(57)【要約】【課題】合焦していない場合には、適切な信号を得ることができる撮像装置および撮像装置の制御方法を提供することである。【解決手段】撮像装置は、各々が行列状に配列されている複数の光電変換部を含む複数の単位画素と、前記単位画素の中のすべての光電変換部により変換された電荷量に基づく信号を基に、合焦しているか否かを判定する判定手段と、前記判定手段により合焦していないと判定された場合には、前記単位画素の中の一部の複数の光電変換部により変換された電荷量に基づく信号を出力する出力手段とを有する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が行列状に配列されている複数の光電変換部を含む複数の単位画素と、
前記単位画素の中のすべての光電変換部により変換された電荷量に基づく信号を基に、合焦しているか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により合焦していないと判定された場合には、前記単位画素の中の一部の複数の光電変換部により変換された電荷量に基づく信号を出力する出力手段と
を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記判定手段は、行方向の合焦評価値または列方向の合焦評価値が第１の閾値より大きい場合には、合焦していると判定し、前記行方向の合焦評価値と前記列方向の合焦評価値の両方が前記第１の閾値より大きくない場合には、合焦していないと判定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】
前記出力手段は、前記判定手段により合焦していないと判定され、かつ、前記行方向の合焦評価値と前記列方向の合焦評価値の両方が第２の閾値より大きくない場合には、前記単位画素の中の列方向に並ぶ複数の光電変換部により変換された電荷量に基づく列毎の信号と、前記単位画素の中の行方向に並ぶ複数の光電変換部により変換された電荷量に基づく行毎の信号とを出力することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記出力手段は、前記判定手段により合焦していないと判定され、かつ、前記行方向の合焦評価値または前記列方向の合焦評価値が第２の閾値より大きい場合において、前記行方向の合焦評価値が前記列方向の合焦評価値より大きい場合には、前記単位画素の中の列方向に並ぶ複数の光電変換部により変換された電荷量に基づく列毎の信号を出力し、前記列方向の合焦評価値が前記行方向の合焦評価値より大きい場合には、前記単位画素の中の行方向に並ぶ複数の光電変換部により変換された電荷量に基づく行毎の信号を出力することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記単位画素の中の一部の複数の光電変換部により変換された電荷量に基づく信号を基に、フォーカスレンズの焦点調節を行う焦点調節手段をさらに有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
焦点調節手段をさらに有し、
前記焦点調節手段は、
前記行方向の合焦評価値が前記列方向の合焦評価値より大きい場合には、前記単位画素の中の列方向に並ぶ複数の光電変換部により変換された電荷量に基づく列毎の信号を基に、行方向のデフォーカス量を求め、前記行方向のデフォーカス量を基に、フォーカスレンズの焦点調節を行い、
前記列方向の合焦評価値が前記行方向の合焦評価値より大きい場合には、前記単位画素の中の行方向に並ぶ複数の光電変換部により変換された電荷量に基づく行毎の信号を基に、列方向のデフォーカス量を求め、前記列方向のデフォーカス量を基に、フォーカスレンズの焦点調節を行うことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記複数の単位画素は、第１の単位画素と第２の単位画素とを有し、
前記第１の単位画素は、
第１の光電変換部と、
前記第１の光電変換部に対して行方向に並ぶ第２の光電変換部と、
前記第１の光電変換部に対して列方向に並ぶ第３の光電変換部と、
前記第２の光電変換部に対して列方向に並び、前記第３の光電変換部に対して行方向に並ぶ第４の光電変換部と、
第１の電荷蓄積部と、
前記第１の光電変換部により変換された電荷を前記第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送スイッチと、
前記第２の光電変換部により変換された電荷を前記第１の電荷蓄積部に転送する第２の転送スイッチと、
前記第３の光電変換部により変換された電荷を前記第１の電荷蓄積部に転送する第３の転送スイッチと、
前記第４の光電変換部により変換された電荷を前記第１の電荷蓄積部に転送する第４の転送スイッチとを有し、
前記第２の単位画素は、
第５の光電変換部と、
前記第５の光電変換部に対して行方向に並ぶ第６の光電変換部と、
前記第５の光電変換部に対して列方向に並ぶ第７の光電変換部と、
前記第６の光電変換部に対して列方向に並び、前記第７の光電変換部に対して行方向に並ぶ第８の光電変換部と、
第２の電荷蓄積部と、
前記第５の光電変換部により変換された電荷を前記第２の電荷蓄積部に転送する第５の転送スイッチと、
前記第６の光電変換部により変換された電荷を前記第２の電荷蓄積部に転送する第６の転送スイッチと、
前記第７の光電変換部により変換された電荷を前記第２の電荷蓄積部に転送する第７の転送スイッチと、
前記第８の光電変換部により変換された電荷を前記第２の電荷蓄積部に転送する第８の転送スイッチとを有することを特徴とする請求項４または６に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第１の単位画素は、第１の時刻では、前記第１の光電変換部により変換された電荷と前記第３の光電変換部により変換された電荷とを混合した電荷量に基づく第１の信号を出力し、第２の時刻では、前記第１〜第４の光電変換部により変換された電荷を混合した電荷量に基づく第２の信号を出力し、
前記第２の単位画素は、第３の時刻では、前記第５の光電変換部により変換された電荷と前記第６の光電変換部により変換された電荷とを混合した電荷量に基づく第３の信号を出力し、第４の時刻では、前記第５〜第８の光電変換部により変換された電荷を混合した電荷量に基づく第４の信号を出力することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記出力手段は、
前記行方向の合焦評価値が前記列方向の合焦評価値より大きい場合には、前記第２の信号に基づく信号から前記第１の信号に基づく信号を減算した信号と、前記第１の信号に基づく信号とを出力し、
前記列方向の合焦評価値が前記行方向の合焦評価値より大きい場合には、前記第４の信号に基づく信号から前記第３の信号に基づく信号を減算した信号と、前記第３の信号に基づく信号とを出力することを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第１〜第４の光電変換部は、第１のマイクロレンズと第１のカラーフィルタを共有し、
前記第５〜第８の光電変換部は、第２のマイクロレンズと第２のカラーフィルタを共有することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記複数の単位画素の各々は、
第１の光電変換部と、
前記第１の光電変換部に対して行方向に並ぶ第２の光電変換部と、
前記第１の光電変換部に対して列方向に並ぶ第３の光電変換部と、
前記第２の光電変換部に対して列方向に並び、前記第３の光電変換部に対して行方向に並ぶ第４の光電変換部と、
第１〜第４の電荷蓄積部と、
前記第１の光電変換部により変換された電荷を前記第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送スイッチと、
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の電荷蓄積部に転送する第２の転送スイッチと、
前記第３の光電変換部により変換された電荷を前記第３の電荷蓄積部に転送する第３の転送スイッチと、
前記第４の光電変換部により変換された電荷を前記第４の電荷蓄積部に転送する第４の転送スイッチとを有することを特徴とする請求項４または６に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記出力手段は、
前記行方向の合焦評価値が前記列方向の合焦評価値より大きい場合には、前記第１の光電変換部により変換された電荷量に基づく信号と前記第３の光電変換部により変換された電荷量に基づく信号とを加算した信号と、前記第２の光電変換部により変換された電荷量に基づく信号と前記第４の光電変換部により変換された電荷量に基づく信号とを加算した信号とを出力し、
前記列方向の合焦評価値が前記行方向の合焦評価値より大きい場合には、前記第１の光電変換部により変換された電荷量に基づく信号と前記第２の光電変換部により変換された電荷量に基づく信号とを加算した信号と、前記第３の光電変換部により変換された電荷量に基づく信号と前記第４の光電変換部により変換された電荷量に基づく信号とを加算した信号とを出力することを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記第１〜第４の光電変換部は、マイクロレンズとカラーフィルタを共有することを特徴とする請求項１１または１２に記載の撮像装置。
【請求項１４】
各々が行列状に配列されている複数の光電変換部を含む複数の単位画素を有する撮像装置の制御方法であって、
前記単位画素の中のすべての光電変換部により変換された電荷量に基づく信号を基に、合焦しているか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップで合焦していないと判定された場合には、前記単位画素の中の一部の複数の光電変換部により変換された電荷量に基づく信号を出力する出力ステップと
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、撮像装置および撮像装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像素子のフォトダイオードを分割し、撮像信号と位相差検出信号の両方を読み出す撮像装置が知られている。撮像装置は、位相差検出信号から、フォトダイオードの分割方向のデフォーカス量が求まるため、位相差検出信号を合焦処理に活用できる。位相差検出信号による合焦処理を像面位相差ＡＦ（オートフォーカス）と呼ぶ。像面位相差ＡＦは、分割した同一画素のフォトダイオードの信号（位相差検出信号）を比較し、信号値の差が生じない被写体は合焦と判断する。
【０００３】
しかし、左右にフォトダイオードを分割した画素では、左右のフォトダイオードの位相差検出信号は、例えば横線状の被写体に対して、信号値に差が表れず、像面位相差ＡＦを実行できないことが想定される。このような課題に対して、更にフォトダイオードの分割数を増やして複数方向の位相差検出信号を読み出す方法が提案されている。複数方向の位相差検出信号で像面位相差ＡＦを行うことで、合焦困難な被写体を減らす狙いがある。
【０００４】
しかし、複数方向の位相差検出信号つまり多分割したフォトダイオードの信号をすべて読み出すと、一つの画素からの信号読み出し時間が冗長になる課題がある。また、データ量が増えることから、消費電力増大の課題もある。
【０００５】
それに対して、特許文献１では、多分割画素の２分割の方向を行毎に変えることで、合焦困難な被写体を減らしている。また、特許文献２では、多分割画素で構成された撮像素子で、周期的またはフレーム毎に位相方向を変えることで、合焦困難な被写体を減らしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１５７３３８号公報
【特許文献２】特開２０１６−１１１６７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１および２には、いくつかの課題がある。特許文献１は、行毎に分割方向を変える為、同一方向の位相差検出信号の密度が低下し、低照度被写体など位相差検出信号を加算して使う場合に、測距成功率が低下する。また、特許文献２は、周期的またはフレーム毎に位相差検出信号の読み出し方向が変わるため、所望の位相差検出信号を得るまでに時間がかかる。
本発明の目的は、合焦していない場合には、適切な信号を得ることができる撮像装置および撮像装置の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の撮像装置は、各々が行列状に配列されている複数の光電変換部を含む複数の単位画素と、前記単位画素の中のすべての光電変換部により変換された電荷量に基づく信号を基に、合焦しているか否かを判定する判定手段と、前記判定手段により合焦していないと判定された場合には、前記単位画素の中の一部の複数の光電変換部により変換された電荷量に基づく信号を出力する出力手段とを有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、合焦していない場合には、適切な信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】撮像装置の構成例を示す図である。
【図２】撮像素子部の構成例を示す図である。
【図３】単位画素の構成例を示す回路図である。
【図４】単位画素の構成例を示す断面図である。
【図５】単位画素の画素信号の加算を説明する図である。
【図６】単位画素の動作を説明するタイミングチャートである。
【図７】動作モードの説明図である。
【図８】合焦処理の説明図である。
【図９】合焦判定と画素信号の読み出しを説明するフローチャートである。
【図１０】撮像装置の構成例を示す図である。
【図１１】撮像素子部の構成例を示す図である。
【図１２】画素部の構成例を示す回路図である。
【図１３】画素部の動作を説明するタイミングチャートである。
【図１４】合焦判定と画素信号の読み出しを説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正または変更されるべきものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態では、直前の撮像信号から合焦処理の有無、および、合焦処理を行う場合は位相差検出信号の方向判定を行い、位相差検出信号を出力する撮像素子について説明する。ここで、合焦処理とは、レンズを透過した光が撮像素子の撮像面で結像するように、フォーカスレンズを移動する処理を指す。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る撮像装置１００の構成例を示すブロック図である。撮像装置１００は、撮像信号と位相差検出信号とを選択的に出力可能な撮像素子部１０１を有する。撮像装置１００は、撮像素子部１０１、撮像駆動回路部１０２、信号処理部１０３、画像表示部１０４、画像を記憶する撮像メモリ部１０５、画像記録部１０６、同期制御部１０７、操作部１０８、光学系１０９、および光学駆動回路部１１０を有する。
【００１４】
撮像装置１００の構成について説明する。撮像素子部１０１は、２次元行列状に配列された複数の画素と、複数の画素から読み出された信号を所定の順番でデジタル信号として出力する回路を有する。撮像駆動回路部１０２は、同期制御部１０７からの制御信号により制御され、撮像素子部１０１を制御する。
【００１５】
信号処理部１０３は、同期制御部１０７からの制御信号により制御され、撮像素子部１０１からの出力信号を処理したり、撮像メモリ部１０５や画像記録部１０６へ画像データを出力する。さらに、信号処理部１０３は、撮像素子部１０１の信号から合焦状態や露光量等の測光データを検出し、同期制御部１０７に出力する。
【００１６】
画像表示部１０４は、同期制御部１０７からの制御信号により制御され、撮像メモリ部１０５に記憶されている表示用の画像データを、撮影前の構図決めや撮影後の画像の確認を行うために表示する。画像表示部１０４は、電子ビューファインダー（ＥＶＦ）や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）で構成される。
【００１７】
撮像メモリ部１０５は、同期制御部１０７からの制御信号により制御され、撮像素子部１０１の出力信号や、信号処理部１０３により信号処理された画像データを一時的に記憶する。さらに、撮像メモリ部１０５は、表示用の画像データを画像表示部１０４へ出力する。
【００１８】
画像記録部１０６は、同期制御部１０７からの制御信号により制御され、着脱可能なメモリ等に対し、信号処理部１０３から出力される信号や画像データを記録したり、信号や画像データを読み出す。
【００１９】
同期制御部１０７は、操作部１０８からの指示により、撮像装置１００の全体を制御する。また、同期制御部１０７は、信号処理部１０３から出力される合焦状態や露光量等の測光データに応じて、光学系１０９を制御して、最適な被写体像を撮像素子部１０１に結像させる。光学駆動回路部１１０は、同期制御部１０７からの制御信号により制御され、光学系１０９を制御する。
【００２０】
操作部１０８は、スイッチおよび押しボタン等の操作部材によるユーザの指示を同期制御部１０７に出力する。例えば、操作部１０８は、撮像装置１００の電源スイッチの状態、撮影前の画像表示の指示、撮影の各種指示、撮影した画像の表示、あるいは、撮像装置１００の動作をあらかじめ指示するメニュー操作等を同期制御部１０７に出力する。また、操作部１０８は、同期制御部１０７からの制御信号により、ＬＣＤやＬＥＤ等の表示部材あるいは画像表示部１０４を用いて、撮像装置１００の状態を表示する。さらに、操作部１０８は、撮像メモリ部１０５の使用状況や画像記録部１０６の着脱可能なメモリの状況を表示する。
【００２１】
図２は、図１の撮像素子部１０１の構成例を示す図である。撮像素子部１０１は、単位画素２０１、信号出力線２０２、定電流源２０３、制御線２０４、主出力ポート２０５ａ，２０５ｂ、垂直走査回路２０６、読み出し回路２０７、水平走査回路２０８、および副出力ポート２０９，２１０を有する。
【００２２】
複数の単位画素２０１は、２次元行列状に配列され、それぞれ、光電変換により生成した信号を信号出力線２０２に出力する。垂直走査回路２０６は、第ｎ行の単位画素２０１に対して、制御線Ｔｘａｎ、Ｔｘｂｎ、Ｔｘｃｎ、Ｔｘｄｎ、ＲＥＳｎ、ＳＥＬｎが接続されている。また、垂直走査回路２０６は、第ｎ＋１行の単位画素２０１に対して、制御線Ｔｘａｎ＋１、Ｔｘｂｎ＋１、Ｔｘｃｎ＋１、Ｔｘｄｎ＋１、ＲＥＳｎ＋１、ＳＥＬｎ＋１が接続されている。また、垂直走査回路２０６は、第ｎ＋２行の単位画素２０１に対して、制御線Ｔｘａｎ＋２、Ｔｘｂｎ＋２、Ｔｘｃｎ＋２、Ｔｘｄｎ＋２、ＲＥＳｎ＋２、ＳＥＬｎ＋２が接続されている。また、垂直走査回路２０６は、第ｎ＋３行の単位画素２０１に対して、制御線Ｔｘａｎ＋３、Ｔｘｂｎ＋３、Ｔｘｃｎ＋３、Ｔｘｄｎ＋３、ＲＥＳｎ＋３、ＳＥＬｎ＋３が接続されている。
【００２３】
複数の信号出力線２０２は、単位画素２０１に列毎に設けられ、撮像信号と位相差検出信号を読み出し回路２０７へ出力する。複数の定電流源２０３は、それぞれ、複数の信号出力線２０２に接続される。
【００２４】
読み出し回路２０７は、信号出力線２０２の信号をサンプルホールドして、アナログデジタル変換（ＡＤ変換）する。制御線２０４は、水平走査回路２０８の制御線である。水平走査回路２０８は、読み出し回路２０７により変換されたデジタル信号を、主出力ポート２０５ａ，２０５ｂ、副出力ポート２０９，２１０から出力させることができる。
【００２５】
なお、図２では、図の簡略化のために、ｎ〜ｎ＋３行およびｍ〜ｍ＋３列の４行×４列の単位画素２０１を示しているが、実際には多数の単位画素２０１が２次元に配置されている。
【００２６】
図３は、図２の第ｎ行の単位画素２０１の構成例を示す回路図である。他の行の単位画素２０１の構成も同様である。単位画素２０１は、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄと、４個の転送トランジスタ３０２ａ〜３０２ｄとを有する。さらに、単位画素２０１は、ＦＤ（フローティングディフュージョン）３０３と、ＳＦ（ソースフォロワ）トランジスタ３０４と、選択トランジスタ３０５と、リセットトランジスタ３０６とを有する。
【００２７】
フォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄは、それぞれ、光を電荷に変換して蓄積する光電変換部であり、行列状に配列されている。フォトダイオード３０１ｂは、フォトダイオード３０１ａに対して行方向に並んでいる。フォトダイオード３０１ｃは、フォトダイオード３０１ａに対して列方向に並んでいる。フォトダイオード３０１ｄは、フォトダイオード３０１ｂに対して列方向に並び、フォトダイオード３０１ｃに対して行方向に並んでいる。
【００２８】
ＦＤ３０３は、電荷を蓄積する電荷蓄積部である。転送トランジスタ３０２ａは、制御線Ｔｘａｎの信号レベルに応じて、フォトダイオード３０１ａにより変換された電荷をＦＤ３０３に転送する転送スイッチである。転送トランジスタ３０２ｂは、制御線Ｔｘｂｎの信号レベルに応じて、フォトダイオード３０１ｂにより変換された電荷をＦＤ３０３に転送する転送スイッチである。転送トランジスタ３０２ｃは、制御線Ｔｘｃｎの信号レベルに応じて、フォトダイオード３０１ｃにより変換された電荷をＦＤ３０３に転送する転送スイッチである。転送トランジスタ３０２ｄは、制御線Ｔｘｄｎの信号レベルに応じて、フォトダイオード３０１ｄにより変換された電荷をＦＤ３０３に転送する転送スイッチである。
【００２９】
リセットトランジスタ３０６は、制御線ＲＥＳｎの信号レベルに応じて、ＦＤ３０３を電源電圧ＶＤＤにリセットする。ＳＦトランジスタ３０４は、ＦＤ３０３の電荷量に応じた電圧を出力する。選択トランジスタ３０５は、制御線ＳＥＬｎの信号レベルに応じて、ＳＦトランジスタ３０４の出力ノードを信号出力線２０２に接続する。
【００３０】
図４は、図３のフォトダイオード３０１ａおよび３０１ｂを含む部分の断面図である。４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄは、１個のマイクロレンズ４０１と１個のカラーフィルタ４０２を共有する。マイクロレンズ４０１およびカラーフィルタ４０２の下には、４分割されたフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄが配置される。図４では、フォトダイオード３０１ａおよび３０１ｂを示しているが、同一のマイクロレンズ４０１およびカラーフィルタ４０２の下には、隣接する４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄがある。
【００３１】
図５（ａ）〜（ｃ）は、単位画素２０１の画素信号の加算を説明する図である。単位画素２０１は、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄを有する。図５（ａ）に示すように、転送トランジスタ３０２ａ〜３０２ｄが同時にオンすると、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄの電荷は、ＦＤ３０３で混合され、単位画素２０１は、撮像信号５０１を出力する。撮像信号５０１は、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄの信号が加算された信号に対応する。
【００３２】
図５（ｂ）に示すように、転送トランジスタ３０２ａおよび３０２ｃが同時にオンすると、２個のフォトダイオード３０１ａおよび３０１ｃの電荷は、ＦＤ３０３で混合され、単位画素２０１は、位相差検出信号５０２を出力する。位相差検出信号５０２は、２個のフォトダイオード３０１ａおよび３０１ｃの信号が加算された信号に対応する。そして、転送トランジスタ３０２ｂおよび３０２ｄが同時にオンすると、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄの電荷は、ＦＤ３０３で混合され、単位画素２０１は、撮像信号５０１を出力する。信号処理部１０３は、撮像信号５０１から位相差検出信号５０２を減算すると、位相差検出信号５０３が得られる。位相差検出信号５０３は、２個のフォトダイオード３０１ｂおよび３０１ｄの信号が加算された信号に対応する。位相差検出信号５０２および５０３は、単位画素２０１の中の列方向に並ぶ複数のフォトダイオードにより変換された電荷量に基づく列毎の信号である。信号処理部１０３は、位相差検出信号５０２と位相差検出信号５０３を比較して、被写体の横方向の像面位相差ＡＦを行う。
【００３３】
同様に、図５（ｃ）に示すように、転送トランジスタ３０２ａおよび３０２ｂが同時にオンすると、２個のフォトダイオード３０１ａおよび３０１ｂの電荷は、ＦＤ３０３で混合され、単位画素２０１は、位相差検出信号５０４を出力する。位相差検出信号５０４は、２個のフォトダイオード３０１ａおよび３０１ｂの信号が加算された信号に対応する。そして、転送トランジスタ３０２ｃおよび３０２ｄが同時にオンすると、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄの電荷は、ＦＤ３０３で混合され、単位画素２０１は、撮像信号５０１を出力する。信号処理部１０３は、撮像信号５０１から位相差検出信号５０４を減算すると、位相差検出信号５０５が得られる。位相差検出信号５０５は、２個のフォトダイオード３０１ｃおよび３０１ｄの信号が加算された信号に対応する。位相差検出信号５０４および５０５は、単位画素２０１の中の行方向に並ぶ複数のフォトダイオードにより変換された電荷量に基づく行毎の信号である。信号処理部１０３は、位相差検出信号５０４と位相差検出信号５０５を比較して、被写体の縦方向の像面位相差ＡＦを行う。
【００３４】
図６（ａ）〜（ｃ）は、撮像素子部１０１の制御方法を示すタイミングチャートである。信号ΦＳＥＬｎは、制御線ＳＥＬｎの信号である。信号ΦＲＥＳｎは、制御線ＲＥＳｎの信号である。信号ΦＴｘａｎは、制御線Ｔｘａｎの信号である。信号ΦＴｘｂｎは、制御線Ｔｘｂｎの信号である。制御線ΦＴｘｃｎは、制御線Ｔｘｃｎの信号である。信号ΦＴｘｄｎは、制御線Ｔｘｄｎの信号である。信号Ｓ／Ｈは、読み出し回路２０７内のサンプルホールド回路の制御信号である。信号ＡＤＣは、読み出し回路２０７内のアナログデジタル変換回路（ＡＤ変換回路）の制御信号である。
【００３５】
図６（ａ）は、図５（ａ）に対応し、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄの電荷がＦＤ３０３で混合され、単位画素２０１が撮像信号５０１を出力する処理を示すタイミングチャートである。
【００３６】
時刻ｔ６０１では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＳＥＬｎをハイレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、選択トランジスタ３０５はオンし、ＳＦトランジスタ３０４の出力ノードが信号出力線２０２に接続される。
【００３７】
時刻ｔ６０２では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＲＥＳｎをハイレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、リセットトランジスタ３０６は、ＦＤ３０３のリセットを開始する。
【００３８】
時刻ｔ６０３では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＲＥＳｎをローレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、リセットトランジスタ３０６は、ＦＤ３０３のリセットを終了する。第ｎ行の単位画素２０１は、各列の信号出力線２０２に対して、リセット解除に基づくＮ信号を出力する。
【００３９】
時刻ｔ６０４では、読み出し回路２０７内のサンプルホールド回路は、各列の信号出力線２０２のＮ信号に対して、サンプルホールドを開始する。時刻ｔ６０５では、読み出し回路２０７内のサンプルホールド回路は、各列の信号出力線２０２のＮ信号に対して、サンプルホールドを終了する。
【００４０】
時刻ｔ６０６では、読み出し回路２０７内のＡＤ変換回路は、サンプルホールドされたＮ信号に対して、アナログデジタル変換を開始する。時刻ｔ６０７では、読み出し回路２０７内のＡＤ変換回路は、サンプルホールドされたＮ信号に対して、アナログデジタル変換を終了し、デジタルのＮ信号を得る。
【００４１】
時刻ｔ６０８では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＴｘａｎ，ΦＴｘｂｎ，ΦＴｘｃｎ，ΦＴｘｄｎをハイレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、転送トランジスタ３０２ａ〜３０２ｄは、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄからＦＤ３０３への電荷転送を開始する。
【００４２】
時刻ｔ６０９では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＴｘａｎ，ΦＴｘｂｎ，ΦＴｘｃｎ，ΦＴｘｄｎをローレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、転送トランジスタ３０２ａ〜３０２ｄは、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄからＦＤ３０３への電荷転送を終了する。ＦＤ３０３は、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄの電荷を混合する。第ｎ行の単位画素２０１は、各列の信号出力線２０２に対して、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄの光電変換に基づくＳ信号を出力する。
【００４３】
時刻ｔ６１０では、読み出し回路２０７内のサンプルホールド回路は、各列の信号出力線２０２のＳ信号に対して、サンプルホールドを開始する。時刻ｔ６１１では、読み出し回路２０７内のサンプルホールド回路は、各列の信号出力線２０２のＳ信号に対して、サンプルホールドを終了する。
【００４４】
時刻ｔ６１２では、読み出し回路２０７内のＡＤ変換回路は、サンプルホールドされたＳ信号に対して、アナログデジタル変換を開始する。時刻ｔ６１３では、読み出し回路２０７内のＡＤ変換回路は、サンプルホールドされたＳ信号に対して、アナログデジタル変換を終了し、デジタルのＳ信号を得る。読み出し回路２０７は、主出力ポート２０５ａおよび２０５ｂに対して、デジタルのＳ信号とデジタルのＮ信号との差分を撮像信号５０１として出力する。
【００４５】
時刻ｔ６１４では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＳＥＬｎをローレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、選択トランジスタ３０５がオフし、ＳＦトランジスタ３０４の出力ノードが信号出力線２０２から切断される。
【００４６】
図６（ｂ）は、図５（ｂ）に対応し、フォトダイオード３０１ａおよび３０１ｃの電荷がＦＤ３０３で混合され、その後、フォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄの電荷がＦＤ３０３で混合される処理を示すタイミングチャートである。時刻ｔ６０１〜ｔ６０７の処理は、図６（ａ）の時刻ｔ６０１〜ｔ６０７の処理と同様であるため、説明を省略する。
【００４７】
時刻ｔ６０８では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＴｘａｎおよびΦＴｘｃｎをハイレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、転送トランジスタ３０２ａおよび３０２ｃは、フォトダイオード３０１ａおよび３０１ｃからＦＤ３０３への電荷転送を開始する。
【００４８】
時刻ｔ６０９では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＴｘａｎおよびΦＴｘｃｎをローレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、転送トランジスタ３０２ａおよび３０２ｃは、フォトダイオード３０１ａおよび３０１ｃからＦＤ３０３への電荷転送を終了する。ＦＤ３０３は、２個のフォトダイオード３０１ａおよび３０１ｃの電荷を混合する。第ｎ行の単位画素２０１は、各列の信号出力線２０２に対して、２個のフォトダイオード３０１ａおよび３０１ｃの光電変換に基づくＳ信号を出力する。
【００４９】
時刻ｔ６１０では、読み出し回路２０７内のサンプルホールド回路は、各列の信号出力線２０２のＳ信号に対して、サンプルホールドを開始する。時刻ｔ６１１では、読み出し回路２０７内のサンプルホールド回路は、各列の信号出力線２０２のＳ信号に対して、サンプルホールドを終了する。
【００５０】
時刻ｔ６１２では、読み出し回路２０７内のＡＤ変換回路は、サンプルホールドされたＳ信号に対して、アナログデジタル変換を開始する。時刻ｔ６１３では、読み出し回路２０７内のＡＤ変換回路は、サンプルホールドされたＳ信号に対して、アナログデジタル変換を終了し、デジタルのＳ信号を得る。読み出し回路２０７は、副出力ポート２０９に対して、デジタルのＳ信号とデジタルのＮ信号との差分を位相差検出信号５０２として出力する。
【００５１】
時刻ｔ６１４では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＴｘｂｎおよびΦＴｘｄｎをハイレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、転送トランジスタ３０２ｂおよび３０２ｄは、フォトダイオード３０１ｂおよび３０１ｄからＦＤ３０３への電荷転送を開始する。
【００５２】
時刻ｔ６１５では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＴｘｂｎおよびΦＴｘｄｎをローレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、転送トランジスタ３０２ｂおよび３０２ｄは、フォトダイオード３０１ｂおよび３０１ｄからＦＤ３０３への電荷転送を終了する。ＦＤ３０３は、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄの電荷を混合する。第ｎ行の単位画素２０１は、各列の信号出力線２０２に対して、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄの光電変換に基づくＳ信号を出力する。
【００５３】
時刻ｔ６１６では、読み出し回路２０７内のサンプルホールド回路は、各列の信号出力線２０２のＳ信号に対して、サンプルホールドを開始する。時刻ｔ６１７では、読み出し回路２０７内のサンプルホールド回路は、各列の信号出力線２０２のＳ信号に対して、サンプルホールドを終了する。
【００５４】
時刻ｔ６１８では、読み出し回路２０７内のＡＤ変換回路は、サンプルホールドされたＳ信号に対して、アナログデジタル変換を開始する。時刻ｔ６１９では、読み出し回路２０７内のＡＤ変換回路は、サンプルホールドされたＳ信号に対して、アナログデジタル変換を終了し、デジタルのＳ信号を得る。読み出し回路２０７は、主出力ポート２０５ａおよび２０５ｂに対して、このデジタルのＳ信号とデジタルのＮ信号との差分を撮像信号５０１として出力する。
【００５５】
時刻ｔ６２０では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＳＥＬｎをローレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、選択トランジスタ３０５がオフし、ＳＦトランジスタ３０４の出力ノードが信号出力線２０２から切断される。
【００５６】
なお、信号処理部１０３は、図６（ｂ）の撮像信号５０１から位相差検出信号５０２を減算することにより、位相差検出信号５０３を求める。
【００５７】
図６（ｃ）は、図５（ｃ）に対応し、フォトダイオード３０１ａおよび３０１ｂの電荷がＦＤ３０３で混合され、その後、フォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄの電荷がＦＤ３０３で混合される処理を示すタイミングチャートである。時刻ｔ６０１〜ｔ６０７の処理は、図６（ｂ）の時刻ｔ６０１〜ｔ６０７の処理と同様であるため、説明を省略する。
【００５８】
時刻ｔ６０８では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＴｘａｎおよびΦＴｘｂｎをハイレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、転送トランジスタ３０２ａおよび３０２ｂは、フォトダイオード３０１ａおよび３０１ｂからＦＤ３０３への電荷転送を開始する。
【００５９】
時刻ｔ６０９では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＴｘａｎおよびΦＴｘｂｎをローレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、転送トランジスタ３０２ａおよび３０２ｂは、フォトダイオード３０１ａおよび３０１ｂからＦＤ３０３への電荷転送を終了する。ＦＤ３０３は、２個のフォトダイオード３０１ａおよび３０１ｂの電荷を混合する。第ｎ行の単位画素２０１は、各列の信号出力線２０２に対して、２個のフォトダイオード３０１ａおよび３０１ｂの光電変換に基づくＳ信号を出力する。
【００６０】
時刻ｔ６１０〜ｔ６１３の処理は、図６（ｂ）の時刻ｔ６１０〜ｔ６１３の処理と同様であるため、説明を省略する。読み出し回路２０７内のＡＤ変換回路は、サンプルホールドされたＳ信号に対して、アナログデジタル変換を行い、デジタルのＳ信号を得る。読み出し回路２０７は、副出力ポート２０９に対して、デジタルのＳ信号とデジタルのＮ信号との差分を位相差検出信号５０４として出力する。
【００６１】
時刻ｔ６１４では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＴｘｂｃおよびΦＴｘｄｎをハイレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、転送トランジスタ３０２ｃおよび３０２ｄは、フォトダイオード３０１ｃおよび３０１ｄからＦＤ３０３への電荷転送を開始する。
【００６２】
時刻ｔ６１５では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＴｘｃｎおよびΦＴｘｄｎをローレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、転送トランジスタ３０２ｃおよび３０２ｄは、フォトダイオード３０１ｃおよび３０１ｄからＦＤ３０３への電荷転送を終了する。ＦＤ３０３は、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄの電荷を混合する。第ｎ行の単位画素２０１は、各列の信号出力線２０２に対して、４個のフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄの光電変換に基づくＳ信号を出力する。
【００６３】
時刻ｔ６１６〜ｔ６１９の処理は、図６（ｂ）の時刻ｔ６１６〜ｔ６１９の処理と同様であるため、説明を省略する。読み出し回路２０７内のＡＤ変換回路は、サンプルホールドされたＳ信号に対して、アナログデジタル変換を行い、デジタルのＳ信号を得る。読み出し回路２０７は、主出力ポート２０５ａおよび２０５ｂに対して、デジタルのＳ信号とデジタルのＮ信号との差分を撮像信号５０１として出力する。
【００６４】
時刻ｔ６２０では、垂直走査回路２０６は、信号ΦＳＥＬｎをローレベルにする。すると、第ｎ行の単位画素２０１では、選択トランジスタ３０５がオフし、ＳＦトランジスタ３０４の出力ノードが信号出力線２０２から切断される。
【００６５】
なお、信号処理部１０３は、図６（ｃ）の撮像信号５０１から位相差検出信号５０４を減算することにより、位相差検出信号５０５を求める。
【００６６】
図７は、行列状に配列された複数の単位画素２０１の動作モードを説明するための図である。撮像素子部１０１がｍ＋１１×ｎ＋２７の複数の単位画素２０１を有する例を説明する。複数の単位画素２０１は、３種類の画素群７０１と、画素群７０２と、画素群７０３とに分割される。
【００６７】
画素群７０１、画素群７０２、画素群７０３に属する単位画素２０１は、すべて、図６（ａ）〜（ｃ）のうちの同じ動作モードで動作することができる。例えば、画素群７０１、画素群７０２、画素群７０３に属する単位画素２０１は、すべて、図６（ａ）の動作モードで動作し、主出力ポート２０５ａ，２０５ｂおよび副出力ポート２０９，２１０から撮像信号５０１を出力することができる。
【００６８】
また、画素群７０１、画素群７０２、画素群７０３に属する単位画素２０１は、図６（ａ）〜（ｃ）のうちの異なる動作モードで動作することができる。例えば、画素群７０１に属する単位画素２０１は、図６（ａ）の動作モードで動作し、撮像信号５０１を主出力ポート２０５ａおよび２０５ｂから出力する。画素群７０２に属する単位画素２０１は、図６（ｂ）の動作モードで動作し、撮像信号５０１を主出力ポート２０５ａおよび２０５ｂから出力し、位相差検出信号５０２を副出力ポート２０９から出力する。画素群７０３に属する単位画素２０１は、図６（ｃ）の動作モードで動作し、撮像信号５０１を主出力ポート２０５ａおよび２０５ｂから出力し、位相差検出信号５０４を副出力ポート２１０から出力する。以上のように、複数の単位画素２０１が画素群毎に動作モードが異なる場合、画素群毎に出力ポートを割り当てる。
【００６９】
図８は、フォーカスレンズの位置とＡＦ評価値との関係を模式的に示す図である。ＡＦ評価値は、合焦の程度を数値化した合焦評価値である。信号処理部１０３は、撮像素子部１０１に写りこんだ被写体像から、ＡＦ評価値を得る。ＡＦ評価値とは、画像の鮮鋭度を数値化した値を指し、鮮鋭であるほど値が大きい。ＡＦ評価値が最も高くなるフォーカスレンズの位置が合焦位置である。合焦状態におけるＡＦ評価値を求めれば、その後の合焦状態は、信号処理部１０３により、ＡＦ評価値を求めることで判定できる。合焦状態が維持できていれば、ＡＦ評価値は合焦時と同じ値を示す。合焦状態が維持できなければ、ＡＦ評価値は合焦時より低下する。
【００７０】
図９は、本実施形態に係る撮像装置１００の制御方法を示すフローチャートである。ステップＳ９０１では、撮像装置１００は、合焦判定処理を開始する。ステップＳ９０２では、撮像素子部１０１は、主出力ポート２０５ａ，２０５ｂおよび副出力ポート２０９，２１０から、全単位画素２０１の撮像信号５０１を出力する。
【００７１】
ステップＳ９０３では、信号処理部１０３は、撮像信号５０１の画像を基に、合焦判定領域の水平方向（行方向）のＡＦ評価値を求め、合焦の有無を判定する。合焦判定領域は、合焦したい任意の矩形の領域である。信号処理部１０３は、合焦判定領域の水平方向のＡＦ評価値が第１の閾値より大きい場合には、合焦と判定し、ステップＳ９０７に進み、合焦判定領域の水平方向のＡＦ評価値が第１の閾値より大きくない場合には、非合焦と判定し、ステップＳ９０４に進む。
【００７２】
ステップＳ９０４では、信号処理部１０３は、撮像信号５０１の画像を基に、合焦判定領域の垂直方向（列方向）のＡＦ評価値を求め、合焦の有無を判定する。信号処理部１０３は、合焦判定領域の垂直方向のＡＦ評価値が第１の閾値より大きい場合には、合焦と判定し、ステップＳ９０７に進み、合焦判定領域の垂直方向のＡＦ評価値が第１の閾値より大きくない場合には、非合焦と判定し、ステップＳ９０５に進む。
【００７３】
ステップＳ９０５では、信号処理部１０３は、ステップＳ９０３またはＳ９０４で求めたＡＦ評価値が第２の閾値より大きい場合には、合焦判定領域の被写体は水平または垂直方向の鮮鋭度が高いので、ステップＳ９０６に進む。また、信号処理部１０３は、ステップＳ９０３およびＳ９０４で求めたＡＦ評価値の両方が第２の閾値より大きくない場合には、合焦判定領域の被写体は水平および垂直方向の鮮鋭度が低いので、ステップＳ９１０に進む。
【００７４】
ステップＳ９０６では、信号処理部１０３は、ステップＳ９０３およびＳ９０４で求めたＡＦ評価値を比較し、どちらのＡＦ評価値が大きいかを判定する。信号処理部１０３は、水平方向のＡＦ評価値が垂直方向の評価値より大きい場合には、ステップＳ９０８に進み、垂直方向のＡＦ評価値が水平方向の評価値より大きい場合には、ステップＳ９０９に進む。
【００７５】
ステップＳ９０７では、撮像素子部１０１は、次フレームでも、主出力ポート２０５ａ，２０５ｂおよび副出力ポート２０９，２１０から、全単位画素２０１の撮像信号５０１を出力し、ステップＳ９１３に進む。
【００７６】
ステップＳ９０８では、撮像素子部１０１は、次フレームでは、位相差検出信号５０２と撮像信号５０１を出力し、ステップＳ９１１に進む。撮像素子部１０１は、図６（ｂ）のように、時刻ｔ６１３で位相差検出信号５０２を出力し、時刻ｔ６２０で撮像信号５０１を出力する。ステップＳ９１１では、信号処理部１０３は、測距処理を行う。具体的には、信号処理部１０３は、撮像信号５０１から位相差検出信号５０２を減算することにより、位相差検出信号５０３を求める。そして、信号処理部１０３は、合焦判定領域の位相差検出信号５０２と位相差検出信号５０３の位相差からデフォーカス量を求め、ステップＳ９１２に進む。
【００７７】
ステップＳ９０９では、撮像素子部１０１は、次フレームでは、位相差検出信号５０４と撮像信号５０１を出力し、ステップＳ９１１に進む。撮像素子部１０１は、図６（ｃ）のように、時刻ｔ６１３で位相差検出信号５０４を出力し、時刻ｔ６２０で撮像信号５０１を出力する。ステップＳ９１１では、信号処理部１０３は、測距処理を行う。具体的には、信号処理部１０３は、撮像信号５０１から位相差検出信号５０４を減算することにより、位相差検出信号５０５を求める。そして、信号処理部１０３は、合焦判定領域の位相差検出信号５０４と位相差検出信号５０５の位相差からデフォーカス量を求め、ステップＳ９１２に進む。
【００７８】
ステップＳ９１０では、撮像素子部１０１は、次フレームでは、位相差検出信号５０２と位相差検出信号５０４と撮像信号５０１を出力し、ステップＳ９１１に進む。撮像素子部１０１は、画素群７０２の単位画素２０１については、図６（ｂ）のように、時刻ｔ６１３で位相差検出信号５０２を出力し、時刻ｔ６２０で撮像信号５０１を出力する。また、撮像素子部１０１は、画素群７０３の単位画素２０１については、図６（ｃ）のように、時刻ｔ６１３で位相差検出信号５０４を出力し、時刻ｔ６２０で撮像信号５０１を出力する。ステップＳ９１１では、信号処理部１０３は、測距処理を行う。具体的には、信号処理部１０３は、撮像信号５０１から位相差検出信号５０２を減算することにより、位相差検出信号５０３を求め、合焦判定領域の位相差検出信号５０２と位相差検出信号５０３の位相差から水平方向のデフォーカス量を求める。また、信号処理部１０３は、撮像信号５０１から位相差検出信号５０４を減算することにより、位相差検出信号５０５を求め、合焦判定領域の位相差検出信号５０４と位相差検出信号５０５の位相差から垂直方向のデフォーカス量を求め、ステップＳ９１２に進む。
【００７９】
ステップＳ９１２では、同期制御部１０７は、ステップＳ９１１で求めたデフォーカス量に基づく制御信号を生成し、その制御信号を光学駆動回路部１１０に出力する。光学駆動回路部１１０は、測距の目標値へ向けてフォーカスモータを制御し、光学系１０９のフォーカスレンズを移動させる。同期制御部１０７と光学駆動回路部１１０は、デフォーカス量を基に、光学系１０９のフォーカスレンズの焦点調節を行う。
【００８０】
ステップＳ９１３では、信号処理部１０３は、撮像信号５０１を画像表示部１０４へ出力する。画像表示部１０４は、撮像信号５０１に基づく画像を表示する。
【００８１】
ステップＳ９１４では、撮像装置１００は、合焦処理を継続するか判定する。撮像装置１００は、ステップＳ９０３またはＳ９０４で合焦の判定がされた場合には、ステップＳ９１５に進み、ステップＳ９０４で非合焦の判定がされた場合には、ステップＳ９０２に戻る。ステップＳ９１５では、撮像装置１００は、合焦判定処理を終了する。
【００８２】
以上に示す通り、撮像素子部１０１は、４分割したフォトダイオード３０１ａ〜３０１ｄを有する単位画素２０１を有する。信号処理部１０３は、撮像信号５０１を基に、ステップＳ９０３で水平方向のＡＦ評価値を求め、ステップＳ９０４で垂直方向のＡＦ評価値を求める。撮像素子部１０１は、水平方向と垂直方向のＡＦ評価値に応じて、ステップＳ９０７〜Ｓ９１０では、撮像信号５０１、位相差検出信号５０２または位相差検出信号５０４を出力する。ステップＳ９１１では、信号処理部１０３は、撮像素子部１０１が出力する撮像信号５０１、位相差検出信号５０２または位相差検出信号５０４を基に、デフォーカス量を求める。ステップＳ９１２では、光学駆動回路部１１０は、デフォーカス量に応じて、光学系１０９のフォーカスレンズを移動させる。これにより、撮像装置１００は、高精度で自動焦点調節を行うことができる。
【００８３】
撮像素子部１０１は、行単位で、単位画素２０１の動作モードを図６（ａ）〜（ｃ）のいずれかに制御することができるので、高密度の位相差検出信号を出力でき、高精度で自動焦点調節を行うことができる。撮像素子部１０１は、ステップＳ９０２の直前フレームの撮像信号５０１を基に、ステップＳ９０７〜Ｓ９１０の現フレームで出力する位相差検出信号を決定できるため、高速に自動焦点調節を行うことができる。
【００８４】
（第２の実施形態）
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る撮像装置１００の構成例を示すブロック図である。図１０の撮像装置１００は、図１の撮像装置１００に対して、撮像素子部１０１、信号処理部１０３および光学駆動回路部１１０の代わりに、撮像素子部１００１、信号処理部１００３および光学駆動回路部１０１０を設けたものである。
【００８５】
撮像素子部１００１は、図１の撮像素子部１０１の機能に加え、位相差検出信号からフォーカスレンズ移動量を求め、光学駆動回路部１０１０へフォーカスレンズ移動量を出力する。信号処理部１００３は、図１の信号処理部１０３の機能に加え、ＡＦ評価値の演算に使用する画像の領域を、撮像素子部１００１へ出力する。光学駆動回路部１０１０は、図１の光学駆動回路部１１０の機能に加え、撮像素子部１００１からのフォーカスレンズ移動量に従い、光学系１０９のフォーカスレンズを駆動する。
【００８６】
図１１は、図１０の撮像素子部１００１の構成例を示す図である。撮像素子部１００１は、２次元行列状に配列された複数の画素１１０１ａ〜１１０１ｄを有する。２行２列の４個の画素１１０１ａ〜１１０１ｄは、周期的に配列されている。垂直走査回路１１０６は、垂直走査回路２０６と同様に、画素１１０１ａ〜１１０１ｄを制御する。単位画素１１０９は、４個の画素１１０１ａ〜１１０１ｄを有し、図４のマイクロレンズ４０１とカラーフィルタ４０２を共有する。単位画素１１０９内の画素１１０１ａ〜１１０１ｄの信号をすべて加算すると、撮像信号になり、一部の信号を加算すると、位相差検出信号になる。
【００８７】
信号出力線１１０２ａは、画素１１０１ａの出力信号を読み出し回路１１０７に出力する。信号出力線１１０２ｂは、画素１１０１ｂの出力信号を読み出し回路１１０７に出力する。信号出力線１１０２ｃは、画素１１０１ｃの出力信号を読み出し回路１１０７に出力する。信号出力線１１０２ｄは、画素１１０１ｄの出力信号を読み出し回路１１０７に出力する。信号出力線１１０２ａ〜１１０２ｄには、それぞれ、定電流源１１０３が接続されている。
【００８８】
制御線１１０４は、水平走査回路１１０８と読み出し回路１１０７とを接続する。出力ポート１１０５は、演算回路１１１１に接続される。読み出し回路１１０７は、読み出し回路２０７と同様に、信号出力線１１０２ａ〜１１０２ｄの信号をサンプルホールドし、ＡＤ変換する。メモリ１１１０は、ＲＡＭであり、読み出し回路１１０７から出力された画素１１０１ａ〜１１０１ｄの信号を記憶する。演算回路１１１１は、メモリ１１１０に接続され、メモリ１１１０に記憶されている画素１１０１ａ〜１１０１ｄの信号を加算することにより、撮像信号と位相差検出信号を求める。そして、演算回路１１１１は、出力ポート１１０５を介して信号処理部１００３に撮像信号を出力する。
【００８９】
合焦評価回路１１１２は、図９のステップＳ９０３〜Ｓ９０６と同様に、演算回路１１１１からの撮像信号からＡＦ評価値を求め、合焦の有無、および、位相差検出の方向判定を行う。演算回路１１１１は、合焦処理が必要と判断した場合、図９のステップＳ９０８〜Ｓ９１０と同様に、位相差検出信号を合焦処理回路１１１３へ出力する。
【００９０】
合焦処理回路１１１３は、位相差検出信号からフォーカスレンズの移動量を求め、その移動量を光学回路部１０１０への制御信号に変換する。制御信号出力ポート１１１４は、合焦処理回路１１１３からの制御信号を、光学駆動回路部１０１０へ出力する。
【００９１】
図１２は、画素１１０１ａ〜１１０１ｄの構成例を示す回路図である。単位画素１１０９は、４個の画素１１０１ａ〜１１０１ｄを有し、図４のマイクロレンズ４０１とカラーフィルタ４０２を共有する。
【００９２】
画素１１０１ａは、フォトダイオード１２０１ａと、転送トランジスタ１２０２ａと、ＦＤ１２０３ａと、ＳＦトランジスタ１２０４ａと、選択トランジスタ１２０５ａと、リセットトランジスタ１２０６ａとを有する。フォトダイオード１２０１ａは、光を電荷に変換して蓄積する光電変換部である。ＦＤ１２０３ａは、電荷を蓄積する電荷蓄積部である。転送トランジスタ１２０２ａは、制御線Ｔｘｎの信号レベルに応じて、フォトダイオード１２０１ａにより変換された電荷をＦＤ１２０３ａに転送する転送スイッチである。ＳＦトランジスタ１２０４ａは、ＦＤ１２０３ａの電荷量に応じた電圧を出力する。選択トランジスタ１２０５ａは、制御線ＳＥＬｎの信号レベルに応じて、ＳＦトランジスタ１２０４ａの出力ノードを信号出力線１１０２ａに接続する。リセットトランジスタ１２０６ａは、制御線ＲＥＳｎの信号レベルに応じて、ＦＤ１２０３ａを電源電圧ＶＤＤにリセットする。
【００９３】
画素１１０１ｂは、フォトダイオード１２０１ｂと、転送トランジスタ１２０２ｂと、ＦＤ１２０３ｂと、ＳＦトランジスタ１２０４ｂと、選択トランジスタ１２０５ｂと、リセットトランジスタ１２０６ｂとを有する。フォトダイオード１２０１ｂは、光を電荷に変換して蓄積する光電変換部である。ＦＤ１２０３ｂは、電荷を蓄積する電荷蓄積部である。転送トランジスタ１２０２ｂは、制御線Ｔｘｎの信号レベルに応じて、フォトダイオード１２０１ｂにより変換された電荷をＦＤ１２０３ｂに転送する転送スイッチである。ＳＦトランジスタ１２０４ｂは、ＦＤ１２０３ｂの電荷量に応じた電圧を出力する。選択トランジスタ１２０５ｂは、制御線ＳＥＬｎの信号レベルに応じて、ＳＦトランジスタ１２０４ｂの出力ノードを信号出力線１１０２ｂに接続する。リセットトランジスタ１２０６ｂは、制御線ＲＥＳｎの信号レベルに応じて、ＦＤ１２０３ｂを電源電圧ＶＤＤにリセットする。
【００９４】
画素１１０１ｃは、フォトダイオード１２０１ｃと、転送トランジスタ１２０２ｃと、ＦＤ１２０３ｃと、ＳＦトランジスタ１２０４ｃと、選択トランジスタ１２０５ｃと、リセットトランジスタ１２０６ｃとを有する。フォトダイオード１２０１ｃは、光を電荷に変換して蓄積する光電変換部である。ＦＤ１２０３ｃは、電荷を蓄積する電荷蓄積部である。転送トランジスタ１２０２ｃは、制御線Ｔｘｎ＋１の信号レベルに応じて、フォトダイオード１２０１ｃにより変換された電荷をＦＤ１２０３ｃに転送する転送スイッチである。ＳＦトランジスタ１２０４ｃは、ＦＤ１２０３ｃの電荷量に応じた電圧を出力する。選択トランジスタ１２０５ｃは、制御線ＳＥＬｎ＋１の信号レベルに応じて、ＳＦトランジスタ１２０４ｃの出力ノードを信号出力線１１０２ｃに接続する。リセットトランジスタ１２０６ｃは、制御線ＲＥＳｎ＋１の信号レベルに応じて、ＦＤ１２０３ｃを電源電圧ＶＤＤにリセットする。
【００９５】
画素１１０１ｄは、フォトダイオード１２０１ｄと、転送トランジスタ１２０２ｄと、ＦＤ１２０３ｄと、ＳＦトランジスタ１２０４ｄと、選択トランジスタ１２０５ｄと、リセットトランジスタ１２０６ｄとを有する。フォトダイオード１２０１ｄは、光を電荷に変換して蓄積する光電変換部である。ＦＤ１２０３ｄは、電荷を蓄積する電荷蓄積部である。転送トランジスタ１２０２ｄは、制御線Ｔｘｎ＋１の信号レベルに応じて、フォトダイオード１２０１ｄにより変換された電荷をＦＤ１２０３ｄに転送する転送スイッチである。ＳＦトランジスタ１２０４ｄは、ＦＤ１２０３ｄの電荷量に応じた電圧を出力する。選択トランジスタ１２０５ｄは、制御線ＳＥＬｎ＋１の信号レベルに応じて、ＳＦトランジスタ１２０４ｄの出力ノードを信号出力線１１０２ｄに接続する。リセットトランジスタ１２０６ｄは、制御線ＲＥＳｎ＋１の信号レベルに応じて、ＦＤ１２０３ｄを電源電圧ＶＤＤにリセットする。
【００９６】
単位画素１１０９は、行列状に配列されている画素１１０１ａ〜１１０１ｄを有する。画素１１０１ｂ（フォトダイオード１２０１ｂ）は、画素１１０１ａ（フォトダイオード１２０１ａ）に対して行方向に並んでいる。画素１１０１ｃ（フォトダイオード１２０１ｃ）は、画素１１０１ａ（フォトダイオード１２０１ａ）に対して列方向に並んでいる。画素１１０１ｄ（フォトダイオード１２０１ｄ）は、画素１１０１ｂ（フォトダイオード１２０１ｂ）に対して列方向に並び、画素１１０１ｃ（フォトダイオード１２０１ｃ）に対して行方向に並んでいる。
【００９７】
図１３は、撮像素子部１００１の制御方法を示すタイミングチャートである。時刻ｔ１３０１では、垂直走査回路１１０６は、信号ΦＳＥＬｎおよびΦＳＥＬｎ＋１をハイレベルにする。すると、第ｎ行および第ｎ＋１行の画素１１０１ａ〜１１０１ｄでは、選択トランジスタ１２０５ａ〜１２０５ｄはオンし、ＳＦトランジスタ１２０４ａ〜１２０４ｄの出力ノードが信号出力線１１０２ａ〜１１０２ｄにそれぞれ接続される。
【００９８】
時刻ｔ１３０２では、垂直走査回路１１０６は、信号ΦＲＥＳｎおよびΦＲＥＳｎ＋１をハイレベルにする。すると、画素１１０１ａ〜１１０１ｄでは、リセットトランジスタ１２０６ａ〜１２０６ｄは、ＦＤ１２０３ａ〜１２０３ｄのリセットを開始する。
【００９９】
時刻ｔ１３０３では、垂直走査回路１１０６は、信号ΦＲＥＳｎおよびΦＲＥＳｎ＋１をローレベルにする。すると、画素１１０１ａ〜１１０１ｄでは、リセットトランジスタ１２０６ａ〜１２０６ｄは、ＦＤ１２０３ａ〜１２０３ｄのリセットを終了する。画素１１０１ａ〜１１０１ｄは、それぞれ、信号出力線１１０２ａ〜１１０２ｄに対して、リセット解除に基づくＮ信号を出力する。
【０１００】
時刻ｔ１３０４では、読み出し回路１１０７内のサンプルホールド回路は、信号出力線１１０２ａ〜１１０２ｄのＮ信号に対して、サンプルホールドを開始する。時刻ｔ１３０５では、読み出し回路１１０７内のサンプルホールド回路は、信号出力線１１０２ａ〜１１０２ｄのＮ信号に対して、サンプルホールドを終了する。
【０１０１】
時刻ｔ１３０６では、読み出し回路１１０７内のＡＤ変換回路は、サンプルホールドされたＮ信号に対して、アナログデジタル変換を開始する。時刻ｔ１３０７では、読み出し回路１１０７内のＡＤ変換回路は、サンプルホールドされたＮ信号に対して、アナログデジタル変換を終了し、デジタルのＮ信号を得る。メモリ１１１０は、デジタルの信号を記憶する。
【０１０２】
時刻ｔ１３０８では、垂直走査回路１１０６は、信号ΦＴｘｎおよびΦＴｘｎ＋１をハイレベルにする。すると、画素１１０１ａ〜１１０１ｄでは、転送トランジスタ１２０２ａ〜１２０２ｄは、フォトダイオード１２０１ａ〜１２０１ｄからＦＤ１２０３ａ〜１２０３ｄへの電荷転送を開始する。
【０１０３】
時刻ｔ１３０９では、垂直走査回路１１０６は、信号ΦＴｘｎおよびΦＴｘｎ＋１をローレベルにする。すると、画素１１０１ａ〜１１０１ｄでは、転送トランジスタ１２０２ａ〜１２０２ｄは、フォトダイオード１２０１ａ〜１２０１ｄからＦＤ１２０３ａ〜１２０３ｄへの電荷転送を終了する。画素１１０１ａ〜１１０１ｄは、それぞれ、信号出力線１１０２ａ〜１１０２ｄに対して、フォトダイオード１２０１ａ〜１２０１ｄの光電変換に基づくＳ信号を出力する。
【０１０４】
時刻ｔ１３１０では、読み出し回路１１０７内のサンプルホールド回路は、信号出力線１１０２ａ〜１１０２ｄのＳ信号に対して、サンプルホールドを開始する。時刻ｔ１３１１では、読み出し回路１１０７内のサンプルホールド回路は、信号出力線１１０２ａ〜１１０２ｄのＳ信号に対して、サンプルホールドを終了する。
【０１０５】
時刻ｔ１３１２では、読み出し回路１１０７内のＡＤ変換回路は、サンプルホールドされたＳ信号に対して、アナログデジタル変換を開始する。時刻ｔ１３１３では、読み出し回路１１０７内のＡＤ変換回路は、サンプルホールドされたＳ信号に対して、アナログデジタル変換を終了し、デジタルのＳ信号を得る。メモリ１１１０は、デジタルのＳ信号を記憶する。
【０１０６】
時刻ｔ１３１４では、垂直走査回路１１０６は、信号ΦＳＥＬｎおよびΦＳＥＬｎ＋１をローレベルにする。すると、第ｎ行および第ｎ＋１行の画素１１０１ａ〜１１０１ｄでは、選択トランジスタ１２０５ａ〜１２０５ｄがオフし、ＳＦトランジスタ１２０４ａ〜１２０４ｄの出力ノードが信号出力線１１０２ａ〜１１０２ｄから切断される。
【０１０７】
以上のように、単位画素１１０９の画素１１０１ａ〜１１０１ｄの信号は、同時に読み出される。読み出し回路１１０７は、画素１１０１ａ〜１１０１ｄ毎に、デジタルのＳ信号とデジタルのＮ信号との差分を画素１１０１ａ〜１１０１ｄの信号として出力する。演算回路１１１１は、図５（ａ）と同様に、画素１１０１ａ〜１１０１ｄの信号を加算することにより、撮像信号５０１を求める。また、演算回路１１１１は、図５（ｂ）と同様に、画素１１０１ａおよび１１０１ｃの信号を加算することにより位相差検出信号５０２を求め、画素１１０１ｂおよび１１０１ｄの信号を加算することにより位相差検出信号５０３を求める。また、演算回路１１１１は、図５（ｃ）と同様に、画素１１０１ａおよび１１０１ｂの信号を加算することにより位相差検出信号５０４を求め、画素１１０１ｃおよび１１０１ｄの信号を加算することにより位相差検出信号５０５を求める。
【０１０８】
演算回路１１１１は、撮像信号５０１を、出力ポート１１０５経由で信号処理部１１０３に出力する。また、演算回路１１１１は、位相差検出信号５０２〜５０５を合焦処理回路１１１３へ出力する。
【０１０９】
図１４は、本実施形態に係る撮像装置１００の制御方法を示すフローチャートである。ステップＳ１４０１では、撮像装置１００は、合焦判定処理を開始する。ステップＳ１４０２では、演算回路１１１１は、単位画素１１０９毎に、画素１１０１ａ〜１１０１ｄの信号を加算することにより撮像信号５０１を求め、撮像信号５０１を合焦評価回路１１１２および出力ポート１１０５に出力する。
【０１１０】
ステップＳ１４０３では、合焦評価回路１１１２は、撮像信号５０１の画像を基に、合焦判定領域の水平方向のＡＦ評価値を求め、合焦の有無を判定する。合焦評価回路１１１２は、合焦判定領域の水平方向のＡＦ評価値が第１の閾値より大きい場合には、合焦と判定し、ステップＳ１４０７に進み、合焦判定領域の水平方向のＡＦ評価値が第１の閾値より大きくない場合には、非合焦と判定し、ステップＳ１４０４に進む。
【０１１１】
ステップＳ１４０４では、合焦評価回路１１１２は、撮像信号５０１の画像を基に、合焦判定領域の垂直方向のＡＦ評価値を求め、合焦の有無を判定する。合焦評価回路１１１２は、合焦判定領域の垂直方向のＡＦ評価値が第１の閾値より大きい場合には、合焦と判定し、ステップＳ１４０７に進み、合焦判定領域の垂直方向のＡＦ評価値が第１の閾値より大きくない場合には、非合焦と判定し、ステップＳ１４０５に進む。
【０１１２】
ステップＳ１４０５では、合焦評価回路１１１２は、ステップＳ１４０３またはＳ１４０４で求めたＡＦ評価値が第２の閾値より大きい場合には、合焦判定領域の被写体は水平または垂直方向の鮮鋭度が高いので、ステップＳ１４０６に進む。また、合焦評価回路１１１２は、ステップＳ１４０３およびＳ１４０４で求めたＡＦ評価値の両方が第２の閾値より大きくない場合には、合焦判定領域の被写体は水平および垂直方向の鮮鋭度が低いので、ステップＳ１４１０に進む。
【０１１３】
ステップＳ１４０６では、合焦評価回路１１１２は、ステップＳ１４０３およびＳ１４０４で求めたＡＦ評価値を比較し、どちらのＡＦ評価値が大きいかを判定する。合焦評価回路１１１２は、水平方向のＡＦ評価値が垂直方向の評価値より大きい場合には、ステップＳ１４０８に進み、垂直方向のＡＦ評価値が水平方向の評価値より大きい場合には、ステップＳ１４０９に進む。
【０１１４】
ステップＳ１４０７では、演算回路１１１１は、次フレームでも、単位画素１１０９毎に、画素１１０１ａ〜１１０１ｄの信号を加算することにより撮像信号５０１を求め、撮像信号５０１を出力ポート１１０５に出力し、ステップＳ１４１３に進む。
【０１１５】
ステップＳ１４０８では、演算回路１１１１は、次フレームでは、画素１１０１ａ〜１１０１ｄの信号を加算することにより撮像信号５０１を求める。また、演算回路１１１１は、画素１１０１ａおよび１１０１ｃの信号を加算することにより位相差検出信号５０２を求め、画素１１０１ｂおよび１１０１ｄの信号を加算することにより位相差検出信号５０３を求める。演算回路１１１１は、撮像信号５０１を出力ポート１１０５に出力し、位相差検出信号５０２および５０３を合焦処理回路１１１３に出力し、ステップＳ１４１１に進む。ステップＳ１４１１では、合焦処理回路１１１３は、測距処理を行う。具体的には、合焦処理回路１１１３は、合焦判定領域の位相差検出信号５０２と位相差検出信号５０３の位相差からデフォーカス量を求め、ステップＳ１４１２に進む。
【０１１６】
ステップＳ１４０９では、演算回路１１１１は、次フレームでは、画素１１０１ａ〜１１０１ｄの信号を加算することにより撮像信号５０１を求める。また、演算回路１１１１は、画素１１０１ａおよび１１０１ｂの信号を加算することにより位相差検出信号５０４を求め、画素１１０１ｃおよび１１０１ｄの信号を加算することにより位相差検出信号５０５を求める。演算回路１１１１は、撮像信号５０１を出力ポート１１０５に出力し、位相差検出信号５０４および５０５を合焦処理回路１１１３に出力し、ステップＳ１４１１に進む。ステップＳ１４１１では、合焦処理回路１１１３は、測距処理を行う。具体的には、合焦処理回路１１１３は、合焦判定領域の位相差検出信号５０４と位相差検出信号５０５の位相差からデフォーカス量を求め、ステップＳ１４１２に進む。
【０１１７】
ステップＳ１４１０では、演算回路１１１１は、次フレームでは、画素１１０１ａ〜１１０１ｄの信号を加算することにより撮像信号５０１を求める。また、演算回路１１１１は、画素１１０１ａおよび１１０１ｃの信号を加算することにより位相差検出信号５０２を求め、画素１１０１ｂおよび１１０１ｄの信号を加算することにより位相差検出信号５０３を求める。また、演算回路１１１１は、画素１１０１ａおよび１１０１ｂの信号を加算することにより位相差検出信号５０４を求め、画素１１０１ｃおよび１１０１ｄの信号を加算することにより位相差検出信号５０５を求める。演算回路１１１１は、撮像信号５０１を出力ポート１１０５に出力し、位相差検出信号５０２〜５０５を合焦処理回路１１１３に出力し、ステップＳ１４１１に進む。ステップＳ１４１１では、合焦処理回路１１１３は、測距処理を行う。具体的には、合焦処理回路１１１３は、合焦判定領域の位相差検出信号５０２と位相差検出信号５０３の位相差から水平方向のデフォーカス量を求める。また、合焦処理回路１１１３は、合焦判定領域の位相差検出信号５０４と位相差検出信号５０５の位相差から垂直方向のデフォーカス量を求め、ステップＳ１４１２に進む。
【０１１８】
ステップＳ１４１２では、合焦処理回路１１１３は、ステップＳ１４１１で求めたデフォーカス量に基づく制御信号を生成し、その制御信号を光学駆動回路部１０１０に出力する。光学駆動回路部１０１０は、測距の目標値へ向けてフォーカスモータを制御し、光学系１０９のフォーカスレンズを移動させる。合焦処理回路１１１３と光学駆動回路部１０１０は、デフォーカス量を基に、光学系１０９のフォーカスレンズの焦点調節を行う。
【０１１９】
ステップＳ１４１３では、信号処理部１００３は、撮像信号５０１を画像表示部１０４へ出力する。画像表示部１０４は、撮像信号５０１に基づく画像を表示する。
【０１２０】
ステップＳ１４１４では、撮像装置１００は、合焦処理を継続するか判定する。撮像装置１００は、ステップＳ１４０３またはＳ１４０４で合焦の判定がされた場合には、ステップＳ１４１５に進み、ステップＳ１４０４で非合焦の判定がされた場合には、ステップＳ１４０２に戻る。ステップＳ１４１５では、撮像装置１００は、合焦判定処理を終了する。
【０１２１】
以上のように、撮像素子部１００１は、演算回路１１１１と合焦評価回路１１１２と合焦処理回路１１１３を有し、信号処理部１００３を介さずに、直接、光学駆動回路部１０１０に制御信号を出力することができる。本実施形態は、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１２２】
第１および第２の実施形態によれば、撮像装置１００は、水平方向および垂直方向のＡＦ評価値から、位相差検出信号の出力の有無および適切な方向の位相差検出信号を判定することができるので、速やかに精度の高い焦点調節を行うことができる。
【０１２３】
撮像装置１００は、デジタルカメラ、ビデオカメラの他、スマートフォン、タブレット、工業用カメラ、医療用カメラ、車載カメラ等に適用可能である。
【０１２４】
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、また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】
【０１２５】
１０１，１００１  撮像素子部、１０３，１００３  信号処理部、２０１，１１０９  単位画素、１１０１ａ〜１１０１ｄ  画素、２０２，１１０２ａ〜１１０２ｂ  信号出力線、１１１０  メモリ、１１１１  演算回路、１１１２  合焦評価回路、１１１３  合焦処理回路
【図１】
2019220815.tif 000003
【図２】
2019220815.tif 000004
【図３】
2019220815.tif 000005
【図４】
2019220815.tif 000006
【図５】
2019220815.tif 000007
【図６】
2019220815.tif 000008
【図７】
2019220815.tif 000009
【図８】
2019220815.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2019220815.tif 000012
【図１１】
2019220815.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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