2を読み出さないことで、実施例1と比較して読み出し時に、低消費電力化・高速化が可能となる。
(実施例3)
If it is determined in advance that the light amount range can be predicted and it is not necessary to read out the light amount range 2102, the signal S2B is not read out from the image pickup device. and speed up.
(Example 3)

本発明の実施例3は、全体構成、カメラ動作シーケンス等は実施例1と同じであり、ステップS703の位相差信号用蓄積期間における画素のポテンシャルが異なる。
図22は、実施例3に係る、位相差信号蓄積用の画素の最小ポテンシャルを模式的に示す図であり、本実施例中ではポテンシャルA2と呼ぶ。ポテンシャルA2は第1のモードの一種である。しかし、図9と比べると、同じ画素内の蓄積容量CSと蓄積容量CSの間の領域2201のポテンシャル障壁2203を、PD、PDの完全空乏化電位より低く設定したポテンシャルとなっている。即ち、同じ画素内の第2の蓄積部同士の間のポテンシャル障壁の高さを光電変換部の完全空乏化電位より低くしている。このような構成とすることで、CSが飽和した場合に電荷がCSに移動して蓄積され、CSBが飽和した場合に電荷がCSに移動して蓄積される。
The third embodiment of the present invention is the same as the first embodiment in terms of the overall configuration, the camera operation sequence, etc., but differs in the pixel potential during the phase difference signal accumulation period in step S703.
FIG. 22 is a diagram schematically showing the minimum potential of a pixel for accumulating a phase difference signal according to Example 3, which is referred to as potential A2 in this example. Potential A2 is a kind of first mode. However, compared to FIG. 9, the potential barrier 2203 in the region 2201 between the storage capacitor CS A and the storage capacitor CS B in the same pixel has a potential set lower than the fully depleted potential of PD A and PD B. there is That is, the height of the potential barrier between the second accumulation portions in the same pixel is made lower than the fully depleted potential of the photoelectric conversion portion. With such a configuration, when CS A is saturated, charges move to CS B and are accumulated, and when CSB is saturated, charges move to CS A and are accumulated.

図23は、ポテンシャルA2の各ノードにおける蓄積電荷と光量の関係を模式的に示す図である。PDで発生した電荷は、光量が1501、1502の範囲ではPDに蓄積され、光量が1503、2301の範囲ではPD、FD、CSに蓄積される。PDで発生した電荷は、光量が1501の範囲ではPDに蓄積され、光量が1502、1503の範囲ではPD、FD、CSに蓄積され、光量が2301の範囲ではPD、FD、CS、CSに蓄積される。 FIG. 23 is a diagram schematically showing the relationship between the accumulated charge and the amount of light at each node of the potential A2. Charges generated in the PDA are accumulated in the PDA when the light amounts are in the range of 1501 and 1502, and are accumulated in the PDA , FD A and CS A when the light amounts are in the range of 1503 and 2301. FIG. The charges generated in the PD B are accumulated in the PD B when the light amount is in the range of 1501, in the PD B , FD B and CS B when the light amount is in the range of 1502 and 1503, and in the PD B and FD when the light amount is in the range of 2301. B , CS B and CS A are stored.

ポテンシャルA1では、CSが飽和するまでの光量範囲内においてPDで発生した電荷の蓄積が可能であるのに対して、ポテンシャルA2では、CSが飽和した後もCSが飽和していなければPDで発生した電荷の蓄積が可能である。そのため、ポテンシャルA1では光量範囲が1503以下の場合に、位相差信号・画像信号が得られるのに対して、ポテンシャルA2では1503以下の場合に、位相差信号・画像信号が得られ、光量が2301の場合に画像信号が得られる。そのため、位相差信号の取得できる光量範囲は変わらずに、位相差信号をLV表示に用いる際の対応光量範囲は、ポテンシャルA2では、ポテンシャルA1の場合より高照度まで対応可能である。 With the potential A1, charges generated in the PD B can be accumulated within the light amount range until the CS B is saturated. For example, it is possible to accumulate charges generated in the PDB . Therefore, with the potential A1, phase difference signals and image signals are obtained when the light amount range is 1503 or less. An image signal is obtained when Therefore, the light amount range in which the phase difference signal can be obtained remains unchanged, and the light amount range when the phase difference signal is used for LV display can handle a higher illuminance with the potential A2 than with the potential A1.

CSとCSの間のポテンシャル障壁は、設計時に予めPN接合で作製しても良い。または、図24に示すように、CSとCSを接続する接続ゲートとしての容量接続トランジスタ(MCS)2401を設け、接続ゲートのバイアス電圧によってCSとCSの間のポテンシャル障壁の高さを設定してもよい。即ち、同じ画素内の第2の蓄積部同士の間のポテンシャル障壁の高さを接続ゲートのバイアス電圧によって制御しても良い。 A potential barrier between CS A and CS B may be formed by a PN junction in advance at the time of design. Alternatively, as shown in FIG. 24, a capacitive coupling transistor (MCS) 2401 is provided as a connection gate connecting CS A and CS B , and the potential barrier height between CS A and CS B is increased by the bias voltage of the connection gate. may be set. That is, the height of the potential barrier between the second accumulation portions within the same pixel may be controlled by the bias voltage of the connection gate.

以上、本発明をその好適な実施例に基づいて詳述してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨に基づき種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。
例えば実施例ではPD、PDからの信号を位相差検出に用いているが、視差信号として表示することで、立体画像の表示に用いてもよい。あるいは画像内の各部分に対応した距離マップを作成するのに使っても良い。
Although the present invention has been described in detail based on its preferred embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible based on the gist of the present invention. They are not excluded from the scope of the invention.
For example, in the embodiment, signals from PD A and PD B are used for phase difference detection, but they may be displayed as parallax signals and used for displaying a stereoscopic image. Alternatively, it can be used to create a distance map corresponding to each part in the image.

また、本実施例における制御の一部または全部を上述した実施例の機能を実現するコンピュータプログラムをネットワーク又は各種記憶媒体を介して撮像装置に供給するようにしてもよい。そしてその撮像装置におけるコンピュータ(又はCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行するようにしてもよい。その場合、そのプログラム、及び該プログラムを記憶した記憶媒体は本発明を構成することとなる。 Further, a computer program that implements the functions of the above-described embodiments may be supplied to the imaging apparatus via a network or various storage media for part or all of the control in this embodiment. Then, the computer (or CPU, MPU, etc.) in the imaging apparatus may read and execute the program. In that case, the program and the storage medium storing the program constitute the present invention.

111 ズームアクチュエータ
112 絞りシャッタアクチュエータ
113 フォーカスアクチュエータ
114 電子フラッシュ
115 AF補助光発光部
122 フラッシュ制御回路
123 補助光駆動回路
124 撮像素子駆動回路
125 画像処理回路
126 フォーカス駆動回路
127 絞りシャッタ駆動回路
128 ズーム駆動回路
131 表示器
132 操作スイッチ群
133 フラッシュメモリ
111 Zoom actuator 112 Aperture shutter actuator 113 Focus actuator 114 Electronic flash 115 AF auxiliary light emitting unit 122 Flash control circuit 123 Auxiliary light drive circuit 124 Image sensor drive circuit 125 Image processing circuit 126 Focus drive circuit 127 Aperture shutter drive circuit 128 Zoom drive circuit 131 display 132 operation switch group 133 flash memory

Claims (13)

複数の画素を有し、各画素がそれぞれ、
光学系の異なる射出瞳領域を通過した複数の光束をそれぞれ受光して光電変換し電荷を生成するための複数の光電変換部と、
前記複数の光電変換部を分離する分離領域と、
前記複数の光電変換部の電荷をそれぞれ蓄積するための前記複数の光電変換部と同数の複数の第1の蓄積部と、を有する撮像素子と、
前記複数の光電変換部と前記複数の第1の蓄積部との間のポテンシャル障壁を、前記分離領域のポテンシャル障壁より低く、かつ、前記複数の光電変換部の空乏電位よりも高くする第1のモードと、前記複数の光電変換部と前記複数の第1の蓄積部との間のポテンシャル障壁を、前記分離領域のポテンシャル障壁より高くする第2のモードと、を選択的に切り替えるための制御手段とを有することを特徴とする撮像装置。
having a plurality of pixels, each pixel respectively
a plurality of photoelectric conversion units for receiving and photoelectrically converting a plurality of light beams passing through different exit pupil regions of the optical system to generate electric charges;
a separation region that separates the plurality of photoelectric conversion units;
an imaging device having a plurality of first storage units in the same number as the plurality of photoelectric conversion units for respectively storing charges of the plurality of photoelectric conversion units;
a first potential barrier between the plurality of photoelectric conversion units and the plurality of first storage units that is lower than the potential barrier of the isolation region and higher than the depletion potential of the plurality of photoelectric conversion units; Control means for selectively switching between a mode and a second mode in which a potential barrier between the plurality of photoelectric conversion units and the plurality of first accumulation units is higher than the potential barrier of the isolation region. and an imaging device.
前記制御手段は、前記第2のモードにおいて前記複数の光電変換部でそれぞれ生成された電荷をそれぞれ前記複数の第1の蓄積部を介して加算して読み出して画像信号を形成することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The control means is characterized in that, in the second mode, the charges respectively generated by the plurality of photoelectric conversion units are added through the plurality of first storage units and read out to form an image signal. The imaging device according to claim 1. 前記制御手段は、前記第1のモードにおいて前記複数の光電変換部でそれぞれ生成された電荷をそれぞれ前記複数の第1の蓄積部を介して読み出して位相差信号を形成することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The control means is characterized in that, in the first mode, the charges respectively generated by the plurality of photoelectric conversion units are read through the plurality of first storage units to form phase difference signals. Item 1. The imaging device according to item 1. 前記制御手段は、前記第1のモードにおいて前記複数の光電変換部でそれぞれ生成された電荷をそれぞれ前記複数の第1の蓄積部を介して読み出して画像信号を形成することを特徴とする請求項3に記載の撮像装置。 3. The control means is characterized in that, in the first mode, the charges respectively generated by the plurality of photoelectric conversion units are read through the plurality of first storage units to form image signals. 4. The imaging device according to 3. 前記複数の蓄積部に蓄積された電荷の一部をそれぞれ蓄積するための、前記複数の第1の蓄積部と同数の複数の第2の蓄積部と、
前記複数の第1の蓄積部と前記複数の第2の蓄積部の間のポテンシャル障壁をそれぞれ制御する複数の蓄積ゲートと、を有することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
a plurality of second storage units, which are the same in number as the plurality of first storage units, for respectively storing a portion of the charges accumulated in the plurality of storage units;
2. The imaging device according to claim 1, further comprising a plurality of storage gates for controlling potential barriers between said plurality of first storage units and said plurality of second storage units.
前記制御手段は、前記第2のモードにおいて、同じ画素内の前記複数の光電変換部と前記複数の第1の蓄積部との間のポテンシャル障壁の高さを異ならせることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 3. The control means, in the second mode, makes different heights of potential barriers between the plurality of photoelectric conversion units and the plurality of first accumulation units in the same pixel. 1. The imaging device according to 1. 前記第1のモードにおいて、前記制御手段は、同じ画素内の前記第2の蓄積部同士の間のポテンシャル障壁の高さが、前記光電変換部の完全空乏化電位より低くなるようにすることを特徴とする請求項5に記載の撮像装置。 In the first mode, the control means makes the height of the potential barrier between the second storage portions in the same pixel lower than the fully depleted potential of the photoelectric conversion portion. 6. The imaging device according to claim 5. 同じ画素内の前記第2の蓄積部同士の間のポテンシャル障壁の高さを制御するための接続ゲートを有することを特徴とする請求項5に記載の撮像装置。 6. The imaging device according to claim 5, further comprising a connection gate for controlling the height of a potential barrier between said second accumulation portions within the same pixel. 前記制御手段は、前記光電変換部で発生した電荷を前記第1の蓄積部で蓄積した第1の画素信号と、
前記光電変換部で発生した電荷を前記第1の蓄積部と前記第2の蓄積部とを接続した状態で蓄積した第2の画素信号とを読み出し、
前記第2の画素信号の大きさが所定の閾値より大きい場合に前記第2の画素信号を選択し、前記第2の画素信号の大きさが前記閾値より小さい場合に前記第1の画素信号を選択することを特徴とする請求項5に記載の撮像装置。
The control means includes a first pixel signal obtained by accumulating charges generated in the photoelectric conversion section in the first accumulation section;
reading out a second pixel signal obtained by accumulating electric charges generated in the photoelectric conversion unit with the first accumulation unit and the second accumulation unit being connected;
selecting the second pixel signal when the magnitude of the second pixel signal is greater than a predetermined threshold, and selecting the first pixel signal when the magnitude of the second pixel signal is less than the threshold; 6. The image pickup apparatus according to claim 5, wherein the image pickup device selects the image.
前記制御手段は、前記第1のモードと前記第2のモードとで前記閾値の大きさを変更することを特徴とする請求項9に記載の撮像装置。 10. The imaging apparatus according to claim 9, wherein said control means changes the magnitude of said threshold between said first mode and said second mode. 前記複数の光電変換部と前記複数の第1の蓄積部との間のポテンシャル障壁を制御するための転送ゲートを有することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 2. The imaging device according to claim 1, further comprising a transfer gate for controlling potential barriers between said plurality of photoelectric conversion units and said plurality of first storage units. 請求項1~11のうちいずれか一項に記載の前記撮像装置の前記制御手段としてコンピュータを機能させるためのコンピュータプログラム。 A computer program for causing a computer to function as the control means of the imaging apparatus according to any one of claims 1 to 11. 請求項12に記載のコンピュータプログラムを記憶したコンピュータで読み取り可能な記憶媒体。
13. A computer readable storage medium storing the computer program according to claim 12.
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