(57)【要約】【課題】高ダイナミックレンジでリニアリティを向上させた光電変換装置を提供する。【解決手段】光電変換装置は、被写体からの光を受光して電荷を生成する光電変換部（ＰＤ）と、光電変換部で生成された電荷を転送する転送部（ＭＴＸ）と、転送部から転送された前記電荷を蓄積する容量部（Ｃｆｄ、Ｃｓ）と、第１の期間において、容量部に蓄積された電荷量に対応する信号に基づいて、容量部における電荷の蓄積を停止するか否かを判定する判定手段（１０９）と、転送部（転送チャネル領域）のポテンシャル障壁の高さを設定する設定手段（ＳＴ）とを有し、設定手段は、第１の期間と、第１の期間とは異なる第２の期間との間で、転送部のポテンシャル障壁の高さを変更する。【選択図】図１
2016220193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光を受光して電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部で生成された前記電荷を転送する転送部と、
前記転送部から転送された前記電荷を蓄積する容量部と、
第１の期間において、前記容量部に蓄積された電荷量に対応する信号に基づいて、前記容量部における前記電荷の蓄積を停止するか否かを判定する判定手段と、
前記転送部のポテンシャル障壁の高さを設定する設定手段と、を有し、
前記設定手段は、前記第１の期間と、該第１の期間とは異なる第２の期間との間で、前記転送部の前記ポテンシャル障壁の高さを変更することを特徴する光電変換装置。
【請求項２】
前記判定手段は、前記電荷量に対応する前記信号と基準値とを比較して、該容量部における前記電荷の蓄積を停止するか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記設定手段は、前記ポテンシャル障壁の高さが第１の高さである第１の状態と、該ポテンシャル障壁の高さが該第１の高さよりも高い第２の高さである第２の状態と、を選択的に設定し、
前記判定手段は、前記第２の状態において、前記容量部における前記電荷の蓄積を停止するか否かを判定することを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記設定手段は、
前記第１の期間において、前記転送部を前記第２の状態に設定し、
前記第２の期間において、前記転送部を前記第１の状態に設定することを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記転送部は、
前記第１の状態において、前記光電変換部で生成された前記電荷を前記容量部へ転送し、
前記第２の状態において、前記電荷の前記容量部への転送を停止することを特徴とする請求項３または４に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記転送部と前記判定手段とを同期制御する制御手段を更に有し、
前記制御手段は、
第１の周期で、前記第１の状態と前記第２の状態とを繰り返すように前記転送部を制御し、
前記第１の周期で、前記容量部における前記電荷の蓄積を停止するか否かを判定するように前記判定手段を制御することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記制御手段は、被写体輝度情報に応じて前記転送部と前記判定手段との同期制御周期を変更可能であることを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記制御手段は、
前記被写体輝度情報として、前記光電変換部で生成された前記電荷に基づいて被写体輝度値を取得し、
前記被写体輝度値が所定の閾値よりも大きい場合、前記同期制御周期を前記第１の周期のまま変更せず、
前記被写体輝度値が前記所定の閾値よりも小さい場合、前記同期制御周期を前記第１の周期から該第１の周期よりも長い第２の周期へ変更する、ことを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記制御手段は、
前記電荷の蓄積開始から所定の時間まで、前記第１の周期で、前記容量部における前記電荷の蓄積を停止するか否かを判定するように前記判定手段を制御し、
前記所定の時間を経過した後、前記第１の周期よりも長い第２の周期で、前記容量部における前記電荷の蓄積を停止するか否かを判定するように前記判定手段を制御する、ことを特徴とする請求項７または８に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記光電変換部は、複数のフォトダイオードを有し、
前記容量部は、前記複数のフォトダイオードのそれぞれに対応する複数の容量を有し、
前記制御手段は、
前記複数の容量のそれぞれにおける前記電荷の蓄積を停止するか否かを順次判定するように前記判定手段を制御し、
前記電荷の蓄積を停止した前記容量に関して、該電荷の蓄積を停止するか否かを判定しないように前記判定手段を制御する、ことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記転送部が前記第１の状態において、前記判定手段への電源供給を停止することを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１２】
前記制御手段は、
第１のモードおよび第２のモードを有し、
前記第１のモードにおいて、前記光電変換部で生成された前記電荷を電荷蓄積期間の終了まで前記容量部へ転送せず、該電荷蓄積期間が終わると該容量部へ転送し、
前記第２のモードにおいて、前記電荷蓄積期間に前記光電変換部で生成された前記電荷を前記容量部へ転送し、該容量部における該電荷量をモニタし、
前記第２のモードにおいて、前記転送部と前記判定手段とを同期制御する、ことを特徴とする請求項６乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１３】
被写体からの光を受光して電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部で生成された前記電荷を転送する転送部と、
前記転送部から転送された前記電荷を蓄積する容量部と、
前記転送部が前記電荷を転送している状態で得られた、前記容量部に蓄積された電荷量に対応する検出信号に基づいて、前記容量部における前記電荷の蓄積を停止するか否かを判定する判定手段と、を有し、
前記判定手段は、前記転送部が前記電荷を停止した状態で前記容量部に蓄積される電荷量に対応する第１の信号と、該転送部が該電荷を転送している状態で該容量部に蓄積される電荷量に対応する第２の信号と、の差異に関する情報を用いて、前記容量部における前記電荷の蓄積を停止するか否かを判定する、ことを特徴とする光電変換装置。
【請求項１４】
前記第１の信号と前記第２の信号との差異に関する前記情報を記憶する記憶手段を更に有し、
前記判定手段は、前記検出信号と前記記憶手段に記憶された前記情報とに基づいて、前記容量部における前記電荷の蓄積を停止するか否かを判定する、ことを特徴とする請求項１３に記載の光電変換装置。
【請求項１５】
前記判定手段は、前記検出信号と基準値とを比較して、該容量部における前記電荷の蓄積を停止するか否かを判定し、
前記基準値は、前記転送部が前記電荷の転送を停止した状態で前記第１の信号が得られるように設定された、該転送部が該電荷を転送している状態で得られる前記第２の信号であることを特徴とする請求項１３または１４に記載の光電変換装置。
【請求項１６】
前記基準値は、前記転送部のポテンシャル障壁の高さによる信号変動に応じて調整可能な電圧値であることを特徴とする請求項１５に記載の光電変換装置。
【請求項１７】
前記基準値は、前記光電変換部ごとに調整可能な電圧値であることを特徴とする請求項１５または１６に記載の光電変換装置。
【請求項１８】
前記設定手段は、
前記電荷の蓄積開始時刻から所定の時刻まで、前記第１の期間と前記第２の期間との間で前記ポテンシャル障壁の高さを変更せず、
前記所定の時刻の経過後、前記第１の期間と前記第２の期間との間で前記ポテンシャル障壁の高さを変更することを特徴する請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１９】
請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
前記信号に基づいてデフォーカス量を検出する検出手段と、を有することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の焦点検出装置と、
前記検出手段により検出された前記デフォーカス量に基づいてレンズを駆動するレンズ駆動手段と、を有することを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相差検出方式の自動焦点検出に用いられる光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、第１の蓄積モードと第２の蓄積モードとを有する焦点検出センサが開示されている。第１の蓄積モードでは、光電変換素子で生成された電荷を電荷蓄積期間の終了までメモリ手段に転送せずに画素で積分し、電荷蓄積期間が終わるとメモリ手段に転送する。第２の蓄積モードでは、電荷蓄積期間に光電変換素子で生成された電荷をメモリ手段に転送し、メモリ手段における電荷の積分値をモニタする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−５４３３３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に開示されている焦点検出センサは、第２の蓄積モードにおいて高ダイナミックレンジで使用すると、リニアリティが低下してしまう。
【０００５】
そこで本発明は、高ダイナミックレンジでリニアリティを向上させた光電変換装置、焦点検出装置、および、光学機器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての光電変換装置は、被写体からの光を受光して電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された前記電荷を転送する転送部と、前記転送部から転送された前記電荷を蓄積する容量部と、第１の期間において、前記容量部に蓄積された電荷量に対応する信号に基づいて、前記容量部における前記電荷の蓄積を停止するか否かを判定する判定手段と、前記転送部のポテンシャル障壁の高さを設定する設定手段とを有し、前記設定手段は、前記第１の期間と、該第１の期間とは異なる第２の期間との間で、前記転送部の前記ポテンシャル障壁の高さを変更する。
【０００７】
本発明の他の側面としての光電変換装置は、被写体からの光を受光して電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された前記電荷を転送する転送部と、前記転送部から転送された前記電荷を蓄積する容量部と、前記転送部が前記電荷を転送している状態で得られた、前記容量部に蓄積された電荷量に対応する検出信号に基づいて、前記容量部における前記電荷の蓄積を停止するか否かを判定する判定手段とを有し、前記判定手段は、前記転送部が前記電荷を停止した状態で前記容量部に蓄積される電荷量に対応する第１の信号と、該転送部が該電荷を転送している状態で該容量部に蓄積される電荷量に対応する第２の信号と、の差異に関する情報を用いて、前記容量部における前記電荷の蓄積を停止するか否かを判定する。
【０００８】
本発明の他の側面としての焦点検出装置は、前記光電変換装置と、前記信号に基づいてデフォーカス量を検出する検出手段とを有する。
【０００９】
本発明の他の側面としての光学機器は、前記焦点検出装置と、前記検出手段により検出された前記デフォーカス量に基づいてレンズを駆動するレンズ駆動手段とを有する。
【００１０】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高ダイナミックレンジでリニアリティを向上させた光電変換装置、焦点検出装置、および、光学機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】各実施形態におけるＡＦセンサのブロック図である。
【図２】各実施形態における撮像装置のブロック図である。
【図３】各実施形態における撮像装置の光学構成図である。
【図４】各実施形態におけるＡＦセンサユニットの光学構成図である。
【図５】各実施形態におけるラインセンサと焦点検出領域との位置関係を示す図である。
【図６】各実施形態におけるラインセンサの回路構成図である。
【図７】第１実施形態における第２の蓄積モードの電荷蓄積動作を示すタイミングチャートである。
【図８】比較例としてのＡＦセンサの電位および発生電荷の模式図である。
【図９】比較例としてのＡＦセンサにおける電荷の蓄積時間とＦＤ電位（出力電圧）との関係を示す図である。
【図１０】第１実施形態におけるＡＦセンサの電位および発生電荷の模式図である。
【図１１】第１実施形態における焦点検出動作のフローチャートである。
【図１２】第２実施形態における蓄積停止レベルの調整動作を示すフローチャートである。
【図１３】第２実施形態における転送トランジスタのオン／オフによるＦＤ電位（出力電圧）の変化を示す図である。
【図１４】第２実施形態における焦点検出動作のフローチャートである。
【図１５】第２実施形態における転送トランジスタのオン／オフによる画素信号の関係を示す図である。
【図１６】第３実施形態における第２の蓄積モードの電荷蓄積動作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】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
（第１実施形態）
まず、図２を参照して、本発明の第１実施形態における撮像装置（光学機器）について説明する。図２は、撮像装置１０（デジタルカメラ）の要部構成を示すブロック図である。
【００１５】
図２において、ＣＰＵ１００（カメラ用マイクロコンピュータ）は、カメラ（撮像装置１０）の全体を制御する制御手段である。ＣＰＵ１００には、撮像装置１０の各種操作用のスイッチ群２１４を検知するための信号入力回路２０４、撮像センサ２０６（撮像素子、撮像手段）、および、ＡＥセンサ２０７が接続されている。また、ＣＰＵ１００には、マグネット２１８ａ、２１８ｂ（シャッタマグネット）を制御するためのシャッタ制御回路２０８、ＡＦセンサ１０１（焦点検出センサ、光電変換装置）が接続されている。ＣＰＵ１００は、レンズ通信回路２０５を介して、撮影レンズ３００（図３参照）との間で信号２１５を伝送可能であり、焦点位置や絞りの制御を行うことができる。撮像装置１０の動作は、スイッチ群２１４の設定に応じて決定される。
【００１６】
ＡＦセンサ１０１は、複数のラインセンサ（図５（ａ）参照）を備えている。ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１のラインセンサから得られた被写体の像信号（ＡＦセンサ１０１に蓄積された電荷量に対応する信号）に基づいてデフォーカス量を検出し、撮影レンズ３００の焦点位置を制御する制御手段（検出手段）を含む。またＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１のラインセンサから得られた信号に基づいて、焦点検出演算を行う演算手段としての機能を有する。ＡＦセンサ１０１とＣＰＵ１００とにより焦点検出装置が構成される。また、レンズ通信回路２０５は、撮影レンズ３００を駆動するレンズ駆動手段を含む。レンズ駆動手段は、検出手段（ＣＰＵ１００）により検出されたデフォーカス量に基づいてレンズ（撮影レンズ３００）を駆動する。
【００１７】
ＣＰＵ１００は、ＡＥセンサ２０７から得られた被写体の輝度を検出し、撮影レンズ３００の絞り値（Ｆ値）やシャッタスピードを決定する。そしてＣＰＵ１００は、レンズ通信回路２０５を介して絞り値を制御する。またＣＰＵ１００は、シャッタ制御回路２０８を介してマグネット２１８ａ、２１８ｂの通電時間を調節することにより、シャッタスピードを制御する。またＣＰＵ１００は、撮像センサ２０６を制御して撮影動作を行う。
【００１８】
次に、図３を参照して、撮像装置１０の光学構成について説明する。図３は、撮像装置１０の光学構成図である。撮影レンズ３００の撮影光学系を介して入射した被写体からの光束の大部分は、クイックリターンミラー３０５で上方に反射され、ファインダスクリーン３０３上に被写体像として結像される。撮像装置１０のユーザは、この像をペンタプリズム３０１および接眼レンズ３０２を介して観察することができる。
【００１９】
撮影レンズ３００を介して入射した被写体からの光束の一部は、クイックリターンミラー３０５を透過し、後方のサブミラー３０６により下方へ曲げられる。サブミラー３０６により曲げられた光束は、視野マスク３０７、フィールドレンズ３０８、絞り３０９、および、二次結像レンズ３１０を経て、ＡＦセンサ１０１上に結像される。ＡＦセンサ１０１は、この像（光学像）を光電変換して像信号を出力する。そしてＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１から出力された像信号を処理することにより、撮影レンズ３００の焦点状態を検出することができる。撮影に際しては、クイックリターンミラー３０５が跳ね上がり、撮影レンズ３００を介して入射した被写体からの全光束は、撮像センサ２０６上に結像され、被写体像の露光が行われる。換言すれば、撮像センサ２０６は、撮影レンズ３００の撮影光学系により形成された被写体像（光学像）を光電変換する。
【００２０】
本実施形態において、視野マスク３０７、フィールドレンズ３０８、絞り３０９、および、二次結像レンズ３１０からなる光学系と、ＡＦセンサ１０１とにより、ＡＦセンサユニットが構成される。このＡＦセンサユニットは、周知の位相差検出方式による焦点検出を行う。
【００２１】
次に、図４を参照して、本実施形態におけるＡＦセンサユニットの光学構成について詳述する。図４は、ＡＦセンサユニット２０の光学構成図である。撮影レンズ３００を通過した被写体からの光束は、サブミラー３０６（図３参照）で反射され、撮像センサ２０６の撮像面と共役な面上にある視野マスク３０７の近傍に一旦結像する。視野マスク３０７は、画面内において焦点検出を行う領域以外の余分な光を遮光するための遮光部材である。
【００２２】
フィールドレンズ３０８は、絞り３０９の各開口部を撮影レンズ３００の射出瞳付近に結像する作用を有する。絞り３０９の後方には、二次結像レンズ３１０が配置されている。二次結像レンズ３１０は、一対のレンズから構成され、それぞれのレンズは絞り３０９の各開口部に対応している。視野マスク３０７、フィールドレンズ３０８、絞り３０９、および、二次結像レンズ３１０を通過した各光束は、ＡＦセンサ１０１上のラインセンサに結像する。
【００２３】
次に、図５を参照して、ＡＦセンサ１０１のラインセンサと画面内の焦点検出領域（ＡＦ枠）との位置関係について説明する。図５は、ラインセンサと焦点検出領域との位置関係を示す図である。図５（ａ）は、ＡＦセンサ１０１におけるラインセンサ１０２〜１０５の配置を示している。ラインセンサ１０２〜１０５はそれぞれ、一対のラインセンサで構成されている。また各ラインセンサは、複数の画素を一列に配置して構成されており、各画素から像信号が出力される。そしてＣＰＵ１００は、一対のラインセンサから得られた一対の像信号の位相差に基づいて、撮影レンズ３００の焦点状態（デフォーカス量）を検出することができる。ラインセンサは、二次結像レンズ３１０などの光学系（焦点検出光学系）により、視野（画面）上の略同一領域（所定の領域）に投影され、この領域の位置が焦点検出領域の位置に対応する。
【００２４】
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示されるＡＦセンサ１０１に対応するファインダ画面５００における焦点検出領域とラインセンサとの位置関係を示している。ファインダ画面５００（視野）には、ラインセンサ１０５に対応する焦点検出領域５０３、ラインセンサ１０２、１０３に対応する焦点検出領域５０１、および、ラインセンサ１０４に対応する焦点検出領域５０２の計３つの焦点検出領域が存在する。ただし本実施形態はこれに限定されるものではなく、焦点検出領域として、他の配置や個数に設定してもよい。
【００２５】
次に、図１を参照して、ＡＦセンサ１０１の構成について詳述する。図１は、ＡＦセンサ１０１の構成を示すブロック図である。二次結像レンズ３１０により結像された被写体像（光学像）は、ラインセンサ１０２〜１０５により光電変換され、電荷として蓄積される。ラインセンサ１０２は、フォトダイオードＰＤ（光電変換部）、転送トランジスタＭＴＸ（転送部）、積分容量Ｃｆｄ（容量部）、および、メモリ容量Ｃｓ（容量部）を備えて構成される。ラインセンサ１０３〜１０５も、ラインセンサ１０２と同様の構成を有する。なお、ラインセンサ１０２を構成する各要素の詳細については後述する。
【００２６】
制御部１０６は、ＣＰＵ１００からの命令を受けとり、ＡＦセンサ１０１内の各部を制御し、ラインセンサ１０２〜１０５のそれぞれにおける電荷の蓄積や読み出し動作を制御する。また制御部１０６は、蓄積停止判定されたラインセンサの情報をＣＰＵ１００へ送信する。またＣＰＵ１００は、所定の情報を記憶する記憶部１０６１（記憶手段）を含む。
【００２７】
ライン選択回路１０７は、ラインセンサ１０２〜１０５のいずれか一つを選択する。そしてライン選択回路１０７は、選択したラインセンサの画素信号を、信号量検出回路１０８および出力回路１１１へ出力する。信号量検出回路１０８は、ライン選択回路１０７により選択されたラインセンサの画素信号のうち最も大きな信号（ピーク信号）を検出する。そして信号量検出回路１０８は、検出したピーク信号を、蓄積停止判定回路１０９、および出力回路１１１を介してＣＰＵ１００へ出力する。蓄積停止判定回路１０９は、ピーク信号と蓄積停止レベル（所定の閾値、基準値）とを比較して、電荷の蓄積停止判定を行う。蓄積停止レベルは、必要に応じて調整可能であり、ＣＰＵ１００からの通信により任意のレベル（基準値）に設定することができる。
【００２８】
蓄積停止判定回路１０９は、ピーク信号が蓄積停止レベルよりも大きくなった場合、蓄積停止判定信号を制御部１０６へ出力する。そして制御部１０６は、蓄積停止判定信号を受け取った場合、蓄積停止判定の対象となるラインセンサの蓄積動作を停止するため、そのラインセンサへ制御信号を出力する。また制御部１０６は、ＣＰＵ１００に対して、蓄積終了信号と蓄積終了したライン情報とを出力する。一方、ピーク信号が所定の時間内に目標値（所定の閾値）に達しない場合、ＣＰＵ１００は、強制的に電荷の蓄積を停止するため、制御部１０６へ蓄積停止要求信号を出力することもできる。なお本実施形態において、ピーク信号に基づいて蓄積停止判定を行っているが、ラインセンサから得られた像信号のコントラストなどの特徴量に基づいて蓄積停止判定を行ってもよい。
【００２９】
ＣＰＵ１００からラインセンサの画素信号の出力要求を受けた場合、制御部１０６は、ライン選択回路１０７を制御し、対象のラインセンサを選択する。そして制御部１０６は、シフトレジスタ１１０へ制御信号を出力し、ラインセンサの画素信号を１画素ずつ出力回路１１１へ出力するようにシフトレジスタ１１０を制御する。出力回路１１１は、画素信号に対して増幅処理などの各種処理を行い、処理後の信号をＣＰＵ１００のＡ／Ｄ変換器（不図示）へ出力する。
【００３０】
次に、図６を参照して、ラインセンサ１０２の回路について詳述する。図６は、ラインセンサ１０２の回路構成図である。なお、ラインセンサ１０３〜１０５は、ラインセンサ１０２と同様の回路構成を有するため、それらの説明は省略する。
【００３１】
ラインセンサ１０２は、フォトダイオードＰＤ、フローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）の容量である積分容量Ｃｆｄ、転送トランジスタＭＴＸ、および、メモリ容量Ｃｓを有する。ラインセンサ１０２は、更に、電流源１、電流源２、ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、および、スイッチＳＷＲＥＳ、ＳＷＣＨ、ＬＳＥＬを有する。
【００３２】
フォトダイオードＰＤは、光電変換素子である。フォトダイオードＰＤで発生した電荷は、転送トランジスタＭＴＸを介して、ＦＤ領域へ転送される。本実施形態において、転送トランジスタＭＴＸはＰＭＯＳである。制御信号φＴＸｎ（ｎ＝１〜４）は、転送トランジスタＭＴＸのオン／オフ信号であり、インバータ回路ＩＮＶを介して転送トランジスタＭＴＸのゲートに印加される。ＶＴＸＬ、ＶＴＸＨは、インバータ回路ＩＮＶの電源から供給される電圧であり、転送トランジスタＭＴＸのゲート電圧として用いられる。インバータ回路ＩＮＶと電圧ＶＴＸＬ、ＶＴＸＨを供給する電源とにより、設定手段ＳＴが構成される。後述のように、設定手段ＳＴは、転送トランジスタＭＴＸの転送チャネル領域のポテンシャル障壁の高さを設定する。転送トランジスタＭＴＸのゲートをオンにする場合、制御信号φＴＸｎに基づき電圧ＶＴＸＬがゲートに印加され、フォトダイオードＰＤで発生した電荷がＦＤ領域へ転送される。
【００３３】
一方、転送トランジスタＭＴＸのゲートをオフにする場合、制御信号φＴＸに基づき電圧ＶＴＸＨがゲートに印加される。このとき、フォトダイオードＰＤで発生した電荷は、ＦＤ領域へ転送されず、フォトダイオードＰＤにおいて積分される。なお、ｎ＝１〜４は、ラインセンサ１０２〜１０５にそれぞれ対応しており、制御部１０６は、制御信号φＴＸｎを個別に制御することにより、ラインセンサごとに電荷の転送タイミングを制御することができる。
【００３４】
電圧ＶＲＥＳは、フォトダイオードＰＤおよび積分容量Ｃｆｄを初期状態にリセットするためのリセット電圧であり、不図示の電源から供給される。スイッチＳＷＲＥＳは、リセットスイッチであり、制御信号φＲＥＳに応じてオン／オフする。ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ５、電流源１、および、電流源２により、信号バッファアンプが構成される。ＦＤ領域へ転送された電荷は、積分容量Ｃｆｄにより電圧（電圧信号）に変換される。この電圧信号は、信号バッファアンプを介して、後段に出力される。また、信号バッファアンプの出力側にあるメモリＣｓ容量に接続されているスイッチＳＷＣＨをオフすることにより、その電圧信号をメモリ容量Ｃｓに保持することができる。
【００３５】
スイッチＳＷＣＨは、制御信号φＣＨｎ（ｎ＝１〜４）に応じてオン／オフする。ｎ＝１〜４は、ラインセンサ１０２〜１０５にそれぞれ対応している。制御部１０６は、制御信号φＣＨｎを個別に制御することにより、ラインセンサごとに電圧信号をメモリ容量Ｃｓに保持するタイミングを制御することができる。本実施形態では、スイッチＳＷＣＨをオフすることにより、電圧信号がメモリ容量Ｃｓに保持される。スイッチＬＳＥＬは、電荷蓄積中の電圧信号およびメモリ容量Ｃｓに保持された電圧信号を、後段のライン選択回路１０７へ接続するスイッチである。スイッチＬＳＥＬは、ライン選択信号φＬＳｎ（ｎ＝１〜４）に応じてオン／オフする。ｎ＝１〜４は、ラインセンサ１０２〜１０５にそれぞれ対応している。
【００３６】
本実施形態のＡＦセンサ１０１は、特開２０１３−５４３３３号公報に開示されているような第１の蓄積モード（第１のモード）および第２の蓄積モード（第２のモード）を有する。すなわち、第１の蓄積モードでは、フォトダイオードＰＤ（光電変換素子）で生成された電荷を電荷蓄積期間の終了までメモリ容量Ｃｓ（メモリ手段）に転送せずに画素で積分し、電荷蓄積期間が終わるとメモリ容量Ｃｓ（メモリ手段）に転送する。第２の蓄積モードでは、電荷蓄積期間にフォトダイオードＰＤ（光電変換素子）で生成された電荷をメモリ容量Ｃｓ（メモリ手段）に転送し、メモリ手段における電荷の積分値をモニタする。電荷蓄積期間とは、ＡＦセンサ１０１を用いて焦点検出を行う（焦点検出のための信号を取得する）ためにフォトダイオードＰＤが光を受光している期間である。
【００３７】
ここで、図８および図９を参照して、ＡＦセンサ１０１を、第２の蓄積モードにおいて高ダイナミックレンジで使用した場合におけるリニアリティの劣化について説明する。図８は、第２の蓄積モードにおける電荷蓄積中に転送トランジスタＭＴＸをオンにし、フォトダイオードＰＤにおいて蓄積した電荷をフローティングディフージョン領域ＦＤ（ＦＤ領域）へ転送している状態での各部の電位と電荷の模式図である。ここで各部の電位は、ポテンシャル（ポテンシャル障壁）の高さに対応する。転送トランジスタＭＴＸ（転送チャネル領域）の電位（ポテンシャル障壁の高さ）は、電圧ＶＴＸＬ、ＶＴＸＨ（ゲート電圧）で制御可能であり、フォトダイオードＰＤの電位よりも低くなるように設定されている。図８（ａ）は、転送トランジスタＭＴＸのゲート電圧として電圧ＶＴＸＬ＝ＶＴＸＬ１が印加（設定）された状態（ポテンシャル障壁の高さが第１の高さＰＢ１である第１の状態）を示している。図８（ｂ）は、転送トランジスタＭＴＸのゲート電圧として電圧ＶＴＸＬ１よりも高い電圧ＶＴＸＬ＝ＶＴＸＬ２が印加（設定）された状態（ポテンシャル障壁の高さが第１の高さＰＢ１よりも高い第２の高さＰＢ２である第２の状態）を示している。
【００３８】
図９（ａ）、（ｂ）は、図８（ａ）、（ｂ）のそれぞれに対応し、フォトダイオードＰＤに一定の光を照射した場合における蓄積時間とＦＤ電位（出力電圧）との関係を示す図である。図９（ａ）に示されるように、図８（ａ）の構成において、電荷蓄積開始から所定の傾きでＦＤ電位は上昇し、時刻Ｔ１以降のリニアリティが劣化する。これは、ＦＤ電位が転送トランジスタＭＴＸの電位以上になったため、ＦＤ領域の電荷が転送トランジスタＭＴＸのゲートの下に入り込み、見かけのＦＤ容量が大きくなったためである。
【００３９】
このため、転送トランジスタＭＴＸの電位を図８（ａ）の場合よりも高くなるように電圧ＶＴＸＬ＝ＶＴＸＬ２に設定して制御すると、図８（ｂ）に示されるように、ＦＤ領域の電荷を転送トランジスタＭＴＸのゲートの下に入りにくくすることができる。ただし、この場合、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を完全にＦＤ領域へ転送する時間（転送時間）が長くなる。このため、図９（ｂ）に示されるように、時刻Ｔ２までＦＤ電位の上昇の程度（傾き）が小さくなる。一般的に、被写体が暗く発生電荷が少ない場合、転送時間が長くなる傾向がある。
【００４０】
そこで本実施形態のＡＦセンサ１０１は、第２の蓄積モードにおいて、高ダイナミックレンジで使用した場合でもリニアリティの劣化を低減する。図７は、本実施形態における第２の蓄積モードの電荷蓄積動作を示すタイミングチャートである。本実施形態では、転送トランジスタＭＴＸがオン時のゲート電位を電圧ＶＴＸＬ＝ＶＴＸＬ１に設定して制御を行う。
【００４１】
図７において、時刻ｔ０〜ｔ１の期間は、画素リセット期間である。ＣＰＵ１００から蓄積開始が通信されると、ＡＦセンサ１０１の制御部１０６は、制御信号φＲＥＳ、φＴＸｎにより、スイッチＳＷＲＥＳと転送トランジスタＭＴＸとをオンにし、フォトダイオードＰＤおよび積分容量Ｃｆｄの電位を電圧ＶＲＥＳにリセットする。時刻ｔ１以降も、転送トランジスタＭＴＸをオンにすることにより、フォトダイオードＰＤで発生した電荷は、積分容量Ｃｆｄにおいて蓄積される。
【００４２】
時刻ｔ２〜ｔ３の期間は、ライン選択信号φＬＳｎにより、ラインセンサ１０２〜１０５のライン選択スイッチＬＳＥＬを順番にオンにする。ライン選択スイッチＬＳＥＬで選択されたラインセンサの信号は、信号量検出回路１０８に出力される。そして信号量検出回路１０８は、ラインセンサの信号からピーク信号を検出する。また、蓄積停止判定回路１０９は、ピーク信号と蓄積停止レベル（所定の閾値）とを比較して、電荷の蓄積停止判定を行う。転送トランジスタＭＴＸは、ライン選択スイッチＬＳＥＬと同期するようにオン／オフ制御する。すなわち、制御信号φＴＸｎとライン選択信号φＬＳｎは、互いに同期して出力される。また、あるラインセンサから他のラインセンサに切り替えるようにライン選択スイッチＬＳＥＬを制御する際、各ライン選択信号のオン期間の間に非選択期間ΔＴｓ（所定の期間）が設けられている。非選択期間ΔＴｓは、信号バッファアンプの電流源１、２をオフにし、更に蓄積停止判定回路１０９の電源をオフにすることにより、ＡＦセンサ１０１で消費される電力を削減する効果がある。なお、時刻ｔ３以降も、時刻ｔ２〜ｔ３の期間中と同様の動作を繰り返し、ラインセンサの蓄積停止判定を行う。
【００４３】
時刻ｔ４は、ラインセンサ１０２の蓄積停止判定期間である。本実施形態では、時刻ｔ４で蓄積停止判定されるという前提で説明する。ラインセンサ１０２のピーク信号が蓄積停止レベルよりも大きくなると、蓄積停止判定回路１０９は、蓄積停止判定を行う（電荷の蓄積を停止することを決定する）。このとき制御部１０６は、ラインセンサ１０２のスイッチＳＷＣＨをオフにし、電圧信号をメモリ容量Ｃｓに保持する。
【００４４】
時刻ｔ５〜ｔ６の期間においても、ライン選択信号φＬＳｎによりライン選択スイッチＬＳＥＬを順番にオンし、蓄積停止判定回路１０９は、蓄積停止判定を行う。ただし、ラインセンサ１０２については既に電荷の蓄積を停止している。このため、残りのラインセンサ１０３〜１０５のライン選択スイッチＬＳＥＬを順番にオンすることにより、蓄積停止判定回路１０９は蓄積停止判定を行う。転送トランジスタＭＴＸは、ライン選択スイッチＬＳＥＬと同期するようにオン／オフ駆動される。また、時刻ｔ６以降についても、全てのラインセンサの蓄積停止判定されるまで、ライン選択および蓄積停止判定をそれぞれ繰り返す。ただし、停止判定されたラインセンサについては、ライン選択をスキップする。
【００４５】
以上のように、本実施形態の第２の蓄積モードにおける電荷蓄積動作では、電荷蓄積中にライン選択スイッチＬＳＥＬをオンにし、蓄積停止判定を行うタイミングに同期して、転送トランジスタＭＴＸをオフにして蓄積停止判定を行う。また、電荷蓄積中に停止判定されたラインについては、蓄積停止判定の動作をスキップすることにより、ライン選択周期を切り替えるとともに、ライン選択周期と転送トランジスタＭＴＸのオン／オフ周期とを互いに同期させる。
【００４６】
次に、図１０を参照して、ライン選択スイッチＬＳＥＬをオンにして蓄積停止判定を行うタイミングに同期して、転送トランジスタＭＴＸをオフする理由について説明する。図１０は、本実施形態におけるＡＦセンサ１０１の電位および発生電荷の模式図である。図１０は、電荷蓄積中に、転送トランジスタＭＴＸをオンにしてフォトダイオードＰＤで蓄積した電荷をＦＤ領域へ転送している状態（図８（ａ）の状態）から、転送トランジスタＭＴＸをオフにした状態へ遷移した場合を示している。
【００４７】
転送トランジスタＭＴＸをオフにすることで、転送トランジスタＭＴＸのゲートの下に入り込んでいた電荷がＦＤ領域へ移動する。蓄積停止判定回路１０９が蓄積停止判定を行う間だけ、図８（ａ）に示される状態から蓄積停止判定の期間のみ転送トランジスタＭＴＸをオフにすることで、リニアリティ劣化などの電荷の転送不良を回避し、ダイナミックレンジを拡大することができる。ただし、転送トランジスタＭＴＸのオン／オフの繰り返し回数が多くなると、ＳＮ比（信号対雑音比）が劣化する可能性がある。そこで本実施形態の焦点検出動作において、好ましくは、被写体の状況に応じて、転送トランジスタＭＴＸのオン／オフ周期を切り替える。
【００４８】
次に、図１１を参照して、本実施形態における撮像装置１０による焦点検出動作について説明する。図１１は、本実施形態における焦点検出動作を示すフローチャートである。図１１の各ステップは、ＣＰＵ１００またはＡＦセンサ１０１の制御部１０６の指令に基づいて実行される。なお図１１は、ＡＦセンサ１０１の２つの蓄積モード（前述の第１の蓄積モードおよび第２の蓄積モード）のうち、第２の蓄積モードにおける焦点検出動作を示すフローチャートである。
【００４９】
まずステップＳ１２００において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１に対して電荷蓄積を開始するための通信（蓄積開始通信）を行う。この通信により、制御部１０６は、蓄積モードを第２の蓄積モードに設定する。また制御部１０６は、図７を参照して説明したラインセンサの非選択期間ΔＴｓを、比較的短い期間Ｔａに設定する（ΔＴｓ＝Ｔａ）。ＡＦセンサ１０１は、リセット動作の後、電荷の蓄積を開始する。そして制御部１０６は、ラインセンサ１０２〜１０５の蓄積停止判定を比較的短い周期で行うように、蓄積停止判定回路１０９を制御する。
【００５０】
続いてステップＳ１２０１において、ＣＰＵ１００に設けられたカウンタ（不図示）を一旦リセットし、カウンタをスタートする。このカウンタは、ＡＦセンサ１０１における蓄積時間を計測するために用いられる。続いてステップＳ１２０２において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１における蓄積時間が最大蓄積時間Ｔｍａｘに達しているか否かを判定する。最大蓄積時間Ｔｍａｘは、許容できる蓄積時間の最大値であり、ＣＰＵ１００において予め設定されて保持されている。ＣＰＵ１００に設けられたカウンタの現在のカウンタ値が最大蓄積時間Ｔｍａｘに達していない場合、ステップＳ１２０４へ進む。一方、現在のカウンタ値が最大蓄積時間Ｔｍａｘに達している場合、ステップＳ１２０３へ進む。
【００５１】
ステップＳ１２０３において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１に対して電荷の蓄積を終了するための通信（蓄積終了通信）を行う。この通信は、暗時の撮影などで最大蓄積時間ＴｍａｘまでにＡＦセンサ１０１の蓄積動作が完了しない場合、ＣＰＵ１００が強制的に蓄積動作を終了するために行われる。ステップＳ１２０３にてＣＰＵ１００が蓄積停止通信を行うと、ステップＳ１２１０へ進む。
【００５２】
ステップＳ１２０４において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１の全てのラインセンサ１０２〜１０５の電荷蓄積が停止しているか否かを判定する。ＡＦセンサ１０１は、事前に、電荷蓄積を終了したラインセンサに関する情報をＣＰＵ１００へ送信している。ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１から送信された情報に基づいて、その判定を行う。全てのラインセンサ１０２〜１０５の電荷蓄積が停止している場合、ステップＳ１２１０へ進む。一方、電荷蓄積中のラインセンサがある場合、ステップＳ１２０５へ進む。
【００５３】
ステップＳ１２０５において、ＣＰＵ１００は、ラインセンサの非選択期間ΔＴｓが、ステップＳ１２００にて設定された期間Ｔａから変更されたか否かを判定する。非選択期間ΔＴｓが変更されていない場合、Ｓ１２０６へ進む。一方、非選択期間ΔＴｓが変更されている場合、ステップＳ１２０２へ戻る。
【００５４】
ステップＳ１２０６において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１における蓄積時間が時間Ｔｈ（所定の時間）に達しているか否かを判定する。現在の蓄積時間が時間Ｔｈに達している場合、比較的暗い被写体が存在するため、ステップＳ１２０７へ進む。一方、現在の蓄積時間が時間Ｔｈに達していない場合、ステップＳ１２０２に戻る。時間Ｔｈは、最大蓄積時間Ｔｍａｘよりも短い時間に設定される（Ｔｈ＜Ｔｍａｘ）。
【００５５】
ステップＳ１２０７において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１から出力された信号に基づいて、被写体の輝度判定を行う。具体的には、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１と通信を行い、電荷蓄積中のラインセンサのピーク信号を要求する。そしてＣＰＵ１００は、各ラインセンサのピーク信号のうち最も高い信号に基づいて、被写体輝度情報（被写体輝度値Ｅ）を取得する。
【００５６】
続いてステップＳ１２０８において、ＣＰＵ１００は、ステップＳ１２０７にて取得された被写体輝度情報（被写体輝度値Ｅ）に基づいて、輝度判定を行う。被写体輝度情報（被写体輝度値Ｅ）が判定値（所定の輝度値Ｅｈ）よりも明るい（大きい）場合（Ｅ≧Ｅｈ）、ステップＳ１２０２へ戻る。一方、被写体輝度値Ｅが所定の輝度値Ｅｈよりも暗い（小さい）場合（Ｅ＜Ｅｈ）、ステップＳ１２０９へ進む。
【００５７】
ステップＳ１２０９において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１に対して、非選択期間ΔＴｓの再設定するための通信を行う。本実施形態において、ＣＰＵ１００は、非選択期間ΔＴｓを、期間Ｔａから期間Ｔａよりも長い期間Ｔｂ（Ｔｂ＞Ｔａ）へ変更する。この通信により（非選択期間ΔＴｓの変更により）、ＡＦセンサ１０１におけるラインセンサの蓄積停止判定の周期は長くなる。
【００５８】
ステップＳ１２１０において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１と通信し、各ラインセンサの画素信号（信号読み出し）を要求する。そしてＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１から読み出された信号（画素信号）を順次Ａ／Ｄ変換し、変換後の信号（デジタル信号）をＲＡＭ（不図示）に記憶する。続いてステップＳ１２１１において、ＣＰＵ１００は、ステップＳ１２１０にて取得されたラインセンサの信号（画素信号）に基づいて、デフォーカス量を算出（決定）する。好ましくは、ＣＰＵ１００は、複数のラインセンサの信号に基づいて算出されたデフォーカス量の演算結果のうち、信頼性が最も高い結果、または、撮像装置１０からの距離が最も近い結果を選択する。続いてステップＳ１２１２において、ＣＰＵ１００は、ステップＳ１２１１にて決定されたデフォーカス量に基づいて、適切な焦点状態となるようにレンズ通信回路２０５（レンズ駆動手段）を介して撮影レンズ３００を駆動する。そして、一連の焦点検出動作を終了する。
【００５９】
以上のように、被写体輝度が暗い場合、ラインセンサの非選択期間ΔＴｓを長く設定することにより、ラインセンサ１０２〜１０５の蓄積停止判定周期を長くする。これは、被写体が暗い場合、ラインセンサの蓄積時間が長くなって蓄積停止判定回数が多くなるが、蓄積停止判定周期を長くすることにより、転送トランジスタＭＴＸのオン／オフの繰り返し回数を低減することができる。また、被写体が暗い場合、発生電荷が元々少なく、転送効率の影響を受けやすい。このため、転送トランジスタＭＴＸのオン期間を長くすることにより、転送効率を向上させることが可能である。なお本実施形態では、転送トランジスタＭＴＸのオン／オフ制御を行っているが、これに限定されるものではない。例えば、転送トランジスタＭＴＸをオン状態に維持したまま、ゲート電圧ＶＴＸＬを低い状態（第１の状態：図８（ａ））と高い状態（第２の状態：図８（ｂ））とで切り替え制御を行ってもよい。すなわち、蓄積停止判定を行う間（蓄積停止判定期間：第１の期間）においてポテンシャル障壁を高く設定し、一方、それ以外の期間（第２の期間）においてポテンシャル障壁を低く設定することができる。
【００６０】
なおステップＳ１２０７において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１から出力された信号に基づいて被写体輝度情報を取得するが、これに代えて、ＡＥセンサ２０７から出力された信号に基づいて被写体輝度情報を取得してもよい。また、ＡＦセンサ１０１の蓄積時間が時間Ｔｈに達していることだけで、被写体輝度が暗いと判定してもよい。本実施形態では、被写体輝度情報に応じて判定周期を２値で切り替えているが、輝度判定レベルを増やすことにより周期を３値以上で切り替えてもよい。
【００６１】
本実施形態において、光電変換装置（ＡＦセンサ１０１）は、光電変換部（フォトダイオードＰＤ）、転送部（転送トランジスタＭＴＸ）、容量部（積分容量Ｃｆｄ、メモリ容量Ｃｓ）、判定手段（蓄積停止判定回路１０９）、および、設定手段ＳＴを有する。光電変換部は、被写体からの光を受光して電荷を生成する。転送部は、光電変換部で生成された電荷を転送する。容量部は、転送部から転送された電荷を蓄積する。判定手段は、第１の期間（蓄積停止判定期間）において、容量部に蓄積された電荷量に対応する信号に基づいて、容量部における電荷の蓄積を停止するか否かを判定する。設定手段は、転送部（転送チャネル領域）のポテンシャル障壁の高さを設定する。また設定手段は、第１の期間と、第１の期間とは異なる第２の期間との間で、転送部のポテンシャル障壁の高さを変更する。
【００６２】
好ましくは、判定手段は、容量部に蓄積された電荷量に対応する信号と基準値（蓄積停止レベル）とを比較して、容量部における電荷の蓄積を停止するか否かを判定する。例えば、この信号は、対応するラインセンサからの画素信号のうち最も大きな信号（ピーク信号）、または、画素信号に基づくコントラストなどの特徴量に関する信号であるが、これらに限定されるものではない。
【００６３】
好ましくは、設定手段は、ポテンシャル障壁の高さが第１の高さ（ＰＢ１）である第１の状態と、ポテンシャル障壁の高さが第１の高さよりも高い第２の高さ（ＰＢ２）である第２の状態と、を選択的に設定する。判定手段は、第２の状態において、容量部における電荷の蓄積を停止するか否かを判定する。また好ましくは、設定手段は、第１の期間において、転送部を第２の状態に設定し、第２の期間において、転送部を第１の状態に設定する。また好ましくは、転送部は、第１の状態において、光電変換部で生成された電荷を容量部へ転送し、第２の状態において、電荷の容量部への転送を停止する。
【００６４】
好ましくは、光電変換装置は、転送部と判定手段とを同期制御する制御手段（制御部１０６）を有する。制御手段は、第１の周期で、第１の状態と第２の状態とを繰り返すように転送部を制御する。また制御手段は、第１の周期で、容量部における電荷の蓄積を停止するか否かを判定するように判定手段を制御する。より好ましくは、制御手段は、被写体輝度情報に応じて転送部と判定手段との同期制御周期を変更可能である。より好ましくは、制御手段は、被写体輝度情報として、光電変換部で生成された電荷に基づいて被写体輝度値を取得する。そして制御手段は、被写体輝度値Ｅが所定の閾値（所定の輝度値Ｅｈ）よりも大きい場合、同期制御周期を第１の周期のまま変更しない。一方、制御手段は、被写体輝度値が所定の閾値よりも小さい場合、同期制御周期を第１の周期から第１の周期よりも長い第２の周期へ変更する。より好ましくは、制御手段は、電荷の蓄積開始から所定の時間まで、第１の周期で、容量部における電荷の蓄積を停止するか否かを判定するように判定手段を制御する。また制御手段は、所定の時間を経過した後、第１の周期よりも長い第２の周期で、容量部における電荷の蓄積を停止するか否かを判定するように判定手段を制御する。
【００６５】
好ましくは、光電変換部は、複数のフォトダイオードＰＤを有する。容量部は、複数のフォトダイオードＰＤのそれぞれに対応する複数の容量を有する。制御手段は、複数の容量のそれぞれにおける電荷の蓄積を停止するか否かを順次判定するように判定手段を制御する。また制御手段は、電荷の蓄積を停止した容量に関して、電荷の蓄積を停止するか否かを判定しないように判定手段を制御する。また好ましくは、制御手段は、転送部が第１の状態において、判定手段への電源供給を停止する。
【００６６】
好ましくは、制御手段は、第１のモード（第１の蓄積モード）および第２のモード（第２の蓄積モード）を有する。制御手段は、第１のモードにおいて、光電変換部で生成された電荷を電荷蓄積期間の終了まで容量部へ転送せず、電荷蓄積期間が終わると容量部へ転送する。また制御手段は、第２のモードにおいて、電荷蓄積期間に光電変換部で生成された電荷を容量部へ転送し、容量部における電荷量をモニタする。制御手段は、第２のモードにおいて、転送部と判定手段とを同期制御する。
【００６７】
本実施形態によれば、高ダイナミックレンジでリニアリティを向上させた光電変換装置、焦点検出装置、および、光学機器を提供することができる。
【００６８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態における撮像装置（光学機器）について説明する。本実施形態のＡＦセンサ１０１は、第１実施形態と同様に、第１の蓄積モード（第１のモード）および第２の蓄積モード（第２のモード）を有する。本実施形態のＡＦセンサ１０１は、第２の蓄積モードにおいて、第１実施形態とは異なる構成により、高ダイナミックレンジで使用する場合でもリニアリティを向上させる。なお、本実施形態における撮像装置の他の構成は、第１実施形態の撮像装置１０と同様であるため、それらの説明は省略する。
【００６９】
第２の蓄積モードの電荷蓄積動作において、蓄積停止判定回路１０９は、電荷蓄積中に転送トランジスタＭＴＸをオンにした状態で、電荷の蓄積停止判定を行う。また、蓄積停止判定されたラインセンサは、転送トランジスタＭＴＸをオフにした後、電圧信号を保持する。転送トランジスタＭＴＸをオフにすることで、転送トランジスタＭＴＸのゲート下に入った電荷は、信号を保持する際にはＦＤ領域へ移動する。このため、リニアリティを向上させた適切な信号を得ることができる。一方、電荷蓄積中においては、転送トランジスタＭＴＸのゲート下の電荷の影響により、電荷の蓄積停止判定に誤差が生じる可能性がある。
【００７０】
図１３は、転送トランジスタＭＴＸのオン／オフによるＦＤ電位（出力電圧）の変化を示す図である。ＦＤ電位が電位Ｓ３に達するまで（電位０〜Ｓ３の間）は、転送トランジスタＭＴＸをオンにした状態でのＦＤ電位と、転送トランジスタＭＴＸをオフにした状態でのＦＤ電位とは、互いに同一の電位を示しており、変化しない。一方、ＦＤ電位が電位Ｓ３を超えると、電荷が転送トランジスタＭＴＸのゲート下に入り込み、転送トランジスタＭＴＸのオン／オフに応じてＦＤ電位が変化する。すなわち、図１３に示されるように、同じ蓄積時間で比較した場合、転送トランジスタＭＴＸをオンにした状態でのＦＤ電位（第２の信号、例えば電位Ｓ４´）は、転送トランジスタＭＴＸをオフにした状態でのＦＤ電位（第１の信号、例えば電位Ｓ４）よりも低い。
【００７１】
そこで本実施形態において、蓄積停止判定回路１０９または制御部１０６は、このようなＦＤ電位の変化量（第１の信号と第２の信号との差異に関する情報）を予め記憶しておく。そして蓄積停止判定回路１０９は、本来停止すべきＦＤ電位（第１の信号としての電位Ｓ４）に対応するＦＤ電位（第２の信号としての電位Ｓ４´）を蓄積停止レベル（基準値）として設定する。本実施形態において、電位Ｓ４は飽和レベルであり、飽和レベルは増幅回路の出力回路１１１のダイナミックレンジ（Ｄレンジ）に応じて決定される。転送トランジスタＭＴＸをオンにした状態でのＦＤ電位、および、転送トランジスタＭＴＸをオフにした状態でのＦＤ電位に関しては、工場などで予めＡＦセンサ１０１ごとに蓄積停止レベルを調整して記憶しておくことが好ましい。これにより、ＡＦセンサ１０１の個体ごとに変化量のバラツキを有する場合でも適切な制御が可能となる。なお本実施形態において、この変化量（第１の信号と第２の信号との差異に関する情報）は、転送トランジスタＭＴＸの各状態間の変化に関する情報であり、変化率などの変化に関する他の情報であってもよい。
【００７２】
次に、図１２を参照して、蓄積停止レベルの調整動作について説明する。図１２は、蓄積停止レベルの調整動作を示すフローチャートである。図１２の各ステップは、例えば、ＣＰＵ１００によりＡＦセンサ１０１ごとに実行される。
【００７３】
まずステップＳ７００において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１に設定される蓄積停止レベルＳＬＶＬの初期値として、一番低い０を設定する。続いてステップＳ７０１において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１に対して蓄積開始通信を行う。この蓄積開始通信により、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１に対して、蓄積モードを第２の蓄積モードに設定するとともに、ステップＳ７００またはＳ７０５にて決定された蓄積停止レベルを設定する。
【００７４】
続いてステップＳ７０２において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１の全てのラインセンサ１０２〜１０５における電荷の蓄積が停止しているか否かを判定する。ＡＦセンサ１０１は、事前に、電荷の蓄積が終了したラインセンサの情報をＣＰＵ１００へ送信している。このためＣＰＵ１００は、その情報に基づいて判定を行う。全てのラインセンサの蓄積が停止している場合、ステップＳ７０３へ進む。一方、電荷蓄積中のラインセンサが残っている場合、ＣＰＵ１００は蓄積停止判定を継続する。
【００７５】
続いてステップＳ７０３において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１と通信し、各ラインセンサの画素信号の出力を要求する。そしてＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１から出力される（読み出される）画素信号を順次Ａ／Ｄ変換し、図示しないＲＡＭに記憶する。そしてＣＰＵ１００は、複数のラインセンサの画素信号から、最も出力の大きい画素信号（画素信号の最大値、すなわち最大画素信号）を検出する。
【００７６】
続いてステップＳ７０４において、ＣＰＵ１００は、ステップＳ７０３にて検出した画素信号の最大値と基準値（飽和レベルＳ４）とを比較する。画素信号の最大値が飽和レベルＳ４以上である場合、ステップＳ７０６へ進む。一方、画素信号の最大値が飽和レベルＳ４に達してない場合、ステップＳ７０５へ進む。ステップＳ７０５において、ＣＰＵ１００は、蓄積停止レベルＳＬＶＬをカウントアップし、次回の蓄積動作における蓄積停止レベルを１だけ増加させる。ステップＳ７０６において、ＣＰＵ１００は、現在設定されている蓄積停止レベルＳＬＶＬを不揮発性メモリ（記憶部１０６１）に記憶し、蓄積停止レベル調整動作を終了する。
【００７７】
次に、図１４を参照して、本実施形態における撮像装置１０による焦点検出動作について説明する。図１４は、本実施形態における焦点検出動作を示すフローチャートである。図１４の各ステップは、ＣＰＵ１００またはＡＦセンサ１０１の制御部１０６の指令に基づいて実行される。なお図１４は、ＡＦセンサ１０１の２つの蓄積モード（第１の蓄積モードおよび第２の蓄積モード）のうち、第２の蓄積モードにおける焦点検出動作を示すフローチャートである。
【００７８】
まずステップＳ１１００において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１に対して電荷蓄積を開始するための通信（蓄積開始通信）を行う。この通信により、ＡＦセンサ１０１の制御部１０６は、蓄積モードを第２の蓄積モードに設定する。また制御部１０６は、蓄積停止レベルＳＬＶＬとして、図１２を参照して説明した蓄積停止レベルの調整動作により記憶されている蓄積停止レベルを設定する。
【００７９】
続いてステップＳ１１０１において、ＣＰＵ１００は、ＣＰＵ１００内のカウンタ（不図示）を一旦リセットし、カウンタをスタートする。このカウンタは、ＡＦセンサ１０１における蓄積時間を計測するために用いられる。続いてステップＳ１１０２において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１における蓄積時間が最大蓄積時間Ｔｍａｘに達しているか否かを判定する。最大蓄積時間Ｔｍａｘは、許容できる蓄積時間の最大値であり、ＣＰＵ１００において予め設定されて保持されている。現在のカウンタ値が最大蓄積時間Ｔｍａｘに達していない場合、ステップＳ１１０３へ進む。一方、現在のカウンタ値が最大蓄積時間Ｔｍａｘに達している場合、ステップＳ１１０４へ進む。
【００８０】
ステップＳ１１０３において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１に対して電荷の蓄積を終了するための通信（蓄積終了通信）を行う。この通信は、暗時の撮影などで最大蓄積時間ＴｍａｘまでにＡＦセンサ１０１の蓄積動作が完了しない場合、ＣＰＵ１００が強制的に蓄積動作を終了するために行われる。ステップＳ１１０３にてＣＰＵ１００が蓄積停止通信を行うと、ステップＳ１１０５へ進む。
【００８１】
ステップＳ１１０４において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１の全てのラインセンサ１０２〜１０５の電荷蓄積が停止しているか否かを判定する。ＡＦセンサ１０１は、事前に、電荷蓄積を終了したラインセンサに関する情報をＣＰＵ１００へ送信している。ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１から送信された情報に基づいて、その判定を行う。全てのラインセンサ１０２〜１０５の電荷蓄積が停止している場合、ステップＳ１１０５へ進む。一方、電荷蓄積中のラインセンサがある場合、ステップＳ１１０２へ戻り、電荷の蓄積動作を継続する。
【００８２】
ステップＳ１１０５において、ＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１と通信し、各ラインセンサの画素信号（信号読み出し）を要求する。そしてＣＰＵ１００は、ＡＦセンサ１０１から読み出された信号（画素信号）を順次Ａ／Ｄ変換し、変換後の信号（デジタル信号）をＲＡＭ（不図示）に記憶する。続いてステップＳ１１０６において、ＣＰＵ１００は、ステップＳ１１０５にて取得されたラインセンサの信号（画素信号）に基づいて、デフォーカス量を算出（決定）する。好ましくは、ＣＰＵ１００は、複数のラインセンサの信号に基づいて算出されたデフォーカス量の演算結果のうち、信頼性が最も高い結果、または、撮像装置１０からの距離が最も近い結果を選択する。続いてステップＳ１１０７において、ＣＰＵ１００は、ステップＳ１１０６にて決定されたデフォーカス量に基づいて、適切な焦点状態となるようにレンズ通信回路２０５（レンズ駆動手段）を介して撮影レンズ３００を駆動する。そして、一連の焦点検出動作を終了する。
【００８３】
以上のように、転送トランジスタＭＴＸのオン／オフ（または、ポテンシャル障壁の高さ）に応じたＦＤ電位の変化（信号変動）に対応する蓄積停止レベルを予め調整して設定することにより、ＡＦセンサ１０１を適切に制御することができる。また、転送トランジスタＭＴＸのオン／オフに応じたＦＤ電位の変化が、ラインセンサの画素ごとに異なる場合も考えられる。この場合、ＣＰＵ１００は、図１５に示されるように、調整工程において、転送トランジスタＭＴＸのオン／オフに応じた画素信号の変化を補正値として記憶しておけばよい。図１５は、転送トランジスタＭＴＸのオン／オフによる画素信号の関係を示す図であり、横軸は転送トランジスタＭＴＸをオンにした状態で得られる信号（画素信号）、縦軸は転送トランジスタＭＴＸをオフにした状態で得られる信号をそれぞれ示している。そしてＣＰＵ１００は、電荷蓄積中における転送トランジスタＭＴＸをオンにした状態で得られる画素信号と、記憶された補正値とを用いて、転送トランジスタＭＴＸをオフにした状態で得られる画素信号を補正する。これにより、ＡＦセンサ１０１に代えて、ＣＰＵ１００が停止判定動作を行うことができる。
【００８４】
このように本実施形態において、光電変換装置（ＡＦセンサ１０１）は、光電変換部（フォトダイオードＰＤ）、転送部（転送トランジスタＭＴＸ）、容量部（積分容量Ｃｆｄ、メモリ容量Ｃｓ）、および、判定手段（蓄積停止判定回路１０９）を有する。光電変換部は、被写体からの光を受光して電荷を生成する。転送部は、光電変換部で生成された電荷を転送する。容量部は、転送部から転送された電荷を蓄積する。判定手段は、転送部が電荷を転送している状態で得られた、容量部に蓄積された電荷量に対応する検出信号（検出信号電位）に基づいて、容量部における電荷の蓄積を停止するか否かを判定する。この判定の際において、判定手段は、第１の信号と第２の信号との差異に関する情報を用いる。第１の信号は、転送部が電荷を停止した状態（オフ状態）で容量部に蓄積される電荷量に対応する信号（例えば、飽和レベルとしての電位Ｓ４）である。第２の信号は、転送部が電荷を転送している状態（オン状態）で容量部に蓄積される電荷量に対応する信号（例えば、電位Ｓ４´）である。また、第１の信号と第２の信号との差異に関する情報とは、転送部のオン／オフによるＦＤ電位の変化量であるが、これに限定されるものではない。なお本実施形態では、転送トランジスタＭＴＸのオン／オフ制御を行っているが、これに限定されるものではない。例えば、転送トランジスタＭＴＸをオン状態に維持したまま、電圧ＶＴＸＬを低い状態（第１の状態：図８（ａ））と高い状態（第２の状態：図８（ｂ））とで切り替え制御してもよい。
【００８５】
好ましくは、光電変換装置は、第１の信号と第２の信号との差異に関する情報を記憶する記憶手段（記憶部１０６１）を有する。そして判定手段は、検出信号と記憶手段に記憶された情報とに基づいて、容量部における電荷の蓄積を停止するか否かを判定する。
【００８６】
好ましくは、判定手段は、検出信号と基準値とを比較して、容量部における電荷の蓄積を停止するか否かを判定する。ここで、基準値は、転送部が電荷の転送を停止した状態で第１の信号（電位Ｓ４）が得られるように設定された、転送部が電荷を転送している状態で得られる第２の信号（電位Ｓ４´）、すなわち第１の信号に対応する第２の信号である。また好ましくは、基準値は、転送部のポテンシャル障壁の高さによる信号変動に応じて調整可能な電圧値である。また好ましくは、基準値は、光電変換部ごとに調整可能な電圧値である。
【００８７】
本実施形態によれば、高ダイナミックレンジでリニアリティを向上させた光電変換装置、焦点検出装置、および、光学機器を提供することができる。
【００８８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態における撮像装置（光学機器）について説明する。本実施形態のＡＦセンサ１０１は、第１実施形態と同様に、第１の蓄積モード（第１のモード）および第２の蓄積モード（第２のモード）を有する。本実施形態のＡＦセンサ１０１は、第２の蓄積モードにおいて、第１および第２実施形態とは異なる構成により、高ダイナミックレンジで使用する場合でもリニアリティを向上させる。なお、本実施形態における撮像装置の他の構成は、第１実施形態の撮像装置１０と同様であるため、それらの説明は省略する。
【００８９】
図１６は、本実施形態における第２の蓄積モードの電荷蓄積動作を示すタイミングチャートである。本実施形態では、転送トランジスタＭＴＸがオン状態において、転送トランジスタＭＴＸにはゲート電圧として電圧ＶＴＸＬ＝ＶＴＸＬ２が印加（設定）される。
【００９０】
図１６において、時刻ｔ０〜ｔ１の期間は、画素リセット期間である。ＣＰＵ１００から蓄積開始が通信されると、ＡＦセンサ１０１の制御部１０６は、制御信号φＲＥＳ、φＴＸｎにより、スイッチＳＷＲＥＳと転送トランジスタＭＴＸとをオンにし、フォトダイオードＰＤおよび積分容量Ｃｆｄの電位を電圧ＶＲＥＳにリセットする。時刻ｔ１以降も、転送トランジスタＭＴＸをオンにすることにより、フォトダイオードＰＤで発生した電荷は、積分容量Ｃｆｄにおいて蓄積される。
【００９１】
時刻ｔ２〜ｔ３の期間は、転送トランジスタＭＴＸがオン状態であるため、フォトダイオードＰＤで発生した電荷は、積分容量Ｃｆｄにおいて蓄積される。一方、ライン選択信号φＬＳｎにより、ラインセンサ１０２〜１０５のライン選択スイッチＬＳＥＬを順番にオンにする。ライン選択スイッチＬＳＥＬで選択されたラインセンサの信号は、信号量検出回路１０８に出力される。そして信号量検出回路１０８は、ラインセンサの信号からピーク信号を検出する。また、蓄積停止判定回路１０９は、ピーク信号と蓄積停止レベル（所定の閾値）とを比較して、電荷の蓄積停止判定を行う。また、あるラインセンサから他のラインセンサに切り替えるようにライン選択スイッチＬＳＥＬを制御する際、各ライン選択信号のオン期間の間に非選択期間ΔＴｓ（所定の期間）が設けられている。非選択期間ΔＴｓは、信号バッファアンプの電流源１、２をオフにし、更に蓄積停止判定回路１０９の電源をオフにすることにより、ＡＦセンサ１０１で消費される電力を削減する効果がある。
【００９２】
この期間は、転送トランジスタＭＴＸがオン状態であり、転送トランジスタＭＴＸには、ゲート電位として電圧ＶＴＸＬ＝ＶＴＸＬ２が印加されている。このため、電位は図８（ｂ）に示される状態（第２の状態）であり、前述（第１実施形態）で説明したように転送時間の影響でリニアティ不良が発生してしまう。しかしながら、電荷の蓄積開始時刻（時刻ｔ１）から所定の時刻（時刻ｔ３）までの期間は十分短い期間であり、この間に蓄積停止判定されるような被写体は十分明るい状態である。このため、転送時間の影響は軽微であり、信号リニアリティは十分確保できる。逆に、リニアリティが確保できる輝度から時刻ｔ３を決定してもよい。
【００９３】
時刻ｔ３〜ｔ４の期間は、転送トランジスタＭＴＸをオフ状態にすることにより、フォトダイオードＰＤで発生した電荷は、フォトダイオードＰＤにおいて蓄積される。
【００９４】
時刻４以降の期間は、転送トランジスタＭＴＸは、ライン選択スイッチＬＳＥＬと同期するようにオン／オフ制御する。ライン選択信号φＬＳｎにより、ラインセンサ１０２〜１０５のライン選択スイッチＬＳＥＬを順番にオンにする。また、非選択期間ΔＴｓ（所定の期間）を長く再設定する。ここで第１実施形態と異なる点は、制御信号φＴＸｎはライン選択信号φＬＳｎよりもΔＴｔｒ分早くオンする。ΔＴｔｒ分早くオンすることで、ライン選択し蓄積停止判定するまでに、フォトダイオードＰＤで蓄積した電荷を完全に積分容量Ｃｆｄへ転送可能な転送時間を確保している。同様に、ライン選択の間隔ΔＴｓも長く設定する。
【００９５】
なお、詳細な説明は省略したが、時刻ｔ２以降のライン選択動作で蓄積停止判定された場合、第１実施形態と同様に蓄積停止動作を行い、蓄積停止したラインセンサはライン選択しないよう制御する。
【００９６】
本実施形態において、光電変換装置（ＡＦセンサ１０１）は、光電変換部（フォトダイオードＰＤ）、転送部（転送トランジスタＭＴＸ）、容量部（積分容量Ｃｆｄ、メモリ容量Ｃｓ）、判定手段（蓄積停止判定回路１０９）、および、設定手段ＳＴを有する。光電変換部は、被写体からの光を受光して電荷を生成する。転送部は、光電変換部で生成された電荷を転送する。容量部は、転送部から転送された電荷を蓄積する。判定手段は、第１の期間（蓄積停止判定期間）において、容量部に蓄積された電荷量に対応する信号に基づいて、容量部における電荷の蓄積を停止するか否かを判定する。設定手段は、転送部（転送チャネル領域）のポテンシャル障壁の高さを設定する。また設定手段は、電荷の蓄積開始時刻（時刻ｔ１）から所定の時刻（時刻ｔ３）まで、第１の期間と第２の期間との間でポテンシャル障壁の高さを変更せず、所定の時刻の経過後、第１の期間と第２の期間との間でポテンシャル障壁の高さを変更する。なお本実施形態において、時刻ｔ３以降のライン選択動作や転送トランジスタＭＴＸの制御については、第１実施形態や第２実施形態で説明した制御方法を適用することもできる。
【００９７】
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。
【００９８】
各実施形態は、光学機器として、スチルカメラやムービーカメラなどの撮像装置について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば望遠鏡やプロジェクタなどの撮像機能を有しない光学機器にも適用可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１０１  ＡＦセンサ（光電変換装置）
１０９  蓄積停止判定回路（判定手段）
ＰＤ    フォトダイオード（光電変換部）
ＭＴＸ  転送トランジスタ（転送部）
Ｃｆｄ  積分容量（容量部）
Ｃｓ    メモリ容量（容量部）
ＳＴ    設定手段
【図３】
2016220193.tif 000003
【図７】
2016220193.tif 000004
【図８】
2016220193.tif 000005
【図９】
2016220193.tif 000006
【図１０】
2016220193.tif 000007
【図１３】
2016220193.tif 000008
【図１５】
2016220193.tif 000009
【図１】
2016220193.tif 000010
【図２】
2016220193.tif 000011
【図４】
2016220193.tif 000012
【図５】
2016220193.tif 000013
【図６】
2016220193.tif 000014
【図１１】
2016220193.tif 000015
【図１２】
2016220193.tif 000016
【図１４】
2016220193.tif 000017
【図１６】
2016220193.tif 000018