(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体像を形成する光学系と、
それぞれの画素が、前記光学系の異なる射出瞳の領域を通過した複数の光束をそれぞれ受光する複数の光電変換部を備える、複数の画素を含み、前記複数の光電変換部それぞれから独立に画像信号を出力することが可能な撮像素子と、
前記撮像素子の駆動を制御する駆動手段と、
前記撮像素子の前記複数の光電変換部から独立に出力された画像信号に基づいて、位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段と、
前記撮像素子の前記複数の光電変換部から独立に出力された画像信号を画素毎に加算する加算手段とを有し、
前記駆動手段は、各画素の前記複数の光電変換部を、それぞれが少なくとも２つの光電変換部を含む複数のグループに分けて、グループ間で電荷蓄積期間を１垂直同期期間ずつずらすとともに、異なるグループ間で電荷蓄積期間の一部が重なり、且つ、前記複数のグループから、グループ毎に順番に画像信号を各垂直同期期間の間に読み出す第１の駆動により前記撮像素子を駆動し、前記焦点検出手段は、前記第１の駆動により各垂直同期期間の間に読み出された画像信号に基づいて、焦点状態を検出し、前記加算手段は、前記第１の駆動により各垂直同期期間の間に順番に読み出された各グループの画像信号を画素毎に加算して映像信号を得ることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記駆動手段は、前記複数の光電変換部を、各画素を平面視したときに上下に分割した前記複数のグループに分けて駆動することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記駆動手段は、前記複数の光電変換部を、各画素を平面視したときに左右に分割した前記複数のグループに分けて駆動することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記駆動手段は、前記複数の光電変換部を、各画素を平面視したときに上下左右に分割し、前記上下左右に分割された複数の光電変換部のうち、前記画素の中心を基準とした対角の位置関係にある光電変換部を前記複数のグループの各グループとして駆動することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記駆動手段は、前記第１の駆動と、各垂直同期期間の間に前記複数の光電変換部のすべてから画像信号を読み出す第２の駆動とのいずれかにより前記撮像素子を駆動し、前記撮像素子から得られた画像信号の輝度レベル、前記撮像素子の電荷蓄積期間、前記撮像装置のゲイン設定、前記光学系の絞り、被写体の動き、前記撮像装置の動きの少なくともいずれか１つに基づく被写体の状況に応じて前記第１の駆動と前記第２の駆動とを切り替えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記駆動手段は、前記第２の駆動で前記撮像素子を駆動中に、前記被写体の輝度が予め決められた第１の閾値よりも小さくなると前記第１の駆動に切り替え、前記第１の駆動で前記撮像素子を駆動中に、前記被写体の輝度が前記第１の閾値よりも大きい予め決められた第２の閾値よりも大きくなると前記第２の駆動に切り替え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】
前記駆動手段は、前記第２の駆動で前記撮像素子を駆動中に、前記被写体または撮像装置の動き量が予め決められた第１の閾値よりも小さくなると前記第１の駆動に切り替え、前記第１の駆動で前記撮像素子を駆動中に、前記動き量が前記第１の閾値よりも大きい予め決められた第２の閾値よりも大きくなると前記第２の駆動に切り替えることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
【請求項８】
被写体像を形成する光学系と、それぞれの画素が、前記光学系の異なる射出瞳の領域を通過した複数の光束をそれぞれ受光する、複数の光電変換部を備える複数の画素を含み、前記複数の光電変換部それぞれから独立に画像信号を出力することが可能な撮像素子とを有する撮像装置の制御方法であって、
駆動手段が、各画素の前記複数の光電変換部を、それぞれが少なくとも２つの光電変換部を含む複数のグループに分けて、グループ間で電荷蓄積期間を１垂直同期期間ずつずらすとともに、異なるグループ間で電荷蓄積期間の一部が重なり、且つ、前記複数のグループから、グループ毎に順番に画像信号を各垂直同期期間の間に読み出す第１の駆動により前記撮像素子を駆動する駆動工程と、
焦点検出手段が、前記第１の駆動により各垂直同期期間の間に読み出された画像信号に基づいて、位相差方式の焦点検出を行う焦点検出工程と、
加算手段が、前記第１の駆動により各垂直同期期間の間に順番に読み出された各グループの画像信号を画素毎に加算して映像信号を得る加算工程と
を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像装置及びその制御方法に関し、特に１つのマイクロレンズと複数の光電変換部を備えた画素部から成る撮像素子を用いた撮像装置において、位相差方式による焦点検出機能を備えた撮像装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、焦点検出用の信号と記録用の画像信号の取得を１つの撮像素子で実現する技術がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、１つのマイクロレンズ内に複数の光電変換部を備えた撮像装置において、射出瞳の異なる領域を通過した光束によって得られる信号を用いて位相差方式による焦点検出を行うと共に、該信号を用いて画像信号を生成する。これにより、１つの撮像素子から、焦点検出用の信号と記録用の画像信号との取得を両立させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３２５１３９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に記載された技術では、以下のような問題があった。すなわち、複数の光電変換部から信号を別々に読み出すことで、位相差検出用の信号が取得可能にはなるが、画像信号を生成するためには得られた信号を加算処理しなければならない。この加算処理によりノイズ量も増加してしまい、画像信号のＳ／Ｎ比が悪化してしまう。また、１つのマイクロレンズに対して構成される光電変換部の数を増やすにつれ、Ｓ／Ｎ比はますます悪化してしまう。
【０００５】
また、特許文献１では、光電変換部上で信号の加算組み合わせを切り替えるように記述されているが、加算する組み合わせに制限が生じてしまい、自由度が少ないといった問題がある。
【０００６】
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、複数の光電変換部を備えた複数の画素から成る撮像素子を用いた撮像装置において、位相差方式による焦点検出機能を達成しつつ、映像信号の出力レートを維持したまま、Ｓ／Ｎ比を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、被写体像を形成する光学系と、それぞれの画素が、前記光学系の異なる射出瞳の領域を通過した複数の光束をそれぞれ受光する複数の光電変換部を備える、複数の画素を含み、前記複数の光電変換部それぞれから独立に画像信号を出力することが可能な撮像素子と、前記撮像素子の駆動を制御する駆動手段と、前記撮像素子の前記複数の光電変換部から独立に出力された画像信号に基づいて、位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段と、前記撮像素子の前記複数の光電変換部から独立に出力された画像信号を画素毎に加算する加算手段とを有し、前記駆動手段は、各画素の前記複数の光電変換部を、それぞれが少なくとも２つの光電変換部を含む複数のグループに分けて、グループ間で電荷蓄積期間を１垂直同期期間ずつずらすとともに、異なるグループ間で電荷蓄積期間の一部が重なり、且つ、前記複数のグループから、グループ毎に順番に画像信号を各垂直同期期間の間に読み出す第１の駆動により前記撮像素子を駆動し、前記焦点検出手段は、前記第１の駆動により各垂直同期期間の間に読み出された画像信号に基づいて、焦点状態を検出し、前記加算手段は、前記第１の駆動により各垂直同期期間の間に順番に読み出された各グループの画像信号を画素毎に加算して映像信号を得る。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の光電変換部を備えた複数の画素から成る撮像素子を用いた撮像装置において、位相差方式による焦点検出機能を達成しつつ、映像信号の出力レートを維持したまま、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態の撮像装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態の撮像素子の構成を示す概略図。
【図３】第１の実施形態の撮像素子の１画素部を模式的に示した上面図。
【図４】図２に示す画素部の回路図。
【図５】第１の実施形態における撮像素子の画素部からの信号読み出しのタイミングを示すタイミングチャート。
【図６】第１の実施形態における撮像素子の１行目と２行目の電荷蓄積及び信号読み出し動作のタイミングを示すタイミングチャート。
【図７】第１の実施形態における焦点状態の検出処理を示すフローチャート。
【図８】第１の実施形態における撮像素子の断面図並びに光学系の射出瞳を示した概略図。
【図９】第１の実施形態の撮像素子から出力される信号から得られる像を示した概略図。
【図１０】第１の実施形態における撮像素子の１行目と２行目の電荷蓄積及び信号読み出し動作のタイミングの別の例を示すタイミングチャート。
【図１１】図１０で示した信号読み出し動作のタイミングにより読み出される、光電変換部の組み合わせを示した概略図である。
【図１２】第２の実施形態の撮像装置の概略構成を示すブロック図。
【図１３】第２の実施形態の撮像素子の駆動方法の切り替え制御を示すフローチャート。
【図１４】第２の実施形態の撮像素子の駆動方法の切り替え方法を示す模式図。
【図１５】第３の実施形態の撮像装置の概略構成を示すブロック図。
【図１６】第３の実施形態の撮像素子の駆動方法の切り替え制御を示すフローチャート。
【図１７】第３の実施形態の撮像素子の駆動方法の切り替え方法を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
【００１１】
＜第１の実施形態＞
図１は、本第１の実施形態における撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、１０１は、ズームレンズ、絞り、フォーカスレンズのうち少なくとも１つ以上から構成される光学系、１０２は、後述するシステム制御部１１０から出力される光学系１０１の駆動情報に応じて光学系１０１を制御する光学駆動回路である。
【００１２】
１０３は、光学系１０１により形成された被写体像を光電変換により電気信号に変換して、画像信号として出力する撮像素子である。また、１０４は、後述するシステム制御部１１０から出力される撮像素子１０３の駆動情報に応じて撮像素子１０３を制御する撮像素子駆動回路である。撮像素子１０３が電子シャッタ機能を有する場合は、撮像素子駆動回路１０４から出力される制御信号によって必要な露光時間を確保するように制御することができる。
【００１３】
１０５はカメラ信号処理部で、現像処理部１０６、コントラスト検出部１０７、位相差検出部１０８、フォーカス位置算出部１０９を含む。現像処理部１０６は、撮像素子１０３から得られた画像信号に対し、色変換、ホワイトバランス、ガンマ補正等の画像処理、解像度変換処理、画像圧縮処理等を行う。コントラスト検出部１０７は、画像信号からコントラスト評価値を取得する。位相差検出部１０８は、画像信号から位相差測距を行うための位相差評価値を検出する。フォーカス位置算出部１０９は、コントラスト検出部１０７で得られるコントラスト評価値と位相差評価値を基に、光学系１０１のフォーカスレンズの位置を制御するためのフォーカス制御情報を算出する。
【００１４】
１１０は撮像装置全体を制御するシステム制御部であり、フォーカス位置算出部１０９から得られたフォーカス制御情報を基にして、光学駆動回路１０２に光学系１０１の駆動情報を渡す。
【００１５】
次に、図２、図３、図４を用いて本第１の実施形態における撮像素子１０３の構成について説明する。本第１の実施形態における撮像素子１０３は、ＸＹアドレス型の撮像素子で、例えばＣＭＯＳイメージセンサである。図２においては、説明を分かり易くするために３行×４列分の画素部を示しているが、実際には通常、数十万から数千万の画素部が並べられている。
【００１６】
２０１は画素部である。実際の撮像素子は複数の画素部２０１が所定のアスペクト比で２次元に配置される。また画素部２０１毎にＲ、Ｇ、Ｂいずれかの色相のカラーフィルタにより覆われていてもよく、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタがベイヤー配列に並べられるようにしてもよい。２０２は選択パルスｐＳＥＬによって画素部２０１を選択する選択スイッチである。
【００１７】
図３は、画素部２０１を模式的に示した上面図で、受光した入射光を電荷に変換するフォト・ダイオードに代表される複数の光電変換部から成っている。ここでは、４つの光電変換部３０１、３０２、３０３、３０４を持つ例を示しており、それら複数の光電変換部に共通で１つのマイクロレンズ３０５を備える構造となっている。また、撮像素子１０３上に存在する他の各画素部についても、図示した位置関係に４つの光電変換部が存在する。
【００１８】
図４は、図２に示す画素部２０１の回路図である。なお、図４において、図２及び図３と共通の構成には同じ参照番号を付している。４０５は光電変換部３０１〜３０４で発生した電荷を一時的に蓄積しておく蓄積領域となるフローティングデフュージョン部（以下、ＦＤ）である。また、４０１、４０２、４０３、４０４は光電変換部３０１〜３０４で発生した電荷を転送パルスｐＴＸ１〜ｐＴＸ４によってＦＤ４０５に転送する転送スイッチである。
【００１９】
４０６はリセットパルスｐＲＥＳによってＦＤ４０５に蓄積された電荷を除去するリセットスイッチである。４０７はソースフォロアとして機能する増幅ＭＯＳアンプである。転送スイッチ４０１〜４０４、リセットスイッチ４０６、選択スイッチ２０２のゲート電極は、行単位でそれぞれｐＴＸ１〜ｐＴＸ４、ｐＲＥＳ、ｐＳＥＬを供給する信号線にそれぞれに接続され、図２に示す垂直走査回路２０７によって選択走査される。また、リセットスイッチ４０６と増幅ＭＯＳアンプ４０７は電源ライン４０８と接続されている。転送パルスｐＴＸ１〜ｐＴＸ４を順次オンにすることで、光電変換部３０１〜３０４の電荷を独立に読み出すことができる。また、複数の転送パルスｐＴＸ１〜ｐＴＸ４を同時にオンにすることで、オンされた転送スイッチ４０１〜４０４に接続された光電変換部３０１〜３０４の電荷を加算して読み出すこともできる。独立に電荷を読み出した場合、得られた画像信号はカメラ信号処理部１０５において画素毎に加算されて、現像処理部１０６により各種処理が行われる。
【００２０】
図２に戻り、２０４は増幅ＭＯＳアンプ４０７の負荷となる定電流源であり、画素部２０１と定電流源２０４は信号出力線２０３を介して列アンプ・読み出し回路２０８に列単位で接続される。ＦＤ４０５、増幅ＭＯＳアンプ４０７、及び定電流源２０４でフローティングディフュージョンアンプが構成され、選択スイッチ２０２により選択された画素部の信号電荷が電圧に変換され、信号出力線２０３を経て、列アンプ・読み出し回路２０８に出力される。
【００２１】
２０５は列アンプ・読み出し回路２０８から出力する信号を選択する出力選択スイッチであり、水平走査回路２０９によって駆動される。２０６は列アンプ・読み出し回路２０８から出力された信号を撮像素子１０３の外部に出力する出力アンプである。
【００２２】
なお、図２に示す例では、１チャンネル読み出し構成を示しているが、複数チャンネルに分けて読み出しを高速化するように構成してもよい。例えば、２チャンネル分の読み出し回路と水平走査回路を持たせ、奇数列と偶数列や、画面の左右を別々に読み出すような構成にしてもよい。もちろん、３チャンネル以上であっても構わない。
【００２３】
次に、図５及び図６のタイミングチャートを用いて、本第１の実施形態で用いられる撮像素子１０３の電荷蓄積及び信号読み出し動作について説明する。
【００２４】
本第１の実施形態で説明する撮像装置は、図６の垂直同期信号ＶＤの１つの立ち下がりから次の立ち下がりまでの各期間を垂直同期期間とし、便宜上奇数フィールドと呼ばれる期間と偶数フィールドと呼ばれる期間で、交互に繰り返していくものとする。図５（ａ）はそのうち奇数フィールドにおける撮像素子１０３の信号読み出し処理に関する１行分のタイミングチャートを示している。
【００２５】
ｔ１は、選択パルスｐＳＥＬによって走査する行の選択スイッチ２０２がＯＮになるタイミングを示している。また、リセットパルスｐＲＥＳを一定時間ＯＮにし、読み出す行のＦＤ４０５を一度リセットする。ＦＤ４０５のリセット終了後、ｔ２のタイミングで転送パルスｐＴＸ１を一定期間ＯＮにし、光電変換部３０１から蓄積された電荷をＦＤ４０５に読み出す。ＦＤ４０５に転送された電荷は、前述したフローティングディフュージョンアンプ構成によって電圧に変換され、信号出力線２０３に出力される。次に、ｔ３のタイミングで再び選択スイッチ２０２をＯＮにし、次の光電変換部からの電荷読み出しに備える。同じくｔ３のタイミングで、リセットパルスｐＲＥＳを一定期間ＯＮにし、再びＦＤ４０５をリセット状態にして電荷を吐き出す。ＦＤ４０５のリセット終了後、次はｔ４のタイミングで転送パルスｐＴＸ２を一定期間ＯＮにし、光電変換部３０２から蓄積された電荷をＦＤ４０５に読み出す。ＦＤ４０５に転送された電荷は、前述したフローティングディフュージョンアンプ構成によって電圧に変換され、信号出力線２０３に出力される。光電変換部３０１及び３０２からの信号が読み出された後、残る光電変換部３０３、３０４からの電荷転送は行わずに、次の行の選択を行う。以降、同様に各行の各画素部の光電変換部３０１、３０２から電荷を転送し、順次信号出力を得る。
【００２６】
図５（ｂ）は偶数フィールドにおける撮像素子１０３の信号読み出し処理に関する１行分のタイミングチャートを示している。奇数フィールドの信号読み出しタイミングと異なる点は、奇数フィールドで読み出しをしなかった方の光電変換部３０３、３０４からの電荷転送を行うことである。
【００２７】
ｔ５は、選択パルスｐＳＥＬによって走査する行の選択スイッチ２０２がＯＮになるタイミングを示している。また、リセットパルスｐＲＥＳを一定時間ＯＮにし、読み出す行のＦＤ４０５を一度リセットする。ＦＤ４０５のリセット終了後、ｔ６のタイミングで転送パルスｐＴＸ３を一定期間ＯＮにし、光電変換部３０３から蓄積された電荷をＦＤ４０５に読み出す。ＦＤ４０５に転送された電荷は、前述したフローティングディフュージョンアンプ構成によって電圧に変換され、信号出力線２０３に出力される。次に、ｔ７のタイミングで再び選択スイッチ２０２をＯＮにし、次の光電変換部からの電荷読み出しに備える。同じくｔ７のタイミングで、リセットパルスｐＲＥＳを一定期間ＯＮにし、再びＦＤ４０５をリセット状態にして電荷を吐き出す。ＦＤ４０５のリセット終了後、次はｔ８のタイミングで転送パルスｐＴＸ４を一定期間ＯＮにし、光電変換部３０４から蓄積された電荷をＦＤ４０５に読み出す。ＦＤ４０５に転送された電荷は、前述したフローティングディフュージョンアンプ構成によって電圧に変換され、信号出力線２０３に出力される。光電変換部３０３及び３０４からの信号が読み出された後、残る光電変換部３０１、３０２からの電荷転送は行わずに、次の行の選択を行う。以降、同様に各行の各画素部の光電変換部３０３、３０４から電荷を転送し、順次信号出力を得る。
【００２８】
図６は、１行目と２行目の電荷蓄積及び信号読み出し動作のタイミングを示したものであり、１行目の光電変換部３０１の電荷蓄積期間を６０２、１行目の光電変換部３０２の電荷蓄積期間を６０３で示している。奇数フィールドでは、画素部の光電変換部３０１と光電変換部３０２のみを順次行選択を繰り返しながら読み出していくと同時に、偶数フィールドでは読み出しは一切行われずに電荷蓄積を継続するように駆動される。また、２行目以降についても同様で、光電変換部３０１の蓄積期間は６０６、１行目の光電変換部３０２の蓄積期間は６０７で示したように駆動される。また、撮像素子１０３を構成するすべての行選択（読み出し）は１垂直同期期間内（１奇数フィールド内）で終了するように駆動される。逆に偶数フィールドでは、画素部の光電変換部３０３と光電変換部３０４のみを順次行選択を繰り返しながら読み出していくと同時に、奇数フィールドでは読み出しは一切行われずに電荷蓄積を継続するように駆動される。図６で示したように１行目の光電変換部３０３の蓄積期間は６０４、１行目の光電変換部３０４の蓄積期間は６０５となり、奇数フィールドでは読み出しは行われない。２行目以降についても同様で、光電変換部３０３の蓄積期間は６０８、２行目の光電変換部３０４の蓄積期間は６０９で示したように駆動される。また、撮像素子１０３を構成するすべての行選択（読み出し）は１垂直同期期間内（１偶数フィールド内）で終了するように駆動される。
【００２９】
このように、光電変換部３０１及び３０２が奇数フィールドから偶数フィールドにわたって電荷蓄積を行い、それを読み出す動作を、２フィールドの周期で繰り返す。これに対し、光電変換部３０３及び３０４が偶数フィールドから奇数フィールドにわたって電荷蓄積を行い、それを読み出す動作を、２フィールドの周期で繰り返す。つまり、４つの光電変換部のそれぞれに２フィールドにわたる電荷蓄積を繰り返し行わせるとともに、４つの光電変換部を２つのグループに分けて、互いの電荷蓄積期間の一部が重なるように、グループ毎に１フィールドずらして読み出しを行う。こうすることで、各光電変換部に２フィールド分の蓄積期間を確保しつつ、１フィールド毎に、後述する位相差検出のための像信号を得ることができる。
【００３０】
次に、図７、図８、図９を用いて、撮像素子１０３から得られる画像信号から、焦点状態の検出処理について説明する。図７は、本第１の実施形態における焦点状態の検出処理全体のフローチャートである。
【００３１】
まず、Ｓ１０１で、コントラスト検出部１０７において撮像素子１０３から得られた画像信号を用いて合焦状態を検出するためのコントラスト評価値を算出する。コントラスト評価値は、得られた画像信号に対しバンドパスフィルタによってフィルタ処理を行い、得られたフィルタ出力の絶対値を積算して求める。但し、本発明のコントラスト評価値の算出方法は上述した方法に限らず、合焦状態で被写体のコントラスト評価値が最大を取るようなさまざまな算出方法を適用可能である。Ｓ１０２では、フォーカス位置算出部１０９は、コントラスト検出部１０７で得られたコントラスト評価値が最大になる、すなわち合焦状態となるようにフォーカスレンズを駆動するために必要なフォーカス制御情報をシステム制御部１１０に渡す。上述したコントラスト評価値を用いたオートフォーカス制御は一般的に山登り方式と呼ばれる。
【００３２】
Ｓ１０３において位相差検出部１０８は、撮像素子１０３から得られた画像信号をもとに、位相差検出方式で被写体までの距離情報を算出し、位相差評価値としてフォーカス位置算出部１０９へ渡す。ここで位相差検出方式について図８を用いて説明する。
【００３３】
図８は、図３のA−A’間の断面を模式的に示したものである。７０１は、像側から見た、光学系１０１に含まれる撮像レンズの射出瞳を示したものである。合焦時の撮像レンズの結像面７０６から射出瞳７０１までの距離を射出瞳位置と呼び、不図示のレンズの絞りよりも後方（結像面側）にあるレンズ群の曲率や絞りとの位置関係などによりその位置は変化する。また、当然ながら絞りの径によって大きさは変化する。７０４、７０５はそれぞれマイクロレンズ３０５によって射出瞳位置に投影された光電変換部３０２、３０１の射出瞳である。光電変換部３０１へは、射出瞳７０５を通る光束７０３が入るように設計されており、光電変換部３０２へは、射出瞳７０４を通る光束７０２が入るように設計される。
【００３４】
なお、図８では、光電変換部３０１、３０２についてのみ説明しているが、図３に示す光電変換部３０３、３０４が図８では手前側に存在している。そして、撮像レンズの射出瞳７０１の内、不図示の左側奥の領域を通過した光束が光電変換部３０４に、また、右側奥の領域を通過した光束が光電変換部３０３に入射する。
【００３５】
光束７０２によって撮像素子１０３の各画素部の光電変換部３０２から得られる像をＡ像、光束７０３によって撮像素子１０３の各画素部の光電変換部３０３から得られる像をＢ像とすると、合焦状態に応じて、Ａ像とＢ像との間に位相差が生じる。
【００３６】
図９は、前ピン状態で得られる画像信号の一例を示す図で、７１２はＡ像、７１１はＢ像を表している。位相差検出方式による被写体までの距離情報は、Ａ像７１２とＢ像７１１の相対関係と像間の距離７１３、及び、そのフォーカス位置における結像面から射出瞳までの距離から算出される。位相差検出部１０８は、このようにして算出された被写体までの距離情報を位相差評価値としてフォーカス位置算出部１０９へ渡す。
【００３７】
次にＳ１０４において、フォーカス位置算出部１０９は、現在のフォーカス位置Ｔと位相差評価値から算出した目標フォーカス位置Ｔｐとの差分の絶対値が閾値Ｔｔｈを超えたかどうか判定する。ここでは、閾値Ｔｔｈを超えるほどのピンボケ状態にあるのかどうかを判定している。閾値Ｔｔｈ以下であれば、Ｓ１０２へ戻り、コントラスト検出による焦点検出処理を再び行う。なお、閾値Ｔｔｈはピンボケ状態であると考えられる指標に基づき予め決めておいても良いし、被写体の状況に応じてシステム制御部１１０が調整してもよい。例えば、被写体までの距離が頻繁に変化するような撮影状況の場合、閾値Ｔｔｈが小さいと頻繁に合焦位置が変動することとなってしまい、かえって映像が見にくくなってしまうため、閾値Ｔｔｈを大きい値に設定することで、変動を抑えることもできる。
【００３８】
Ｓ１０４において現在のフォーカス位置Ｔと目標フォーカス位置Ｔｐの絶対値が閾値Ｔｔｈより大きいと判定された場合、Ｓ１０５に進む。そして、フォーカス位置算出部１０９は、目標フォーカス位置Ｔｐを基に、フォーカスレンズを駆動するために必要なフォーカス制御情報をシステム制御部１１０に渡す。以上のフローにより、撮像素子１０３から得られた画像信号を基にコントラスト検出と位相差検出を用いた焦点検出機能を実現することができる。なお、上述した説明では、奇数フレームで読み出される光電変換部３０１、３０２から得られる画像信号による手順を示したが、偶数フレームにおいても同様の処理が行われる。
【００３９】
次に、撮像素子１０３から得られた画像信号から映像信号を生成する方法を説明する。先に、従来技術による映像信号の生成について述べる。ここで、画素部を構成する光電変換部の数を、便宜上４つとして話を進める。従来技術では、画素部２０１に含まれる４つの光電変換部をすべて読み出し、読み出した信号を加算することで、各画素について１つの信号を得る。あるいは、撮像素子１０３の画素部２０１上で縦方向に光電変換部の電荷を加算し、前述した焦点検出処理を行った後、さらに横方向に加算して、１つの画素部で１つの信号を得るようになっている。いま、１つの光電変換部において１垂直同期期間で得られる信号量をＳとすると、生成する映像信号の１画素の信号レベルとして、式（１）に示す値が得られる。
Ｓ＋Ｓ＋Ｓ＋Ｓ＝４Ｓ      …（１）
【００４０】
このとき、１つの光電変換部において１垂直同期期間で発生するノイズ量（入射光量に依存しないランダムノイズ成分）をＮとすると、生成される映像信号の１画素に含まれるノイズ量の総和は式（２）に示す値となる。
0005850680.tif 000002
【００４１】
これに対し、本発明で提案する駆動方法で撮像素子１０３を駆動した場合、同様の考えで映像信号の１画素の信号レベルは式（３）に示す値となり、従来技術と同じレベルが得られる。
２×Ｓ＋２×Ｓ＝４Ｓ      …（３）
本第１の実施形態では、１フィールド期間（１垂直同期期間）に撮像素子１０３の画素部２０１の４つの光電変換部の内、２つの光電変換部（図６の奇数フィールドの場合、光電変換部３０１、３０２）から信号が取得される。このとき、その蓄積期間は垂直同期期間２つ分であるため、得られる信号レベルの総和は従来技術と同じになる。これに対し、生成される映像信号の１画素に含まれるノイズ量の総和は、光電変換部２つ分のノイズ量の総和になるため、式（４）に示す値となり、デシベル表記で３dB低くなる。
0005850680.tif 000003
【００４２】
以上説明したように、各画素に含まれる複数の光電変換部を複数のグループに分け、グループ間でタイミングをずらしながら、グループ毎に順番に光電変換部から信号を読み出し、読み出した信号を画素毎に加算して、各画素について１つの映像信号を得る。これにより、位相差方式による焦点検出機能を達成しつつ、映像信号の出力レートを維持したまま、映像信号のＳ／Ｎ比を向上することができる。
【００４３】
また、本第１の実施形態では画素部２０１を平面視したときに横方向に隣り合う２つの光電変換部を含むように上下に分割した２つのグループから２フィールド毎に交互に信号を読み出す例で説明した。しかしながら、縦方向に隣り合う２つの光電変換部を含むように左右に分割した２つのグループから２フィールド毎に交互に信号を読み出すように駆動しても同様の効果が得られる。
【００４４】
さらに、光電変換部３０１〜３０４を図１０に示すように駆動してもよい。すなわち、奇数フィールドにおいてタイミングｔ１１では光電変換部３０１を、タイミングｔ１２では光電変換部３０４の電荷を読み出すように駆動する。一方、偶数フィールドではタイミングｔ１３で光電変換部３０２を、タイミングｔ１４では光電変換部３０３の電荷を読み出すように駆動する。なお、ｔ１、t３、ｔ５、ｔ７は、図５と同じであるので、ここでは説明を省略する。このように、図１１に示すグループ９０１と９０２の各ペアのように、画素部２０１を平面視したときに上下左右に分割された光電変換部のうち、画素部２０１の中心を基準とした対角の位置関係にある電荷変換部２つをフィールド毎に交互に読み出してもよい。この場合、当然のことながら位相差検出も可能である。この駆動方法の利点は、映像信号を生成する際に、加算された結果得られる信号の重心位置が、奇数フレームと偶数フレームとで変化しないところである。従って、奇数フレームと偶数フレームで得られる映像信号に対していわゆる重心ずれの補正をすることなく、フレーム間で被写体の位相が合った動画を容易に生成することも可能になる。
【００４５】
また、本第１の実施形態では画素部２０１に光電変換部が４つ（＝縦２×横２）として説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、縦、横方向にそれぞれ２以上の光電変換部が構成されていれば、本願発明を適用することができる。
【００４６】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。図１２は、第２の実施形態における撮像装置の概略構成を示すブロック図である。なお、第１の実施形態で図１を参照して説明したものと同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。第２の実施形態は、撮像素子１０３の駆動を画像信号から得られる被写体の明るさや撮像装置の撮影モードに応じて切り替えることを特徴とする。
【００４７】
図１２において、本第２の実施形態における撮像装置は、図１に示す構成に加えて、被写体の明るさ状況を把握するためのＡＥ評価値算出部１２０を備える。ＡＥ評価値算出部１２０は、撮像素子１０３から得られる画像信号から撮像装置が撮影している被写体の輝度レベルを算出し、算出された輝度レベルをＡＥ評価値としてシステム制御部１１０へ渡す。算出される輝度レベルは、例えばＲ、Ｇ、Ｂの３色のカラーフィルタから成る撮像素子１０３の場合、加法混合に従いＲ：Ｇ：Ｂ：を１：２：１の合成比で加算平均処理をして求めることができる。算出に用いられる式はこれに限らず、一般的に知られているＲＧＢ−輝度変換式を用いても良い。また、撮像素子１０３に用いられるカラーフィルタがイエロー、マゼンタ、グリーン、シアンからなるいわゆる補色フィルタの場合でも、同様に輝度に変換できることは周知であり、本発明を適用可能である。システム制御部１１０は、ＡＥ評価値算出部１２０から得られたＡＥ評価値を基に、撮像素子駆動回路１０４に対して撮像素子１０３の駆動に必要な駆動情報を送る。
【００４８】
次に、図１３、図１４を用いて第２の実施形態における撮像素子１０３の駆動方法を切り替える手順について説明する。図１３は、ＡＥ評価値算出部１２０から得られたＡＥ評価値を基に撮像素子１０３の駆動を切り替える方法を示したフローチャートである。
【００４９】
Ｓ２０１において、撮像素子１０３の切り替えタイミングを判断するための切り替え閾値ＴｈＡｖを設定する。図１４は、ＡＥ評価値Ａｖに応じた撮像素子１０３の駆動パターンを図示したものである。１２０１で示した実線はＡＥ評価値Ａｖに応じた撮像素子１０３の駆動方法の切り替えを表しており、ＡＥ評価値Ａｖに応じて、第１の駆動と第２の駆動を切り替えている。ここでいう第１の駆動とは第１の実施形態において説明した本発明による駆動を示しており、第２の駆動とは従来技術で提示されているすべての光電変換部を周期的に読み出す駆動のことを示している。Ｔｈ１（第１の閾値）は、ＡＥ評価値Ａｖが減少方向にあるときの切り替え閾値を表しており、Ｔｈ２（第２の閾値）は、逆に増加方向にあるときの切り替え閾値を示している。Ｓ２０１では、切り替え閾値ＴｈＡｖにＴｈ１を設定する。
【００５０】
次にＳ２０２において、ＡＥ評価値算出部１２０において、ＡＥ評価値Ａｖを算出する。なお、ＡＥ評価値算出部１２０は、撮像素子１０３から画像信号が送られるタイミング（すなわち撮像装置の垂直同期信号の周期）でＡＥ評価値Ａｖを算出するものとして以下説明を続ける。
【００５１】
Ｓ２０３において、ＡＥ評価値Ａｖと切り替え閾値ＴｈＡｖとを比較し、第２の駆動で駆動中に、切り替え閾値ＴｈＡｖ以上であればＳ２０２に戻って次のフレームまで待機した後、再びＡＥ評価値Ａｖを算出する。ＡＥ評価値Ａｖが切り替え閾値ＴｈＡｖより小さければ、Ｓ２０４へ進む。Ｓ２０４では、システム制御部１１０は撮像素子駆動回路１０４に対し、上記した第１の駆動となるように撮像素子１０３の駆動情報を与え、撮像素子駆動回路１０４は撮像素子１０３に対し制御信号を与える。
【００５２】
次にＳ２０５において、切り替え閾値ＴｈＡｖにＴｈ２を設定する。このように切り替え閾値ＴｈＡｖを複数持たせることによってＡＥ評価値Ａｖが切り替え閾値ＴｈＡｖ近傍でゆらいでいても、撮像素子１０３の切り替えが頻繁に起こらなくなり、スムーズな撮影を実現できる。
【００５３】
Ｓ２０６では、ＡＥ評価値算出部１２０においてＡＥ評価値Ａｖを算出し、第１の駆動で駆動中に、Ｓ２０７においてＡＥ評価値Ａｖと切り替え閾値ＴｈＡｖとを比較する。そして、第１の駆動で駆動中に、切り替え閾値ＴｈＡｖ以下であればＳ２０６に戻り、次のフレームまで待機した後、再びＡＥ評価値Ａｖを算出する。ＡＥ評価値Ａｖが切り替え閾値ＴｈＡｖより大きければ、Ｓ２０８へ進む。Ｓ２０８では、システム制御部１１０は撮像素子駆動回路１０４に対し、上記した第２の駆動となるように撮像素子１０３の駆動情報を与え、撮像素子駆動回路１０４は撮像素子１０３に対し制御信号を与える。
【００５４】
これまで説明した制御により、以下のような効果が得られる。すなわち、ＡＥ評価値Ａｖが大きいとき、すなわち被写体の状況として十分明るいときは、従来技術に示されているような撮像素子１０３の全ての光電変換部から信号を読み出す。ここで、第１の実施形態で説明した駆動にしない理由は、本発明の駆動方法が撮像素子１０３の各光電変換部の蓄積期間を延ばして信号レベルを取得するところにある。各光電変換部の蓄積期間が従来技術よりも長いため、蓄積期間中に被写体が動くことによりいわゆる動きブレが目だってしまうからである。逆に、ＡＥ評価値Ａｖが小さいとき、すなわち被写体の状況として暗い被写体を撮影しているときは、本発明の駆動方法にすることにより、映像信号のＳ／Ｎ比が良くなる。本第２の実施形態の特徴は、互いの駆動、すなわち従来技術の駆動方法と本発明による駆動方法を被写体の条件に応じて適切に切り替えることにより、撮像装置としての性能がさらに向上することである。
【００５５】
なお、本第２の実施形態では撮像素子１０３で得られた画像信号を基に被写体の状況を判断する制御を説明してきた。しかしながら、画像信号を扱わずとも、撮像素子１０３の駆動を切り替える例として、撮像装置のゲイン設定やシャッタスピード（電荷蓄積時間）、光学系１０１の絞りに応じて切り替えることにより、同様の効果が得られる。その場合、ゲイン設定が大きいほど、シャッタースピードが遅いほど、また絞りのＦ値が小さいほど、被写体の輝度が低いと考えられるため、これらの値に基づいて、図１４に記載したような制御を行ってもよい。
【００５６】
＜第３の実施形態＞
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。図１５は、第３の実施形態における撮像装置の概略構成を示すブロック図である。なお、第１の実施形態で図１を参照して説明したものと同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。第３の実施形態は、撮像素子１０３の駆動を画像信号から得られる被写体の動き量や撮像装置自体の動き量に応じて切り替えることを特徴とする。
【００５７】
図１５では、被写体の動き量を把握する手段として動き量算出部１３１を備え、撮像素子１０３から得られる画像信号から撮像装置が撮影している被写体の動き量を算出し、算出された動き量を動き量評価値としてシステム制御部１１０へ渡す。１３２は、画像信号を１フレーム分記憶するメモリで、動き量算出部１３１に入力される画像信号を格納する。動き量算出部１３１は、メモリ１３２に記憶してある１フレーム前の画像信号と入力される画像信号とで相関演算（マッチング処理）を行う。相関演算は、両画像信号の画素毎のレベル差の絶対和を２次元方向にずらしながら算出し、該絶対和が一番小さくなったときのずらし量を画像信号上の被写体の動き量をあらわす動き量評価値としてシステム制御部１１０へ出力する。
【００５８】
なお、本発明は、動き量算出部１３１による相関演算の方法処理を上述した方法に限定するものではなく、例えば、画像信号を予め信号レベルに応じて白黒に２値化して相関演算を行う方法がすでに周知である。このように、上述したように画像信号をメモリ１３２に記憶せずとも、２値化した信号値をメモリ１３２に記憶し、同様の相関演算を行うことでも動き量評価値を得ることができる。システム制御部１１０は、動き量算出部１３１から得られた動き量評価値を基に、撮像素子駆動回路１０４に対して撮像素子１０３の駆動に必要な駆動情報を送る。
【００５９】
次に、図１６、図１７を用いて第３の実施形態における撮像素子１０３の駆動方法を切り替える方法について説明する。図１６は、動き量算出部１３１から得られた動き量評価値を基に撮像素子１０３の駆動を切り替える方法を示したフローチャートである。
【００６０】
Ｓ３０１において、撮像素子１０３の切り替えタイミングを判断するための切り替え閾値ＴｈＭｖを設定する。図１７は、動き量評価値Ｍｖに応じた撮像素子１０３の駆動パターンを図示したものである。１７０１で示した実線は動き量評価値Ｍｖに応じた撮像素子１０３の駆動方法の切り替えを表しており、動き量評価値Ｍｖに応じて、第１の駆動と第２の駆動を切り替えている。ここでいう第１の駆動とは第１の実施形態において説明した本発明による駆動を示しており、第２の駆動とは従来技術で提示されているすべての光電変換部を読み出す駆動のことを示している。Ｔｈ３（第１の閾値）は、動き量評価値Ｍｖが減少方向にあるときの切り替え閾値を表しており、Ｔｈ４（第２の閾値）は、逆に増加方向にあるときの切り替え閾値を示している。Ｓ３０１では、切り替え閾値ＴｈＭｖにＴｈ３を設定する。
【００６１】
次にＳ３０２において、動き量算出部１３１において、動き量評価値Ｍｖを算出する。なお、動き量算出部１３１は、撮像素子１０３から画像信号が送られるタイミング（すなわち撮像装置の垂直同期信号の周期）で動き量評価値Ｍｖを算出するものとして以下説明を続ける。
【００６２】
Ｓ３０３において、動き量評価値Ｍｖと切り替え閾値ＴｈＭｖとを比較し、切り替え閾値Ｍｖ以上であればＳ３０２に戻って次のフレームまで待機した後、再び動き量評価値Ｍｖを算出する。第２の駆動で駆動中に、動き量評価値Ｍｖが切り替え閾値ＴｈＭｖより小さければ、Ｓ３０４へ進む。Ｓ３０４では、システム制御部１１０は撮像素子駆動回路１０４に対し、上記した第１の駆動となるように撮像素子１０３の駆動情報を与え、撮像素子駆動回路１０４は撮像素子１０３に対し制御信号を与える。
【００６３】
次にＳ３０５において、切り替え閾値ＴｈＭｖにＴｈ４を設定する。このように切り替え閾値ＴｈＭｖを複数持たせることによって動き量評価値Ｍｖが切り替え閾値ＴｈＭｖ近傍でゆらいでいても、撮像素子１０３の切り替えが頻繁に起こらなくなり、スムーズな撮影が実現できる。
【００６４】
Ｓ３０６では、動き量算出部１３１において、動き量評価値Ｍｖを算出する。Ｓ３０７において動き量評価値Ｍｖと切り替え閾値ＴｈＭｖとを比較し、閾値ＴｈＭｖ以下であればＳ３０６に戻り次のフレームまで待機した後、再び動き量評価値Ｍｖを算出する。第１の駆動で駆動中に、動き量評価値Ｍｖが切り替え閾値ＴｈＭｖより大きければ、Ｓ３０８へ進む。Ｓ３０８では、システム制御部１１０は撮像素子駆動回路１０４に対し、上記した第２の駆動となるように撮像素子１０３の駆動情報を与え、撮像素子駆動回路１０４は撮像素子１０３に対し制御信号を与える。
【００６５】
これまで説明した制御により、以下のような効果が得られる。すなわち、動き量評価値Ｍｖが大きいとき、すなわち被写体が大きく動いているときは、従来技術に示されているような撮像素子１０３の全ての光電変換部から信号を読み出す。ここで、第１の実施形態で説明した駆動にしない理由は、本発明の駆動方法が撮像素子１０３の各光電変換部の蓄積期間を延ばして信号レベルを取得するところにある。各光電変換部の蓄積期間が従来技術に対し長いため、蓄積期間中に被写体が動くことによりいわゆる動きブレが目だってしまうからである。逆に、動き量評価値Ｍｖが小さいとき、すなわち被写体の動きが小さいあるいは静止しているときは、本発明の駆動方法にすることにより、映像信号のＳ／Ｎ比が良くなる。本第３の実施形態の特徴は、互いの駆動、すなわち従来技術の駆動方法と本発明による駆動方法を被写体の条件に応じて適切に切り替えることにより、撮像装置としての性能がさらに向上することである。
【００６６】
また、本第３の実施形態では撮像素子１０３で得られた画像信号を基に被写体の状況を判断する制御で説明してきた。しかしながら、画像信号を扱わずとも、撮像素子１０３の駆動を切り替える例として、撮像装置にジャイロセンサなどのブレ量検知センサを備え、撮像装置自体の動き量（ブレ量）を検出してもよい。そして、検出された動き量を参照して撮像素子１０３の駆動切り替え制御することで、同様の効果が得られる。
【図１】
0005850680.tif 000004
【図２】
0005850680.tif 000005
【図３】
0005850680.tif 000006
【図４】
0005850680.tif 000007
【図５】
0005850680.tif 000008
【図６】
0005850680.tif 000009
【図７】
0005850680.tif 000010
【図８】
0005850680.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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