(57)【要約】【課題】２つの異なる露光時間の映像信号の取得と位相差による焦点検出用の信号の取得を回路を複雑化することなく実現する撮像素子を提供すること。【解決手段】撮像素子１８４は、複数の画素３０３を２次元に配列し、画素３０３は、撮像光学系の互いに異なる瞳領域を通過した光束に対応するフォトダイオード５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂと、フォトダイオード５００Ａに接続され、フォトダイオード５００Ａにより変換された電荷を保持する電荷保持部５０７Ａ１と、フォトダイオード５００Ｂに接続され、フォトダイオード５００Ｂにより変換された電荷を保持する電荷保持部５０７Ｂ１と、フォトダイオード５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂに接続され、フォトダイオード５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂにより変換された電荷を保持する５０７−２と、を備える。【選択図】図３
2020170978.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を２次元に配列した撮像素子であって、
前記画素は、
撮像光学系の互いに異なる瞳領域を通過した光束に対応する第１の光電変換部および第２の光電変換部と、
前記第１の光電変換部に接続され、前記第１の光電変換部により変換された電荷を保持する第１の電荷保持部と、
前記第２の光電変換部に接続され、前記第２の光電変換部により変換された電荷を保持する第２の電荷保持部と、
前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部に接続され、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部により変換された電荷を保持する第３の電荷保持部と、を備える
ことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記第３の電荷保持部が保持できる電荷の量は、前記第１の電荷保持部が保持できる電荷の量および前記第２の電荷保持部が保持できる電荷の量より大きいことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記画素は、
前記第１の電荷保持部および前記第２の電荷保持部の電荷が転送され蓄積される第１のフロ−ティングディフュ−ジョン領域と、
前記第３の電荷保持部の電荷が転送され蓄積される第２のフロ−ティングディフュ−ジョン領域と、
前記第１の光電変換部により変換された電荷を前記第１の電荷保持部へ転送する第１の転送部と、
前記第２の光電変換部により変換された電荷を前記第２の電荷保持部へ転送する第２の転送部と、
前記第１の光電変換部により変換された電荷を前記第３の電荷保持部へ転送する第３の転送部と、
前記第２の光電変換部により変換された電荷を前記第３の電荷保持部へ転送する第４の転送部と、
前記第１の電荷保持部に保持された電荷を前記第１のフロ−ティングディフュ−ジョン領域に転送する第５の転送部と、
前記第２の電荷保持部に保持された電荷を前記第１のフロ−ティングディフュ−ジョン領域に転送する第６の転送部と、
前記第３の電荷保持部に保持された電荷を前記第２のフロ−ティングディフュ−ジョン領域に転送する第７の転送部と、を備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子を制御する信号制御手段と、
前記第１の電荷保持部および前記第２の電荷保持部から取得した信号により焦点検出を行う焦点検出手段と、を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
前記信号制御手段は、第１の期間において前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部で光電変換された電荷をそれぞれ前記第１の電荷保持部および前記第２の電荷保持部へ転送し、前記第１の期間とは異なる第２の期間において前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部で光電変換された電荷を前記第３の電荷保持部へ転送するよう制御することを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記信号制御手段は、前記第１の期間と前記第２の期間が交互に発生するように制御することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記信号制御手段は、前記第１の期間が前記第２の期間よりも短くなるように制御することを特徴とする請求項５または６に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記信号制御手段は、前記第２の期間における前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部での蓄積と前記第３の電荷保持部への転送を分割して複数回行うことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記信号制御手段は、前記分割して複数回行われる前記第２の期間における前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部での蓄積を、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部で交互に行うことを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記撮像素子から取得した信号から画像を生成する画像生成手段と、
前記画像生成手段は、前記第１の電荷保持部および前記第２の電荷保持部から取得した信号を加算合成して第１の画像を生成し、前記第３の電荷保持部から取得した信号から第２の画像を生成することを特徴とする請求項４乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記画像生成手段は、前記第１の画像と前記第２の画像を合成して、ダイナミックレンジを拡大した第３の画像を生成することを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、撮像素子の高機能化が進展しており、1台のカメラで動画と静止画を同時に撮影するカメラが提案されている。特許文献１では、光電変換を行うフォトダイオ−ド１つに対して、２つの電荷保持部を有する撮像素子を用いて、蓄積期間の異なる２つの映像信号を得る手法が開示されている。動画と静止画では、光電変換部の露光時間を異ならせることで、それぞれに適した映像信号を得ている。一方、撮像素子の高機能化として特許文献２では、撮像素子の１画素に対し入射光を瞳分割するために光電変換部を２つに分け、各光電変換部から取得した検出信号に基づき位相差検出を行い、焦点状態を検出する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１５３０６９号公報
【特許文献２】特開２００３−３２５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の撮像素子において特許文献２の瞳分割を行えるように光電変換部を２つに分けると、光電変化部１つに対し電荷保持部が２つ、つまり電荷保持部が合計４つ必要となり回路が複雑になってしまう。
【０００５】
本発明は、２つの異なる露光時間の映像信号の取得と位相差による焦点検出用の信号の取得を回路を複雑化することなく実現する撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の撮像素子は、複数の画素を２次元に配列した撮像素子であって、前記画素は、撮像光学系の互いに異なる瞳領域を通過した光束に対応する第１の光電変換部および第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部に接続され、前記第１の光電変換部により変換された電荷を保持する第１の電荷保持部と、前記第２の光電変換部に接続され、前記第２の光電変換部により変換された電荷を保持する第２の電荷保持部と、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部に接続され、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部により変換された電荷を保持する第３の電荷保持部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、２つの異なる露光時間の映像信号の取得と位相差による焦点検出用の信号の取得を回路を複雑化することなく実現する撮像素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】撮像装置を示す外観図。
【図２】撮像装置の概略構成を示すブロック図。
【図３】撮像素子の１つの画素を説明する図である。
【図４】撮像素子の回路構成を示す図である。
【図５】従来の撮像素子の１つの画素を説明する図である。
【図６】従来の撮像素子の回路構成を示す図である。
【図７】撮像素子の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。
【図８】ノイズ成分の補正を行うことができる撮像素子の読み出し回路の構成例を示す図である。
【図９】ノイズ成分の補正処理のタイミングを示すタイミングチャートである。
【図１０】撮影動作を示すフローチャートである。
【図１１】第２実施形態における撮像素子の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。
【図１２】第３実施形態における撮像素子の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施形態）
図１は、撮像装置１００の外観図である。本実施形態では撮像装置１００の一例として静止画および動画の撮影が可能なデジタルカメラについて説明するが、これに限られるものではない。また、本実施形態では、撮像装置本体とレンズが一体となった撮像装置の例を説明するがこれに限られるものではなく、例えば、レンズ交換式のデジタル一眼カメラであってもよい。また、撮像素子１８４から出力される画像信号を処理する画像処理部は、必ずしも撮像装置１００の一部として構成される必要はなく、撮像素子１８４や撮影光学系１５２とは別のハ−ドウェアにより構成されていてもよい。また、画像処理部の機能の全部又は一部を、撮像素子１８４に搭載するようにしてもよい。
【００１０】
図１（Ａ）は撮像装置１００の正面図を示す図であり、図１（Ｂ）は撮像装置１００の背面図を示す図である。撮像装置１００は、筐体１５１、筐体１５１の正面部に撮影光学系１５２、筐体１５１の上面部にスイッチＳＴ１５４を備える。また、撮像装置１００は筐体１５１の背面部に、表示部１５３、スイッチＭＶ１５５、選択レバ−１５６、メニュ−ボタン１５７、アップスイッチ１５８、ダウンスイッチ１５９、ダイアル１６０、再生ボタン１６１を備える。
【００１１】
筐体１５１は、撮像素子１８４やシャッタ−装置等の撮像装置１００を構成する種々の機能部品を収納する撮像装置１００の本体部である。撮影光学系１５２は、被写体の光学像を結像するための光学系である。表示部１５３は、撮影情報や映像を表示するための表示装置である。表示部１５３は、ダイナミックレンジの広い映像の輝度範囲を抑制することなく表示できるだけの表示輝度範囲を有している。また、表示部１５３は、必要に応じて画面の向きを変えるための可動機構を設けてもよい。
【００１２】
スイッチＳＴ１５４は、主に静止画の撮影を行うために使用するシャッタ−ボタンである。スイッチＭＶ１５５は、動画撮影の開始および停止を行うためのボタンである。選択レバ−１５６は、撮影モ−ドを選択するための切り替えスイッチである。メニュ−ボタン１５７は、撮像装置１００の機能設定を行う機能設定モ−ドへ移行するためのボタンである。アップスイッチ１５８およびダウンスイッチ１５９は、各種の設定値を変更する際に用いるアップダウンスイッチである。ダイアル１６０は、各種の設定値を変更するためのダイアルである。再生ボタン１６１は、撮像装置１００内の記録媒体１９３に記録されている映像を表示部１５３上で再生する再生モ−ドへ移行するためのボタンである。
【００１３】
図２は、撮像装置１００の構成例を示すブロック図である。撮像装置１００は、フォ−カスレンズ１８１、フォ−カスレンズ駆動部１８２、光学フィルタ１８３、撮像素子１８４、ブレ補正レンズ１８５およびブレ補正駆動部１８６を備える。また、撮像装置１００は、デジタル信号処理部１８７、アナログフロントエンド１８８、タイミング発生部１８９、システム制御ＣＰＵ１７８、スイッチ入力手段１７９および映像メモリ１９０を備える。また、撮像装置１００は、表示Ｉ／Ｆ１９１、表示部１５３、記録Ｉ／Ｆ１９２、記録媒体１９３、プリントＩ／Ｆ１９４、外部Ｉ／Ｆ１９６および無線Ｉ／Ｆ１９８を備える。
【００１４】
光軸１８０は、撮像光学系１５２の光軸である。フォ−カスレンズ１８１は、撮影光学系１５２の焦点状態を調整するための光学レンズである。フォ−カスレンズ駆動部１８２は、フォ−カスレンズ１８１を駆動させる。ブレ補正レンズ１８５は、像ブレを補正するための光学レンズである。ブレ補正駆動部１８６は、ブレ補正レンズ１８５を駆動させる。光学フィルタ１８３は、撮像素子１８４に入射する光の波長および撮像素子１８４に伝達する空間周波数を制限する。
【００１５】
撮像素子１８４は、撮像光学系１５２を介して結像された被写体の光学像を電気的な画像信号に変換する。アナログフロントエンド１８８は、撮像素子１８４から出力される画像信号のアナログ処理とアナログ−デジタル変換を行う。アナログフロントエンド１８８は、読み出し回路と、アナログ信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器等を有する。読み出し回路の詳細は、後述する。
【００１６】
デジタル信号処理部１８７は、撮像素子１８４より出力されたデジタル映像デ−タに各種の補正を行った後に、映像デ−タを圧縮する。また、デジタル信号処理部１８７は、画像生成手段および画像合成手段の機能を有する。タイミング発生部１８９は、撮像素子１８４およびデジタル信号処理部１８７に各種タイミング信号を出力し、各種タイミングを制御する。
【００１７】
システム制御ＣＰＵ１７８は、各種演算を行い、撮像装置１００全体を制御するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）である。すなわち、システム制御ＣＰＵ１７８はタイミング発生部１８９とともに、撮像素子１８４における信号電荷の転送や蓄積、読み出しのタイミングを制御する制御手段の機能を有する。また、システム制御ＣＰＵ１７８は、デジタル信号処理部１８７により取得した複数の画像信号を比較する位相差検出により、撮影光学系１５２の焦点状態を検出する焦点検出手段の機能も有している。また、システム制御ＣＰＵ１７８はブレ補正算出手段の機能も有しており、複数の画像信号から動きベクトルを検出し、動きベクトルの検出結果に基づきブレ補正信号を生成し、ブレ補正信号をブレ補正駆動部１８６に送出する。
【００１８】
映像メモリ１９０は、映像デ−タを一時的に記憶する。表示インタ−フェ−ス部（表示Ｉ／Ｆ）１９１は、撮影された映像を表示部１５３に表示するためのインタ−フェ−スである。表示部１５３は、液晶ディスプレイ等の表示部である。記録インタ−フェ−ス部（記録Ｉ／Ｆ）は、記録媒体１９３に記録または読み出しを行うためのインタ−フェ−スである。記録媒体１９３は、映像デ−タや付加デ−タ等を記録するためのメモリ等の記録媒体である。記録媒体１９３は、撮像装置１００に備え付けられていてもよいし着脱可能でもよい。
【００１９】
プリントＩ／Ｆ１９４は、撮影された映像を外部のプリンタ１９５に出力し印刷するためのインタ−フェ−スである。プリンタ１９５は、小型インクジェットプリンタ等のプリンタである。外部Ｉ／Ｆ１９６は、外部装置１９７等と通信するためのインタ−フェ−スである。外部装置１９７は、コンピュ−タやテレビなどの画像を表示可能な装置である。無線Ｉ／Ｆ１９８は、外部のネットワ−ク１９９と通信するためのインタ−フェ−スである。ネットワ−ク１９９は、インタ−ネットなどのコンピュ−タネットワ−クである。スイッチ入力部１７９は、ユ−ザからの操作を受け付ける各種スイッチである。スイッチ入力部１７９は、スイッチＳＴ１５４やスイッチＭＶ１５５や各種モ−ドの切り替えを行う複数のスイッチを含む。
【００２０】
図３および図４を用いて撮像素子１８４の構成について説明する。図３は、撮像素子１８４の１つの画素を説明する図である。図４は、撮像素子１８４の回路構成を示す図である。撮像素子１８４は、２次元配列された多数の画素（画素部）を有している。図３および図４では、撮像素子１８４の複数の画素のうち、１行１列目（１，１）の画素３０３を例に説明する。すなわち、撮像素子１８４には、画素３０３と同様の構成の複数の画素がアレイ状に配されている。
【００２１】
画素３０３は、２つの光電変換部を有している。２つの光電変換部は、例えば、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオ−ド５００Ｂである。１つの画素３０３に対して２つの光電変換部を備えているため、撮像光学系１５２を介して入射した光を分割して露光することができる。フォトダイオ−ド５００Ａとフォトダイオ−ド５００Ｂは、撮像光学系１５２の互いに異なる瞳領域を通過した光束に対応する。そして、フォトダイオ−ド５００Ａから出力された信号群とフォトダイオ−ド５００Ｂから出力された信号群を用いて、位相差による焦点検出を行うことができる。なお、本実施形態では光電変換部にフォトダイオ−ドを用いる例を説明するがこれに限られるものではなく、光電変換が行える素子であれば有機薄膜など、その他の素子を用いても構わない。
【００２２】
画素３０３は複数の電荷保持部を有しており、本実施形態では３つの電荷保持部（電荷保持部５０７Ａ１、電荷保持部５０７Ｂ１、電荷保持部５０７−２）を有する例について説明する。電荷保持部を有する撮像素子１８４の基本構造は特開２０１７−１５３０６９号公報にて開示されているので、詳細な説明は省略する。なお、図中では電荷保持部をＭｅｍと記す。
【００２３】
また、画素３０３は、９つの転送部である転送トランジスタ（５０１Ａ１、５０１Ｂ１、５０１Ａ２、５０１Ｂ２、５０２Ａ１、５０２Ｂ１、５０２−２、５０３Ａ、５０３Ｂ）を有している。また、画素３０３は、２つのリセットトランジスタ（５０４−１、５０４−２）、２つの増幅トランジスタ（５０５−１、５０５−２）、２つの選択トランジスタ（５０６−１、５０６−２）を有している。なお、図中では転送トランジスタをＴｘ、リセットトランジスタをＲＥＳ、選択トランジスタをＳＥＬと記す。
【００２４】
フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオ−ド５００Ｂのアノ−ドは、接地線に接続されている。フォトダイオ−ド５００Ａのカソ−ドは、転送トランジスタ５０１Ａ１、転送トランジスタ５０１Ａ２、転送トランジスタ５０３Ａのソ−スに、それぞれ接続されている。フォトダイオ−ド５００Ｂのカソ−ドは、転送トランジスタ５０１Ｂ１、転送トランジスタ５０１Ｂ２、転送トランジスタ５０３Ｂのソ−スに、それぞれ接続されている。
【００２５】
転送トランジスタ５０１Ａ１のドレインは、転送トランジスタ５０２Ａ１のソ−スに接続されている。転送トランジスタ５０１Ａ１のドレインと転送トランジスタ５０２Ａ１のソ−スの間の接続ノ−ドが、電荷保持部５０７Ａを構成する。同様に、転送トランジスタ５０１Ｂ１のドレインは、転送トランジスタ５０２Ｂ１のソ−スに接続されている。転送トランジスタ５０１Ｂ１のドレインと転送トランジスタ５０２Ｂ１のソ−スの間の接続ノ−ドが電荷保持部５０７Ｂを構成する。また、転送トランジスタ５０１Ａ２および５０１Ｂ２のドレインは、転送トランジスタ５０２−２のソ−スと接続されている。転送トランジスタ５０１Ａ２および５０１Ｂ２のドレインと転送トランジスタ５０２−２のソ−スとの間の接続ノ−ドが、電荷保持部５０７−２を構成する。
【００２６】
転送トランジスタ５０２Ａ１のドレインおよび転送トランジスタ５０２Ｂ１のドレインは、リセットトランジスタ５０４−１のソ−スおよび増幅トランジスタ５０５−１のゲ−トに接続されている。転送トランジスタ５０２Ａ１のドレイン、転送トランジスタ５０２Ｂ１のドレイン、リセットトランジスタ５０４−１のソ−ス、増幅トランジスタ５０５−１のゲ−トの接続ノ−ドは、フロ−ティングディフュ−ジョン領域（以下ＦＤ領域）５０８−１を構成する。同様に、転送トランジスタ５０２−２のドレインは、リセットトランジスタ５０４−２のソ−スおよび増幅トランジスタ５０５−２のゲ−トに接続されている。転送トランジスタ５０２−２のドレイン、リセットトランジスタ５０４−２のソ−スおよび増幅トランジスタ５０５−２のゲ−トの接続ノ−ドは、ＦＤ領域５０８−２を構成する。
【００２７】
増幅トランジスタ５０５−１のソ−スは、選択トランジスタ５０６−１のドレインに接続されている。リセットトランジスタ５０４−１のドレインおよび増幅トランジスタ５０５のドレインは、電源線５２０に接続されている。同様に、増幅トランジスタ５０５−２のソ−スは、選択トランジスタ５０６−２のドレインに接続されている。リセットトランジスタ５０４−２のドレインおよび増幅トランジスタ５０５−２のドレインは、電源線５２０に接続されている。
【００２８】
また、転送トランジスタ５０３Ａのドレインおよび転送トランジスタ５０３Ｂのドレインは、電源線５２１に接続されている。選択トランジスタ５０６−１のソ−スは、信号出力線５２３に接続されている。同様に、選択トランジスタ５０６−２のソ−スは、信号出力線５２３に接続されている。信号出力線５２３は、読み出し回路３０８に接続されている。
【００２９】
撮像素子１８４の複数の画素は、行単位で、垂直走査回路３０７から行方向に配された制御線に接続されている。各行の制御線は、各転送トランジスタ（５０１Ａ１、５０１Ａ２、５０１Ｂ１、５０１Ｂ２、５０２Ａ１、５０２Ａ２、５０２−２、５０３Ａ、５０３Ｂ）のゲ−トにそれぞれ接続された複数の制御線を含む。また、各行の制御線は、各リセットトランジスタ（５０４−１、５０４−２）および各選択トランジスタ（５０６−１、５０６−２）のゲ−トにそれぞれ接続された複数の制御線を含む。垂直走査回路３０７から各トランジスタに、システム制御ＣＰＵ１７８からの制御信号に基づいて各制御パルスが送出される。各トランジスタは、制御パルスがハイレベルのときにオンとなり、制御パルスがローレベルのときにオフとなる。
【００３０】
具体的には、転送トランジスタ５０１Ａ１は、転送パルスφＴＸ１Ａ１で制御される。転送トランジスタ５０１Ｂ１は、転送パルスφＴＸ１Ｂ１で制御される。転送トランジスタ５０１Ａ２は、転送パルスφＴＸ１Ａ２で制御される。転送トランジスタ５０１Ｂ２は、転送パルスφＴＸ１Ｂ２で制御される。転送トランジスタ５０２Ａ１は、転送パルスφＴＸ２Ａ１で制御される。転送トランジスタ５０２Ｂ１は、転送パルスφＴＸ２Ｂ２で制御される。転送トランジスタ５０２−２は、転送パルスφＴＸ２−２で制御される。
【００３１】
リセットトランジスタ５０４−１は、リセットパルスφＲＥＳ１で制御される。リセットトランジスタ５０４−２は、リセットパルスφＲＥＳ２で制御される。選択トランジスタ５０６−１は、選択パルスφＳＥＬ１で制御される。選択トランジスタ５０６−２は、選択パルスφＳＥＬ２で制御される。
【００３２】
本実施形態の撮像素子１８４は、２つのフォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂに対して３つの電荷保持部５０７Ａ、電荷保持部５０７Ｂ、電荷保持部５０７−２を有している。本実施形態では、電荷保持部５０７Ａ１および電荷保持部５０７Ｂ１に保持される信号（Ａ像信号、Ｂ像信号）を加算合成して第１の画像である静止画像信号を生成する。そして、電荷保持部５０７−２に保持される信号を用いて第２の画像である動画像信号を生成する。さらに電荷保持部５０７Ａ１に保持される信号（Ａ像信号）と、電荷保持部５０７Ｂ１に保持される信号（Ｂ像信号）を用いて、位相差により焦点状態を検出する焦点検出動作を行うことが可能である。
【００３３】
電荷保持部５０７Ａ１は、フォトダイオ−ド５００Ａでの蓄積電荷を保持する。電荷保持部５０７Ｂ１は、フォトダイオ−ド５００Ｂでの蓄積電荷を保持する。一方、電荷保持部５０７−２は、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオ−ド５００Ｂでの蓄積電荷を同時に保持する。そのため、図３に示すように、電荷保持部５０７−２は、他の電荷保持部（電荷保持部５０７Ａ１、電荷保持部５０７Ｂ２）よりも多くの電荷を保持することができるよう、広く設計されている。
【００３４】
図５および図６は、従来の撮像素子の構成について説明する図である。図５は、従来の撮像素子の１つの画素を説明する図である。図６は、従来の撮像素子の回路構成を示す図である。ここで説明する従来の撮像素子は、撮影光学系を介し入射した光を分割し電荷に変換し蓄積する第１の光電変換部および第２の光電変換部と、一つの光電変換部に対し２つずつの電荷保持部を有している。なお、図３および図４と同じ機能を有するものには同じ符号を付している。
【００３５】
本実施形態と従来例との違いについて説明する。従来例では、本実施形態の電荷保持部５０７−２の代わりに、電荷保持部５０７Ａ２および電荷保持部５０７Ｂ２が配され、さらに、転送トランジスタ５０２−２の代わりに転送トランジスタ５０２Ａ２および転送トランジスタ５０２Ｂ２が配されている。さらに、従来例では、本実施形態の信号出力線５２３の代わりに、選択トランジスタ５０６−１のソ−スが接続される信号出力線５２３−１と選択トランジスタ５０６−１のソ−スが接続される信号出力線５２３−２が配されている。従来例のように、入射した光を分割するのに２つの光電変換部を配し、光電変化部１つに対し電荷保持部を２つ設ける場合、電荷保持部は４つ必要となる。また、従来例では電荷保持部の数に合わせて転送トランジスタや信号出力線が増え、回路構成が煩雑になる。一方、本実施形態の撮像素子１８４は、従来例の撮像素子に比べ、回路の構成を簡易化することができる。
【００３６】
次に、図７を用いて、本実施形態における撮像素子１８４の制御方法を説明する。図７は、撮像素子１８４の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。以下の説明では、図３に示される画素３０３を例に、撮像素子１８４の制御のタイミングを説明する。なお、図７のタイミングチャートでは時間の間隔を模式的に示しており、実際の制御の時間間隔とは異なる。例えば、実際は、転送パルスφＴＸ１Ａがハイレベルになっている時刻ｔ５からｔ６の間隔に対し、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂでの蓄積期間である時刻ｔ１からｔ６や、時刻ｔ７からｔ１９はもっと長く設定されている。
【００３７】
撮像素子１８４は、第１の期間と第２の期間を交番的に制御することで、第１の画像である静止画像信号と、第２の画像である動画像信号の両方を取得する。第１の期間に光電変換され取得される第１の画像の信号は、フォトダイオ−ド５００Ａとフォトダイオ−ド５００Ｂのそれぞれで光電変換し蓄積された信号が別々にＡ像信号、Ｂ像信号として取得される。システム制御ＣＰＵ１７８は、Ａ像信号とＢ像信号を用いて位相差を利用した焦点検出動作を行う。第１の画像は、同じ画素に相当するＡ像信号とＢ像信号を加算合成して生成される。
【００３８】
時刻ｔ１において、垂直走査回路３０７から供給される転送パルスφＴＸ３Ａおよび転送パルスφＴＸ３Ｂがハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、画素３０３の転送トランジスタ５０３Ａおよび転送トランジスタ５０３Ｂがオフとなり、画素３０３のフォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオ−ド５００Ｂのリセットが解除される。そして、画素３０３のフォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオ−ド５００Ｂにおいて、第１の画像である静止画像に対応する信号電荷の蓄積が開始される。
【００３９】
時刻ｔ２において、選択パルスφＳＥＬ１がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、画素３０３の選択トランジスタ５０６−１がオンとなり、画素３０３からの画像信号の読み出しが可能となる。
時刻ｔ３において、リセットパルスφＲＥＳ１がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、リセットトランジスタ５０４−１がオンとなり、ＦＤ領域５０８−１がリセット状態となる。
【００４０】
時刻ｔ４において、リセットパルスφＲＥＳ１がハイレベルからロ−レベルへ遷移する。これにより、リセットトランジスタ５０４−１がオフとなり、ＦＤ領域５０８−１のリセット状態が解除される。この際、ＦＤ領域５０８−１に存在する残留ノイズ成分による電位に応じた信号が、増幅トランジスタ５０５−１および選択トランジスタ５０６−１を介して信号出力線５２３に読み出される。ノイズの補正動作については、詳細を後述する。
【００４１】
時刻ｔ５において、転送パルスφＴＸ１Ａ１および転送パルスφＴＸ１Ｂ１がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０１Ａ１および転送トランジスタ５０１Ｂ１がオンとなり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオ−ド５００Ｂに蓄積された信号電荷がそれぞれ電荷保持部５０７Ａ１および電荷保持部５０７Ｂ１に転送される。
【００４２】
時刻ｔ６において、転送パルスφＴＸ１Ａ１および転送パルスφＴＸ１Ｂ１がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０１Ａ１および転送トランジスタ５０１Ｂ１がオフとなり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂに蓄積された信号電荷の電荷保持部５０７Ａ１および電荷保持部５０７Ｂ１への転送が終了する。同じく、時刻ｔ６において、転送パルスφＴｘ３Ａおよび転送パルスφＴｘ３Ｂがロ−レベルからハイレベルに遷移する。これにより、転送トランジスタ５０３Ａおよび転送トランジスタ５０３Ｂがオンとなり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオ−ド５００Ｂがリセット状態になる。本実施形態において、時刻ｔ１から時刻ｔ６までの期間が第１の画像に対応する信号を取得するための第１の期間にあたる。
【００４３】
時刻ｔ７において、転送パルスφＴｘ３Ａおよび転送パルスφＴｘ３Ｂがハイレベルからロ−レベルに遷移する。これにより、転送トランジスタ５０３Ａおよび転送トランジスタ５０３Ｂがオフとなり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオ−ド５００Ｂにおいて、第２の画像である動画画像に対応する信号電荷の蓄積が開始される。
【００４４】
時刻ｔ８において、転送パルスφＴＸ２Ａ１がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０２Ａ１がオンとなり、電荷保持部５０７Ａ１に蓄積された信号電荷がＦＤ領域５０８−１に転送される。そして、ＦＤ領域５０８−１の電位の変化に応じた信号が、増幅トランジスタ５０５−１および選択トランジスタ５０６−１を介して信号出力線５２３に読み出される。
【００４５】
時刻ｔ９において、転送パルスφＴＸ２Ａ１がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０２Ａ１がオフとなり、電荷保持部５０７Ａ１に蓄積された信号電荷のＦＤ領域５０８−１への転送が終了する。
時刻ｔ１０において、リセットパルスφＲＥＳ１がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、リセットトランジスタ５０４−１がオンとなり、ＦＤ領域５０８−１がリセット状態となる。この際、ＦＤ領域５０８−１に存在するノイズ成分による電位に応じた信号が、増幅トランジスタ５０５−１および選択トランジスタ５０６−１を介して信号出力線５２３に読み出される
時刻ｔ１１において、リセットパルスφＲＥＳ１がハイレベルからロ−レベルへ遷移する。これにより、リセットトランジスタ５０４−１がオフとなり、ＦＤ領域５０８−１のリセット状態が再度解除される。
【００４６】
時刻ｔ１２において、転送パルスφＴＸ２Ｂ１がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０２Ｂ１がオンとなり、電荷保持部５０７Ｂ１に蓄積された信号電荷がＦＤ領域５０８−１に転送される。そして、ＦＤ領域５０８−１の電位の変化に応じた信号が、増幅トランジスタ５０５−１および選択トランジスタ５０６−１を介して信号出力線５２３に読み出される。
【００４７】
時刻ｔ８に信号出力線５２３で読み出された信号（Ａ像信号）と、時刻ｔ１２に信号出力線５２３で読み出された信号（Ｂ像信号）を用いて、位相差による焦点検出動作を行うことができる。また、時刻ｔ４に信号出力線５２３で読み出された信号（Ａ像信号）と、時刻ｔ１２に信号出力線５２３で読み出された信号（Ｂ像信号）を加算合成することで、第１の画像である静止画像信号を生成することができる。
【００４８】
時刻ｔ１３において、転送パルスφＴＸ２Ｂ１がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０２Ｂ１がオフとなり、電荷保持部５０７Ｂ１に蓄積された信号電荷のＦＤ領域５０８−１への転送が終了する。
時刻ｔ１４において、選択パルスφＳＥＬ１がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、選択トランジスタ５０６−１がオフとなり、非選択の状態となる。
【００４９】
時刻ｔ１５において、選択パルスφＳＥＬ２がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、選択トランジスタ５０６−２がオンとなり、画素３０３からの画像信号の読み出しが可能となる。
時刻ｔ１６において、リセットパルスφＲＥＳ２がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、ＦＤ領域５０８−２がリセット状態となる。この際、ＦＤ領域５０８−２に存在するノイズ成分による電位に応じた信号が、増幅トランジスタ５０５−２および選択トランジスタ５０６−２を介して信号出力線５２３に読み出される。
【００５０】
時刻ｔ１７において、リセットパルスφＲＥＳ１がハイレベルからロ−レベルへ遷移する。これにより、リセットトランジスタ５０４−１がオフとなり、ＦＤ領域５０８−１のリセット状態が解除される。
時刻ｔ１８において、転送パルスφＴＸ１Ａ２および転送パルスφＴＸ１Ｂ２がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０１Ａ２および転送トランジスタ５０１Ｂ２がオンとなり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂに蓄積された信号電荷が電荷保持部５０７−２に転送される。
【００５１】
時刻ｔ１９において、転送パルスφＴＸ１Ａ２および転送パルスφＴＸ１Ｂ２がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０１Ａ２および転送トランジスタ５０１Ｂ２がオフとなり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂに蓄積された信号電荷が電荷保持部５０７−２への転送が終了する。同じく、時刻ｔ１９において、転送パルスφＴｘ３Ａおよび転送パルスφＴｘ３Ｂがロ−レベルからハイレベルに遷移する。これにより、転送トランジスタ５０３Ａおよび転送トランジスタ５０３Ｂがオンとなり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂがリセット状態になる。本実施形態において、時刻ｔ７から時刻ｔ１９までの期間が第２の画像に対応する信号を取得するための第２の期間にあたる。
【００５２】
時刻ｔ２０において、転送パルスφＴｘ３Ａおよび転送パルスφＴｘ３Ｂがハイレベルからロ−レベルに遷移する。これにより、転送トランジスタ５０３Ａおよび転送トランジスタ５００Ｂがオフとなり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂにおいて、再度、第１の画像に対応する信号電荷の蓄積が開始される。
【００５３】
時刻ｔ２１において、転送パルスφＴＸ２−２がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０２−２がオンとなり、電荷保持部５０７−２に蓄積された信号電荷がＦＤ領域５０８−２に転送される。そして、ＦＤ領域５０８−２の電位の変化に応じた信号が、増幅トランジスタ５０５−２および選択トランジスタ５０６−２を介して信号出力線５２３に読み出される。
時刻ｔ２２において、転送パルスφＴＸ２−２がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０２−２がオフとなり、電荷保持部５０７−２に蓄積された信号電荷のＦＤ領域５０８−２への転送が終了する。
【００５４】
時刻ｔ２３において選択パルスφＳＥＬ２がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、選択トランジスタ５０６−２がオフとなり、非選択の状態となる。
時刻ｔ２４において、選択パルスφＳＥＬ１がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。以下、時刻ｔ２からｔ２３の動作が撮影の終了まで順次繰り返される。
【００５５】
本実施形態の撮像素子１８４は、第１の期間と第２の期間を交互に制御することで、第１の画像である静止画用画像信号と、第２の画像である動画用画像信号の両方を取得することができる。また、撮像素子１８４は、第１の期間にフォトダイオ−ド５００Ａとフォトダイオード５００Ｂのそれぞれで光電変換し蓄積された信号を別々に取得することができる。そのため、システム制御ＣＰＵ１７８は、第１の期間に取得したフォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂで光電変換された第１の画像に対応する信号を用いて、位相差を利用した焦点検出動作を行うことができる。
【００５６】
次に、図８および図９を用いて、ＦＤ領域５０８−１、ＦＤ領域５０８−２のリセット動作によるノイズ成分の補正について説明する。図８は、ノイズ成分の補正を行うことができる撮像素子１８４の読み出し回路３０８の構成例を示す図である。読み出し回路３０８は、第１のスイッチ４１４、第２のスイッチ４１５、第３のスイッチ４１８、第４のスイッチ４１９、第１の容量４１０、第２の容量４１１、第１の水平出力線４２４、第２の水平出力線４２５、出力アンプ４２１を含む。
【００５７】
第１のスイッチ４１４は、容量４１０への画素信号の書き込みを制御するスイッチである。第１のスイッチ４１４は、信号Ｔｓで制御されるスイッチであり、信号Ｔｓがハイレベルのときにオン状態となり、信号出力線５２３の出力端子と容量４１０とを接続する。第２のスイッチ４１５は、容量４１１への画素信号の書き込みを制御するスイッチである。第２のスイッチ４１５は、信号Ｔｎで制御されるスイッチであり、信号Ｔｎがハイレベルのときにオン状態となり、信号出力線５２３の出力端子と容量４１１とを接続する。
【００５８】
第３のスイッチ４１８は、容量４１０に保持されている画素信号の出力アンプ４２１への出力を制御するスイッチである。第４のスイッチ４１９は、容量４１１に保持されている画素信号の出力アンプ４２１への出力を制御するスイッチである。第３のスイッチ４１８および第４のスイッチ４１９は、水平シフトレジスタ４３１からの制御信号に応じてオン状態になる。これにより、容量４１０に書き込まれた信号は、第３のスイッチ４１８および水平出力線４２４を介して出力アンプ４２１に出力される。また、容量４１１に書き込まれた信号は、第４のスイッチ４１９および水平出力線４２５を介して出力アンプ４２１に出力される。
【００５９】
出力アンプ４２１は、水平出力線４２４と水平出力線４２５からの信号の差動信号を出力する。出力アンプ４２１の出力はアナログフロントエンド１８８が有するＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換され、デジタル信号処理部１８７に送られる。信号Ｔｓ、信号Ｔｎおよび水平シフトレジスタ４３１からの信号は、システム制御ＣＰＵ１７８による制御に基づいて、タイミング発生部１８９から供給される信号である。
【００６０】
次に、図９を用いてノイズ成分の補正処理のタイミングについて説明する。図９は、ノイズ成分の補正処理のタイミングを示すタイミングチャートである。ノイズ成分の補正処理について、リセットトランジスタ５０４−２、選択トランジスタ５０６−２、転送トランジスタ５０２−２、ＦＤ領域５０８−２を例に説明する。
【００６１】
時刻ｔ８１において、選択パルスφＳＥＬ２がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、選択トランジスタ５０６−２がオンとなり、画素３０３からの画像信号の読み出しが可能となる。
時刻ｔ８２において、リセットパルスφＲＥＳ２がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、ＦＤ領域５０８−２がリセット状態となる。この際、ＦＤ領域５０８−２に存在する残留ノイズ成分による電位に応じた信号が、増幅トランジスタ５０５−２および選択トランジスタ５０６−２を介して信号出力線５２３に読み出される。
【００６２】
時刻ｔ８３において、リセットパルスφＲＥＳ２がハイレベルからロ−レベルへ遷移する。これにより、リセットトランジスタ５０４−２がオフとなり、ＦＤ領域５０８−２のリセット状態が解除される。
時刻ｔ８４において、信号Ｔｎがロ−レベルからハイレベルに遷移する。これにより、第２のスイッチ４１５がオンになり、信号出力線５２３からの出力信号が容量４１１に書き込まれる。
【００６３】
時刻ｔ８５において、信号Ｔｎがハイレベルからロ−レベルに遷移する。これにより、第２のスイッチ４１５をオフ状態とし、容量４１１への書き込みを終了する。容量４１１には、時刻ｔ８２において信号出力線５２３で読み出されたＦＤ領域５０８の残留ノイズに応じた信号が書き込まれる。
【００６４】
時刻ｔ８６において、転送パルスφＴＸ２−２がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、電荷保持部５０７−２に蓄積された信号電荷がＦＤ領域５０８−１に転送される。そして、ＦＤ領域５０８−１の電位の変化に応じた信号が、増幅トランジスタ５０５−２および選択トランジスタ５０６−２を介して信号出力線５２３に読み出される。
時刻ｔ８７において、転送パルスφＴＸ２−２がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０２−２がオフとなり、電荷保持部５０７−２に蓄積された信号電荷のＦＤ領域５０８−２への転送が終了する。
【００６５】
時刻ｔ８８において、信号Ｔｓがロ−レベルからハイレベルに遷移する。これにより、第１のスイッチ４１４がオンになり、信号出力線５２３からのノイズ成分の重畳する出力信号が容量４１０に書き込まれる。
【００６６】
時刻ｔ８９において、信号Ｔｓをハイレベルからロ−レベルへ遷移する。これにより、第１のスイッチ４１４をオフ状態とし、容量４１０への書き込みを終了する。容量４１０には、時刻ｔ８６において信号出力線５２３で読み出されたＦＤ領域５０８−２の信号が書き込まれる。
【００６７】
同時に、時刻ｔ８９において、水平シフトレジスタ４３１からの信号によりスイッチ４１８と４１９をオンの状態にする。これにより、容量４１０に書き込まれた信号は水平出力線４２４を介して出力アンプ４２１に出力される。同様に、容量４１１に書き込まれた信号は水平出力線４２５を介して出力アンプ４２１に出力される。出力アンプ４２１は、水平出力線４２４と水平出力線４２５からの信号の差動信号を出力する。これにより、ＦＤ領域５０８−２に存在する残留ノイズ成分を取り除いた画像信号を取り出すことが可能となる。
【００６８】
時刻ｔ９０において、選択パルスφＳＥＬ２がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、選択トランジスタ５０６−２がオフとなり、非選択の状態となる。
【００６９】
以上のようにノイズ成分の補正処理を行うことで、第２の画像のための信号から残留ノイズを取り除いた画像信号を取りだすことができる。なお、第１の期間である第１の画像の信号を得る場合も同様の処理を行うが、この際には、選択パルスφＳＥＬ１がハイレベルの間にリセットパルスφＲＥＳ１が２度ハイレベルとなりロ−レベルとなる遷移を行う。これにより、電荷保持部５０７Ａ１と電荷保持部５０７Ｂ１で蓄積された電荷に対応する信号であるＡ像信号とＢ像信号を取り出す際に、それぞれの信号についてノイズ成分の補正処理を行うことができる。
【００７０】
次に、図１０を用いて撮影動作のフロ−について説明する。図１０は、本実施形態における撮影動作を示すフローチャートである。本実施形態の撮像装置１００は、撮影光学系１５２に光学系の焦点状態を調整するフォ−カスレンズ１８１とフォ−カスレンズ１８１を駆動するフォ−カスレンズ駆動部１８２とを有している。本実施形態では、第１の期間で得られたＡ像信号およびＢ像信号を用いて位相差による焦点検出動作を行い、検出結果に基づきフォ−カスレンズ１８１を移動させて焦点状態を調整する。
【００７１】
本処理は、ユーザによりスイッチＳＴ１５４が押下され静止画撮影の指示が下されることにより開始する。ステップＳ１０１において、フォトダイオード５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂでの静止画信号の露光蓄積動作を開始する。具体的には、スイッチＳＴ１５４の押下に応じて、システム制御ＣＰＵ１７８およびタイミング発生部１８９で構成される信号制御手段からの制御パルス信号により、転送トランジスタ５０３Ａおよび転送トランジスタ５０３Ｂをオフの状態とする。これにより、フォトダイオード５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂでの静止画信号の露光蓄積動作を開始する。ステップＳ１０１の動作が、図７のタイミングチャ−トの時刻ｔ１に相当する。なお、以下の各ステップにおいても、各種トランジスタの状態の切り替えは、システム制御ＣＰＵ１７８およびタイミング発生部１８９で構成される信号制御手段からの制御信号により制御される。
【００７２】
ステップＳ１０２において、静止画信号を電荷保持部５０７Ａおよび電荷保持部５０７Ｂへ転送する。具体的には、転送トランジスタ５０１Ａ１および転送トランジスタ５０１Ｂをオンの状態とする。これにより、ステップＳ１０１でフォトダイオ−ド５００Ａとフォトダイオ−ド５００Ｂでの蓄積を行った静止画信号をそれぞれ電荷保持部５０７Ａ１と電荷保持部５０７Ｂ１へ転送する。その後、転送トランジスタ５０１Ａ１および転送トランジスタ５０１Ｂ１をオフの状態とし、転送を終了する。ステップＳ１０２の動作が、図７のタイミングチャ−トの時刻ｔ５〜時刻ｔ６の動作に相当する。
【００７３】
ステップＳ１０３において、フォトダイオード５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂでの動画像信号の露光蓄積動作を開始する。具体的には、転送トランジスタ５０３Ａおよび転送トランジスタ５０３Ｂをオンの状態とし、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂでの動画像信号の蓄積動作を開始する。ステップＳ１０３の動作が、図７のタイミングチャ−トの時刻ｔ７に相当する。
【００７４】
ステップＳ１０４において、静止画信号のうちＡ像信号を読み出す。具体的には、転送トランジスタ５０２Ａ１をオンの状態とし、ステップＳ１０２において電荷保持部５０７Ａ１で保持された電荷信号をＦＤ領域５０８−１へ転送し、読み出し回路３０８にてＡ像信号として読み出す。ステップＳ１０４の動作が、図７のタイミングチャ−トの時刻ｔ８〜時刻ｔ９に相当する。
【００７５】
ステップＳ１０５において、静止画信号のうちＢ像信号を読み出す。具体的には、転送トランジスタ５０２Ｂ１をオンの状態とし、ステップＳ１０２において電荷保持部５０７Ｂ１で保持された電荷信号をＦＤ領域５０８−１へ転送し、読み出し回路３０８にてＢ像信号として読み出す。ステップＳ１０５の動作が、図７のタイミングチャ−トの時刻ｔ１２〜１３に相当する。
【００７６】
ステップＳ１０６において、システム制御ＣＰＵ１７８は、ステップＳ１０４およびステップＳ１０５で読み出されたＡ像信号およびＢ像信号を用いて、位相差検出による焦点検出動作を行う。焦点検出動作の詳細な原理については、公知の技術のため詳細は割愛する。Ａ像信号とＢ像信号は同じ時刻にそれぞれのフォトダイオ−ド５００Ａとフォトダイオード５００Ｂで光電変換された信号であるので、精度の高い焦点検出動作を行うことができる。システム制御ＣＰＵ１７８は、焦点検出動作により撮影光学系１５２を通過してくる被写体像の焦点状態を検出し、被写体像が非合焦状態であれば合焦状態にするためのフォ−カスレンズ１８１の移動量を算出する。
ステップＳ１０７において、システム制御ＣＰＵ１７８は、ステップＳ１０６で焦点検出動作の検出結果に基づきフォ−カスレンズ駆動部１８２によりフォ−カスレンズ１８１を駆動させる。
【００７７】
ステップＳ１０８において、デジタル信号処理部１８７は、ステップＳ１０４およびステップＳ１０５で読み出したＡ像信号とＢ像信号とを加算合成して、１枚の静止画像を生成する。
【００７８】
ステップＳ１０９において、動画像信号を第１の電荷保持部５０７Ａおよび電荷保持部５０７Ｂへ転送する。具体的には、転送トランジスタ５０１Ａ２および転送トランジスタ５０１Ｂ２をオンの状態とする。これにより、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００ＢにおいてステップＳ１０３から蓄積された動画像信号を電荷保持部５０７−２へ転送する。その後、転送トランジスタ５０１Ａ２および転送トランジスタ５０１Ｂ２をオフの状態とし、転送を終了する。ステップＳ１０９の動作が、図７のタイミングチャ−トの時刻ｔ１８〜時刻ｔ１９の動作に相当する。
【００７９】
ステップＳ１１０において、再度、フォトダイオード５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂでの静止画信号の露光蓄積動作を開始する。具体的には、転送トランジスタ５０３Ａ、５０３Ｂをオンの状態とし、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂでの静止画像信号の蓄積動作を再度開始する。
【００８０】
ステップＳ１１１において、動画像信号を読み出す。具体的には、転送トランジスタ５０２−２をオンの状態とし、ステップＳ１０９において電荷保持部５０７−２で保持された電荷信号をＦＤ領域５０８−２へ転送し、読み出し回路３０８にて動画像信号として読み出す。ステップＳ１１１の動作が、図７のタイミングチャ−トの時刻ｔ２１〜時刻ｔ２２に相当する。
【００８１】
ステップＳ１１２において、システム制御ＣＰＵ１７８は、撮影終了か否かを判定する。撮影者から撮影終了の命令が下されていると判定した場合はステップＳ１１３に進む。一方、撮影終了の命令が下されていないと判定した場合はステップＳ１０２に戻りフロ−を繰り返す。
ステップＳ１１３において、ステップＳ１０８で加算合成し生成された静止画像とステップＳ１１１で読み出された動画像を、所定の記録フォ−マットで映像メモリに記録し、フロ−を終了する。
【００８２】
以上説明したように本実施形態によると、動画像信号と静止画像を同時に記録することができ、さらに撮像面位相差による焦点検出動作を行うことができる。また、本実施形態の撮像装置１００は、２つの異なる蓄積時間の映像信号を同時に撮影するこができ、かつ、回路を複雑化することなく焦点検出を行うことができる。
【００８３】
なお、本実施形態では、動画像の蓄積露光時間である第２の期間の長さより静止画像の蓄積露光時間である第１の期間の長の方が短く設定されている。つまり、動画像のシャッタ−スピ−ドよりもの静止画像のシャッタ−スピ−ドの方が短秒に設定されている。これは、焦点検出動作を行うための静止画像（Ａ像信号とＢ像信号の画像）に、手ブレや被写体の移動による像ブレが発生してしまうことを抑制するためである。また、一般に動画像撮影時のシャッタ−スピ−ドが速いと、再生時にコマ送りのようないわゆるジャ−キネスが現れて映像の滑らかさが失われてしまう。こういったジャ−キネスを抑えた滑らかな映像を得るためには、一連の撮影において、１フレ−ム期間に近い蓄積時間を設定する必要がある。すなわち、フレ−ムレ−トが３０ｆｐｓであれば、１／３０秒や１／６０秒といった比較的長い蓄積時間が適切となる。また、高フレ−ムレ−トの動画では１フレ−ム期間が短いので、例えばフレ−ムレ−トが１２０ｆｐｓであれば、１／１２５秒や１／２５０秒といった比較的短い蓄積時間を設定することになる。一方、静止画像においては、ブレを抑えて一瞬を写し止めた、いわゆるストップモ−ション効果のある映像を撮影することが求められる。このため、静止画像の撮影においては、例えば１／１０００秒程度の短い蓄積時間を設定する必要がある。そこで、蓄積時間の短い第１の期間に蓄積されるＡ像信号とＢ像信号を加算合成して静止画像を生成し、第１の期間より蓄積時間の長い第２の期間に蓄積される信号を用いて動画像を生成している。
【００８４】
また、本実施形態では１度の撮影において静止画像信号と動画像信号を取得していたが、蓄積期間の異なる静止画像信号と動画像信号をデジタル信号処理部１８７において合成して、ダイナミックレンジが拡大した画像を生成してもよい。静止画像信号と動画像信号では蓄積時間が異なるために、加算合成時にそれぞれを所定の割合で合成し記録ビット数を上げて記録することで、ダイナミックレンジが拡大した画像を得ることができる。露光量の異なる複数の画像を用いたダイナミックレンジ拡大の画像処理については、公知の技術のため説明を割愛する。
【００８５】
また、本実施形態では図８に示した読み出し回路３０８により、ノイズ成分の補正と読み出しを行っていたが、信号出力線５２３を直接Ａ/Ｄ変換器に接続しておき、Ａ/Ｄ変換後の信号デ−タでノイズ成分を差し引いて補正を行っても良い。その場合は、ノイズ成分の取得を１回行えばよいので、図７のタイミングチャ−トの第１の期間である時刻ｔ２から時刻ｔ１４の間のリセットパルスφＲＥＳ１のオンオフ動作を２回から１回にすることができる。
【００８６】
また、本実施形態では、第１の期間と第２の期間を交互に制御しているが、そのほかのタイミングで制御を行ってもよい。例えば、ある第２の期間と次の第２の期間の間に、第１の期間が２回発生するように制御することも可能である。つまり、動画像信号が１フレ−ム分を取得すると、静止画像信号は２回蓄積され２つの画像信号を得るような動作となる。この場合、動画像信号の１フレ−ムに対し２回取得される静止画像信号であるＡ像信号、Ｂ像信号の１回分のみを用いて焦点検出動作を行ってもよいし、２回分の信号を用いて焦点検出動作を行ってもよい。なお、動画像信号が１フレ−ム分を取得する間に取得する静止画像信号は２回に限らず、複数回分の静止画像信号を得るような制御を行ってもよい。
【００８７】
（第２実施形態）
第１実施形態では、撮影時に焦点検出動作を行いつつ、第１の期間に蓄積した信号から静止画像を、第２の期間の蓄積した信号から動画像を取得した。しかしながら、第１実施形態では動画像と静止画像で蓄積時間が異なるため、動画像と静止画像の露出が異なり、静止画像信号のゲインを調整するなどしなければ、好適な動画像と静止画像を得られない。そこで、本実施形態では、第２の期間における蓄積を断続的に分割して行うことで、蓄積期間を調整して静止画と動画の露出を揃える。本実施形態における撮像装置１００および撮像素子１８４の構成は、第１実施形態と同様のため説明を省略する。本実施形態と第１実施形態では、信号制御手段による制御のタイミングが異なる。
【００８８】
図１１を用いて、本実施形態における撮像素子１８４の制御方法を説明する。図１１は、第２実施形態における撮像素子１８４の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。第１実施形態の図７との違いである断続的に分割して蓄積を行う第２の期間について主に説明する。第２実施形態では、動画像信号の蓄積期間である第２の期間が静止画像信号の蓄積時間である第１の期間の２倍の長さに設定されている。
【００８９】
時刻ｔ３１から時刻ｔ３６における動作は、第１実施形態の時刻ｔ１から時刻ｔ６の動作と同様である。
時刻ｔ３７において、転送パルスφＴｘ３Ａおよび転送パルスφＴｘ３Ｂがハイレベルからロ−レベルに遷移する。これにより、転送トランジスタ５０３Ａおよび転送トランジスタ５０３Ｂがオフとなり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂで、第２の画像である動画画像の信号電荷の蓄積が開始される。
【００９０】
時刻ｔ３８において、転送パルスφＴＸ２Ａ１がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０２Ａ１がオンとなり、電荷保持部５０７Ａ１に蓄積された信号電荷がＦＤ領域５０８−１に転送される。そして、ＦＤ領域５０８−１の電位の変化に応じた信号が、増幅トランジスタ５０５−１および選択トランジスタ５０６−１を介して信号出力線５２３に読み出される。
【００９１】
時刻ｔ３９において、転送パルスφＴＸ２Ａ１がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０２Ａ１がオフとなり、電荷保持部５０７Ａ１に蓄積された信号電荷のＦＤ領域５０８−１への転送が終了する。
【００９２】
時刻ｔ４０において、転送パルスφＴＸ１Ａ２および転送パルスφＴＸ１Ｂ２がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０１Ａ２および転送トランジスタ５０１Ｂ２がオンとなり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂに蓄積された信号電荷が電荷保持部５０７−２に転送される。
【００９３】
時刻ｔ４１において、転送パルスφＴＸ１Ａ２および転送パルスφＴＸ１Ｂ２がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０１Ａ２および転送トランジスタ５０１Ｂ２がオフとなり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂに蓄積された信号電荷の電荷保持部５０７−２への転送が終了する。同じく、時刻ｔ４１において、転送パルスφＴｘ３Ａおよび転送パルスφＴｘ３Ｂがロ−レベルからハイレベルに遷移する。これにより、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂはリセット状態となる。
【００９４】
時刻ｔ４２において、リセットパルスφＲＥＳ１がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、リセットトランジスタ５０４−１がオンとなり、ＦＤ領域５０８−１がリセット状態となる。
時刻ｔ４３において、リセットパルスφＲＥＳ１がハイレベルからロ−レベルへ遷移する。これにより、リセットトランジスタ５０４−１がオフとなり、ＦＤ領域５０８−１のリセット状態が解除される。
【００９５】
時刻ｔ４４において、転送パルスφＴｘ３Ａおよび転送パルスφＴｘ３Ｂがハイレベルからロ−レベルに遷移する。これにより、転送トランジスタ５０３Ａおよび転送トランジスタ５０３Ｂがオフとなり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂで、第２の画像である動画画像の信号電荷の蓄積が再度開始される。
【００９６】
時刻ｔ４５において、転送パルスφＴＸ２Ｂ１がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０２Ｂ１がオンとなり、電荷保持部５０７Ｂ１に蓄積された信号電荷がＦＤ領域５０８−１に転送される。そして、ＦＤ領域５０８−１の電位の変化に応じた信号が、増幅トランジスタ５０５−１および選択トランジスタ５０６−１を介して信号出力線５２３に読み出される。
時刻ｔ４６において、転送パルスφＴＸ２Ｂ１がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０２Ｂ１がオフとなり、電荷保持部５０７Ｂ１に蓄積された信号電荷のＦＤ領域５０８−１への転送が終了する。
【００９７】
時刻ｔ４７において、転送パルスφＴＸ１Ａ２および転送パルスφＴＸ１Ｂ２がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０１Ａ２および転送トランジスタ５０１Ｂ２がオンとなる。そして、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオ−ド５００Ｂに蓄積された信号電荷が電荷保持部５０７−２に転送され、時刻ｔ３７から４１で蓄積された信号電荷に加えられる。
【００９８】
時刻ｔ４８において、転送パルスφＴＸ１Ａ２および転送パルスφＴＸ１Ｂ２がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０１Ａ２および転送トランジスタ５０１Ｂ２がオフとなり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂに蓄積された信号電荷の電荷保持部５０７−２への転送が終了する。同じく、時刻ｔ４８において、転送パルスφＴｘ３Ａおよび転送パルスφＴｘ３Ｂがロ−レベルからハイレベルに遷移する。これにより、転送トランジスタ５０３Ａおよび転送トランジスタ５０３Ｂがオンとなり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂがリセット状態になる。
【００９９】
時刻ｔ４９から時刻ｔ５０まで、転送トランジスタ５０１Ａ２、転送トランジスタ５０１Ｂ２、転送トランジスタ５０３Ａ、転送トランジスタ５０３Ｂでは時刻３７から時刻ｔ４４の動作が繰り返される。つまり、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂでの蓄積と、電荷保持部５０７−２への転送が断続的に複数回繰り返され、電荷保持部５０７−２に信号電荷が加算されていく。
【０１００】
時刻ｔ５１において、転送パルスφＴＸ２−２がロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、電荷保持部５０７−２に断続的に複数回にわたって蓄積された信号電荷がＦＤ領域５０８−２に転送される。そして、ＦＤ領域５０８−２の電位の変化に応じた信号が、増幅トランジスタ５０５−２および選択トランジスタ５０６−２を介して信号出力線５２３に読み出される。
【０１０１】
時刻ｔ５２において、転送パルスφＴＸ２−２がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、電荷保持部５０７−２に蓄積された信号電荷がＦＤ領域５０８−２の転送が終了する。
時刻ｔ５３において、選択パルスφＳＥＬ２がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。以下、第１実施形態と同様に、撮影が終了するまで時刻ｔ３２からの動作が繰り返される。
【０１０２】
本実施形態では、第２の期間における動画像信号の蓄積を断続的に分割して行っている。第２の期間である時刻ｔ３７から時刻ｔ５１において、フォトダイオ−ド５００Ａおよびフォトダイオード５００Ｂでの蓄積期間の積算時間はｔ３７からｔ５１の期間の半分に設定されている。そして、本実施形態では、第２の期間は第１の期間の２倍に設定されている。よって、第１の期間での蓄積期間と第２の期間での蓄積期間の積算は同じとなり、静止画像と動画像の露出を揃えることができる。さらに、第２の期間では断続的に蓄積を繰り返すので、蓄積される露光時間が短くても、ＮＤフィルタを用いたような露出の制御が行え、ジャ−キネスの影響を低減した好適な動画像を得ることができる。
【０１０３】
また、本実施形態では、時刻ｔ３１から時刻ｔ５３までが動画像の１フレ−ムに相当し、第１の期間と第２の期間を１フレ−ム内で最大まで取っているが、第１の期間をより短く設定しても良い。例えば、露出量が高い被写体を撮影する際は、静止画像の第１の期間を図１０の１／４など短くして、適正な露出で静止画の撮影をする。その場合は、第２の期間において、例えば時刻ｔ３７から４１などである蓄積を行う時間を、時刻４１からｔ４４などである蓄積を行わない時間の１／８に設定し、静止画像と動画像の露出を揃える。なお、第１の期間においても断続的に蓄積を行うことで、静止画像においても不図示の撮影光学系１５２の絞りを絞ることなく、いわゆるＮＤフィルタを用いたような撮影を行うことができる。
【０１０４】
また、図１１を用いて第２の期間の断続的な複数回の蓄積を４回行っている例について説明したが、分割回数はこれに限られるものではない。例えば、第２の期間の蓄積をより多数に分割して行っても構わない。第２の期間に対し蓄積の回数を増やして多分割にした方が、よりジャ−キネスの影響を低減することができる。
【０１０５】
（第３実施形態）
第２実施形態では、第２の期間の蓄積を複数回行う例について説明した。本実施形態では、第２の期間の蓄積を複数回行いつつ、さらに、フォトダイオ−ド５００Ａとフォトダイオード５００Ｂでの蓄積を交互に行う例について説明する。フォトダイオ−ド５００Ａとフォトダイオード５００Ｂでの蓄積を交互に行うことにより、第２の期間での蓄積による露出量は半分にしながらも、第２の期間の全期間で蓄積を行うことができ、よりジャ−キネスの影響を低減した画像を取得することができる。
【０１０６】
図１２は、第３実施形態における撮像素子１８４の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。第２の期間について、図１１と異なる箇所についてのみ説明する。
時刻ｔ６１において、時刻ｔ３７と同様に転送パルスφＴｘ３Ａがハイレベルからロ−レベルに遷移する。一方、転送パルスφＴｘ３Ｂはハイレベルのままにしておく。これにより、フォトダイオ−ド５００Ａのみで、第２の画像である動画画像の信号電荷の蓄積が開始される。
【０１０７】
時刻ｔ６２において、転送パルスφＴＸ１Ａ２のみがロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０１Ａ２がオンとなり、フォトダイオ−ド５００Ａに蓄積された信号電荷が電荷保持部５０７−２に転送される。
時刻ｔ６３において、転送パルスφＴＸ１Ａ２がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０１Ａ２がオフとなり、フォトダイオ−ド５００Ａに蓄積された信号電荷の電荷保持部５０７−２への転送が終了する。同じく時刻ｔ６３において、転送パルスφＴｘ３Ａがロ−レベルからハイレベルに遷移し、転送パルスφＴｘ３Ｂがハイレベルからロ−レベルに遷移する。これにより、フォトダイオ−ド５００Ａはリセット状態となり、一方で、フォトダイオ−ド５００Ｂでは第２の画像である動画画像の信号電荷の蓄積が開始される。
【０１０８】
時刻ｔ６４において、転送パルスφＴＸ１Ｂ２のみがロ−レベルからハイレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０１Ｂ２がオンとなり、フォトダイオ−ド５００Ｂに蓄積された信号電荷が電荷保持部５０７−２に転送される。
時刻ｔ６５において、転送パルスφＴＸ１Ｂ２がハイレベルからロ−レベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ５０１Ｂ２がオフとなり、フォトダイオ−ド５００Ｂに蓄積された信号電荷の電荷保持部５０７−２への転送が終了する。同じく時刻ｔ６５において、転送パルスφＴｘ３Ａがハイレベルからロ−レベルに遷移し、転送パルスφＴｘ３Ｂがロ−レベルからハイレベルに遷移する。これにより、フォトダイオ−ド５００Ｂはリセット状態となり、一方で、フォトダイオ−ド５００Ａでは第２の画像である動画画像の信号電荷の蓄積が再度開始される。
【０１０９】
以下、時刻ｔ６５から時刻ｔ６６の間、フォトダイオ−ド５００Ａとフォトダイオード５００Ｂで交互に断続的な蓄積が繰り返される。これにより、本実施形態では、第２の期間での蓄積による露出量は半分にしながらも、第２の期間の全期間で蓄積を行うことができ、よりジャ−キネスの影響を低減した画像を生成することができる。
【０１１０】
（その他の実施形態）
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−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−タにおける１つ以上のプロセッサ−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。
【０１１１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
１００      撮像装置
１７８      システム制御ＣＰＵ
１８４      撮像素子
３０３      画素
５００Ａ    フォトダイオード
５００Ｂ    フォトダイオード
５０７Ａ    電荷保持部
５０７Ｂ    電荷保持部
５０７−２  電荷保持部
【図１】
2020170978.tif 000003
【図２】
2020170978.tif 000004
【図３】
2020170978.tif 000005
【図４】
2020170978.tif 000006
【図５】
2020170978.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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