(57)【要約】【課題】ＡＦに使用する信号の品質を向上することが可能な固体撮像素子及びその駆動方法を提供する。【解決手段】第１及び第２の光電変換部を有する単位画素と、単位画素から出力された信号の振幅に応じて、第１の時間変化率で電位が変化する第１の参照信号及び第２の変化率で電位が変化する第２の参照信号のうちの一方を選択する選択部と、単位画素の出力信号と選択された参照信号との大小関係を比較する比較部とを有し、第１の光電変換部において生成された電荷に基づく信号をＡＤ変換する際に用いる参照信号を選択する基準となる閾値と、第１の光電変換部及び第２の光電変換部において生成された電荷に基づく信号をＡＤ変換する際に用いる参照信号を選択する基準となる閾値とが異なっている。【選択図】図５
2018019362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
瞳分割された一部の光が入射する第１の光電変換部と、瞳分割された他の一部の光が入射する第２の光電変換部とを有する単位画素と、
前記単位画素から出力された信号をＡＤ変換するＡＤ変換部であって、
前記単位画素から出力された前記信号の振幅に応じて、第１の時間変化率で電位が変化する第１の参照信号及び前記第１の時間変化率よりも大きい第２の時間変化率で電位が変化する第２の参照信号のうちの一方を選択する選択部と、
前記単位画素から出力された前記信号と、前記選択部により選択された前記第１の参照信号又は前記第２の参照信号との大小関係を比較する比較部と、を有するＡＤ変換部と、を有し、
前記第１の光電変換部において生成された電荷に基づく第１の信号をＡＤ変換する際に前記第１の参照信号及び前記第２の参照信号のどちらを選択するかの基準となる第１の閾値と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部において生成された電荷に基づく第２の信号をＡＤ変換する際に前記第１の参照信号及び前記第２の参照信号のどちらを選択するかの基準となる第２の閾値とが異なっている
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記選択部は、前記第１の信号の振幅が前記第１の閾値以上又は前記第２の信号の振幅が前記第２の閾値以上の場合に前記第２の参照信号を選択し、前記第１の信号の振幅が前記第１の閾値よりも小さい又は前記第２の信号の振幅が前記第２の閾値よりも小さい場合に前記第１の参照信号を選択する
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記比較部は、前記第１の信号の振幅と前記第１の閾値との大小関係又は前記第２の信号の振幅と前記第２の閾値との大小関係を比較し、比較結果を前記選択部に出力し、
前記選択部は、前記比較結果に応じて、前記第１の参照信号及び前記第２の参照信号のうちの一方を選択する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第２の閾値は、前記第１の閾値よりも大きい
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記第１の閾値は、前記第２の参照信号を用いて前記第１の信号のＡＤ変換を行った場合に量子化誤差の影響を無視できるレベルの値に設定されている
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第１の信号の振幅に応じて、前記第２の信号と比較する前記第１の参照信号又は前記第２の参照信号の開始電圧をシフトする
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
ＡＤ変換後の前記第１の信号の振幅に応じて前記第２の閾値を生成する閾値算出部を更に有する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記閾値算出部は、ＡＤ変換後の前記第１の信号に前記単位画素の水平位置に応じた係数を乗算することにより前記第２の信号の予測値を算出し、前記予測値に応じて前記第２の閾値を生成する
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記予測値の算出に用いる前記係数は、光学像を画素部に結像するレンズの射出瞳との間の瞳距離に応じて異なっている
ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
複数の前記単位画素が複数行及び複数列に渡って配された画素部を有し、
前記複数行のうちの一部の行では、前記第１の信号を読み出す第１の読み出し動作と、前記第２の信号を読み出す第２の読み出し動作とを実施し、
前記複数行のうちの他の一部の行では、前記第２の読み出し動作のみを実施する
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記第１の読み出し動作を実施する第１の水平走査期間と、前記第２の読み出し動作を実施する第２の水平走査期間とが等しい
ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
瞳分割された一部の光が入射する第１の光電変換部と、瞳分割された他の一部の光が入射する第２の光電変換部とを有する単位画素と、前記単位画素から出力された信号をＡＤ変換するＡＤ変換部であって、前記単位画素から出力された前記信号の振幅に応じて、第１の時間変化率で電位が変化する第１の参照信号及び前記第１の時間変化率よりも大きい第２の時間変化率で電位が変化する第２の参照信号のうちの一方を選択する選択部と、前記単位画素から出力された前記信号と、前記選択部により選択された前記第１の参照信号又は前記第２の参照信号との大小関係を比較する比較部と、を有するＡＤ変換部と、を有する固体撮像素子の駆動方法であって、
第１の閾値を基準として前記第１の参照信号及び前記第２の参照信号のうちの一方を選択し、選択した前記第１の参照信号又は前記第２の参照信号を用いて、前記第１の光電変換部において生成された電荷に基づく第１の信号をＡＤ変換し、
前記第１の閾値とは異なる第２の閾値を基準として前記第１の参照信号及び前記第２の参照信号のうちの一方を選択し、選択した前記第１の参照信号又は前記第２の参照信号を用いて、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部において生成された電荷に基づく第２の信号をＡＤ変換する
ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１３】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子から出力される信号に基づいて画像データを生成する信号処理部と
を有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、撮像素子の機能の向上は著しく、様々なニーズに対応するべく多機能化が進んでいる。それら機能のうちの一つとして、撮像面位相差オートフォーカス（ＡｕｔｏＦｏｃｕｓ：以下、「ＡＦ」と表記する）が挙げられる。撮像面位相差ＡＦとは、撮像光学系の瞳を分割して受光する受光素子を、撮像画像を得る固体撮像素子上に配置し、その信号によりＡＦを行う方式のことである。
【０００３】
特許文献１には、撮像面位相差ＡＦを実現する固体撮像素子の形態として、単位画素に配される受光素子を分割することにより、瞳の領域が分割された光をそれぞれ光電変換して出力する方式が提案されている。分割された受光素子の信号を加算した信号は、通常の撮影画像用の信号としても使用することが可能である。
【０００４】
また、特許文献２には、近接する２つの受光素子が１つの増幅トランジスタを共有している構成において、第１の受光素子の信号を読み出した後、リセットせずに第２の受光素子の信号を加算して読み出す技術が開示されている。当該技術を単位画素内に複数の受光素子をもつ構成に適用すると、単位画素内の受光素子の信号を加算した撮影画像用の信号自体を読み出すことができる。同時に、加算した信号から第１の受光素子の信号を減算することにより、ＡＦ用の信号である第１の受光素子の信号及び第２の受光素子の信号を個別に読み出すことが可能である。
【０００５】
ところで、特許文献３には、単位時間当たりの電位の変化量が互いに異なる複数のランプ信号を用いてアナログデジタル変換（以下、「ＡＤ変換」と表記する）を行う手法が開示されている。大振幅の信号に対しては低分解能で高速にＡＤ変換を行い、小振幅の信号に対しては高分解能でＡＤ変換を行うことにより、ＡＤ変換にかかる時間を短縮することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１２４９８４号公報
【特許文献２】特開２００４−１３４８６７号公報
【特許文献３】特開２０１３−００９０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、単位画素内に複数の受光素子をもつ固体撮像素子の駆動を高速化するために、特許文献２及び特許文献３に提案されている駆動及びＡＤ変換手法を適用することを考える。このとき、初めに読み出される第１の受光素子の信号は振幅に応じて適した分解能でＡＤ変換が行われるが、加算して読み出される受光素子の信号は、加算された振幅でＡＤ変換される。そのため、第２の受光素子の信号が小振幅であっても加算された信号が大振幅である場合、加算された信号は低分解能でＡＤ変換されることになる。その結果、減算して得られる第２の受光素子のＡＤ変換結果は、低分解能のＡＤ変換の影響により量子化誤差が大きくなり、結果としてＡＦの精度に影響を与える可能性があった。
【０００８】
特に、コントラストが低い被写体では、各々の受光素子の信号のノイズや量子化誤差がＡＦの精度に影響を与えやすいうえ、第１の受光素子の信号の振幅と第２の受光素子の信号の振幅とが近い大きさとなる。そのため、第１の受光素子の信号の振幅及び第２の受光素子の信号の振幅が小さいにも関わらず、加算して読み出される受光素子の信号の振幅が大きい状況が起きやすかった。
【０００９】
本発明の目的は、ＡＦに使用する信号の品質を向上することが可能な固体撮像素子及びその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一観点によれば、瞳分割された一部の光が入射する第１の光電変換部と、瞳分割された他の一部の光が入射する第２の光電変換部とを有する単位画素と、前記単位画素から出力された信号をＡＤ変換するＡＤ変換部であって、前記単位画素から出力された前記信号の振幅に応じて、第１の時間変化率で電位が変化する第１の参照信号及び前記第１の時間変化率よりも大きい第２の時間変化率で電位が変化する第２の参照信号のうちの一方を選択する選択部と、前記単位画素から出力された前記信号と、前記選択部により選択された前記第１の参照信号又は前記第２の参照信号との大小関係を比較する比較部と、を有するＡＤ変換部と、を有し、前記第１の光電変換部において生成された電荷に基づく第１の信号をＡＤ変換する際に前記第１の参照信号及び前記第２の参照信号のどちらを選択するかの基準となる第１の閾値と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部において生成された電荷に基づく第２の信号をＡＤ変換する際に前記第１の参照信号及び前記第２の参照信号のどちらを選択するかの基準となる第２の閾値とが異なっている固体撮像素子が提供される。
【００１１】
また、本発明の他の一観点によれば、瞳分割された一部の光が入射する第１の光電変換部と、瞳分割された他の一部の光が入射する第２の光電変換部とを有する単位画素と、前記単位画素から出力された信号をＡＤ変換するＡＤ変換部であって、前記単位画素から出力された前記信号の振幅に応じて、第１の時間変化率で電位が変化する第１の参照信号及び前記第１の時間変化率よりも大きい第２の時間変化率で電位が変化する第２の参照信号のうちの一方を選択する選択部と、前記単位画素から出力された前記信号と、前記選択部により選択された前記第１の参照信号又は前記第２の参照信号との大小関係を比較する比較部と、を有するＡＤ変換部と、を有する固体撮像素子の駆動方法であって、第１の閾値を基準として前記第１の参照信号及び前記第２の参照信号のうちの一方を選択し、選択した前記第１の参照信号又は前記第２の参照信号を用いて、前記第１の光電変換部において生成された電荷に基づく第１の信号をＡＤ変換し、前記第１の閾値とは異なる第２の閾値を基準として前記第１の参照信号及び前記第２の参照信号のうちの一方を選択し、選択した前記第１の参照信号又は前記第２の参照信号を用いて、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部において生成された電荷に基づく第２の信号をＡＤ変換する固体撮像素子の駆動方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、撮像面位相差ＡＦを実施する固体撮像素子において、ＡＦに使用する信号の品質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態による撮像装置における固体撮像素子の構成例を示す回路図である。
【図３】本発明の第１実施形態による撮像装置における固体撮像素子の単位画素の構成例を示す回路図である。
【図４】撮像装置の撮影レンズの射出瞳から出た光束が固体撮像素子の単位画素に入射する状態を示す概念図である。
【図５】本発明の第１実施形態による撮像装置における固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明の第１実施形態による撮像装置における固体撮像素子からの出力を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態による撮像装置における固体撮像素子の駆動の切り替えを行う領域を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態による撮像装置における固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明の第３実施形態による撮像装置における固体撮像素子の構成例を示す回路図である。
【図１０】本発明の第３実施形態による撮像装置における固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図１１】本発明の第４実施形態による撮像装置における固体撮像素子の構成例を示す回路図である。
【図１２】均一輝度面撮影時における出力の水平位置依存性を示すグラフである。
【図１３】本発明の第４実施形態による撮像装置の駆動方法に用いられる比較値の水平位置依存性を示すグラフである。
【図１４】本発明の第４実施形態による撮像装置の駆動方法に用いられる乗算値の水平位置依存性を示すグラフである。
【図１５】本発明の第４実施形態による撮像装置の駆動方法における閾値電圧算出方法の一例を示す図である。
【図１６】本発明の第４実施形態による撮像装置における固体撮像素子の駆動方法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】
【００１４】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による撮像装置及びその駆動方法について、図１乃至図６を用いて説明する。
はじめに、本実施形態による撮像装置の構造について、図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態による撮像装置における固体撮像素子の構成例を示す回路図である。図３は、本実施形態による撮像装置における固体撮像素子の単位画素の構成例を示す回路図である。図４は、撮像装置の撮影レンズの射出瞳から出た光束が固体撮像素子の単位画素に入射する状態を示す概念図である。
【００１５】
本実施形態による撮像装置１００は、図１に示すように、レンズ部１１０と、カメラ部１２０とにより構成される。レンズ部１１０とカメラ部１２０とは、マウント１４０を介して接続される。レンズ部１１０は、撮影レンズ１１２、レンズ駆動部１１４、レンズ制御部１１６を含む。カメラ部１２０は、固体撮像素子２００、全体制御演算部１２２、メモリ部１２４、表示部１２６、操作部１２８、記録部１３０を含む。
【００１６】
撮影レンズ１１２は、被写体の光学像を固体撮像素子２００の撮像面に結像する。レンズ駆動部１１４は、撮影レンズ１１２に対して、光軸ＯＡ方向にレンズを進退させるズーム駆動及びフォーカス駆動、絞り駆動を行う。レンズ制御部１１６は、レンズ駆動部１１４の制御を行うほか、カメラ部１２０内の全体制御演算部１２２と通信を行い、ＡＦの制御信号の受信や、レンズ情報の送信を行う。
【００１７】
固体撮像素子２００は、撮影レンズ１１２により撮像面に結像された光学像を電気的な信号に変換する。全体制御演算部１２２は、レンズ制御部１１６との通信、固体撮像素子２００の制御、固体撮像素子２００から出力された信号の補正・現像、カメラ部１２０の全体の制御を行う。また、全体制御演算部１２２は、固体撮像素子２００から出力された信号に基づき、焦点検出を行う。メモリ部１２４は、画像データを一時的に保存する。表示部１２６は、各種情報や撮影画像の表示を行う。操作部１２８は、撮像装置１００の各種インターフェースである。全体制御演算部１２２は、操作部１２８からの信号を用いて各ブロックを制御する。記録部１３０は、画像データの記録や読み出しを行うための、半導体メモリ等の着脱可能な記録部である。
【００１８】
次に、固体撮像素子２００の構成例について、図２を用いて説明する。本実施形態による固体撮像素子２００は、ＣＭＯＳ型固体撮像素子により構成される。
固体撮像素子２００は、図２に示すように、画素部２１０、垂直走査回路２２０、ＡＤ変換部２３０、列メモリ部２４０、信号処理部２５０、タイミング制御部２８０を含む。
【００１９】
画素部２１０は、複数行及び複数列に渡って行列状に配された複数の単位画素２１２を有する。複数の単位画素２１２は、行毎に共通の駆動信号線２１４に接続されている。垂直走査回路２２０は、単位画素２１２内の読み出し回路を駆動するための駆動信号を駆動信号線２１４に出力する。複数の単位画素２１２は、列毎に共通の垂直出力線２１６に接続されており、単位画素２１２内で光電変換により生成された電荷に基づく信号を垂直出力線２１６に出力する。
【００２０】
ＡＤ変換部２３０は、ＲＡＭＰ生成回路２３２と、各列に対応してそれぞれ設けられた選択回路２３４、比較器２３６及びカウンタ２３８とを含む。ＡＤ変換部２３０は、参照信号としてのランプ信号の電位と入力信号としての画素信号の電位とを比較し、大小関係が反転する時間をカウントすることによりＡＤ変換を行う。ランプ信号とは、時間の変化に伴って電位のレベルが変化する信号である。
【００２１】
ＲＡＭＰ生成回路２３２は、ランプ信号ＶＨとランプ信号ＶＬとを、異なる信号線を介して各列の選択回路２３４に供給する。ランプ信号ＶＨとランプ信号ＶＬとは、時間変化率、すなわち単位時間当たりの電位の変化量が互いに異なるランプ信号である。ランプ信号ＶＨは、振幅の大きい信号（大振幅信号）のＡＤ変換の際に用いられるランプ信号であり、ランプ信号ＶＬと比較して相対的に電位の時間変化率が大きい。ランプ信号ＶＬは、振幅の小さい信号（小振幅信号）のＡＤ変換の際に用いられるランプ信号であり、ランプ信号ＶＨと比較して相対的に電位の時間変化率が小さい。
【００２２】
また、ＲＡＭＰ生成回路２３２は、閾値判定を行う際に用いられる閾値電圧ＶＴＨ（後述する閾値電圧ＶＴＨＡ又は閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂ）を、小振幅信号用のランプ信号ＶＬが出力される信号線と同じ信号線を介して各列の選択回路２３４に出力する。閾値電圧ＶＴＨは、予め設定された電圧である。閾値電圧ＶＴＨと入力信号との比較を行うことによって、入力信号の信号振幅に応じたＡＤ変換の分解能の切り替えを行う。閾値電圧ＶＴＨは、低分解能でＡＤ変換を行った際に画像や信号が量子化誤差の影響を受ける領域と、光ショットノイズ等の他のノイズに埋もれ画像や信号が量子化誤差の影響を受けない領域との境界を考慮して設定される。なお、閾値電圧ＶＴＨ（閾値電圧ＶＴＨＡ，ＶＴＨＡ＋Ｂ）の具体的な設定基準については後述する。
【００２３】
選択回路２３４は、閾値判定結果に応じて比較器２３６に出力する信号Ｖｒａｍｐを、ランプ信号ＶＨ及びランプ信号ＶＬのうちの一方、又は閾値電圧ＶＴＨ（閾値電圧ＶＴＨＡ，ＶＴＨＡ＋Ｂ）に切り替える選択部である。これにより、ＡＤ変換を行う際の分解能の設定や、閾値判定の際の基準レベルの設定を行う。
【００２４】
比較器２３６は、垂直出力線２１６に出力された単位画素２１２からの信号のレベルと選択回路２３４から出力される信号Ｖｒａｍｐのレベルとを比較し、大小関係に応じた信号を出力する比較部である。ＡＤ変換部２３０は、比較器２３６からの出力の大小関係が切り替わるタイミングでカウンタ２３８を停止し、そのときのカウント値を単位画素２１２から出力された信号のデジタル値とする。また、比較器２３６は、前述の閾値判定にも使用され、その判定結果を選択回路２３４に出力することにより、閾値判定後のＡＤ変換に使用するランプ信号を切り替える。
【００２５】
列メモリ部２４０は、水平走査回路２４２と、各列に対応してそれぞれ設けられたメモリ２４４とを含む。列メモリ部２４０は、ＡＤ変換部２３０から出力された単位画素２１２からの信号のデジタル値を、列毎に配置されたメモリ２４４に保持し、水平走査回路２４２からの制御信号に応じて、列毎に順番に信号処理部２５０へと出力する。メモリ２４４には、閾値判定結果、単位画素２１２のリセット後の電位をＡＤ変換したＮ信号、光電変換した信号を出力した後の電位をＡＤ変換したＳ信号を、それぞれ保持する。
【００２６】
信号処理部２５０は、補正・減算回路２５２を含む。補正・減算回路２５２は、Ｓ信号のＡＤ変換時に選択したランプ信号に応じたＡＤ変換結果の補正処理と、Ｓ信号からＮ信号を減算することによる光電変換された電荷に応じた信号の算出とを行う。補正・減算回路２５２から出力された信号は、固体撮像素子２００の外部へと出力される。
【００２７】
ＡＤ変換結果の補正処理とは、ランプ信号ＶＨ，ＶＬの単位時間当たりの電位の変化量の差に起因して、カウンタ２３８の１カウントに対応する信号振幅に差が生じる現象を、デジタル信号処理によって補正する処理のことである。例えば、ランプ信号ＶＨの単位時間当たりの電位変化量がランプ信号ＶＬの単位時間当たりの電位変化量の４倍であった場合、ランプ信号ＶＨを用いてＡＤ変換した信号のデジタル値を４倍する処理を行う。上記処理を行うか否かは、メモリ２４４から出力される閾値判定結果に応じて判断を行う。なお、Ｓ信号からＮ信号を減算する減算処理は、ＡＤ変換結果の補正処理を行った後に行われる。
【００２８】
タイミング制御部２８０は、固体撮像素子２００の前述した各回路に所定のタイミングで所定の制御信号を出力し、制御を行うものである。
なお、信号処理部２５０及びタイミング制御部２８０は、固体撮像素子２００の外部に設けてもよい。
【００２９】
次に、固体撮像素子２００の単位画素２１２の構成例について、図３を用いて説明する。
単位画素２１２は、図３に示すように、受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢ、転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂ、リセットトランジスタＭ２、増幅トランジスタＭ３、選択トランジスタＭ４を含む。受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢは、例えばフォトダイオードである。受光素子ＰＤＡのフォトダイオードは、アノードが接地電圧線に接続され、カソードが転送トランジスタＭ１Ａのソースに接続されている。受光素子ＰＤＢのフォトダイオードは、アノードが接地電圧線に接続され、カソードが転送トランジスタＭ１Ｂのソースに接続されている。転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂのドレインは、リセットトランジスタＭ２のソース及び増幅トランジスタＭ３のゲートに接続されている。転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂのドレイン、リセットトランジスタＭ２のソース及び増幅トランジスタＭ３のゲートの接続ノードは、いわゆる浮遊拡散（フローティングディフュージョン：ＦＤ）領域（図３中、「ＦＤ」と表記する）である。リセットトランジスタＭ２のドレイン及び増幅トランジスタＭ３のドレインは、電源電圧線（ＶＤＤ）に接続されている。増幅トランジスタＭ３のソースは、選択トランジスタＭ４のドレインに接続されている。選択トランジスタＭ４のソースは、垂直出力線２１６に接続されている。
【００３０】
図２に示した各行の駆動信号線２１４は、信号線ＴＸＡ，ＴＸＢ，ＲＥＳ，ＳＥＬを含む。信号線ＴＸＡは、行方向に並ぶ単位画素２１２の転送トランジスタＭ１Ａのゲートにそれぞれ接続され、これら単位画素２１２に共通の信号線をなしている。信号線ＴＸＢは、行方向に並ぶ単位画素２１２の転送トランジスタＭ１Ｂのゲートにそれぞれ接続され、これら単位画素２１２に共通の信号線をなしている。信号線ＲＥＳは、行方向に並ぶ単位画素２１２のリセットトランジスタＭ２のゲートにそれぞれ接続され、これら単位画素２１２に共通の信号線をなしている。信号線ＳＥＬは、行方向に並ぶ単位画素２１２の選択トランジスタＭ４のゲートにそれぞれ接続され、これら単位画素２１２に共通の信号線をなしている。
【００３１】
信号線ＴＸＡ，ＴＸＢ，ＲＥＳ，ＳＥＬは、垂直走査回路２２０に接続されている。信号線ＴＸＡには、垂直走査回路２２０から、転送トランジスタＭ１Ａを駆動するための転送制御信号φＴＸＡが出力される。信号線ＴＸＢには、垂直走査回路２２０から、転送トランジスタＭ１Ｂを駆動するための転送制御信号φＴＸＢが出力される。信号線ＲＥＳには、垂直走査回路２２０から、リセットトランジスタＭ２を駆動するためのリセット制御信号φＲＥＳが出力される。信号線ＳＥＬには、垂直走査回路２２０から、選択トランジスタＭ４を駆動するための選択制御信号φＳＥＬが出力される。典型例では、垂直走査回路２２０からハイレベルの制御信号が出力されると対応するトランジスタがオンとなり、垂直走査回路２２０からローレベルの制御信号が出力されると対応するトランジスタがオフとなる。
【００３２】
受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢは、単位画素２１２に入射した光を電気信号に変換する光電変換部として機能する。受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢにおいて光電変換により生成された電荷は、転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂを介して、ＦＤ領域へと転送される。ＦＤ領域では、ＦＤ領域の寄生容量により、受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢから転送された電荷が電荷電圧変換される。リセットトランジスタＭ２は、ＦＤ領域が保持する電荷を電源電圧線ＶＤＤへと排出し、ＦＤ領域の電位をリセットする。増幅トランジスタＭ３は、ＦＤ領域の信号を電流増幅し、選択トランジスタＭ４を介して垂直出力線２１６へと出力する。選択トランジスタＭ４は、垂直出力線２１６に信号を出力する単位画素２１２を選択する。
【００３３】
単位画素２１２から出力される信号は複数あり、ここでは、Ｎ信号、ＡＳ信号、Ａ＋ＢＳ信号を出力するものとする。Ｎ信号は、ＦＤ領域のリセット後、リセット制御信号φＲＥＳをローレベルにした状態で、単位画素２１２から出力される信号である。ＡＳ信号は、ＦＤ領域のリセット後、受光素子ＰＤＡからＦＤ領域に電荷を転送した状態で、単位画素２１２から出力される信号である。Ａ＋ＢＳ信号は、ＦＤ領域が保持する受光素子ＰＤＡの電荷をリセットせず、受光素子ＰＤＢからＦＤ領域に電荷を更に転送し、ＦＤ領域において電荷を加算した状態で、単位画素２１２から出力される信号である。なお、以後の説明では、補正・減算回路２５２においてＡＳ信号からＮ信号を減算した信号をＡ信号、補正・減算回路２５２においてＡ＋ＢＳ信号からＮ信号を減算した信号をＡ＋Ｂ信号と呼ぶものとする。
【００３４】
次に、本実施形態の撮像装置における瞳分割方式による焦点検出の原理について、図４を用いて説明する。図４は、撮影レンズ１１２の射出瞳から出た光束が単位画素２１２に入射する状態を示す概念図である。図４は、画素部２１０の中央付近に配置されている単位画素２１２に光束が入射している状態を示している。
【００３５】
前述したように、単位画素２１２は、受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢを含む。ここでは、図面において右方向を水平位置ｘの増加方向とし、左側に受光素子ＰＤＡが配置され、右側に受光素子ＰＤＢが配置されているものとする。撮影レンズ１１２の射出瞳４００から出た光束は、光軸ＯＡを中心として、マイクロレンズ４０１とカラーフィルタ４０２とを通して単位画素２１２に入射する。射出瞳４００の一部の領域を示す瞳領域４０３Ａを通過する光束と、射出瞳４００の他の一部の領域を示す瞳領域４０３Ｂを通過する光束とは、それぞれ、受光素子ＰＤＡと受光素子ＰＤＢとに入射する。つまり、受光素子ＰＤＡと受光素子ＰＤＢとは、撮影レンズ１１２の射出瞳の異なる領域を通過した光を受光している。
【００３６】
これにより、受光素子ＰＤＡの信号と受光素子ＰＤＢの信号とを比較することで、位相差の検知が可能となる。このとき、射出瞳４００から受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢが設けられた半導体基板までの距離を瞳距離とする。瞳距離は、レンズや、ズームの状態によって異なる長さとなる。また、画素部２１０の周辺部では、図４に示す構成とは異なり、単位画素２１２の真上にマイクロレンズ４０１は配置されず、ずれた位置に配置される。マイクロレンズ４０１の位置は、基準となる瞳距離のレンズの状態においては、画素部２１０内の位置によらず、瞳領域４０３Ａを通過した光束は受光素子ＰＤＡに入射し、瞳領域４０３Ｂを通過した光束は受光素子ＰＤＢに入射するように、調整されている。
【００３７】
次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態による撮像装置の固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。図５には、画素部２１０に行列状に配列された単位画素２１２のうちの任意の１行を読み出す駆動手順を示している。読み出す行を変えながら同様の駆動を繰り返し行うことにより、画素部２１０の総ての単位画素２１２の信号を固体撮像素子２００外へと出力することができる。
【００３８】
図中、選択制御信号φＳＥＬ、リセット制御信号φＲＥＳ、転送制御信号φＴＸＡ，φＴＸＢは、読み出しを行っている行の単位画素２１２に供給される駆動信号を表し、ハイレベル及びローレベルのいずれかの状態であるものとする。信号Ｖｒａｍｐは、選択回路２３４から比較器２３６に入力される信号（ランプ信号ＶＬ，ＶＨ、閾値電圧ＶＴＨＡ，ＶＴＨＡ＋Ｂ）を表している。信号Ｖｃｏｍｐｉｎは、比較器２３６に入力される単位画素２１２からの出力信号を表している。ＣＯＭＰ出力は、比較器２３６の出力を示しており、信号Ｖｃｏｍｐｉｎが信号Ｖｒａｍｐよりも高い電位の場合に、比較器２３６の出力はハイレベルとなる。なお、信号Ｖｒａｍｐ、信号Ｖｃｏｍｐｉｎ、ＣＯＭＰ出力は、複数の列のうちの任意の１列における例を示している。
【００３９】
図中、「水平走査」は、列メモリ部２４０及び信号処理部２５０の駆動状態の変化を表し、メモリ２４４から出力された信号が順次、補正・減算回路２５２を介して固体撮像素子２００の外部へ出力される様子を表している。
【００４０】
時刻ｔ５００において、垂直走査回路２２０から読み出しを行う行の駆動信号線２１４に供給される選択制御信号φＳＥＬがローレベルからハイレベルへと遷移し、当該行に属する単位画素２１２の選択トランジスタＭ４がオンになる。これにより、読み出しを行う行の単位画素２１２からＡＤ変換部２３０への信号の読み出しが可能な状態となる。
【００４１】
なお、図５の時刻ｔ５００から時刻ｔ５０３の期間に示されている水平走査は、時刻ｔ５００よりも前の期間に読み出された行に属する単位画素２１２の信号の、メモリ２４４から信号処理部２５０への転送過程を示している。この動作は後述する時刻ｔ５１０における動作と同様のため、ここでの説明は省略する。
【００４２】
次いで、時刻ｔ５０１において、垂直走査回路２２０から読み出しを行う行の駆動信号線２１４に供給されるリセット制御信号φＲＥＳがローレベルからハイレベルへと遷移し、リセットトランジスタＭ２がオンになる。これにより、ＦＤ領域の電位がリセットされ、ＦＤ領域のリセット電位に応じた信号（Ｎ信号）が、選択トランジスタＭ４を介して垂直出力線２１６に出力される。垂直出力線２１６に出力されたＮ信号は、ＡＤ変換部２３０に入力される。
【００４３】
次いで、時刻ｔ５０２から時刻ｔ５０４の期間（図５中、「Ｎ変換」の期間）において、垂直出力線２１６を介してＡＤ変換部２３０に入力されたＮ信号のＡＤ変換を行う。
【００４４】
時刻ｔ５０２において、ＲＡＭＰ生成回路２３２からランプ信号ＶＬの出力が開始される。選択回路２３４は、信号Ｖｒａｍｐとしてランプ信号ＶＬを選択し、比較器２３６に出力する。カウンタ２３８は、信号Ｖｒａｍｐの電位の変化が開始するのと同時にカウントアップを開始する。比較器２３６は、ランプ信号ＶＬである信号ＶｒａｍｐとＮ信号との比較を行う。
【００４５】
時刻ｔ５０３において、信号ＶｒａｍｐとＮ信号との信号レベルの大小関係が反転したとする。すると、時刻ｔ５０３において、比較器２３６の出力（ＣＯＭＰ出力）がローレベルからハイレベルへと遷移し、カウンタ２３８はカウントアップを停止する。カウンタ２３８のカウントアップが停止した後、カウンタ２３８のカウント値はメモリ２４４に出力され、メモリ２４４において保持される。
【００４６】
時刻ｔ５０４において、ＲＡＭＰ生成回路２３２は、ランプ信号ＶＬの出力を停止し、出力信号の電位を初期のレベルに戻す。これに伴い、比較器２３６の出力はハイレベルからローレベルへと遷移する。
【００４７】
次いで、時刻ｔ５０５から時刻ｔ５０６の期間において、垂直走査回路２２０から読み出しを行う行の駆動信号線２１４に供給される転送制御信号φＴＸＡがローレベルからハイレベルへと遷移する。これにより、当該行に属する単位画素２１２の転送トランジスタＭ１Ａがオンになり、受光素子ＰＤＡに蓄積されていた電荷がＦＤ領域に転送される。そして、ＦＤ領域に転送された電荷に応じた信号（ＡＳ信号）が、選択トランジスタＭ４を介して垂直出力線２１６に出力される。垂直出力線２１６に出力されたＡＳ信号は、ＡＤ変換部２３０に入力される。
【００４８】
次いで、時刻ｔ５０６から時刻ｔ５０７の期間（図５中、「閾値判定」の期間）において、垂直出力線２１６を介してＡＤ変換部２３０に入力されたＡＳ信号の閾値判定を行う。
【００４９】
時刻ｔ５０６において、ＲＡＭＰ生成回路２３２は、ランプ信号ＶＬを出力した信号線への閾値電圧ＶＴＨＡの出力を開始する。選択回路２３４は、信号Ｖｒａｍｐとして閾値電圧ＶＴＨＡを選択し、比較器２３６に出力する。比較器２３６は、閾値電圧ＶＴＨＡである信号ＶｒａｍｐとＡＳ信号との比較を行う。比較器２３６は、ＡＳ信号が所定の閾値以上のときはローレベルの信号を出力し、ＡＳ信号が所定の閾値よりも小さいときはハイレベルの信号を出力する。比較の結果、ＡＳ信号のレベルが信号Ｖｒａｍｐ（閾値電圧ＶＴＨＡ）のレベル以下であると判断された場合、すなわち、ＡＳ信号の振幅が閾値電圧ＶＴＨＡ以上の場合には、出力（ＣＯＭＰ出力）はローレベルのまま変化しない。ＡＳ信号のレベルが信号Ｖｒａｍｐのレベルよりも高いと判断された場合、すなわち、ＡＳ信号の振幅が閾値電圧ＶＴＨＡよりも小さい場合には、出力（ＣＯＭＰ出力）はローレベルからハイレベルへと遷移する。なお、本明細書において、画素信号の振幅と閾値電圧とを比較する場合における画素信号の振幅及び閾値電圧の大きさは、信号Ｖｒａｍｐの初期電圧を基準とした電圧差として定義するものとする（図５の閾値電圧ＶＴＨＡ，ＶＴＨＡ＋Ｂを参照）。
【００５０】
時刻ｔ５０７において、比較器２３６の出力が閾値判定結果として選択回路２３４に入力される。また、閾値判定結果は、同時にメモリ２４４にも保持される。図５の例では、ＡＳ信号のレベルは信号Ｖｒａｍｐのレベルよりも低いため、比較器２３６の出力はローレベルのまま変化しない。選択回路２３４及びメモリ２４４には、閾値判定結果としてローレベルの信号が出力される。
【００５１】
選択回路２３４は、比較器２３６から入力された閾値判定結果に応じて、比較器２３６に出力する信号Ｖｒａｍｐを、ランプ信号ＶＬ及びランプ信号ＶＨのいずれかに切り替える。図５の例では、閾値判定結果がローレベルなので、ランプ信号ＶＨが選択される。
【００５２】
閾値判定結果の出力が完了後、ＲＡＭＰ生成回路２３２は、閾値電圧ＶＴＨＡの出力を停止し、出力信号の電位を初期のレベルに戻す。
【００５３】
次いで、時刻ｔ５０８から時刻ｔ５１０の期間（図５中、「Ａ変換」の期間）において、垂直出力線２１６を介してＡＤ変換部２３０に入力されたＡＳ信号のＡＤ変換を行う。ＲＡＭＰ生成回路２３２は、大振幅信号用のランプ信号ＶＨと小振幅信号用のランプ信号ＶＬ（図５中、点線で示す）とをそれぞれ出力する。図５の例では、閾値判定の結果、ランプ信号ＶＨが選択されているので、ランプ信号ＶＨを用いて低分解能でレンジの広いＡＤ変換が行われる。
【００５４】
時刻ｔ５０８において、選択回路２３４を介してＲＡＭＰ生成回路２３２から出力される信号Ｖｒａｍｐの電位の変化が開始される。カウンタ２３８は、信号Ｖｒａｍｐの電位の変化が開始するのと同時にカウントアップを開始する。比較器２３６は、ランプ信号ＶＨである信号ＶｒａｍｐとＡＳ信号との比較を行う。
【００５５】
時刻ｔ５０９において、信号ＶｒａｍｐとＡＳ信号との信号レベルの大小関係が反転したとする。すると、時刻ｔ５０９において、比較器２３６の出力（ＣＯＭＰ出力）がローレベルからハイレベルへと遷移し、カウンタ２３８はカウントアップを停止する。カウンタ２３８のカウントアップが停止した後、カウンタ２３８のカウント値はメモリ２４４に出力され、メモリ２４４に保持される。
【００５６】
時刻ｔ５１０において、ランプ信号ＶＬのレベルが閾値電圧ＶＴＨＡのレベルに達すると、ＲＡＭＰ生成回路２３２は、ランプ信号ＶＨの電位の変化を停止し、出力信号の電位を初期のレベルに戻す。これに伴い、比較器２３６の出力はハイレベルからローレベルへと遷移する。
【００５７】
この後、各列のメモリ２４４から順次、ＡＳ信号、Ｎ信号、閾値判定結果が信号処理部２５０に出力される。そして、出力されたＡＳ信号に対して、補正・減算回路２５２において補正処理を行った後、Ｎ信号を減算することにより、Ａ信号を算出する。算出したＡ信号は、固体撮像素子２００の外部へと出力される。
【００５８】
次いで、時刻ｔ５１１から時刻ｔ５１２の期間において、垂直走査回路２２０から読み出しを行う行の駆動信号線２１４に供給される転送制御信号φＴＸＢがローレベルからハイレベルへと遷移する。これにより、当該行に属する単位画素２１２の転送トランジスタＭ１Ｂがオンになり、受光素子ＰＤＢに蓄積されていた電荷がＦＤ領域に転送される。この結果、ＦＤ領域では、既に転送されている受光素子ＰＤＡに蓄積されていた電荷と、受光素子ＰＤＢに蓄積されていた電荷とが加算されることになる。そして、ＦＤ領域に転送された総電荷に応じた信号（Ａ＋ＢＳ信号）が、選択トランジスタＭ４を介して垂直出力線２１６に出力される。垂直出力線２１６に出力されたＡ＋ＢＳ信号は、ＡＤ変換部２３０に入力される。
【００５９】
次いで、時刻ｔ５１２から時刻ｔ５１３の期間（図５中、「閾値判定」の期間）において、垂直出力線２１６を介してＡＤ変換部２３０に入力されたＡ＋ＢＳ信号の閾値判定を行う。
【００６０】
時刻ｔ５１２において、ＲＡＭＰ生成回路２３２は、ランプ信号ＶＬを出力した信号線への閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂの出力を開始する。選択回路２３４は、信号Ｖｒａｍｐとして閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂを選択し、比較器２３６に出力する。このとき、閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂは、例えば、閾値電圧ＶＴＨＡの変化量の２倍となる電圧に設定される。比較器２３６は、閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂである信号ＶｒａｍｐとＡ＋ＢＳ信号との比較を行う。比較器２３６は、Ａ＋ＢＳ信号が所定の閾値以上のときはローレベルの信号を出力し、Ａ＋ＢＳ信号が所定の閾値よりも小さいときはハイレベルの信号を出力する。比較の結果、Ａ＋ＢＳ信号のレベルが信号Ｖｒａｍｐ（閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂ）のレベル以下と判断された場合、すなわち、Ａ＋ＢＳ信号の振幅が閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂ以上の場合には、出力（ＣＯＭＰ出力）はローレベルのまま変化しない。Ａ＋ＢＳ信号のレベルが信号Ｖｒａｍｐのレベルよりも高いと判断された場合、すなわち、Ａ＋ＢＳ信号の振幅が閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂよりも小さい場合には、出力（ＣＯＭＰ出力）はローレベルからハイレベルへと遷移する。
【００６１】
時刻ｔ５１３において、比較器２３６の出力が閾値判定結果として選択回路２３４に入力される。また、閾値判定結果は、同時にメモリ２４４にも保持される。図５の例では、Ａ＋ＢＳ信号のレベルは信号Ｖｒａｍｐのレベルよりも高いため、比較器２３６の出力はローレベルからハイレベルへと遷移する。選択回路２３４及びメモリ２４４には、閾値判定結果としてハイレベルの信号が出力される。
【００６２】
選択回路２３４は、比較器２３６から入力された閾値判定結果に応じて、比較器２３６に出力する信号Ｖｒａｍｐを、ランプ信号ＶＬ及びランプ信号ＶＨのいずれかに切り替える。図５の例では、閾値判定結果はハイレベルなので、ランプ信号ＶＬが選択される。
【００６３】
閾値判定結果の出力が完了後、ＲＡＭＰ生成回路２３２は、閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂの出力を停止し、出力信号の電位を初期のレベルに戻す。これに伴い、比較器２３６の出力はハイレベルからローレベルへと遷移する。
【００６４】
次いで、時刻ｔ５１４から時刻ｔ５１６の期間（図５中、「Ａ＋Ｂ変換」の期間）において、垂直出力線２１６を介してＡＤ変換部２３０に入力されたＡ＋ＢＳ信号のＡＤ変換を行う。ＲＡＭＰ生成回路２３２は、大振幅信号用のランプ信号ＶＨ（図５中、点線で示す）と小振幅信号用のランプ信号ＶＬとをそれぞれ出力する。図５の例では、閾値判定の結果、ランプ信号ＶＬが選択されているので、ランプ信号ＶＬを用いて高分解能のＡＤ変換が行われる。
【００６５】
時刻ｔ５１４において、選択回路２３４を介してＲＡＭＰ生成回路２３２から出力される信号Ｖｒａｍｐの電位の変化が開始される。カウンタ２３８は、信号Ｖｒａｍｐの電位の変化が開始するのと同時にカウントアップを開始する。比較器２３６は、ランプ信号ＶＬである信号ＶｒａｍｐとＡ＋ＢＳ信号との比較を行う。
【００６６】
時刻ｔ５１５において、信号ＶｒａｍｐとＡ＋ＢＳ信号との信号レベルの大小関係が反転したとする。すると、時刻ｔ５１５において、比較器２３６の出力（ＣＯＭＰ出力）がローレベルからハイレベルへと遷移し、カウンタ２３８はカウントアップを停止する。カウンタ２３８のカウントアップが停止した後、カウンタ２３８のカウント値はメモリ２４４に出力され、メモリ２４４に保持される。
【００６７】
時刻ｔ５１６において、ランプ信号ＶＬのレベルが閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂのレベルに達すると、ＲＡＭＰ生成回路２３２は、ランプ信号ＶＬの電位の変化を停止し、出力信号の電位を初期のレベルに戻す。これに伴い、比較器２３６の出力はハイレベルからローレベルへと遷移する。
【００６８】
ランプ信号ＶＬは、閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂと同じ電位まで変化するため、ＡＤ変換にかかる時間は長くなる。一方、ランプ信号ＶＨ（図５中、点線で示す）は、Ａ変換時と同じ電位まで変化した後は、電位の変化が停止する。
【００６９】
この後、各列のメモリ２４４から順次、Ａ＋ＢＳ信号、Ｎ信号、閾値判定結果が信号処理部２５０に出力される。そして、出力されたＡ＋ＢＳ信号に対して、補正・減算回路２５２において補正処理を行った後、Ｎ信号を減算することにより、Ａ＋Ｂ信号を算出する。算出したＡ＋Ｂ信号は、固体撮像素子２００の外部へと出力される。
【００７０】
次に、本実施形態による撮像装置及びその駆動方法により奏される特有の効果について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態による撮像装置における固体撮像素子からの出力を表す図である。
【００７１】
ここで、図６（ａ）に示すようなｘ方向に沿って明るさが変化する被写体を想定する。図６（ａ）の被写体を撮影したときの固体撮像素子からの出力が図６（ｂ）であったものとする。図６（ｂ）は、被写体にピントが合っていない状態における出力を示している。図示する出力のうち、Ａ信号及びＡ＋Ｂ信号は固体撮像素子の出力であり、Ｂ信号はＡ＋Ｂ信号からＡ信号を減算することにより生成した信号である。
【００７２】
閾値電圧ＶＴＨＡは、低分解能でＡＤ変換を行った際に、画像が量子化誤差の影響を受ける領域と、光ショットノイズ等の他のノイズに埋もれ画像が量子化誤差の影響を受けない領域との境界を考慮して設定される。すなわち、出力が閾値電圧ＶＴＨＡよりも低いレベルの場合、ＡＤ変換の際の量子化誤差の影響を無視できないため、小振幅信号用のランプ信号ＶＬを用いて高分解能のＡＤ変換を行い、量子化誤差の影響を低減する。一方、出力が閾値電圧ＶＴＨＡよりも高いレベルの場合、より顕著となる他のノイズの存在によってＡＤ変換の際の量子化誤差の影響は無視できるため、大振幅信号用のランプ信号ＶＨを用いて低分解能のＡＤ変換を行い、ＡＤ変換処理を短縮する。
【００７３】
閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂは、閾値電圧ＶＴＨＡに比べて出力が高いレベルとなるように設定される。出力が閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂよりも低いレベルの場合、小振幅信号用のランプ信号ＶＬを用いて高分解能のＡＤ変換を行い、受光素子ＰＤＢからの出力に対する量子化誤差の影響を低減する。ただし、受光素子ＰＤＢからの出力が閾値電圧ＶＴＨＡと同程度よりも高いレベルの場合、量子化誤差の影響は無視できるため、出力が閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂよりも高いレベルの場合には、大振幅信号用のランプ信号ＶＨを用いて低分解能のＡＤ変換を行う。また、閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂのレベルが高すぎると、小振幅信号用のランプ信号ＶＬを用いて高分解能のＡＤ変換を行う場合、ＡＤ変換に長時間を要してしまう。このような観点から、閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂは、閾値電圧ＶＴＨＡの２倍程度の電圧に設定することが望ましい。
【００７４】
これにより、Ａ＋Ｂ信号を高分解能でＡＤ変換をすることが可能となり、Ａ＋Ｂ信号からＡ信号を減算することにより算出されるＢ信号の量子化誤差の増加を抑えることが可能となる。もし仮に、閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂが閾値電圧ＶＴＨＡと同程度のレベルに設定されていた場合、Ａ＋Ｂ信号が低分解能でＡＤ変換されることになる。この結果、Ｂ信号は、Ａ信号のＡＤ変換における量子化誤差とＡ＋Ｂ信号のＡＤ変換における量子化誤差との両方を含むことになるため、Ｂ信号の精度に影響を与えてしまう。
【００７５】
本実施形態では、信号の振幅に応じて分解能を切り替えてＡＤ変換を行う構成において、受光素子ＰＤＡの信号をＡＤ変換する際と、受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢの加算した信号をＡＤ変換する際とで、ＡＤ変換の分解能を切り替える閾値を変化する。より具体的には、受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢの加算した信号をＡＤ変換する際に、高分解能でＡＤ変換を行う信号振幅の範囲を拡大する。これにより、受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢの加算した信号（Ａ＋Ｂ信号）から受光素子ＰＤＡの信号（Ａ信号）を減算し、受光素子ＰＤＢの信号（Ｂ信号）を算出した際における、受光素子ＰＤＢの信号（Ｂ信号）の分解能の低下を抑制することが可能となる。
【００７６】
このように、本実施形態によれば、位相差検出用に用いられる信号に重畳するＡＤ変換の際の量子化誤差を大幅に低減することができる。これにより、ＡＦの精度を向上することができ、良好な画像を取得することができる。
【００７７】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による撮像装置及びその駆動方法について、図７及び図８を用いて説明する。図１乃至図６に示す第１実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【００７８】
図７は、本実施形態による撮像装置の固体撮像素子において駆動の切り替えを行う領域を示す図である。図８は、本実施形態による撮像装置における固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【００７９】
本実施形態による撮像装置の基本的な構成は、図１乃至図３を用いて説明した第１実施形態による撮像装置と同様である。本実施形態による撮像装置は、その駆動方法において第１実施形態とは異なっている。すなわち、本実施形態による撮像装置の駆動方法は、１フレームの画像を取得する過程において、一の行では第１実施形態と同様の駆動モードで読み出しを実行し、他の一の行では第１実施形態とは異なる駆動モードで読み出しを実行する。
【００８０】
例えば図７に示すように、画素部２１０内の予め用意されている複数の領域の中から、ユーザーが操作部１２８を介してＡＦ選択領域７００を選択したものとする。ＡＦ選択領域７００とは、例えば、焦点を合わせる被写体としてユーザーが選択した表示部１２６上の領域に対応する画素部２１０内の領域である。この場合、ＡＦ選択領域７００と重なる複数の行のうちの少なくとも１部の行では、第１実施形態の場合と同様に、受光素子ＰＤＡの信号であるＡ信号と、受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢの加算した信号であるＡ＋Ｂ信号とを読み出す第１の駆動モードを実行する。その他の行では、受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢの加算した信号であるＡ＋Ｂ信号のみを読み出す第２の駆動モードを実行する。図７では、第１の駆動モードを実行する行を含む領域を領域７１０、第２の駆動モードを実行する行を含む領域を領域７２０としている。
【００８１】
Ａ信号及びＢ信号は、ＡＦ用の位相差情報を算出するための信号であり、位相差情報の取得が必要でない領域の単位画素２１２においては、必ずしも取得する必要はない。これら単位画素２１２に対しては、第２の駆動モードを実行し、画像生成用の信号として少なくともＡ＋Ｂ信号を取得すれば十分である。図７では、ＡＦ選択領域７００と重なる複数の行のうちの一部の行を第１の駆動モードを実行する行とし、その他の行を第２の駆動モードを実行する行としている。ＡＦ選択領域７００は、特に限定されるものではないが、例えば、第１の駆動モードで読み出し動作を実行する行を２行、第２の駆動モードで読み出し動作を実行する行を６行、含むことができる。
【００８２】
第２の駆動モードで読み出す信号の量は第１の駆動モードで読み出す信号の量よりも少ないため、第２の駆動モードの読み出し動作に要する時間は、第１の駆動モードの読み出し動作に要する時間のおよそ半分である。したがって、ＡＦ用の位相差情報を取得する単位画素２１２を含まない大部分の行において第２の駆動モードを実行することにより、総ての行で第１の駆動モードを実行する場合と比較して、１フレームの画像の取得に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００８３】
次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について、図８を用いて説明する。図８（ａ）は第１の駆動モードを示しており、図８（ｂ）は第２の駆動モードを示している。
図中、ＨＤは水平同期信号を示している。水平同期信号ＨＤは、タイミング制御部２８０において生成され、固体撮像素子２００内の各回路の同期を取るために使用される。水平同期信号ＨＤがハイレベルとなる間隔、例えば時刻ｔ８００から時刻ｔ８１２までの期間を水平走査期間と呼ぶ。水平走査期間は、駆動の容易性の観点から、等間隔になることが望ましい。
【００８４】
第１の駆動モードは、図８（ａ）のタイミングチャートに従って実行される。
時刻ｔ８００において、タイミング制御部２８０から出力される水平同期信号ＨＤがローレベルからハイレベルへと遷移し、時刻ｔ８００よりも前に読み出された前行の単位画素２１２の信号が、メモリ２４４から信号処理部２５０へと順次転送される。
【００８５】
次いで、時刻ｔ８０１から時刻ｔ８１１の期間において、第１実施形態の時刻ｔ５００から時刻ｔ５１０の期間と同様に、Ｎ信号及びＡＳ信号の読み出しとＡＤ変換とを行う。この際に用いられる閾値電圧ＶＴＨＡは、後述する第２の駆動モードにおける閾値電圧ＶＴＨと同じ電圧になる。
【００８６】
次いで、時刻ｔ８１２において、水平同期信号ＨＤがローレベルからハイレベルへと遷移し、各列のメモリ２４４から順次、ＡＳ信号、Ｎ信号、閾値判定結果が信号処理部２５０に出力される。そして、出力されたＡＳ信号に対して、補正・減算回路２５２において補正処理を行った後、Ｎ信号を減算することにより、Ａ信号を算出する。算出したＡ信号は、固体撮像素子２００の外部へと出力される。
【００８７】
次いで、時刻ｔ８１３から時刻ｔ８１８の期間において、第１実施形態の時刻ｔ５１１から時刻ｔ５１６の期間と同様に、Ａ＋ＢＳ信号の読み出しとＡＤ変換とを行う。
【００８８】
第２の駆動モードは、図８（ｂ）のタイミングチャートに従って実行される。
時刻ｔ８１９から時刻ｔ８２４の期間において、第１の駆動モードの時刻ｔ８００から時刻ｔ８０５の期間と同様に、前行のＡ＋Ｂ信号の固体撮像素子２００の外部への出力、Ｎ信号の読み出し及びＡＤ変換を行う。
【００８９】
次いで、時刻ｔ８２５から時刻ｔ８２６の期間において、垂直走査回路２２０から読み出しを行う行の駆動信号線に供給される転送制御信号φＴＸＡ，φＴＸＢが共にローレベルからハイレベルへと遷移する。これにより、当該行に属する単位画素２１２の転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂがオンになり、受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢに蓄積されていた電荷が同時にＦＤ領域に転送され、ＦＤ領域において加算される。そして、ＦＤ領域に転送された電荷に応じた信号（Ａ＋ＢＳ信号）が、選択トランジスタＭ４を介して垂直出力線２１６に出力される。垂直出力線２１６に出力されたＡＳ信号は、ＡＤ変換部２３０に入力される。
【００９０】
次いで、時刻ｔ８２６から時刻ｔ８２７の期間（図８中、「閾値判定」の期間）において、垂直出力線２１６を介してＡＤ変換部２３０に入力されたＡ＋ＢＳ信号の閾値判定を行う。この際、信号Ｖｒａｍｐは、信号の振幅とノイズの関係により予め決定された閾値電圧ＶＴＨに制御される。
【００９１】
次いで、時刻ｔ８２８から時刻ｔ８３０の期間（図８中、「Ａ変換」の期間）において、垂直出力線２１６を介してＡＤ変換部２３０に入力されたＡ＋ＢＳ信号のＡＤ変換を行う。ＡＤ変換後、メモリ２４４に保持されたＮ信号、Ａ＋ＢＳ信号、閾値判定結果は、次の行の駆動における時刻ｔ８１９から時刻ｔ８２２の期間において、順次信号処理部２５０に出力され、Ａ＋Ｂ信号として固体撮像素子２００の外部へと出力される。
【００９２】
本実施形態も第１の実施形態と同様に、加算して読み出した受光素子ＰＤＢの信号の分解能の低下を抑制することが可能である。更に、ＡＦに必要な領域のみ第１の駆動モードでＡ信号及びＡ＋Ｂ信号を読出し、ＡＦに必要ない領域では第２の駆動モードでＡ＋Ｂ信号のみを読み出すことにより、１フレームの画像の取得にかかる時間を短縮することが可能となる。
【００９３】
第１の駆動モードと第２の駆動モードとを１フレーム内で切り替える駆動は、本発明のＡＤ変換を適用するうえで好適である。以下、好適である理由を説明する。
【００９４】
第２の駆動モードではＡ＋Ｂ信号のみを読み出すが、その駆動は転送制御信号φＴＸＡ，φＴＸＢが同時にハイレベルとなる以外は第１の駆動モードにおけるＡ信号の読み出しと同等であり、必要な時間は第１の駆動モードの１水平走査期間と同じである。一方、第１の駆動モードではＡ＋Ｂ信号も読み出すため、１行の信号（Ａ信号及びＡ＋Ｂ信号）の読み出しには１水平走査期間よりも長い時間を要する。１行の信号を読み出すのにかける時間は、駆動の容易性の観点からは、１水平走査期間の整数倍、例えば２倍となることが望ましい。
【００９５】
ところで、第１の駆動モードの後半の水平走査期間ではＦＤ領域のリセットやＮ変換を行う必要がないため、１行の信号を読み出す時間を１水平走査期間の２倍とした場合、その分の余剰な時間を確保することができる。この余剰な時間をＡ＋ＢＳ信号のＡＤ変換の時間に充てることで、Ａ＋ＢＳ信号のＡＤ変換にかける時間を長くとることが可能である。つまり、Ａ＋ＢＳ信号のＡＤ変換において使用される閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂを、Ａ＋ＢＳ信号の閾値判定及びＡＤ変換が水平走査期間内に収まる範囲で、高分解能でＡＤ変換される振幅が最大となるように設定できるようになる。これにより、ＡＳ信号のＡＤ変換における閾値電圧ＶＴＨＡと、Ａ＋ＢＳ信号のＡＤ変換における閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂとを容易に変更することが可能となる。
【００９６】
したがって、行毎に第１の駆動モードと第２の駆動モードとを切り替える駆動を、制御を煩雑にせずに実行する際に余剰となる時間を有効に活用し、第１実施形態と同様の効果を実現することができる。
【００９７】
このように、本実施形態によれば、位相差検出用に用いられる信号に重畳するＡＤ変換の際の量子化誤差を大幅に低減することができる。これにより、ＡＦの精度を向上することができ、良好な画像を取得することができる。また、１フレームの画像の取得にかかる時間を大幅に短縮することができる。
【００９８】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による撮像装置及びその駆動方法について、図９及び図１０を用いて説明する。図１乃至図８に示す第１及び第２実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【００９９】
はじめに、本実施形態による撮像装置の構造について、図９を用いて説明する。図９は、本実施形態による撮像装置における固体撮像素子の構成例を示す回路図である。
【０１００】
本実施形態による撮像装置は、固体撮像素子２００の信号処理部２５０の構成が異なるほかは、図１乃至図３に示す第１実施形態による撮像装置と同様である。本実施形態による撮像装置における固体撮像素子２００は、図９に示すように、信号処理部２５０がオフセット算出部２５４を更に有する点において、第１及び第２実施形態の固体撮像素子２００とは異なっている。
【０１０１】
オフセット算出部２５４には、列メモリ部２４０から、ＡＳ信号及び閾値判定結果が入力される。オフセット算出部２５４は、読み出しを行う行におけるＡＳ信号の最小値を算出し、その値をオフセット値としてＲＡＭＰ生成回路２３２及び補正・減算回路２５２へと出力する。オフセット値の算出は、補正・減算回路２５２を介して固体撮像素子２００外へとＡ信号を出力するタイミングで同時に行われる。
【０１０２】
ＲＡＭＰ生成回路２３２では、入力されたオフセット値を元に、Ａ＋ＢＳ信号のＡＤ変換におけるランプ信号ＶＨ，ＶＬの開始電圧を設定する。すなわち、ランプ信号ＶＨ，ＶＬの開始電圧を、オフセット値に相当するオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔだけシフトする。
【０１０３】
補正・減算回路２５２では、ＡＤ変換結果の補正処理の際に、カウンタ２３８の１カウントに対応する信号振幅の差の補正に加え、Ａ＋ＢＳ信号にオフセット値を加算する。これにより、ランプ信号ＶＨ，ＶＬの開始電圧のシフトにより生じるＡ＋ＢＳ信号のずれを補正することが可能である。
【０１０４】
次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施形態による撮像装置における固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。図中、「オフセット算出部」は、オフセット算出部２５４が処理を行うタイミングを表している。
【０１０５】
時刻ｔ１０００から時刻ｔ１０１１の期間において、第２実施形態における第１の駆動モードと同様にして、Ｎ信号及びＡＳ信号の読み出しとＡＤ変換とを行う。
【０１０６】
次いで、時刻ｔ１０１２において、水平同期信号ＨＤがローレベルからハイレベルへと遷移し、メモリ２４４に保持されていたＡＳ信号、Ｎ信号、閾値判定結果が順次、補正・減算回路２５２を介して固体撮像素子２００外へと出力される。また、ＡＳ信号及び閾値判定結果が順次、オフセット算出部２５４に入力される。オフセット算出部２５４は、読み出している行の総てのＡＳ信号のうちの最小値を算出し、算出した結果をＲＡＭＰ生成回路２３２及び補正・減算回路２５２に出力する。
【０１０７】
次いで、時刻ｔ１０１４から時刻ｔ１０１５の期間において、ＡＳ信号の閾値判定を行う。この際、閾値判定に用いられる閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂは、オフセット算出部２５４から出力される算出結果を元にＲＡＭＰ生成回路２３２で生成される。閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂは、水平走査期間内に収まる範囲で最大となるように設定される。
【０１０８】
次いで、時刻ｔ１０１６から時刻ｔ１０１８の期間において、Ａ＋ＢＳ信号のＡＤ変換を行う。この際、ランプ信号ＶＨ及びランプ信号ＶＬは、オフセット算出部２５４における算出結果に基づくオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔだけ変化した電圧から開始される。オフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔは、オフセット算出部２５４における算出結果を僅かに下回る値に設定される。そのため、オフセットした電圧からランプ信号ＶＨ，ＶＬを開始しても、ＡＤ変換開始時に既に比較器２３６の出力が反転してしまうことはない。
【０１０９】
ＡＤ変換されたＡ＋ＢＳ信号は、図示しない次の水平走査期間において固体撮像素子２００外へと出力される。その際、補正・減算回路２５２では、カウンタ２３８の１カウントに対応する信号振幅の差の補正に加え、Ａ＋ＢＳ信号にオフセット算出部２５４における算出結果を加算する補正を行う。これにより、ランプ信号ＶＨ，ＶＬの開始電圧の差によって生じるＡ＋ＢＳ信号のずれが補正される。その後、補正されたＡ＋ＢＳ信号からＮ信号が減算され、Ａ＋Ｂ信号として固体撮像素子２００外へと出力される。
【０１１０】
本実施形態の撮像装置及び駆動方法によれば、ランプ信号ＶＨ，ＶＬの開始電圧を変更することにより、より大きな振幅の信号に対しても高分解能でＡＤ変換を行うことができる。これにより、受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢの加算した信号から受光素子ＰＤＡの信号を減算し、受光素子ＰＤＢの信号を算出した際における、受光素子ＰＤＢの信号の分解能の低下を抑制する効果を更に高めることが可能となる。
【０１１１】
なお、本実施形態では、Ａ信号の固体撮像素子の外部への出力に合わせてオフセット算出部２５４に順次入力されるＡＳ信号及び閾値判定結果を元にＡＳ信号の最小値の算出を行ったが、ＡＳ信号の最小値を算出する方法はこれに限定されるものではない。例えば、ＡＤ変換部２３０の各列の比較器２３６からの出力のうち、いずれか一つが最初に反転したタイミングで別途設けたカウンタを停止し、そのカウント値を最小値としてもよい。本構成によれば、回路構成が複雑になるものの、ＡＳ信号のＡＤ変換時に最小値の算出が終了するため、より高速に最小値の算出を終えることが可能となる。
【０１１２】
このように、本実施形態によれば、位相差検出用に用いられる信号に重畳するＡＤ変換の際の量子化誤差を大幅に低減することができる。また、ランプ信号の開始電圧をシフトすることにより、より大きな振幅の信号に対しても高分解能でＡＤ変換を行うことが可能となる。これにより、ＡＦの精度を向上することができ、良好な画像を取得することができる。
【０１１３】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像装置及びその駆動方法について、図１１乃至図１６を用いて説明する。図１乃至図１０に示す第１乃至第３実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１１４】
はじめに、本実施形態による撮像装置の構造について、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態による撮像装置における固体撮像素子の構成例を示す回路図である。
本実施形態による撮像装置は、固体撮像素子２００が閾値算出部２６０を更に有しているほかは、第３実施形態による撮像装置と同様である。
【０１１５】
閾値算出部２６０は、図１１に示すように、比較判定回路２６２、ＡＮＤ回路２６４、乗算回路２６６、最大値算出回路２６８、比較値・乗算値保持回路２７０を有する。
【０１１６】
比較判定回路２６２には、補正・減算回路２５２から出力されるＡ信号と、比較値・乗算値保持回路２７０から出力される画素部２１０内の水平位置に応じた比較値とが入力される。比較判定回路２６２は、Ａ信号を元に予測したＢ信号の振幅が予め設定された閾値を越えるかどうかを判定する。これにより、Ａ信号に加算して読み出されるＡ＋ＢＳ信号を高分解能でＡＤ変換するべきかどうかを判定することができる。比較判定回路２６２は、予測されるＢ信号が閾値以下となるとき、ハイレベルを出力する。
【０１１７】
ＡＮＤ回路２６４には、比較判定回路２６２の出力と、閾値判定結果とが入力される。閾値判定結果がローレベルとなるＡ信号は、ＡＳ信号を低分解能でＡＤ変換することにより得られた信号である。そのため、当該Ａ信号に加算して読み出されるＡ＋ＢＳ信号に対して高分解能でＡＤ変換を行っても、減算によって求められるＢ信号には低分解能のＡＤ変換に応じた量子化ノイズが含まれてしまう。そのため、低分解能でＡＤ変換が行われたＡＳ信号に加算して読み出すＡ＋ＢＳ信号は、高分解能でＡＤ変換を行う効果が低いため、高分解能でＡＤ変換をするべき対象ではなくなる。ＡＮＤ回路２６４では上記判断を行うために、ＡＳ信号が高分解能でＡＤ変換されており且つ予測されるＢ信号の振幅が閾値以下の場合に、Ａ＋ＢＳ信号が高分解能でＡＤ変換をするべき対象であることを示すハイレベルの信号を出力する。
【０１１８】
乗算回路２６６には、補正・減算回路２５２から出力されるＡ信号と、比較値・乗算値保持回路２７０から出力される画素部２１０内の水平位置に応じた係数である乗算値とが入力される。乗算回路２６６は、Ａ信号を元に予測されたＡ＋Ｂ信号を出力する。
【０１１９】
最大値算出回路２６８は、乗算回路２６６から入力されるＡ＋Ｂ信号の予測値と、ＡＮＤ回路２６４から入力される信号とを元に、高分解能でＡＤ変換をするべき対象であるＡ＋ＢＳ信号の予測されるＡ＋Ｂ信号の中から最大値を算出する。最大値算出回路２６８により算出された信号は、ＲＡＭＰ生成回路２３２に入力される。ＲＡＭＰ生成回路２３２は、最大値算出回路２６８による算出結果を元に、Ａ＋ＢＳ信号のＡＤ変換時の分解能を切り替える閾値電圧を生成する。
【０１２０】
比較値・乗算値保持回路２７０は、予め外部より入力された、比較判定回路２６２において用いられる比較値と、乗算回路２６６において用いられる乗算値とを保持している。比較値及び乗算値には、画素部２１０内の水平位置及び撮影レンズ１１２の瞳距離に応じた異なる値が設定される。比較値・乗算値保持回路２７０は、補正・減算回路２５２から閾値算出部２６０に入力されるＡ信号を出力した単位画素２１２の画素部２１０内の水平位置に応じて、対応する比較値及び乗算値を出力する。
【０１２１】
閾値算出部２６０は、タイミング制御部２８０により制御され、列メモリ部２４０に保持された信号のうち、一部の領域に対応する信号の中から、予測されたＡ＋Ｂ信号の最大値を算出する。最大値の算出に用いられる領域は、例えばユーザーが指定した領域である。閾値算出部２６０は、閾値電圧が必要以上に高く設定され、ＡＤ変換時間が延びてしまうことを防ぐために、読み出している行のＡ信号を元に閾値電圧を算出する機能をもつ。
【０１２２】
次に、閾値算出部２６０において用いられる比較値及び乗算値について、図１２乃至図１４を用いて説明する。
はじめに、比較値及び乗算値の算出に用いる固体撮像素子の特性について、図１２を用いて説明する。図１２は、固体撮像素子の均一輝度面撮影時における出力の水平位置依存性を示すグラフである。図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、瞳距離の異なる条件で均一輝度面を撮影したときの出力を示している。図１２（ａ）は、マイクロレンズ４０１をずらして配置する際に用いる基準となる瞳距離に比べて短い瞳距離のレンズを使用した際の出力を示している。図１２（ｂ）は、当該基準となる瞳距離付近のレンズを使用した際の出力を示している。図１２（ｃ）は、当該基準となる瞳距離に比べて長い瞳距離のレンズを使用した際の出力を示している。また、図１２中、細かい破線はＡ信号を示し、粗い破線はＢ信号を示し、実線はＡ＋Ｂ信号を示している。Ｂ信号は、全体制御演算部１２２においてＡ＋Ｂ信号からＡ信号を減算することにより算出した信号である。グラフの横軸である水平位置ｘは、画素部２１０の水平位置を表している。グラフの縦軸である出力は、横軸に対応する水平位置の単位画素２１２からの出力を表している。
【０１２３】
基準となる瞳距離付近のレンズを使用した際には、図１２（ｂ）に示すように、射出瞳４００から入射した光束は調整された位置にあるマイクロレンズ４０１を介して入射するため、光束は受光素子ＰＤＡ，ＰＤＢに均等に入射する。そのため、Ａ信号とＢ信号との出力は、画素部２１０の水平位置によらずほぼ等しい値となる。
【０１２４】
一方、基準となる瞳距離より短い瞳距離のレンズを使用した際には、図１２（ａ）に示すように、水平位置ｘが小さい、つまり左側に配置された単位画素２１２では、Ｂ信号に対してＡ信号の方が大きくなる。一方、水平位置ｘが大きい、つまり右側に配置された単位画素２１２では、Ｂ信号に対してＡ信号の方が小さくなる。また、基準となる瞳距離より長い瞳距離のレンズを使用した際には、図１２（ｃ）に示すように、短い瞳距離のレンズを使用した際とは別の関係性を示す。すなわち、左側に配置された単位画素２１２では、Ｂ信号に対してＡ信号の方が小さくなり、右側に配置された単位画素２１２では、Ｂ信号に対してＡ信号の方が大きくなる。
【０１２５】
本実施形態では、図１２に示される特性を考慮したうえで、Ａ信号からＡ＋Ｂ信号を推測し、Ａ＋ＢＳ信号のＡＤ変換における分解能を切り替える閾値電圧を決定する。ここでは説明の便宜上、均一輝度面を撮影した際のＡ信号，Ｂ信号，Ａ＋Ｂ信号の水平位置ｘにおける出力を、それぞれ、ＦＡ（ｘ），ＦＢ（ｘ），ＦＡ＋Ｂ（ｘ）と表すものとする。
【０１２６】
次に、閾値算出部２６０において用いられる比較値について、図１３を用いて説明する。図１３は、比較値の水平位置依存性を示すグラフである。図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）に対応した異なる瞳距離における比較値を示している。ここでは説明の便宜上、水平位置ｘにおける比較値をＴ（ｘ）、水平位置ｘにおけるＡ信号をＤＡ（ｘ）、水平位置ｘにおけるＢ信号をＤＢ（ｘ）と表すものとする。前述したように、Ａ信号ＤＡ（ｘ）を比較値Ｔ（ｘ）と比較することにより、Ａ信号を元に予測したＢ信号の振幅が予め設定された閾値を越えるかどうかを判別する。
【０１２７】
図１２に示した均一輝度面撮影時の出力におけるＡ信号ＦＡ（ｘ）とＢ信号ＦＢ（ｘ）との比から、Ｂ信号ＤＢ（ｘ）は、以下の式（１）で表すことができる。
ＤＢ（ｘ）＝ＤＡ（ｘ）×ＦＢ（ｘ）／ＦＡ（ｘ）  …（１）
式（１）から、Ｂ信号ＤＢ（ｘ）が閾値Ｋ以下となるための条件式は、以下の式（２）のように表される。
ＤＡ（ｘ）×ＦＢ（ｘ）／ＦＡ（ｘ）≦Ｋ         …（２）
式（２）をＡ信号ＤＡ（ｘ）について解くと、以下の式（３）のようになる。
ＤＡ（ｘ）≦Ｋ×ＦＡ（ｘ）／ＦＢ（ｘ）         …（３）
この式（３）に基づき、比較値Ｔ（ｘ）は、以下の式（４）のように表すことができる。
Ｔ（ｘ）＝Ｋ×ＦＡ（ｘ）／ＦＢ（ｘ）          …（４）
つまり、Ａ信号ＤＡ（ｘ）と比較値Ｔ（ｘ）とを比較し、Ａ信号ＤＡ（ｘ）の方が小さい場合、予測されるＢ信号ＤＢ（ｘ）は閾値Ｋ以下となる。
【０１２８】
均一輝度面撮影時における出力のＡ信号ＦＡ（ｘ）とＢ信号ＦＢ（ｘ）との比は瞳距離に応じて異なる値となるため、比較値Ｔ（ｘ）も瞳距離に応じて異なる値となる。また、閾値Ｋは、例えば、Ａ信号のＡＤ変換時に使われる閾値と等しい値に設定される。
【０１２９】
次に、閾値算出部２６０において用いられる乗算値について、図１４を用いて説明する。図１４は、乗算値の水平位置依存性を示すグラフである。図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）に対応した異なる瞳距離における乗算値を示している。ここでは説明の便宜上、水平位置ｘにおける乗算値をＣ（ｘ）、水平位置ｘにおけるＡ＋Ｂ信号をＤＡ＋Ｂ（ｘ）と表すものとする。前述したように、乗算回路２６６は、Ａ信号ＤＡ（ｘ）と乗算値Ｃ（ｘ）とを乗算することにより予測されたＡ＋Ｂ信号ＤＡ＋Ｂ（ｘ）を出力する。
【０１３０】
図１２に示した均一輝度面撮影時の出力におけるＡ信号ＦＡ（ｘ）とＡ＋Ｂ信号ＦＡ＋Ｂ（ｘ）の比から、Ａ＋Ｂ信号ＤＡ＋Ｂ（ｘ）は、以下の式（５）で表すことができる。
ＤＡ＋Ｂ（ｘ）＝ＤＡ（ｘ）×ＦＡ＋Ｂ（ｘ）／ＦＡ（ｘ）  …（５）
この式（５）に基づき、乗算値Ｃ（ｘ）は、以下の式（６）のように表すことができる。
Ｃ（ｘ）＝ＦＡ＋Ｂ（ｘ）／ＦＡ（ｘ）                 …（６）
【０１３１】
したがって、乗算回路２６６においてＡ信号に乗算値を乗算することにより、水平位置ｘにおけるＡ＋Ｂ信号の予測値を算出することができる。また、均一輝度面撮影時の出力のＡ信号ＦＡ（ｘ）とＡ＋Ｂ信号ＦＡ＋Ｂ（ｘ）との比は瞳距離に応じて異なる値となるため、乗算値Ｃ（ｘ）も瞳距離に応じて異なる値となる。
【０１３２】
比較値Ｔ（ｘ）及び乗算値Ｃ（ｘ）は、予め、均一輝度面を撮影した画像を用い、瞳距離に応じて複数のデータを算出し、比較・乗算値保持回路２７０に保存しておく。
【０１３３】
次に、閾値算出部２６０における閾値算出方法について、図１５を用いてより具体的に説明をする。図１５は、閾値算出部２６０における閾値算出方法の一例を示す図である。ここでは一例として、マイクロレンズ４０１をずらして配置する際の基準となる瞳距離に比べて短い瞳距離のレンズを使用した場合を示している。図１５中、細かい破線はＡ信号を示し、粗い破線は閾値電圧ＶＴＨＡを示し、実線はＡ＋Ｂ信号の予測値を示し、一点鎖線は閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂを示している。
【０１３４】
図１５には、破線で示されるＡ信号と、実線で示されるＡ＋Ｂ信号の予測値とが、水平位置に応じてどのような出力になるかが表されている。Ａ＋Ｂ信号の予測値は、各列においてＡ信号に乗算値を乗算することにより求められる。短い瞳距離のレンズを使用した際には、水平位置ｘが小さい左側の列ほど、Ｂ信号の出力よりもＡ信号の出力の方が大きい値となる予測となり、水平位置ｘが大きい右側の列ほど、Ａ信号の出力よりもＢ信号の出力の方が大きい値となる予測となる。
【０１３５】
斜線を付した領域は、ＡＳ信号が閾値電圧ＶＴＨＡを越える列、すなわち閾値判定結果がローレベルになる列と、及びＢ信号の予測値が閾値Ｋを越える列、すなわちＡ信号が比較値より大きく比較結果がローレベルになる列とを表している。最大値算出回路２６８は、これら領域に含まれない列におけるＡ＋Ｂ信号の予測値であって、ＡＦ選択領域の中で最大となるＡ＋Ｂ信号の予測値を出力する。例えば、図１５では、中央付近の列のＡ＋Ｂ信号の予測値が最大となり、その値が最大値算出回路２６８から出力される。ＲＡＭＰ生成回路２３２は、最大値算出回路２６８から出力されたＡ＋Ｂ信号の予測値を上回るように閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂを設定する。
【０１３６】
次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について、図１６を用いて説明する。図１６は、本実施形態による撮像装置の固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。図中、「閾値算出部」は、閾値算出部２６０が処理を行うタイミングを示している。
【０１３７】
本実施形態の駆動方法は、時刻ｔ１４１２において列メモリ部２４０からＡＳ信号が順次出力され、固体撮像素子２００外へＡ信号が出力されるのに合わせて、閾値算出部２６０が上記処理を行う点で、第３実施形態とは異なっている。閾値算出部２６０は、ユーザーが指定した領域に属し、ＡＳ信号のＡＤ変換時に閾値判定結果がハイレベルであり、且つ、Ａ信号が比較値を越えない列のＡ＋Ｂ信号の予測値のうち、最大となる値を算出する。
【０１３８】
時刻ｔ１４１４から時刻ｔ１４１５の期間では、Ａ＋ＢＳ信号の閾値判定を行うが、この際に用いられる閾値電圧ＶＴＨＡ＋Ｂは、閾値算出部２６０から出力された算出結果を元に、ＲＡＭＰ生成回路２３２において設定される。
【０１３９】
本実施形態における固体撮像素子においても、他の実施形態の場合と同様に、受光素子ＰＤＢの信号の分解能が低下する可能性を低減することが可能となる。また、予測されたＡ＋Ｂ信号を元にして閾値電圧を算出することにより、Ａ＋ＢＳ信号のＡＤ変換時により適切な閾値電圧を設定することが可能となる。
【０１４０】
このように、本実施形態によれば、位相差検出用に用いられる信号に重畳するＡＤ変換の際の量子化誤差を大幅に低減することができる。また、Ａ信号から単位画素の水平位置や瞳距離を考慮してＢ信号の予測値を算出し、算出した予測値に応じてＡ＋ＢＳ信号のＡＤ変換の際に用いる閾値電圧を生成することにより、より適切な閾値電圧を設定することができる。これにより、ＡＦの精度を更に向上することができ、より良好な画像を取得することができる。
【０１４１】
［変形実施形態］
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及び変更が可能である。
例えば、図１に示した撮像装置の構成や、図３に示した単位画素の構成は、これらに限定されるものではなく、適宜変更が可能である。例えば、１つの単位画素が有する受光素子の数は２つに限定されるものではなく、３つ以上であってもよい。また、１つの単位画素の２つの受光素子は、必ずしも水平方向に並べて配置する必要はなく、垂直方向に並べて配置してもよい。
【０１４２】
また、上記実施形態では、単位画素を構成するトランジスタがＮ型トランジスタである場合を想定して本発明を説明したが、本発明は、単位画素を構成するトランジスタがＰ型トランジスタである場合においても同様に適用可能である。単位画素を構成するトランジスタがＰ型トランジスタの場合、上記実施形態で説明した信号レベルの関係は逆になる。
【０１４３】
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【０１４４】
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【０１４５】
１００…撮像装置
２００…固体撮像素子
２１０…画素部
２１２…単位画素
２３０…ＡＤ変換部
２３２…ＲＡＭＰ生成回路
２３４…選択回路
２３６…比較器
２３８…カウンタ
２５０…信号処理部
２６０…閾値算出部
【図１】
2018019362.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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