(57)【要約】【課題】撮像素子の物理的に隣接している行を不連続に選択して読み出すことによって起こる画質劣化を低減することが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】光電変換部を含む複数の画素が列方向に配置された複数の第１の画素行と、光電変換部を含む複数の画素が列方向に配置された複数の第２の画素行と、光電変換部をリセットするリセット部と、リセット部が、第１の画素行の光電変換部の信号蓄積期間を決定する第１のリセット動作と、第２の画素行の光電変換部の信号蓄積期間を決定する第２のリセット動作と、第２のリセット動作とは異なる時刻に第２のリセット動作に先がけて行われる第３のリセット動作とを行う第１のモードと、リセット部が、第１のリセット動作と第２のリセット動作とを行う第２のモードとを切り替える切り替え部とを備える。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部を含む複数の画素が列方向に配置された複数の第１の画素行と、
光電変換部を含む複数の画素が列方向に配置された複数の第２の画素行と、
前記光電変換部をリセットするリセット手段と、
前記リセット手段が、前記第１の画素行の光電変換部の信号蓄積期間を決定する第１のリセット動作と、前記第２の画素行の光電変換部の信号蓄積期間を決定する第２のリセット動作と、前記第２のリセット動作とは異なる時刻に前記第２のリセット動作に先がけて行われる第３のリセット動作とを行う第１のモードと、前記リセット手段が、前記第１のリセット動作と前記第２のリセット動作とを行う第２のモードとを切り替える切り替え手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記第３のリセット動作は、前記第１のリセット動作と同時に行われ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】
前記第２の画素行は、前記第１の画素行の間に離散的に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第１の画素行の信号と、該第１の画素行に隣接する前記第２の画素行の信号が不連続に選択して読み出され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】
全ての前記第１の画素行の信号が読み出された後に、前記第２の画素行の信号が読み出されることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第２の画素行は、光学系の射出瞳の一部を通過した光を受光して信号を生成する複数の焦点検出用画素を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記焦点検出用画素の信号を用いて位相差検出方式の焦点検出を行う焦点検出手段をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記切り替え手段は、前記第１の画素行の光電変換部の信号蓄積期間に応じて前記第１のモードと前記第２のモードとを切り替えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記切り替え手段は、前記第１の画素行の光電変換部の信号蓄積期間が所定の期間以下の場合に前記第１のモードを選択し、前記第１の画素行の光電変換部の信号蓄積期間が所定の期間より長い場合に前記第２のモードを選択することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記所定の期間は、前記第１の画素行の光電変換部が飽和しない信号蓄積期間であることを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記所定の期間は、前記第３のリセット動作の後に前記第２のリセット動作を行い、前記第２のリセット動作の後に前記第２の画素行の信号が読み出されるように駆動される最も長い信号蓄積期間であることを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１２】
光電変換部を含む複数の画素が列方向に配置された複数の第１の画素行と、光電変換部を含む複数の画素が列方向に配置された複数の第２の画素行とを備える撮像装置を制御する方法であって、
前記光電変換部をリセットするリセット工程と、
前記リセット工程において、前記第１の画素行の光電変換部の信号蓄積期間を決定する第１のリセット動作と、前記第２の画素行の光電変換部の信号蓄積期間を決定する第２のリセット動作と、前記第２のリセット動作とは異なる時刻に前記第２のリセット動作に先がけて行われる第３のリセット動作とを行う第１のモードと、前記リセット工程において、前記第１のリセット動作と前記第２のリセット動作とを行う第２のモードとを切り替える切り替え工程と、
を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の制御方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１４】
請求項１２に記載の制御方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置に用いられるＣＭＯＳ型撮像素子において、行列状に配置された複数の画素の中に、位相差検出方式による焦点検出用の画素を配置した技術が提案されている。
【０００３】
位相差検出方式の焦点検出では、撮影レンズの異なる射出瞳を通過した光束を、それぞれ受光して、その受光量に応じて出力される信号のずれ量、すなわち、光束の分割方向の相対的位置ずれ量を検出する。これにより、撮影レンズのピントの方向とずれ量を直接求めることができるので、位相差検出方式による焦点検出用の画素を配置した撮像素子は、ライブビューや、動画記録撮影時にも、高速な焦点検出が可能である。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示された撮像素子は、撮影レンズにより結像される被写体像を光電変換して、画像生成用の信号を出力する撮像用の画素と、撮影レンズの瞳領域を分割して、分割された瞳領域からの被写体像を光電変換して位相差検出用の信号を出力する焦点検出用の画素とを備えている。そして、特許文献１の撮像素子では、焦点検出用の画素は、ライブビューや、動画記録撮影の間引き読み出し時には読み出されない行に配置されている。特許文献１に記載の撮像装置では、ライブビュー、動画記録撮影用の各行を間引き走査して、その後、順次、焦点検出用の画素が配置された各行を走査するように、蓄積及び読み出しの制御を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２１９９５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の読み出し駆動方法では、焦点検出用の画素が配置された行で飽和した画素の電荷が、隣接する行の画素に漏れ出して、撮像用の信号電荷に混ざるという問題がある。
【０００７】
ここで、以下の説明では、焦点検出用の画素を「焦点検出用画素」と呼び、画像生成用の信号を出力する画素を「撮像用画素」と呼ぶこととする。また、画素配列の中で、焦点検出用画素を含んで構成された行を、「焦点検出行」と呼び、撮像用画素のみで構成された行を「撮像行」と呼ぶこととする。また「画素」と呼ぶ場合は、撮像用画素と、焦点検出用画素のいずれか、または両方を指している。
【０００８】
特許文献１に開示された撮像装置では、焦点検出に用いる異なる射出瞳を通過した光束を受光する焦点検出用画素が、動画記録撮影の間引き読み出し時には読み出されない行に配置されている。そして、撮像素子から信号を読み出す時は、最初に撮像行を複数行毎に１行を間引き走査して撮像用画素の信号を読み出した後に、焦点検出行を順次走査して、焦点検出用画素の信号を読み出している。
【０００９】
このような読み出し駆動方法で、ある焦点検出行の読み出し動作終了後には、その焦点検出行の次のフレームのリセット動作が行われるまで、焦点検出行の各画素のフォトダイオード（ＰＤ）には不要な電荷が蓄積され続けている。やがて、この不要な電荷でＰＤが飽和すると、焦点検出行に隣接する撮像行の画素に電荷が漏れ始める。撮像行の信号蓄積期間において、隣接する焦点検出行の画素が飽和して、電荷が漏れている状態であると、撮像行の信号電荷に漏れた電荷が混ざってしまう。このように電荷の混入が発生すると、ライブビュー（ＬＶ）や動画像中に焦点検出行の配置に沿って横線状のノイズが発生し、著しく画質が劣化する、という問題があった。
【００１０】
この問題は、特許文献１のような撮像面位相差ＡＦを可能とする撮像素子に限らず、撮像素子の物理的に隣接している行を、不連続に選択して読み出す事によって起こり得る。
【００１１】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、撮像素子の物理的に隣接している行を不連続に選択して読み出すことによって起こる画質劣化を低減することが可能な撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係わる撮像装置は、光電変換部を含む複数の画素が列方向に配置された複数の第１の画素行と、光電変換部を含む複数の画素が列方向に配置された複数の第２の画素行と、前記光電変換部をリセットするリセット手段と、前記リセット手段が、前記第１の画素行の光電変換部の信号蓄積期間を決定する第１のリセット動作と、前記第２の画素行の光電変換部の信号蓄積期間を決定する第２のリセット動作と、前記第２のリセット動作とは異なる時刻に前記第２のリセット動作に先がけて行われる第３のリセット動作とを行う第１のモードと、前記リセット手段が、前記第１のリセット動作と前記第２のリセット動作とを行う第２のモードとを切り替える切り替え手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、撮像素子の物理的に隣接している行を不連続に選択して読み出すことによって起こる画質劣化を低減することが可能な撮像装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る撮像素子の構成を示す模式図。
【図２】撮像素子の画素部の構成と読み出し走査方法を示す模式図。
【図３】撮像素子の画素部の構成を示す等価回路図。
【図４】撮像素子のローリングシャッタ駆動を模式的に示す図。
【図５】撮像素子のローリングシャッタ駆動のタイミングチャート。
【図６】撮像素子のローリングシャッタ駆動におけるＰＤ中の信号電荷量の変化の様子を示した模式図。
【図７】撮像素子のローリングシャッタ駆動におけるＰＤ中の信号電荷量の変化の様子を示したポテンシャル図。
【図８】一実施形態における第１の駆動モードを模式的に示す図。
【図９】一実施形態における第１の駆動モードのタイミングチャート。
【図１０】第１の駆動モードにおけるＰＤ中の信号電荷量の変化の様子を示した模式図。
【図１１】一実施形態における第２の駆動モードを模式的に示す図。
【図１２】第２の駆動モードにおけるＰＤ中の信号電荷量の変化の様子を示した模式図。
【図１３】一実施形態における第１の駆動モードを模式的に示す図。
【図１４】第１の駆動モードにおけるＰＤ中の信号電荷量の変化の様子を示した模式図。
【図１５】一実施形態における第１の駆動モードを模式的に示す図。
【図１６】第１の駆動モードから第２の駆動モードへの切り替えを模式的に示す図。
【図１７】第１の駆動モードから第２の駆動モードへの切り替えを模式的に示す図。
【図１８】本発明の一実施形態に係る撮像装置のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。まず本発明の一実施形態に係わる撮像素子の構成について、図１〜３を用いて説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係わる撮像素子の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、撮像素子は、画素部１０１、垂直走査部１０２、読み出し部１０３、水平走査部１０４を有する。画素部１０１は、光学系により結像された光学像を受光する複数の画素が、行列状（行方向および列方向）に配置されている。画素部１０１に配置された画素は、画像生成用の信号を生成する撮像用画素（撮像用画素行）と、光学系の射出瞳を通過した光を瞳分割して得られた画像信号を出力可能な焦点検出用画素（焦点検出用画素行）を含む。
【００１７】
画素部１０１における焦点検出行１０５は、瞳分割された画像信号を出力可能な焦点検出用画素が行方向に配置されている。垂直走査部１０２は、画素部１０１の複数の行を垂直方向に順次選択し、行毎に画素の信号を読み出し部１０３にサンプリングする。水平走査部１０４は、読み出し部１０３にサンプリングされた画素の信号を、水平方向に順次選択することによって、後段のアナログフロントエンド（ＡＦＥ）などの回路へ出力する。また、焦点検出行１０５は、４行として図示したが、実際には画素部１０１の中に、適切な行数で配置すれば良く、８行や１６行など、さらに多くてもよい。
【００１８】
図２は、画素部１０１の構成を示す模式図である。説明を分かりやすくするため、垂直方向２２行、水平方向８列のみを示したが、実際にはさらに多くの画素によって画素部１０１は構成される。
【００１９】
図２に示すように、画素部１０１は、行列状に配置された複数の画素を含む構成である。ここで、図２における、Ｈｎ（Ｈ０，Ｈ１，Ｈ２，…）は画素の水平アドレスを示しており、Ｖｎ（Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２，…）は画素の垂直アドレスを示している。ここで、以下の説明では、各画素を、水平アドレスＨｎと垂直アドレスＶｎを用いて「画素（Ｈｎ，Ｖｎ）」と表す。
【００２０】
図２において、撮像用画素２０１は画素部１０１全体に配置され、焦点検出用画素２０２，２０３は離散的に配置されている。撮像用画素２０１は、フォトダイオード（以下、ＰＤ）２０４を含む構成である。ＰＤ２０４は、光学系で結像されて画素２０１に入射した光を受光し、その受光量に応じた信号電荷を生成して蓄積する光電変換部として機能する。画素毎の信号電荷は、読み出し部１０３で読み出された後、後段のＡＦＥなどの回路へ出力される。焦点検出用画素２０２，２０３は、各々ＰＤ２０５，２０６を含む構成である。ＰＤ２０５，２０６は、各画素に配置された不図示のマイクロレンズの光軸に対して偏心して配置されることで、光学系のそれぞれ異なる瞳面の光を受光するように構成されている。あるいは、焦点検出用画素２０２，２０３のＰＤの一部分を遮光部材で遮光することによって、光学系のそれぞれ異なる瞳面の光を受光するように構成してもよい。
【００２１】
垂直出力線２０７は各画素の信号を読み出し部１０３へ出力可能な構成となっている。１つの垂直出力線は、ある同じ時刻において、垂直出力線に接続された１つの画素の信号のみを、読み出し部１０３に出力できる。
【００２２】
本実施形態の撮像素子では、図２のように、焦点検出行Ｖ２，Ｖ７に、各々異なる瞳面の光を受光する焦点検出用画素を配置している。従って、焦点検出処理では、Ｖ２行とＶ７行の焦点検出用画素の出力の相関演算によって、異なる瞳面の２像の位相差を得る。
【００２３】
図２のＶ０，Ｖ１，Ｖ３〜Ｖ６，Ｖ８〜Ｖ１３，Ｖ１５〜Ｖ１８，Ｖ２０，Ｖ２１の各行は、撮像行である。Ｖ２，Ｖ７，Ｖ１４，Ｖ１９の各行は、焦点検出行である。
【００２４】
ここで、本実施形態の撮像素子の垂直選択部１０２による垂直走査の方法について、説明する。
【００２５】
静止画の撮影などにおいて、画素部１０１の全画素の信号を読み出して駆動する時は、垂直走査部１０２は、Ｖ０〜Ｖ２１行を順次選択し、読み出しを行う。一方で、ライブビュー表示（ＬＶ表示）や、動画記録撮影時などにおいては、３０フレーム／秒といった、所定のフレームレートで画像表示を更新して、滑らかな動画像を得る必要がある。なお、以下の説明では、ＬＶ表示、動画記録、動画撮影などの動作モードを総称して、「動画撮影」とする。そのため、動画撮影時は、画素数を間引いて読み出すことが行われる。図２には、動画撮影時に、撮像行を３行毎の間引き走査で読み出した後、焦点検出行をさらに走査する例を図示している。すなわち、動画撮影時においては、Ｖ０，Ｖ３，Ｖ６，…，Ｖ１８，Ｖ２１行を順次選択し、読み出しを行う。このように読み出された信号は、画像生成用の信号としてデジタル信号処理されて、動画表示および記録に用いられる。その後、Ｖ２，Ｖ７，Ｖ１４，Ｖ１９の各行が順次選択されて、焦点検出用の信号が読み出される。位相差検出方式の焦点検出を行うための位相差評価値は、それぞれ異なる瞳面から得られた焦点検出行の出力信号を相関演算により比較することで算出できる。
【００２６】
なお、本実施形態としては、動画撮影時に、撮像行を３行毎の飛び越し走査で読み出すとしたが、必要な解像度、あるいは必要なフレームレートに応じて、５行毎の間引き走査や、７行毎の間引き走査等としても良い。
【００２７】
図３は、本実施形態における画素部１０１の構成を示す等価回路図である。説明を分かりやすくするため、図２における画素（Ｈ０,Ｖ２）、（Ｈ０，Ｖ３）と、その信号の出力経路のみを示した。
【００２８】
図３において、各画素には、フォトダイオード（ＰＤ）３０１が配置されている。ＰＤ３０１は、受光量に応じた信号電荷を生成して蓄積する光電変換部として機能する。転送スイッチ３０２は、信号パルスＰＴＸにより駆動され、ＰＤ３０１で蓄積された信号電荷を、フローティングディフュージョン部（ＦＤ）３０３に転送する。ＦＤ３０３は、ＰＤ３０１から転送された信号電荷を保持可能な構成となっている。また、ＦＤ３０３は、保持した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部としても機能する。
【００２９】
リセットスイッチ３０４は、信号パルスＰＲＥＳにより駆動され、ＦＤ３０３に基準電源電圧を供給する構成となっている。信号出力部３０５は、ＦＤ３０３に保持した電荷に基づく電圧信号を増幅して、画素の信号として出力する。信号出力部３０５は、定電流源３０７と共に、ソースフォロワ回路を構成している。
【００３０】
選択スイッチ３０６は、信号パルスＰＳＥＬによって駆動され、信号出力部３０５で出力された信号が、垂直出力線２０７に出力される。垂直出力線２０７に出力された信号は、読み出し部１０３で垂直出力線毎にサンプリングされたのち、さらに後段のアナログフロントエンド（ＡＦＥ）などの回路へ出力される。
【００３１】
図３では、Ｖｎ行目に入力される信号パルスＰＴＸ，ＰＲＥＳ，ＰＳＥＬは、各々ＰＴＸＶｎ，ＰＲＥＳＶｎ，ＰＳＥＬＶｎで表している。以上が、本実施形態における撮像素子の構成についての説明である。
【００３２】
次に図４〜図７を用いて、解決しようとする課題について説明する。図４は、動画撮影時に用いられる公知のローリングシャッタ駆動を模式的に示した図である。図４において、縦軸は動画撮影時の垂直走査行、横軸は時刻を示している。
【００３３】
ここでは、垂直走査は、図２で説明したように、初めに撮像行を３行毎の間引き走査で選択し、その後焦点検出行を順次選択する例を示している。図４では、斜めに並んで配置された各ブロックが、各行におけるリセット動作または読み出し動作のタイミングを示している。従って、図４に示したように、各行のリセット動作から読み出し動作までの期間が信号蓄積期間を決定する。
【００３４】
リセット動作においては、画素の転送スイッチ３０２がＯＮ状態となり、ＰＤ３０１に蓄積された電荷がＦＤ３０３へ転送される。この時、リセットスイッチ３０４をＯＮ状態としておくことで、ＰＤ３０１からＦＤ３０３へ転送された電荷は、画素の基準電源電圧へ直ぐに排出される。再び転送スイッチ３０２がＯＦＦ状態になると、ＰＤ３０１では、受光した光に応じて信号電荷を生成し蓄積する状態になる。
【００３５】
読み出し動作においては、リセット動作と同様に、画素の転送スイッチ３０２がＯＮ状態となり、信号蓄積期間においてＰＤ３０１で蓄積された信号電荷がＦＤ３０３へ転送される。この時、読み出し動作では、リセットスイッチ３０４をＯＦＦ状態としておくことで、信号電荷がＦＤ３０３に保持される。その後、信号出力部３０５は、ＦＤ３０３に保持した電荷に基づく電圧信号を増幅して、垂直出力線２０７に画素の信号として出力する。
【００３６】
図５は、図４で説明したローリングシャッタ駆動のタイミングチャートである。図５では、撮像行Ｖ３と撮像行Ｖ６のリセット動作と読み出し動作のタイミングチャートを示している。
【００３７】
図５において、時刻ｔ５０１から時刻ｔ５０４は、撮像行Ｖ３のリセット動作期間である。時刻ｔ５０１で水平同期信号ＨＤが入力されると、所定時間後の時刻ｔ５０２に、信号パルスＰＴＸＶ３がＨｉｇｈレベル（以下、Ｈ）となり、Ｖ３行目の転送スイッチ３０２がＯＮとなる。これにより、ＰＤ３０１に蓄積されていた電荷が、ＦＤ３０３へ排出される。また、リセット動作期間の時刻ｔ５０１から時刻ｔ５０４では、信号パルスＰＲＥＳＶ３は常にＨであるので、リセットスイッチ３０４はＯＮ状態である。従って、リセット動作期間中にＰＤ３０１から、ＦＤ３０３へ転送された電荷は、画素の基準電源電圧へ直ぐに排出される。時刻ｔ５０３で、信号パルスＰＴＸＶ３がＬｏｗレベル（以下、Ｌ）となると、Ｖ３行目の転送スイッチ３０２がＯＦＦとなり、ＰＤ３０１からＦＤ３０３への電荷転送、すなわちＰＤ３０１の電荷排出が終了する。
【００３８】
同様に、時刻ｔ５０４から時刻ｔ５０５は、撮像行Ｖ６のリセット動作期間である。時刻ｔ５０６から時刻ｔ５１２は、撮像行Ｖ３の読み出し動作期間である。時刻ｔ５０６で、水平同期信号ＨＤが入力されると所定時間後のｔ５０７に、Ｖ３行目の画素を選択するＰＳＥＬＶ３がＨとなりＶ３行目の選択スイッチ３０６がＯＮとなる。
【００３９】
これにより信号出力部３０５の入力（ＦＤ３０３の電圧）に応じた電圧信号が、垂直出力線２０７に現れる。その後所定時間後の時刻ｔ５０８で、信号パルスＰＲＥＳＶ３がＬとなり、ＦＤ３０３のリセット状態を解除する。すると垂直出力線２０７には、ＦＤ３０３のリセット解除状態での電圧信号が現れる。
【００４０】
次に、時刻ｔ５０８から時刻ｔ５０９の期間で、ＦＤ３０３のリセット解除状態での垂直出力線２０７の電圧信号が各々読み出し部１０３に、Ｎ信号成分としてサンプリングされる。
【００４１】
次に時刻ｔ５０９で、Ｖ３行目の画素の転送スイッチ３０２をＯＮにすべく、信号パルスＰＴＸＶ３をＨとする。さらに所定時間後の時刻ｔ５１０で転送スイッチ３０２をＯＦＦにすると、この動作によりＶ３行目の画素の信号電荷がＦＤ３０３へ転送される。このときＰＤ３０１からＦＤ３０３へ転送される信号電荷は、時刻ｔ５０３で電荷の排出を終えてから時刻ｔ５１０までの期間にＰＤ３０１が受光した光に応じて光電変換された電荷である。時刻ｔ５１０の後には、垂直出力線２０７にはＦＤ３０３の電圧に応じた画素の電圧信号が現れ、読み出し部１０３にＳ信号成分としてサンプリングされる。
【００４２】
ここまでで、Ｖ３行目の各画素のリセット解除状態の電圧信号がＮ信号成分として、また、Ｖ３行目の各画素の信号電荷に応じた電圧信号がＳ信号成分として、読み出し部１０３にサンプリングされたことになる。
【００４３】
この後さらに、時刻ｔ５１０から時刻ｔ５１１の期間で、読み出し部１０３は、水平走査部１０４によって走査され、Ｎ信号成分とＳ信号成分の差分（Ｓ−Ｎ）を列毎に順次出力することで、Ｖ３行目の画素信号の読み出しを完了する。同様に、時刻ｔ５１２から時刻ｔ５１３は、撮像行Ｖ６の読み出し動作期間である。
【００４４】
図６は、図４および図５で説明したローリングシャッタ駆動において、焦点検出行Ｖ２と、Ｖ２行と隣接する撮像行Ｖ３に着目して、ＰＤ３０１中の信号電荷量が変化する様子の例を示した模式図である。
【００４５】
図６に示したように、焦点検出行Ｖ２において、時刻ｔ６０１（リセット動作終了）から、時刻ｔ６０２（読み出し動作開始）までの信号蓄積期間に、ＰＤ３０１中の信号電荷量は、受光した光に応じて増加している。そして、読み出し動作では、ＰＤ３０１の信号電荷がＦＤ３０３に転送されることで、ＰＤ３０１には電荷が一旦無くなる。しかし、ローリングシャッタ駆動による動画撮影時は、光学系により結像された光が撮像素子に常に当たり続けている状態であるため、時刻ｔ６０３（読み出し動作終了）以降で再び電荷が蓄積される。ＰＤ３０１に電荷が蓄積され続けると、やがて時刻ｔ６０４でＰＤ３０１が飽和する。ＰＤ３０１が飽和した後も、さらに光が当たり続けると、発生した電荷が隣接する画素へ漏れ込む現象が起きる。このようにして、時刻ｔ６０５から時刻ｔ６０６で、撮像行Ｖ３の信号蓄積期間中にも、電荷の漏れ出しが起きていると、焦点検出行Ｖ２から漏れた電荷は撮像行Ｖ３のＰＤ３０１に蓄積されて、ノイズとなる。このように電荷の混入が発生すると、ＬＶ画像や動画像中に焦点検出行の配置に沿って横線状のノイズが発生し、著しく画質が劣化する。
【００４６】
図７は、図２の破線Ａ−Ａ’間のポテンシャル図であり、図６における時刻ｔ６０５〜ｔ６０６の期間の電荷蓄積の様子を模式的に示している。図６で説明したように、ローリングシャッタ駆動による動画撮影時は、光学系により結像された光が撮像素子に常に当たり続けている状態であるため、時刻ｔ６０３（読み出し動作終了）以降で再び電荷が蓄積される（図７のＩ）。ＰＤ３０１に電荷が蓄積され続けると、やがて時刻ｔ６０４でＰＤ３０１が飽和する（図７のII）。ＰＤ３０１が飽和した後も、さらに光が当たり続けると、発生した電荷が隣接する画素へ漏れ込む現象が起きる（図７のIII）。時刻ｔ６０５から時刻ｔ６０６で、撮像行Ｖ３の信号蓄積期間中にも、電荷の漏れ出しが起きていると、焦点検出行Ｖ２から漏れた電荷は撮像行Ｖ３のＰＤ３０１に蓄積されて、ノイズとなる（図７のIV）。以上が、解決しようとする課題についての説明である。
【００４７】
なお、上記では、図７で説明したように、飽和したＰＤ３０１の電荷が、隣接する行のＰＤ３０１に漏れ込むことで、ノイズを発生させると説明した。しかしながら、撮像素子として、複数の画素のＰＤ３０１及び転送スイッチ３０２に対して、ＦＤ３０３、信号出力部３０５、選択スイッチ３０６を各々１つ設けた画素の構成も知られている。このような画素で構成される撮像素子においては、飽和したＰＤ３０１の電荷が、ＦＤ３０３に漏れ込むことで、同じＦＤ３０３を共有する別の画素の出力信号にノイズとして表れる場合もある。
【００４８】
本実施形態では、このように飽和した電荷が、ＰＤ３０１から隣接する行のＰＤ３０１に漏れ込むことで起きるノイズと、ＰＤ３０１からＦＤ３０３に漏れ込むことで同じＦＤを共有する画素に発生するノイズとを各々低減することが可能である。
【００４９】
次に、本実施形態における撮像素子の駆動方法について説明する。
【００５０】
本実施形態の撮像素子の駆動方法は、第１の駆動モードと、第２の駆動モードを有し、動画撮影時の信号蓄積期間設定に応じてこれら２つのモードを切り替えて使用する。
【００５１】
まず、第１の駆動モードについて、図８〜図１０を用いて説明する。第１の駆動モードは、撮像素子の信号蓄積期間として、所定の蓄積期間以下の短秒時が設定された場合に用いられるモードである。
【００５２】
図８は、本実施形態の撮像素子の駆動方法の第１の駆動モードを模式的に示した図である。図８において、縦軸は動画撮影時の垂直走査行、横軸は時刻を示している。垂直走査は、図４と同様に、初めに撮像行を３行毎に間引き走査して、その後焦点検出行を順次選択して走査する例を示している。
【００５３】
図８に示すように、第１の駆動モードでは、撮像行Ｖ３のリセット動作と同時刻に、焦点検出行Ｖ２のリセット動作も行う。同様に、撮像行Ｖ６，Ｖ１５，Ｖ１８のリセット動作と同時刻に、各々焦点検出行Ｖ７，Ｖ１４，Ｖ１９のリセット動作も行っている。
【００５４】
図９は、図８で説明した第１の駆動モードのタイミングチャートである。図９では、撮像行Ｖ３と撮像行Ｖ６のリセット動作と読み出し動作、および同時刻に行われる焦点検出行Ｖ２と焦点検出行Ｖ７のリセット動作のタイミングチャートを示している。
【００５５】
図９において、撮像行Ｖ３，Ｖ６のリセット動作、および読み出し動作に係るタイミングチャートは、図５で説明したローリングシャッタ駆動と同様である。但し、本実施形態の第１の駆動モードでは、撮像行Ｖ３，Ｖ６のリセット動作と同時に、隣接する焦点検出行Ｖ２，Ｖ７も各々リセットする。
【００５６】
図９において、時刻ｔ９０１から時刻ｔ９０４は、撮像行Ｖ３のリセット動作期間である。時刻ｔ９０１で水平同期信号ＨＤが入力されて、所定時間後の時刻ｔ９０２から時刻ｔ９０３の期間に、Ｖ３行目の信号パルスＰＴＸＶ３がＨとなると、ＰＤ３０１からＦＤ３０３へ電荷が排出される。この時、焦点検出行Ｖ２においても、時刻ｔ９０２から時刻ｔ９０３の期間に、信号パルスＰＴＸＶ２をＨとすることで、ＰＤ３０１からＦＤ３０３へ電荷を排出している。
【００５７】
同様に、時刻ｔ９０４から時刻ｔ９０７は、撮像行Ｖ６のリセット動作期間である。時刻ｔ９０５から時刻ｔ９０６の期間に、信号パルスＰＴＸＶ６がＨとなるのと同時刻に、信号パルスＰＴＸＶ７もＨとすることで、撮像行Ｖ６と、焦点検出行Ｖ７のＰＤ３０１の電荷を排出している。
【００５８】
図１０は、図８および図９で説明した第１の駆動モードにおける、焦点検出行Ｖ２と、Ｖ２行に隣接する撮像行Ｖ３に着目して、ＰＤ中の信号電荷量が変化する様子の例を示した模式図である。
【００５９】
図１０に示したように、時刻ｔ１００１で焦点検出行Ｖ２の読み出し動作が終了すると、光学系により結像された光が撮像素子に常に当たり続けている状態であるため、時刻ｔ１００１（読み出し動作終了）以降で再び電荷が蓄積する。時刻ｔ１００２ではＰＤ３０１が飽和した状態となっている。しかしながら、本実施形態の駆動方法の第１のモードによれば、時刻ｔ１００３から時刻ｔ１００４で、撮像行Ｖ３のリセット動作を行うのと同時に、焦点検出行Ｖ２も同時にリセット動作が行われる。このため時刻ｔ１００４で、焦点検出行Ｖ２のＰＤ３０１は、電荷が一旦排出されたことで、飽和状態が解消される。そして、撮像行Ｖ３の信号蓄積期間（時刻ｔ１００４〜ｔ１００５）では、Ｖ２行から漏れて混入する電荷は無くなるので、撮像行Ｖ３の読み出し動作時には、適切な信号電荷が蓄積された状態となる。以上が、本実施形態の撮像素子の駆動方法の、第１の駆動モードについての説明である。
【００６０】
次に、本実施形態の撮像素子の駆動方法の第２の駆動モードについて、図１１〜図１２を用いて説明する。第２の駆動モードは、撮像素子の信号蓄積期間として、長秒時が設定された場合に用いられるモードである。
【００６１】
図１１は、本実施形態の第２の駆動モードを模式的に示した図である。図１１において、縦軸は動画撮影時の垂直走査行、横軸は時刻を示している。垂直走査は、図４、図８と同様に、初めに撮像行を３行毎に間引き走査して、その後焦点検出行を順次選択して走査する例を示している。
【００６２】
図１１に示すように、第２の駆動モードでは、第１の駆動モードのような撮像行のリセット動作と同時刻の焦点検出行のリセット動作は行わない。第２の駆動モードは、いわば、図４で説明したローリングシャッタ駆動と同様に駆動される。
【００６３】
図１２は、図１１で説明した第２の駆動モードにおける、焦点検出行Ｖ２と、Ｖ２行に隣接する撮像行Ｖ３に着目して、ＰＤ中の信号電荷量が変化する様子の例を示した模式図である。
【００６４】
図１２に示したように、第２の駆動モードが使用される信号蓄積期間が長秒時の設定では、撮像行の信号蓄積期間中に、隣接する焦点検出行のＰＤ３０１が飽和しているという状況が起こらない。撮像行Ｖ３の信号蓄積期間では、焦点検出行Ｖ２から漏れて混入する電荷は無くなるので、撮像行Ｖ３の読み出し動作時には、適切な信号電荷が蓄積された状態となっている。
【００６５】
図１２に示したように、被写体の輝度に対して、撮像行のＰＤが少なくとも飽和しないような信号蓄積期間が設定されていれば、撮像行の信号蓄積期間中に、隣接する焦点検出行のＰＤ３０１が光電変換によって飽和しているという状況はほぼ起こりえない。また、信号蓄積期間中に受光した光によって、焦点検出行から撮像行への電荷の漏れ込みが発生する（すなわち、ＰＤ３０１が飽和してしまう）ような撮影条件においては、撮像行も同時に飽和していて、撮影された動画像中にはノイズとして見えることがない。従って第２の駆動モードが適用される信号蓄積期間が長い撮影条件では、動画撮影中に焦点検出行の配置に沿って横線状のノイズが発生するような画質の劣化は起きない。以上が、本実施形態における第２の駆動モードについての説明である。
【００６６】
次に、第１の駆動モードと第２の駆動モードを動画撮影時の信号蓄積期間設定に応じて切り替えて使用する理由について、図１３〜図１４を用いて説明する。
【００６７】
図１３は、第２の駆動モードが適用されるべき長秒時の信号蓄積期間で、第１の駆動モードを用いた場合の問題を説明する図である。従って、図１３は、本実施形態が意図する駆動方法ではないが、信号蓄積期間設定に応じて２つのモードを切り替える理由を説明するために示している。
【００６８】
図１３において、縦軸は動画撮影時の垂直走査行、横軸は時刻を示している。垂直走査は、図４、図８、図１１と同様に、初めに撮像行を３行毎に間引き走査して、その後焦点検出行を順次選択して走査する例を示している。
【００６９】
前述したように、本実施形態の撮像素子の駆動方法の第１の駆動モードでは、撮像行Ｖ３のリセット動作と同時刻に、焦点検出行Ｖ２のリセット動作も行う。同様に、撮像行Ｖ６，Ｖ１５，Ｖ１８のリセット動作と同時刻に各々焦点検出行Ｖ７，Ｖ１４，Ｖ１９のリセット動作も行っている。この時、例えば焦点検出行Ｖ２に着目すると、信号蓄積期間中に撮像行Ｖ３の隣接行としてのリセット動作が挿入されている。すると、焦点検出行の信号電荷は、信号蓄積期間中に一旦排出されてしまうので、読み出される焦点検出行の信号量が減少してしまう。図１４を用いて、さらに説明する。
【００７０】
図１４は、図１３で説明した、第２の駆動モードが適用されるべき長秒時の信号蓄積期間で、第１の駆動モードを用いた場合に、焦点検出行Ｖ２と、Ｖ２行と隣接する撮像行Ｖ３に着目して、ＰＤ中の信号電荷量が変化する様子を示した模式図である。
【００７１】
図１４において、焦点検出行Ｖ２の信号蓄積期間は、リセット動作から読み出し動作の間、すなわち時刻ｔ１４０１から時刻ｔ１４０４の間の期間である。しかしながら、本実施形態の第１の駆動モードを適用した場合は、時刻ｔ１４０２から時刻ｔ１４０３の期間で、撮像行Ｖ３のリセット動作と同時に、焦点検出行Ｖ２もまたリセットされることになる。時刻ｔ１４０４では信号蓄積期間中に蓄積した信号電荷を読み出すが、信号量は実効的に時刻ｔ１４０３から時刻ｔ１４０４の期間に蓄積された信号量に減少してしまう。
【００７２】
撮像面位相差ＡＦに用いられる信号量の減少は、ＳＮを悪化させ、焦点検出精度の低下を招く。従って、図１３に示したような長秒時の信号蓄積期間が設定される時は、第２の駆動モードで駆動する必要がある。そして、第２の駆動モードでは、前述したように、被写体の輝度に対して、撮像行のＰＤ３０１が少なくとも飽和しないような信号蓄積期間が設定されていれば、撮像行の信号蓄積期間中に、隣接する焦点検出行のＰＤ３０１が光電変換によって飽和しているという状況はほぼ起こりえない。また、信号蓄積期間中に受光した光によって、焦点検出行から撮像行への電荷の漏れ込みが発生するような撮影条件においては、撮像行も同時に飽和していて、撮影された動画像中にはノイズとして見えることがない。従って第２の駆動モードが適用される信号蓄積期間が長秒時の撮影条件では、動画撮影中に焦点検出行の配置に沿って横線ノイズが発生するような画質の劣化は起きない。
【００７３】
次に、本実施形態の撮像装置の駆動方法における、第１の駆動モードと第２の駆動モードを切り替える信号蓄積期間の設定条件について、図１５〜１７を用いて説明する。
【００７４】
図１５は、本実施形態の駆動方法における、第１の駆動モードが適用できる最長の信号蓄積期間が設定された場合の駆動タイミングを模式的に示す図である。図１５において、縦軸は動画撮影時の垂直走査行、横軸は時刻を示している。垂直走査は、図４、図８、図１１、図１３と同様に、初めに撮像行を３行毎に間引き走査して、その後焦点検出行を順次選択して走査する例を示している。
【００７５】
前述したように、第１の駆動モードでは、撮像行Ｖ３のリセット動作と同時刻に焦点検出行Ｖ２のリセット動作を行う。同様に、撮像行Ｖ６，Ｖ１５，Ｖ１８のリセット動作と同時刻に各々焦点検出行Ｖ７，Ｖ１４，Ｖ１９のリセット動作も行っている。
【００７６】
図１３で説明したように、第１の駆動モードで撮像行Ｖ３のリセット動作と同時刻に焦点検出行Ｖ２のリセット動作をする時に、そのリセット動作が焦点検出行Ｖ２の信号蓄積期間に重なってしまうと、焦点検出行Ｖ２の必要な信号電荷も排出されてしまう。従って、隣接する焦点検出行と撮像行に関して、撮像行のリセット動作が焦点検出行の信号蓄積期間に重ならない条件を満たす範囲で、第１の駆動モードを適用することができる。そこで、図１５に示すように、焦点検出行Ｖ２の読み出し動作の直後に、撮像行Ｖ３と焦点検出行Ｖ２のリセット動作が行われる駆動が、第１の駆動モードが適用できる最長の信号蓄積期間設定となる。
【００７７】
さらに、本実施形態の駆動方法における、短秒時から長秒時への信号蓄積期間の切り替え方法について、図１６〜１７を用いて説明する。本実施形態の駆動方法では、第１の駆動モードで駆動中の短秒時の蓄積時間設定から、第２の駆動モードが適用される長秒時の蓄積時間設定に切り替える時に、信号蓄積期間の増加量に制限が必要である。
【００７８】
図１６は、第１の駆動モードが適用される信号蓄積期間１６０２から、第２の駆動モードが適用される信号蓄積時間１６０３へ、１フレームで切り替えた時に起きる問題を示す図である。従って、図１６は、本実施形態が意図する駆動方法ではないが、短秒時から長秒時への信号蓄積期間の切り替え時に起こり得る問題ついて説明するために示している。
【００７９】
図１６において、時刻ｔ１６０１で信号蓄積期間１６０３を制御するリセット走査が開始されると、垂直走査部１０２は、第２の駆動モードとして動画撮影の垂直走査で動作し始める。この場合、信号蓄積時間１６０２を制御する第１の駆動モードのリセット走査がされている途中で、時刻ｔ１６０１で第２の駆動モードに切り替わってしまうため、焦点検出行Ｖ１４とＶ１９の電荷を排出するためのリセット動作が行われなくなる。
【００８０】
このように、第１の駆動モードが適用される信号蓄積期間１６０２から第２の駆動モードが適用される信号蓄積時間１６０３へ単純に切り替えた時には、焦点検出行で発生した電荷が隣接する画素へ漏れ込む現象が起き、動画像中にノイズを発生させ得る。そこで、これを回避するための本実施形態の駆動方法を図１７に示す。
【００８１】
図１７は、図１６で説明した問題を回避しつつ、短秒時から長秒時へ信号蓄積期間を切り替える駆動方法を示す図である。図１７では、第１の駆動モードが適用される信号蓄積期間１７０３から、第２の駆動モードが適用される信号蓄積時間１７０５へ、２フレームを使って切り替えている。つまり、信号蓄積期間１７０４のフレームを間に挿入している。図１７では、信号蓄積時間１７０３を制御する第１の駆動モードのリセット走査が撮像行Ｖ１８と焦点検出行Ｖ１９を同時にリセット動作させた直後、時刻ｔ１７０１で信号蓄積時間１７０４を制御するリセット走査が開始される。従って、図１６で説明したような第１の駆動モードのリセット走査がされている途中で、第２の駆動モードに切り替わってしまうことは起きない。信号蓄積期間１７０４を制御しているリセット走査は、第２の駆動モードで垂直走査される。そして、時刻ｔ１７０２では、信号蓄積期間１７０５を制御するリセット走査が開始されて、短秒時から長秒時へ信号蓄積期間の切り替えが完了する。
【００８２】
図１７のように、第１の駆動モードが適用される信号蓄積期間１７０３から、第２の駆動モードが適用される信号蓄積時間１７０５へ、信号蓄積期間１７０４のフレームを間に挿入して切り替えることで、図１６で説明した問題を回避することができる。
【００８３】
以上説明したように、本実施形態の撮像素子の駆動方法では、最初に撮像行を複数行毎に１行を間引き走査して撮像用画素の信号を読み出した後に、焦点検出行を順次走査して、焦点検出用画素の信号を読み出す。この駆動方法において、焦点検出行の画素が飽和して漏れ出した電荷が、撮像行の信号電荷に混ざって発生する画質劣化を低減することができる。
【００８４】
また、設定される信号蓄積期間に応じて、第１の駆動モードと第２の駆動モードとを切り替えて適用することで、焦点検出用画素の信号電荷量の減少を抑制し、焦点検出精度の低下を防ぐことができる。
【００８５】
最後に、本実施形態に係る撮像装置の概略構成について説明する。図１８は本実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。
【００８６】
図１８において、光学系１８０１はフォーカスレンズを含み、更にはズームレンズ、絞りなどを含んで構成されている。撮像素子１８０２は、光学系１８０１で結像された光学像を受光する。撮像素子１８０２は、画像生成用の信号と、撮影レンズの瞳領域を分割して、分割された瞳領域からの被写体像を光電変換して位相差検出用の信号を出力可能な構成となっている。光学系駆動部１８０３は、後述するＡＦ制御部１８０９から出力される光学系駆動情報に応じて、光学系１８０１を制御する。アナログフロントエンド１８０４（ＡＦＥ）は、Ａ／Ｄ変換回路を含んで構成されている。ＡＦＥ１８０４では、アナログ信号を用いた基準黒レベルの調整及びアナログ／デジタル変換処理を行う。デジタルフロントエンド（ＤＦＥ）１８０５は、各画素のデジタル出力を受けて画素の並び替え等をデジタル処理している。デジタル信号処理部１８０６は、ＤＦＥ１８０５から得られた画像信号に対して、色変換、ホワイトバランス補正、ガンマ補正等の画像処理、解像度変換処理、画像圧縮処理等を行い、不図示の記録装置や表示装置に処理後の画像信号を出力する。記憶部１８０７は、デジタル信号処理部１８０６の作業用メモリとして、あるいは連続撮影等のバッファーメモリとして使用される。位相差算出部１８０８は、撮像素子１８０２から出力される瞳分割された信号を用いて、位相差検出方式の焦点検出を行うための位相差評価値を算出する。ＡＦ制御部１８０９は、位相差算出部１８０８で算出された位相差評価値を基に、光学系１８０１のフォーカスレンズ位置を制御するための光学系駆動情報を算出する。すなわち、位相差算出部１８０８及びＡＦ制御部１８０９により、公知の位相差方式の焦点検出制御が行われる。
【００８７】
以上が、本実施形態に係る撮像装置の概略構成であり、前述の撮像素子及び撮像素子の読み出し駆動は、本構成によって実現可能である。但し、本発明に係る撮像装置の構成は上記に限定されるものではない。例えば、撮像素子１８０２は、列毎のＡ／Ｄ変換回路を含む構成としてもよく、この場合は、撮像素子１８０２が、読み出した画素毎のデジタル信号をＤＦＥ１８０５へ出力する。さらには、撮像素子１８０２が、Ａ／Ｄ変換回路とＤＦＥブロックを内部に備えた構成であってもよい。
【００８８】
また、本実施形態では、撮像面位相差検出方式の焦点検出が可能な撮像素子を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、例えば、撮像素子の物理的に隣接している行を不連続に選択して読み出して駆動する撮像素子に適用可能である。
【００８９】
（その他の実施形態）
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。
【符号の説明】
【００９０】
１０１：画素部、１０２：垂直走査部、１０３：読み出し部、１０４：水平走査部、１０５：焦点検出行
【図１】
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【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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【図１８】
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