(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、色分解フィルタを形成した画素と、色分解フィルタを形成していない画素とを有する撮像装置であって、
前記色分解フィルタを形成した画素の光電変換領域を、前記色分解フィルタを形成していない画素の光電変換領域よりも大きくすると共に、前記色分解フィルタを形成した画素からの電気信号に基づいて画像を形成し、前記色分解フィルタを形成していない画素からの電気信号に基づいて焦点検出を行い、
更に、前記色分解フィルタを形成した画素からの電気信号で色差信号を形成し、前記色分解フィルタを形成していない画素からの電気信号で輝度信号を形成し輝度を決定することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記色分解フィルタを形成していない画素の光電変換領域は複数に分割されており、当該各光電変換部から選択的に電気信号を出力することによって輝度調整を行うことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記色分解フィルタを形成していない画素の光電変換領域は、少なくとも２種類の大きさがあり、互いに異なる大きさの光電変換領域から出力される電気信号に基づいて画像の輝度調整を行うことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項４】
前記色分解フィルタを形成していない画素側に前記電気信号の転送先のフローティングディフュージョン領域を形成していることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項５】
前記各画素の形状は矩形又は六角形であることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項６】
前記色分解フィルタは、赤色透過フィルタ、青色透過フィルタ、緑色透過フィルタの組み合わせであり、前記赤色透過フィルタを形成した画素と前記青色透過フィルタを形成した画素とを対角状に配列し、前記緑色透過フィルタを形成した画素と前記色分解フィルタを形成していない画素とを対角状に配列することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像装置と、前記撮像装置からの電気信号を読み出して画像を形成する画像形成装置とを備えることを特徴とする撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置及びシステムに関し、特に、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の撮像装置及びシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、デジタルカメラ等に用いる撮像装置は、カラーの画像を得るために、２次元に配列された画素と、被写体からの光を画素に集める撮像レンズとの間にカラーフィルタが配列されている。
【０００３】
図１７は、従来のカラーフィルタ配列の概略図である。ここでは、いわゆるベイヤ配列を示している。Ｒ，Ｇ，Ｂは、それぞれ赤色透過フィルタ、緑色透過フィルタ、青色透過フィルタである。
【０００４】
ここで、図１７に示すようなカラーフィルタが配列された撮像装置からの信号を用いて、撮像だけでなく、焦点検出も行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術は、カラーの画像を得るために、カラーフィルタが配列されているため、各画素から出力される信号のレベルは、カラーフィルタが配列されていない場合に比して低くなる。具体的には約１／３になる。
【０００６】
そこで、本発明は、カラーフィルタの配列を工夫して、撮像と焦点検出との双方を都合よく行えるようにすることを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、少なくとも、色分解フィルタを形成した画素と、色分解フィルタを形成していない画素とを有する撮像装置であって、前記色分解フィルタを形成した画素の光電変換領域を、前記色分解フィルタを形成していない画素の光電変換領域よりも大きくすると共に、前記色分解フィルタを形成した画素からの電気信号に基づいて画像を形成し、前記色分解フィルタを形成していない画素からの電気信号に基づいて焦点検出を行い、更に、前記色分解フィルタを形成した画素からの電気信号で色差信号を形成し、前記色分解フィルタを形成していない画素からの電気信号で輝度信号を形成し輝度を決定することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の撮像システムは、上記撮像装置と、前記撮像装置からの電気信号を読み出して画像を形成する画像形成装置とを備える。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００１０】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１のデジタルスチルカメラ１の模式的な構成図である。図１に示すデジタルスチルカメラ１は、被写体からの光を集める凸レンズ５ａ，凹レンズ５ｂ及び絞り手段５３を有する撮影レンズ５と、撮影レンズ５を動かす撮影レンズ駆動手段５１と、撮影レンズ５の予定結像面に配置されているイメージセンサ１０と、イメージセンサ１０の駆動を制御するイメージセンサ制御回路２１と、イメージセンサ１０からの画像信号を処理する画像処理回路２４と、画像処理回路２４で処理された画像を表示する液晶表示素子９と、液晶表示素子９を駆動する液晶表示素子駆動回路２５と、液晶表示素子９に表示された被写体像を視るための接眼レンズ３、イメージセンサ１０からの画像信号を記録するメモリ回路２２と、画像処理回路２４で処理された画像をデジタルスチルカメラ１の外部に出力するためのインターフェイス回路２３と、イメージセンサ制御回路２１，メモリ回路２２，インターフェイス回路２３，画像処理回路２４，５１の動作を制御すると共に焦点検出のための演算を行うＣＰＵ２０とを備えている。
【００１１】
なお、図１には、２枚のレンズ５ａ，５ｂを便宜上図示しているが、実際は多数枚のレンズで構成されている。
【００１２】
図２は、図１のイメージセンサ１０の概略を示す平面図である。図２には、６行６列の画素を配列した様子を示しているが、実際には、用途に応じた数の画素が配列されている。「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」は各画素のカラーフィルタの色相、赤、緑、青を示している。また、同一の色相の画素は千鳥状に配列しており、撮影画像の解像感を向上させている。
【００１３】
ここでは、ベイヤ配列に近い配列を示している。ベイヤ配列との違いは、「Ｇ」が少ない点である。このため、通常画像の撮影時は「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の画素出力で色差信号を生成し、カラーフィルタが形成されていない画素の画素出力で輝度信号を生成している。
【００１４】
なお、図１５に示すように、画素の形状を例えば六角形にしてもよく、またベイヤ配列と異なる他の配列に近い配列としてもよい。
【００１５】
図３（ａ），図３（ｂ）は、それぞれ図２の画素（０，０），（１，０）の拡大図である。画素（０，０），（１，０）は光電変換部ＳB及びＳWを備えており、図示しているように画素（０，０）の光電変換部ＳBの方の面積を、画素（１，０）の光電変換部ＳWの面積よりも大きくしている。
【００１６】
本実施形態では、画素（０，１），（１，１）の光電変換部ＳG，ＳRの面積も、光電変換部ＳBの面積と等しい大きさとしているが、ＲＧＢの出力レベルの差に応じて変えてもよい。なお、光電変換部の面積とは、画素の開口率で決まる実質的に光電変換が行われる光電変換領域の面積のことを意味する。
【００１７】
ここで、光電変換部ＳWの面積を、他の光電変換部ＳG，ＳR，ＳBに比して小さくしているのは、この画素は、他の画素に比して受光効率が高いため、蓄積している電荷が飽和することを防止するためである。
【００１８】
光電変換部ＳWの面積と、光電変換部ＳG，ＳR，ＳBの面積との比は、光透過率に基づいて決定している。カラーフィルタの光透過率は約１／３であるので、光電変換部ＳWの面積を光電変換部ＳG，ＳR，ＳBの面積の１／３程度としている。
【００１９】
ちなみに、光電変換部ＳWの面積をこれよりも小さくすると、低輝度の被写体に対してＳ／Ｎ比の高い画像が得にくくなるので、実際には、１／３以上としている。
【００２０】
以上をまとめると、本実施形態では、光電変換部ＳW，ＳR，ＳG，ＳBの面積は、次のようになる。
ＳB＝ＳG＝ＳR
ＳB＞ＳW≧ＳB／３
【００２１】
図１６は、図１のイメージセンサ１０の断面図である。図１６には、ＣＭＯＳイメージセンサを示している。なお、ここでは図３（ａ），図３（ｂ）に示す画素の断面を示している。
【００２２】
１１７はＰ型ウェル、１１８はＭＯＳのゲート絶縁膜であるＳｉＯ2膜である。１２６G，１２６Wは表面Ｐ+層であり、ｎ層１２５G，１２５Wと共に光電変換部１０１G，１０１Wを構成している。
【００２３】
また、１２０G，１２０Wは光電変換部１０１G，１０１Sに蓄積された光電荷をフローティングディフュージョン部（以下、「ＦＤ部」と称する。）１２１へ転送するための転送ゲートである。
【００２４】
さらに、１２９はカラーフィルタ、１３０はマイクロレンズで、マイクロレンズ１３０は撮影レンズ５の瞳とイメージセンサ１０の光電変換部１０１とが共役になるような形状及び位置に形成されている。
【００２５】
ここで、ＦＤ部１２１は、画素（１，０）側に配置している。これは、ｎ層１２５Gに比してｎ層１２５Wの方を小さくしているので、ｎ層１２５W寄りにＦＤ部１２１を形成することで、イメージセンサ１０の小型化を図っている。なお、画素（０，１）、（１，１）と画素（１，０）との間にもＦＤ部が形成されており、これらのＦＤ部も画素（１，０）側に配置している。
【００２６】
図４は、図１のデジタルスチルカメラ１の動作を示すフローチャートである。
【００２７】
撮影者が、図１には図示しないデジタルスチルカメラ１のメインスイッチをオンすると(Ｓ２０１)、ＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に制御信号を送ってイメージセンサ１０で表示及び焦点状態検出のための撮像を行う(Ｓ２０２)。
【００２８】
イメージセンサ１０で撮像された画像信号は、画像処理回路２４でＡ／Ｄ変換された後に画像処理が行われる。このとき、イメージセンサ１０からの出力信号に基づいて色再現のために所定の画像処理が行われる。
【００２９】
画像処理が行われた画像信号は、撮影者が接眼レンズ３を通して被写体像を観察できるようにするために、液晶表示素子駆動回路２５に従って液晶表示素子９に表示される(Ｓ２０３)。
【００３０】
さらに、ＣＰＵ２０は、撮影レンズ５の焦点検出のための演算を行う。この演算は、イメージセンサ１０の出力に基づいて行われ、ここでは例えば被写体画像のコントラストのピークを探していくいわゆる山登り方式の焦点検出方法を採用している(Ｓ２０４)。
【００３１】
撮影レンズ５が合焦状態でなければ撮影レンズ５は合焦状態に近づけるために所定量駆動される。具体的には、ＣＰＵ２０は撮影レンズ駆動手段５１にレンズ駆動信号を送って、撮影レンズ５を所定量駆動する(Ｓ２０５)。
【００３２】
更にＣＰＵ２０は撮像画像を記録するための操作スイッチＳＷ２がオンされると(Ｓ２０６)、ＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に制御信号を送ってイメージセンサ１０によって本撮像を行う（Ｓ２０７）。
【００３３】
このとき、カラーフィルタが形成された画素の光電変換部は同じ大きさとしているので、感度低下することなく、またＳ／Ｎ比のよい色差信号を得ることができる。
【００３４】
カラーフィルタが形成されていない画素の光電変換部の面積はカラーフィルタが形成された画素の光電変換部の面積よりも小さくしているので、明るい被写体の場合もカラーフィルタが形成されていない画素の出力が飽和せずに輝度信号を出力できる。
【００３５】
画像処理回路２４において生成された画像は、液晶表示素子駆動回路２５に送られ液晶表示素子９に表示される(Ｓ２０８)。
【００３６】
同時に、ＣＰＵ２０は撮像された画像信号は、そのままデジタルスチルカメラ１のメモリ回路２２に記憶される(Ｓ２０９)。
【００３７】
撮影動作が終了し、撮影者がメインスイッチをオフすると(Ｓ２１０)、デジタルスチルカメラ１の電源が落ちる。
【００３８】
（実施形態２）
図５（ａ），図５（ｂ）は、本発明の実施形態２のデジタルスチルカメラ１の画素の説明図である。図５（ａ）には、図２でいうところの画素（０，０）を示している。図５（ｂ）には、図２でいうところの画素（１，０）を示している。
【００３９】
なお、他の部分の構成は、実施形態１と同様である。
【００４０】
画素（０，０）は光電変換部ＳBを備えており、画素（１，０）は中心を含む第１の光電変換部ＳW1とそれを取り囲む第２の光電変換部ＳW2とを備えている。
【００４１】
画素（１，０）は、第１の光電変換部ＳW1と第２の光電変換部ＳW2とを備えているので、これらの各信号に基づいて輝度を調整するようにしている。
【００４２】
なお、他の緑色及び赤色のカラーフィルタが形成された画素の光電変換部ＳG及びＳRの面積は、青色のカラーフィルタが形成された画素の光電変換部ＳBの面積と例えば同じにしている。
【００４３】
カラーフィルタが形成されていない画素はカラーフィルタが形成されている画素に比べて受光効率が高く同一の蓄積時間制御が行われると飽和してしまう場合があるため、カラーフィルタが形成されていない画素の光電変換部ＳW1及び ＳW2の面積の和は、カラーフィルタが形成されている画素の光電変換部ＳBの面積より小さく設定されている。
【００４４】
またカラーフィルタの光透過率はカラーフィルタが形成されていない場合の約１／３で、カラーフィルタが形成されていない画素の第１の光電変換部ＳW1の面積をカラーフィルタが形成されている画素の光電変換部ＳBの面積の１／３より小さくすると、カラーフィルタが形成されていない画素の出力がカラーフィルタが形成されている画素の出力より小さくなり低輝度の被写体に対してＳ／Ｎ比の高い画像が得にくくなる。
【００４５】
そこで、カラーフィルタが形成されていない画素の光電変換部ＳW1の面積をカラーフィルタが形成されている画素の光電変換部ＳBの面積の１／３以上の大きさに設定して良好な画像を得ている。
【００４６】
以上をまとめると、本実施形態では、光電変換部ＳW1，ＳW2，ＳR，ＳG，ＳBの面積は、次のようになる。
３×ＳW1≧ ＳB＝ＳG＝ＳR
（ＳW1＋ＳW2）＜ＳB＝ＳG＝ＳR
【００４７】
図６は、図５（ｂ）に示すカラーフィルタを備えるデジタルスチルカメラで輝度調整するときの手順を示すフローチャートである。図６には、図５で説明したステップＳ２０７に行われる輝度調整の手順を示している。
【００４８】
図４でいうところの撮像が指示されると(Ｓ２０７）、ＣＰＵ２０は前回撮像された画像に基づいて被写体輝度が所定の閾値より明るいかどうかを判別する(Ｓ２３０)。
【００４９】
被写体輝度が所定の閾値より明るいと判定された場合は、カラーフィルタが形成されていない画素では、第１の光電変換部ＳW1で発生した光電荷のみ出力されるように制御される。その結果、明るい被写体に対しても光電変換出力の飽和は発生せず、画像処理回路２４はその光電変換出力ＹW1を輝度信号Yと設定する(Ｓ２３１)。
【００５０】
一方、被写体輝度が所定の閾値より暗いと判定された場合には、第１の光電変換部ＳW1で発生した光電荷と第２の光電変換部ＳWで発生した光電荷とが画素内で加算されて出力されるように制御される。その結果暗い被写体に対しても十分な光電変換出力が得られ、画像処理回路２４はその光電変換出力（ＹW1＋ＹW2）を輝度信号Ｙと設定する(Ｓ２３３)。
【００５１】
それから、ＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に信号を送って撮像を実行する。
【００５２】
ここで、「Ｒ」，「Ｇ」，「Ｂ」で示した有色のカラーフィルタが形成された画素の出力で色差信号を生成し、「Ｗ」で示したカラーフィルタが形成されていない画素の出力で輝度信号を生成するようにしている。
【００５３】
各画素の光電変換部の白色光に対する感度Ｉは、カラーフィルタの透過率及び光電変換部の面積から、
（ＩW1＋ＩW2）＞ＩW1≧ ＩB≒ ＩG≒ ＩR
を満足するように構成されている。
【００５４】
ここで、ＩBは光電変換部ＳBの感度、ＩGは光電変換部ＳGの感度、ＩRは光電変換部ＳRの感度、ＩW1は第１の光電変換部の感度、ＩW2は第１の光電変換部を取り囲む第２の光電変換部の感度である。
【００５５】
以上のように、被写体輝度が高い場合は第１の光電変換部ＳW1の出力ＹW1だけに基づいて輝度信号を決定し、被写体輝度が低い場合は第１の光電変換部ＳW1の出力ＹW1と、第２の光電変換部ＳW2の出力ＹW2とに基づいて輝度信号を決定することにより、被写体輝度によらず良好な画像の再現を可能としている。
【００５６】
なお、本実施形態では、被写体輝度が明るい場合、第１の光電変換部ＳW1の出力ＹW1に基づいて輝度信号を決定する場合を例に説明したが、カラーフィルタが形成された画素の出力から求まる輝度信号を加味して輝度信号として決定してもよい。
【００５７】
（実施形態３）
図７は、本発明の実施形態３のデジタルスチルカメラ１の構成図である。図７において、５２は絞り手段５３を所定の絞り値に絞り込む絞り駆動手段、５０はレンズ駆動手段５１，絞り駆動手段５２の動作を制御するレンズＣＰＵ、２６はＣＰＵ２０からレンズＣＰＵ５０へ送られる焦点調整情報を中継する電気接点部である。
【００５８】
なお、図７において、図１と同様の部分には同一符号を付しているが、メモリ回路２２には撮影レンズ５の固有情報（開放Ｆ値、射出窓情報等）も記憶しており、撮影レンズ５はデジタルスチルカメラ本体１に対して着脱可能としている。
【００５９】
図８は、図７のイメージセンサ１０の概略を示す平面図であり、図２に対応するものである。図８には、１２行８列の画素を配列した様子を示しているが、実際には、用途に応じた数の画素が配列されている。
【００６０】
「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」は各画素のカラーフィルタの色相、赤、緑、青を示している。また、同一の色相の画素は千鳥状に配列しており、撮影画像の解像感を向上させている。本実施形態においても、ベイヤ配列に近い配列としている。
【００６１】
図９（ａ）〜図９（ｃ）は、それぞれ図８の画素（２，０），（０，２），（１，０）の拡大図であり、図３（ａ），図３（ｂ）に対応するものである。
【００６２】
図９（ａ）に示すように、画素（２，０）は図３（ａ）に示す画素（０，０）と同様の構成としている。他の緑色及び赤色のカラーフィルタが形成された画素の光電変換部ＳG，ＳRの面積も、図９（ａ）に示す光電変換部ＳBの面積と同様の大きさとしている。
【００６３】
図９（ｂ）に示すように、画素（０，２）はＸ軸方向に長い矩形の光電変換部ＳWvがＹ軸方向に２つ配列している。各光電変換部ＳWvの出力に基づいて撮影レンズ５の焦点状態を検出する。特に、被写体がＹ方向に平行な線を含む場合に良好に焦点検出が行える。
【００６４】
図９（ｃ）に示すように、画素（１，０）はＹ軸方向に長い矩形の光電変換部ＳWhがＸ軸方向に２つ配列している。各光電変換部ＳWhの出力に基づいて撮影レンズ５の焦点状態を検出する。特に、被写体がＸ方向に平行な線を含む場合に良好に焦点検出が行える。
【００６５】
なお、光電変換部ＳWv相互の間隔よりも光電変換部ＳWh相互の間隔の方を狭くし、光電変換部ＳWvの面積よりも光電変換部ＳWhの面積の方を広くしている。
【００６６】
具体的には、各光電変換部の面積は
ＳB＝ ＳG＝ＳR＞２×ＳWh＞ ２×ＳWV
の関係を満足するように構成されている。
【００６７】
また、カラーフィルタが形成されていない画素の光電変換部の面積は、カラーフィルタが形成された画素の光電変換部の面積より小さく設定することによって、通常撮影時にカラーフィルタが形成されていない画素の光電変換部が飽和することを防止している。
【００６８】
図１０は、図７のイメージセンサ１０の断面図である。図１０には、ＣＭＯＳイメージセンサを示している。なお、ここでは図９（ａ），図９（ｃ）に示す画素の断面を示している。
【００６９】
図１０において、１１７はＰ型ウェル、１１８はＭＯＳのゲート絶縁膜であるＳｉＯ2膜である。１２６α0〜１２６γ0は表面Ｐ+層であり、ｎ層１２５α0〜１２５γ0と共に光電変換部１０１α0〜１０１γ0を構成している。
【００７０】
また、１２０α0〜１２０γ0は光電変換部１０１α0〜１０１γ0に蓄積された光電荷をＦＤ部１２１α0，１２１γ0へ転送するための転送ゲートである。
【００７１】
さらに、１２９はカラーフィルタ、１３０はマイクロレンズで、マイクロレンズ１３０は撮影レンズ５の瞳とイメージセンサ１０の光電変換部１０１α0〜１０１γ0とが共役になるような形状及び位置に形成されている。
【００７２】
また画素（１，０）では、ＦＤ部１２１α0を挟んで、光電変換部１０１α0，１０１β0がそれぞれ形成されており、更に各光電変換部１０１α0，１０１β0で発生した光電荷は、それぞれ転送ゲート１２０α0、１２０β0’を介して転送される。
【００７３】
また画素（２、０）では、 ＦＤ部１２１γ0は光電変換部１０１γ0，光電変換部１０１β0の間に形成されており、更に各光電変換部１０１γ0，１０１β0で発生した光電荷は、それぞれ転送ゲート１２０γ0、１２０β0を介して転送される。
【００７４】
ここで、転送ゲート１２０γ0，１２０β0’は、同じ制御パルスΦＴＸγ0で制御されるように構成されている。そして、光電変換部１０１β0の光電荷は制御パルスΦＴＸβ0及びΦＴＸγ0のハイ／ロー状態で、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0に選択的に転送される。
【００７５】
図１１は、図７のイメージセンサ１０を含む回路構成図である。図１１には、図８の（１，０）、（２，０）、（１，１）、（２，１）の４画素分を示している。
【００７６】
図１１において、１０３α0〜１０３γ0は図１０の転送ゲート１２０α0〜１２０γ0を含む転送スイッチＭＯＳトランジスタ、１０４はＦＤ部１２１α0，１２１γ0等を所定電位にリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタ、１０５は転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α0〜１０３γ0によって転送された電荷に基づく増幅信号を得るためのソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、１０６はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５で得られる増幅信号の読出対象の画素を選択する水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ、１０７はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５と共にソースフォロワを構成する負荷ＭＯＳトランジスタ、１０８α0，１０８β0は画素の暗出力を転送する暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、１０９α0，１０９β0は画素の明出力を転送する明出力転送ＭＯＳトランジスタ、１１０α0，１１０β0は暗出力転送ＭＯＳトランジスタ１０８α0，１０８β0によって転送された暗出力を蓄積する暗出力蓄積容量、１１１α0，１１１β0は明出力転送ＭＯＳトランジスタ１０９α0，１０９β0によって転送された明出力を蓄積する明出力蓄積容量、１１２α0，１１２β0は暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に蓄積されている各出力を水平出力線へ転送する水平転送ＭＯＳトランジスタ、１１３は水平出力線を所定電位にリセットする水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ、１１４は水平出力線相互に転送された信号の差分を増幅して出力する差動出力アンプで、１１５は水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２α0，１１２β0のオン／オフを制御する水平走査回路、１１６は転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α0〜１０３γ0等のオン／オフを制御する垂直走査回路である。
【００７７】
図１２は、図１１のイメージセンサ１０の回路の動作を示すタイミングチャートである。図１２（ａ）には、通常の撮像を行う際の第０ラインのタイミングチャートである。図１２（ｂ）には、焦点検出用画像を読み出す際の第０ラインのタイミングチャートを示している。
【００７８】
撮像時の概要について説明すると、画素（１，０）では光電変換部１０１α0，１０１β0で変換された電荷が同時にＦＤ部１２１α0に転送され、ＦＤ部１２１α0で加算されてから読み出される。このとき、同時に画素（２，０）では光電変換部１０１γ0で変換された電荷がＦＤ部１２１γ0に転送され読み出される。
【００７９】
図１２（ａ）を用いて具体的な撮像時の動作について説明する。まず、垂直走査回路１１６からのタイミング出力によって、制御パルスΦＳ0をハイレベルに切り換えて、水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンして、第０ラインの画素部を選択する。
【００８０】
次に、制御パルスΦＲ0をローレベルに切り換えて、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0のリセットを止めＦＤ部１２１α0，１２１γ0をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルーとしてから、所定時間後に、制御パルスΦＴＮを一時的にハイレベルに切り換えて、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0の暗電圧をソースフォロワ動作で暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0に出力する。
【００８１】
次に、第０ラインの各画素の光電変換部１０１α0〜１０１γ0からの電荷の出力を行うため、制御パルスΦＴＸα0，ΦＴＸγ0を一時的にハイレベルに切り換えて、転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α0，１０３β0’及び１０３γ0を導通する。
【００８２】
このとき、光電変換部１０１α0，１０１β0で変換された電荷はＦＤ部１２１α0に転送され、光電変換部１０１γ0で変換された電荷はＦＤ部１２１γ0に転送される。
【００８３】
光電変換部１０１α0，１０１β0からの電荷がＦＤ部１２１α0に転送されることにより、ＦＤ部１２１α0の電位が光に応じて変化することになる。このときソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５がフローティング状態であるので、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0の電位を、制御パルスΦＴＳを一時的にハイレベルに切り換えることによって明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に出力する。
【００８４】
この時点で、第０ラインの各画素（１，０）、（２，０）の暗出力及び明出力はそれぞれ暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に蓄積されており、更に制御パルスΦＨＣを一時的にハイレベルに切り換えて、水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３を導通して水平出力線をリセットする。
【００８５】
そして、水平転送期間において水平走査回路１１５からの水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２α0，１１２β0への走査タイミング信号により、水平出力線に画素（１，０）、（２，０）の暗出力と光出力とが出力される。
【００８６】
このとき、暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0からの信号を差動増幅器１１４によって差動増幅して出力Ｖｏｕｔするため、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎのよい信号が得られる。
【００８７】
その後、制御パルスΦＲ0をハイレベルに切り換え、制御パルスΦＳ0をローレベルに切り換えて、第０ラインの画素の選択を終了する。
【００８８】
さらに、垂直走査回路１１６は同様に、順々に、次のラインの画素からの電荷の読み出しを行うことにより、イメージセンサ１０の全画素からの信号を出力する。この出力は、画像処理回路２４によって信号処理が行われ、液晶表示素子９に表示され、またメモリ回路２２に画像が記憶される。
【００８９】
焦点状態の検出時の概要について説明すると、光電変換部１０１α0，１０１β0のそれぞれの出力から得られる２つの画像の相関演算を行い、２つの画像の像ずれ量から撮影レンズ５の焦点状態を検出する。
【００９０】
このとき、光電変換部１０１γ0の出力は読み出さないようにする。そして、光電変換部１０１β0の出力は画素（２，０）から出力されるようにする。
【００９１】
図１２（ｂ）を用いて具体的な焦点状態の検出時の動作について説明する。まず、垂直走査回路１１６からのタイミング出力によって、制御パルスΦＳ0をハイレベルに切り換えて、水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンして、第０ラインの画素部を選択する。
【００９２】
次に、制御パルスΦＲ0をローレベルに切り換えて、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0のリセットを止めＦＤ部１２１α0，１２１γ0をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルーとしてから、所定時間後に、制御パルスΦＴＮを一時的にハイレベルに切り換えて、ＦＤ部１２１α0，１２１γ0の暗電圧をソースフォロワ動作で暗出力蓄積容量１１０に出力する。
【００９３】
次に、制御パルスΦＴＸα0，ΦＴＸβ0をハイレベルに切り換えて、転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α0，１０３β0を導通し、光電変換部１０１α0，１０１β0で変換された電荷をＦＤ部１２１α0，１２１γ0に同時に転送する。
【００９４】
このとき、制御パルスΦＴＸγ0はローであるため、光電変換部１０１γ0の光電荷はＦＤ部１２１γ0には転送されない。
【００９５】
光電変換部１０１α0，１０１β0で変換された電荷がＦＤ部１２１α0，１２１β0で変換されたに転送されることにより、ＦＤ部１２１α0，１２１β0の電位が光に応じて変化することになる。このときソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５がフローティング状態であるので、ＦＤ部１２１α0，１２１β0の電位を、制御パルスΦＴＳを一時的にハイレベルに切り換えることによって明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に出力する。
【００９６】
この時点で、第０ラインの各画素（１，０）、（２，０）の暗出力及び明出力はそれぞれ暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0に蓄積されており、更に制御パルスΦＨＣを一時的にハイレベルに切り換えて、水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３を導通して水平出力線をリセットする。
【００９７】
そして、水平転送期間において水平走査回路１１５からの水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２α0，１１２β0への走査タイミング信号により、水平出力線に画素（１，０）、（２，０）の暗出力と光出力とが出力される。
【００９８】
このとき、暗出力蓄積容量１１０α0，１１０β0及び明出力蓄積容量１１１α0，１１１β0からの信号を差動増幅器１１４によって差動増幅して出力Ｖｏｕｔするため、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎのよい信号が得られる。
【００９９】
その後、制御パルスΦＲ0をハイレベルに切り換え、制御パルスΦＳ0をローレベルに切り換えて、第０ラインの画素の選択を終了する。
【０１００】
イメージセンサ１０からの出力は、ＣＰＵ２０の演算によって、焦点検出用画像信号として整形され、相関演算処理を行った後に撮影レンズ５の焦点状態が算出されることとなる。
【０１０１】
図１３は、図７のデジタルスチルカメラ１の動作を示すフローチャートである。
【０１０２】
撮影者が、図７には図示しないデジタルスチルカメラ１のメインスイッチをオンすると(Ｓ３０１)、ＣＰＵ２０は、撮影レンズ５の焦点検出のための演算を行う。
【０１０３】
撮影レンズ５の焦点検出はイメージセンサ１０の出力を用いて行われる。撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による像を用いて撮影レンズの焦点状態を検出する方法は、例えば特開２００１−１２４９８４に記載されている手法を用いている(Ｓ３０２)。
【０１０４】
イメージセンサ１０の出力に基づいて撮影レンズ５のデフォーカス量が算出されると、撮影レンズ５の駆動量が算出される。ＣＰＵ２０は、この算出結果に基づいてレンズＣＰＵ５０を介して撮影レンズ駆動手段５１にレンズ駆動信号を送る。撮影レンズ駆動手段５１は、レンズ駆動信号に従って撮影レンズ５を合焦状態に設定するために駆動する (Ｓ３０３)。
【０１０５】
撮影レンズ５の焦点調整が終了すると、ＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１を通じてイメージセンサ１０に撮像を行わせる(Ｓ３０４)。
【０１０６】
イメージセンサ１０で撮像された画像信号は、画像処理回路２４でＡ／Ｄ変換された後に画像処理が行われる。このとき、イメージセンサ１０からの出力信号に基づいて色再現のために所定の画像処理が行われる。
【０１０７】
画像処理が行われた画像信号は、撮影者が接眼レンズ３を通して被写体像を観察できるようにするために、液晶表示素子駆動回路２５に従って液晶表示素子９に表示される(Ｓ３０５)。
【０１０８】
更にＣＰＵ２０は撮像画像を記録するための操作スイッチＳＷ２がオンされると(Ｓ３０６)、ＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に制御信号を送ってイメージセンサ１０によって本撮像を行う（Ｓ３０７）。
【０１０９】
そして、画像処理回路２４において後述する輝度調整を含む画像処理が施されて生成された画像は、液晶表示素子駆動回路２５に送られ液晶表示素子９に表示される(Ｓ３０８)。
【０１１０】
同時に、ＣＰＵ２０は撮像された画像信号は、そのままデジタルスチルカメラ１のメモリ回路２２に記憶される(Ｓ３０９)。
【０１１１】
撮影動作が終了し、撮影者がメインスイッチをオフすると(Ｓ３１０)、デジタルスチルカメラ１の電源が落ちる。
【０１１２】
なお、輝度調整の際には、１ライン分の画素からの電荷だけを読み出すようにすればよい。電荷を読み出すラインは、撮像レンズ５の集光特性などを考慮してイメージセンサ１０の中央部付近とすることが好ましい。
【０１１３】
図１４は、図７の画像処理回路２４で輝度調整するために輝度信号を算出する手順を示すフローチャートであり、図６に対応するものである。図１４には、図１３で説明したステップＳ３０７に行われる画像の輝度信号Ｙを決定するための手順を示している。
【０１１４】
本実施形態では、「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」のカラーフィルタが形成された画素の出力で色差信号を生成し、カラーフィルタが形成されていない画素の出力で輝度信号を生成している。
【０１１５】
各画素の白色光に対する感度Iは、カラーフィルタの透過率及び光電変換部の面積から、
２×ＩWh＞ＩB≒ＩG≒ＩR≧２×ＩWv
を満足するように構成されている。
【０１１６】
ここで、ＩBは光電変換部ＳBの感度、ＩGは光電変換部ＳGの感度、ＩRは光電変換部ＳRの感度、ＩWhは光電変換部ＳWhの感度、ＩWvは光電変換部ＳWvの感度である。
【０１１７】
図８に示す画素（０，０）、（１，０）、（０，１）、（１，１）からなる画像の基本単位の輝度信号は、画素（１，０）の出力Ｙｈと画素（０，２）の出力Ｙｖとに基づいて決定される。このとき、各光電変換部ＳWh，ＳWvで変換した電荷は画素内で加算されて出力される。
【０１１８】
画像処理回路２４では、まず画素（１，０）の出力Ｙｈが所定の閾値Ｙｔｈｈよりも大きいかどうかを判別する(Ｓ３２０)。
【０１１９】
被写体輝度が明るいために、画素出力Ｙｈが閾値Ｙｔｈｈよりも大きい場合は、輝度信号Ｙを画素（０，２）の出力Ｙｖに設定する(Ｓ３２１)。
【０１２０】
一方、画素出力Ｙｈが閾値Ｙｔｈｈより小さい場合は、画素（０，２）の出力Ｙｖが所定の閾値Ｙｔｈｖよりも小さいかどうかを判別する(Ｓ３２２)。
【０１２１】
被写体輝度が暗いために、画素出力Ｙｖが閾値Ｙｔｈｖよりも小さい場合は、輝度信号Ｙを画素（１，０）の出力Ｙｈに設定する(Ｓ３２３)。
【０１２２】
一方、画素出力Ｙｖが閾値Ｙｔｈｖよりも大きい場合は、輝度信号Ｙを画素（１，０）の出力Ｙｈと画素（０，２）の出力Ｙｖとの平均値に設定する(Ｓ３２４)。
【０１２３】
以上のように、被写体輝度が高い場合は相対的に小面積の光電変換部ＳWvの出力Ｙｖに基づいて輝度を決定し、被写体輝度が低い場合は相対的に大面積の光電変換部ＳWhの出力Ｙｈに基づいて輝度を決定することにより、被写体輝度によらず良好な画像の再現を可能としている。
【０１２４】
なお、本実施形態では、画素（１，０）と画素（０，２）との各出力に基づいて輝度調整を行う場合を例に説明したが、これらの画素と同様に構成している画素や、これらの複数の画素からの出力に基づいて輝度を調整するようにしてもよい。
【０１２５】
さらに、一つの光電変換部の出力に基づいて輝度調整を行ってもよく、画素（０，１）等のカラーフィルタが形成された画素の出力を加味して輝度調整を行ってもよい。
【０１２６】
また、本発明の各実施形態では、物理的に光電変換部の面積を変えている場合を例に説明したが、光電変換部の面積はそれぞれ同じにしておき、光電変換部の被写体側に、開口領域の大きさが異なる遮光膜を形成することによって、光信号が入射する光電変換領域の大きさを変えるようにしてもよい。
【０１２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、撮像用の画素と焦点検出用の画素とを備えているので、撮像と焦点検出との双方を都合よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のデジタルスチルカメラ１の模式的な構成図である。
【図２】図１のイメージセンサ１０の概略を示す平面図である。
【図３】図２の画素（０，０），（１，０）の拡大図である。
【図４】図１のデジタルスチルカメラ１の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態２のデジタルスチルカメラ１の画素の説明図である。
【図６】図５に示すカラーフィルタを備えるデジタルスチルカメラで輝度調整するときの手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態３のデジタルスチルカメラ１の構成図である。
【図８】図７のイメージセンサ１０の概略を示す平面図である。
【図９】図８の画素（２，０），（０，２），（１，０）の拡大図である。
【図１０】図７のイメージセンサ１０の断面図である。
【図１１】図７のイメージセンサ１０を含む回路構成図である。
【図１２】図１１のイメージセンサ１０の回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図１３】図７のデジタルスチルカメラ１の動作を示すフローチャートである。
【図１４】図７の画像処理回路２４で輝度調整するために輝度信号を算出する手順を示すフローチャートである。
【図１５】図２の画素の形状を例えば六角形した例を示す平面図である。
【図１６】図１のイメージセンサ１０の断面図である。
【図１７】従来のカラーフィルタ配列の概略図である。
【符号の説明】
１  デジタルスチルカメラ
３  接眼レンズ
５  撮影レンズ
９  液晶表示素子
１０  イメージセンサ
２０、５０  ＣＰＵ
２１  イメージセンサ制御回路
２２  メモリ回路
２３  インターフェイス回路
２４  画像処理回路
２５  液晶表示素子駆動回路
２６  電気接点
５１  レンズ駆動手段
５２  絞り駆動手段
５３  絞り手段
【図１】
0004532800.tif 000002
【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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【図１７】
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