(57)【要約】      （修正有）【課題】撮像面位相差ＡＦを行う場合の撮像画像に含まれるノイズの増加を極力抑制する。【解決手段】撮像光学系の異なる瞳領域からの光を受光し光電変換を行う複数の受光素子を有する単位画素が行列状に配置された画素部と、画素部からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、Ａ／Ｄ変換部より前段に配置された第１の信号レベル変更部と、第１の信号レベル変更部の後段に接続された第２の信号レベル変更部と、単位画素における複数の受光素子の信号を単位画素内で混合することにより、撮影画像に用いる単位画素の信号を生成する第１のモードと、複数の受光素子の信号を単位画素から別々に読み出し、画素部より後段で混合し、撮影画像に用いる単位画素の信号を生成する第２のモードのいずれかを選択する選択部と、第２のモードにおける第１の信号レベル変更部のゲインを、第１のモードにおけるゲインより大きく設定する制御部とを備える。【選択図】図３
2017079402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像光学系の瞳の異なる瞳領域からの光を受光し光電変換を行う複数の受光素子を有する単位画素が行列状に配置された画素部と、
前記画素部からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段より前段に配置された第１の信号レベル変更手段と、
前記第１の信号レベル変更手段の後段に接続された第２の信号レベル変更手段と、
前記単位画素における前記複数の受光素子の信号を前記単位画素内で混合することにより、撮影画像に用いる前記単位画素の信号を生成する第１のモードと、前記単位画素における前記複数の受光素子の信号を前記単位画素から別々に読み出し、前記画素部より後段で混合することにより、撮影画像に用いる前記単位画素の信号を生成する第２のモードのいずれかを選択する選択手段と、
前記第２のモードにおける前記第１の信号レベル変更手段のゲインを、前記第１のモードにおける前記第１の信号レベル変更手段のゲインより大きく設定する制御手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記第２のモードにおける前記第２の信号レベル変更手段のゲインは、前記第１のモードにおける前記第２の信号レベル変更手段のゲインより小さい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のモードにおける前記第１の信号レベル変更手段のゲインと、前記第２の信号レベル変更手段のゲインとの積は、前記第１のモードにおける前記第１の信号レベル変更手段のゲインと、前記第２の信号レベル変更手段のゲインとの積に等しいことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第２のモードにおいて、前記複数の受光素子の信号を前記単位画素より後段で混合する手段が平均化手段であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第２のモードにおける、前記平均化手段の平均化ゲインと、前記第１の信号レベル変更手段のゲインと、前記第２の信号レベル変更手段のゲインとの積は、前記第１のモードにおける、前記第１の信号レベル変更手段のゲインと、前記第２の信号レベル変更手段のゲインとの積に等しいことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記単位画素は、前記複数の受光素子により光電変換された電荷を電圧に変更する電荷電圧変換手段と、前記電荷電圧変換手段に接続されるスイッチと、前記スイッチに接続される容量とをさらに有し、前記第１の信号レベル変更手段は、前記スイッチを制御することにより、前記電荷電圧変換手段の容量を異ならせてゲインを変更することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記行列状に配置された複数の単位画素が接続される増幅回路をさらに備え、前記第１の信号レベル変更手段は、前記増幅回路の増幅率を変更することによりゲインを変更することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第１の信号レベル変更手段は、前記Ａ／Ｄ変換手段の変換ゲインを変更することによりゲインを変更することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記選択手段は、撮像条件に応じて、さらに、前記第２のモードと、前記第１の信号レベル変更手段のゲインと前記第２の信号レベル変更手段のゲインが前記第１のモードと等しく、前記単位画素における前記複数の受光素子の信号を前記単位画素から別々に読み出し前記画素部より後段で混合することにより、撮像画像に用いる前記単位画素の信号を生成する第３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８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記選択手段は、前記事前に取得した単位画素の出力に応じて前記第１乃至第３のモードから１つのモードを選択す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】
前記撮像条件は撮影時のＩＳＯ感度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】
前記撮像条件は事前に取得した単位画素の出力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１３】
前記事前に取得した単位画素の出力は、前行の単位画素の出力であることを特徴とする請求項１２に記載の撮像装置。
【請求項１４】
１フレームの画像の撮像において、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１３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１５】
撮像光学系の瞳の異なる瞳領域からの光を受光し光電変換を行う複数の受光素子を有する単位画素が行列状に配置された画素部と、前記画素部からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段より前段に配置された第１の信号レベル変更手段と、前記第１の信号レベル変更手段の後段に接続された第２の信号レベル変更手段と、を備える撮像装置を制御する方法であって、
前記単位画素における前記複数の受光素子の信号を前記単位画素内で混合することにより、撮影画像に用いる前記単位画素の信号を生成する第１のモードと、前記単位画素における前記複数の受光素子の信号を前記単位画素から別々に読み出し、前記画素部より後段で混合することにより、撮影画像に用いる前記単位画素の信号を生成する第２のモードのいずれかを選択する選択工程と、
前記第２のモードにおける前記第１の信号レベル変更手段のゲインを、前記第１のモードにおける前記第１の信号レベル変更手段のゲインより大きく設定する制御工程と、
を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
【請求項１６】
請求項１５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１７】
請求項１５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】
近年、撮像素子の機能の向上は著しく、様々なニーズに対応するべく多機能化が進んでいる。そのひとつに、撮像素子に焦点検出用の画素を配置した、撮像面位相差ＡｕｔｏＦｏｃｕｓ（以下、ＡＦと称する）が提案されている。撮像面位相差ＡＦとは、撮像光学系の瞳を分割して受光する受光素子を、撮像画像を得る固体撮像素子上に配置し、その信号によりＡＦを行う方式のことである。
【０００３】
撮像面位相差ＡＦを実現する固体撮像素子の形態として、単位画素に配される受光素子を分割することにより、撮像光学系の瞳の領域が分割された光をそれぞれ光電変換して出力することが可能な方式が、特許文献１で提案されている。受光素子を分割し、それぞれ読み出すことが可能な構成をとることから、撮像素子の製造は困難となるが、それぞれ読み出した分割された受光素子の信号を混合することにより通常の撮影画像としても使用することも可能である。また、撮像面位相差ＡＦを行わない場合は、分割した受光素子の信号を撮像素子内で混合し、撮影画像に用いる単位画素の信号として読み出すことが可能である。
【０００４】
一方、撮像面位相差ＡＦを行う際には、分割された受光素子の信号をそれぞれ読み出すことから、全受光素子の信号を読み出すのに必要な時間が長くなり、フレームレートが下がってしまう問題がある。この問題に対し、分割された受光素子の信号をそれぞれ読み出す単位画素の数を制限する方法がある。例えば、撮像面位相差ＡＦの処理に使用する行のみ分割された受光素子の信号をそれぞれ読み出し、ＡＦに使用しない行は受光素子の信号を撮像素子内で混合し撮影画像に使用する信号のみを読み出す。これにより、読み出し時間の増大を抑制しつつ撮像面位相差ＡＦを行うことが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１‐１２４９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
撮像面位相差ＡＦを行う場合、それぞれ読み出された分割された受光素子の信号は、混合して撮影画像として使用する。しかし、分割された受光素子の信号をそれぞれ読み出し、混合した撮像画像は、撮像素子内で混合して読み出した撮像画像に比べノイズが増加するという課題がある。特に画面内の特定行について、分割された受光素子の信号をそれぞれ読み出した場合、その行のみノイズが増加し、よりノイズが目立つという課題もある。
【０００７】
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、撮像面位相差ＡＦが可能な撮像素子において、撮像面位相差ＡＦを行う場合の撮像画像に含まれるノイズの増加を極力抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係わる撮像装置は、撮像光学系の瞳の異なる瞳領域からの光を受光し光電変換を行う複数の受光素子を有する単位画素が行列状に配置された画素部と、前記画素部からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段より前段に配置された第１の信号レベル変更手段と、前記第１の信号レベル変更手段の後段に接続された第２の信号レベル変更手段と、前記単位画素における前記複数の受光素子の信号を前記単位画素内で混合することにより、撮影画像に用いる前記単位画素の信号を生成する第１のモードと、前記単位画素における前記複数の受光素子の信号を前記単位画素から別々に読み出し、前記画素部より後段で混合することにより、撮影画像に用いる前記単位画素の信号を生成する第２のモードのいずれかを選択する選択手段と、前記第２のモードにおける前記第１の信号レベル変更手段のゲインを、前記第１のモードにおける前記第１の信号レベル変更手段のゲインより大きく設定する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、撮像面位相差ＡＦが可能な撮像素子において、撮像面位相差ＡＦを行う場合の撮像画像に含まれるノイズの増加を極力抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】撮影レンズの射出瞳から出た光束が単位画素に入射する様子を示す概念図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図。
【図３】第１の実施形態に係る撮像素子の構成を示す回路図。
【図４】単位画素の構成を示す回路図。
【図５】第１の実施形態における列回路部の構成を示す回路図。
【図６】第１の実施形態における撮像素子の駆動を示すタイミングチャート。
【図７】第１の実施形態における撮像素子のゲイン配分を示す図。
【図８】第１の実施形態における撮像素子の他のゲイン配分を示す図。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る撮像素子の構成を示す回路図。
【図１０】第２の実施形態における撮像素子のゲイン配分を示す図。
【図１１】本発明の第３の実施形態における撮像素子の駆動切り替えを示すフローチャート。
【図１２】第３の実施形態における撮像素子の駆動を示すタイミングチャート。
【図１３】本発明の第４の実施形態における撮像素子の駆動切り替えを行う領域を示す画素配置図。
【図１４】第４の実施形態における撮像素子の駆動切り替えを示すフローチャート。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係る撮像素子の構成を示す回路図。
【図１６】第５の実施形態における列回路部の構成を示す回路図。
【図１７】第５の実施形態における撮像素子の駆動切り替えを示すフローチャート。
【図１８】第５の実施形態における撮像素子のゲイン配分を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、撮影レンズ（撮像光学系）の射出瞳から出た光束が単位画素に入射する様子を示す概念図である。図１を参照して本発明の第１の実施形態の撮像素子における、瞳分割方式による焦点検出の原理について説明する。なお、本実施形態における撮像素子は、ＣＭＯＳ型撮像素子として構成されている。
【００１３】
図１において、単位画素１００は、フォトダイオード（以下、ＰＤとする）１０１Ａ及びＰＤ１０１Ｂを有する。射出瞳１０２から出射した光束は光軸１０３を中心としてマイクロレンズ１０４、カラーフィルタ１０５を通過して単位画素１００に入射する。射出瞳１０２の一部の領域を示す瞳領域１０６Ａを通過する光束は、マイクロレンズ１０４、カラーフィルタ１０５を通過してＰＤ１０１Ａで受光される。また、瞳領域１０６Ａとは異なる一部の領域を示す瞳領域１０６Ｂを通過する光束は、マイクロレンズ１０４、カラーフィルタ１０５を通過してＰＤ１０１Ｂで受光される。したがって、ＰＤ１０１ＡとＰＤ１０１Ｂはそれぞれ、撮影レンズの射出瞳の異なる領域の光を受光している。これにより、ＰＤ１０１Ａの信号とＰＤ１０１Ｂの信号を比較することで位相差の検知が可能となる。
【００１４】
ここで、ＰＤ１０１Ａから得られる信号をＡ像信号、ＰＤ１０１Ｂから得られる信号をＢ像信号と定義する。また、Ａ像信号とＢ像信号を足し合わせた信号をＡ＋Ｂ像信号と定義する。このＡ＋Ｂ像信号は撮像用の信号であり、撮影画像に用いることが可能である。本実施形態では、通常撮影時はＡ＋Ｂ像信号を直接読み出し、撮影画像に用いる。この読み出しを行う駆動モードを第１の駆動モードと呼ぶ。
【００１５】
一方、焦点検出時には、Ａ像信号とＢ像信号を別々に読み出し、位相差検出を行う。同時に、それぞれ読み出したＡ像信号とＢ像信号を混合してＡ＋Ｂ像信号を生成し、撮影画像に用いる。この読み出しを行う駆動モードを第２の駆動モードと呼ぶ。
【００１６】
次に、図２は本実施形態における撮像装置の全体構成を示すブロック図である。図２を参照して、本実施形態の撮像素子を用いる撮像装置について説明する。
【００１７】
撮像素子２００は、撮影レンズ２０１により結像された光学像を電気信号に変換する。レンズ駆動部２０２は撮影レンズ２０１に対してズーム制御、フォーカス制御、絞り制御を行う。信号処理部２０３は、撮像素子２００から出力された信号に対し、第２の駆動モード時に、読み出したＡ像信号とＢ像信号を混合することにより、撮影画像に使用するＡ＋Ｂ像信号を生成する。全体制御・演算部２０４は信号処理部２０３から出力された信号に対し補正処理を行うほか、他の各ブロックの制御を行う。メモリ部２０５は画像データを一時的に保存し、表示部２０６は各種情報や撮影画像の表示を行う。記録部２０７は画像データの記録や読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。操作部２０８はデジタルカメラの各種インターフェースであり、操作部２０８の信号を用いて全体制御・演算部２０４が各ブロックを制御する。
【００１８】
次に、図３は本実施形態の撮像素子の全体構成を示す図である。図３を参照して、本実施形態における撮像素子の全体構成について説明する。
【００１９】
行列状に配置された単位画素１００は、光電変換を行い、入射光量に応じた信号を画素信号として列信号線３００に出力する。列信号線３００は負荷となる電流源３０１と列回路部３０２に接続される。列回路部３０２は画素信号を増幅する増幅回路３０３と、増幅回路３０３からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路３０４と、Ａ／Ｄ変換された信号を一時的に保持するメモリ３０５とを備えて構成される。Ａ／Ｄ変換回路３０４はＲＡＭＰ生成回路３０６から出力される基準ＲＡＭＰ信号と増幅回路３０３の出力を比較することによりＡ／Ｄ変換を行う。メモリ３０５に保持された信号は、転送スイッチ３０７を介して信号処理回路３０８に、順次出力される。画素信号は信号処理回路３０８においてデジタルゲイン処理や補正処理が施され、出力回路３０９を介して撮像素子２００の外部に出力される。各単位画素１００は垂直走査回路３１０から出力される駆動信号φＴＸＡ、φＴＸＢ、φＲＥＳ、φＳＥＬ及び、全体制御・演算部２０４から出力されるφＡＦが垂直走査回路３１０により行毎の駆動信号に変換された信号φＡＦＢにより駆動される。行列状に配置された単位画素１００には共通の駆動信号φＴＸＡ、φＴＸＢ、φＲＥＳ、φＳＥＬ、φＡＦＢが供給される。ｎ行目に供給される駆動信号は、添え字ｎを付してφＴＸＡｎ，φＴＸＢｎ、φＲＥＳｎ、φＳＥＬｎ、φＡＦＢｎと表記する。また、転送スイッチ３０７は水平走査回路３１１より駆動される。
【００２０】
次に、図４は撮像素子２００の単位画素の回路構成を示す図である。図４を参照して、単位画素１００の回路構成について説明する。単位画素１００はＰＤ１０１Ａ及びＰＤ１０１Ｂを有している。ＰＤ１０１Ａ及びＰＤ１０１Ｂは、それぞれ転送トランジスタ４００Ａ及び転送トランジスタ４００Ｂを介して、フローティングディフュージョン部（以下、ＦＤとする）４０１に接続されている。ＰＤ１０１Ａ及びＰＤ１０１Ｂで光電変換された信号は、ＦＤ４０１で電荷電圧変換される。増幅トランジスタ４０２はＦＤ４０１の信号を電流増幅し、選択トランジスタ４０３を介して増幅された信号を列信号線３００に出力する。選択トランジスタ４０３のオン・オフにより、行列状に配置された画素部１００のうち、出力する行の画素部１００のみが列信号線３００に接続される。リセットトランジスタ４０４はＦＤ４０１に貯まった電荷のリセットを行う。容量追加トランジスタ４０５がオンすることにより、ＦＤ４０１と追加容量４０６が接続され、ＦＤ４０１により電荷電圧変換される際の変換ゲインが低下する。転送トランジスタ４００Ａ、転送トランジスタ４００Ｂ、選択トランジスタ４０３、リセットトランジスタ４０４、容量追加トランジスタ４０５はそれぞれ駆動信号φＴＸＡ、φＴＸＢ、φＳＥＬ、φＲＥＳ、φＡＦＢにより制御される。位相差検出を行う場合には駆動信号φＡＦＢは“Ｌ”となり、追加容量４０６は切り離される。これによりＦＤ４０１により電荷電圧変換される際の変換ゲインが上がる。
【００２１】
次に、図５は列回路部３０２の回路構成を示す図である。図５を参照して、列回路部３０２の回路構成について説明する。列回路部３０２は、増幅回路３０３、Ａ／Ｄ変換回路３０４、メモリ３０５を備えて構成される。
【００２２】
増幅回路３０３は、アンプ５００、クランプトランジスタ５０１、入力容量５０２、帰還容量群５０３を備えて構成される。入力容量５０２は列信号線３００とアンプ５００のマイナス側入力端子の間に接続される。アンプ５００のプラス側入力端子にはクランプ電圧Ｖｃが与えられる。クランプトランジスタ５０１は、アンプ５００のマイナス側入力端子とアンプ５００の出力端子との間に接続され、オンすることによりアンプ５００のマイナス側入力端子の電圧をリセットできる。また、クランプトランジスタ５０１は駆動信号φＣＬＡＭＰにより制御される。帰還容量群５０３は静電容量を制御可能な構成を持つ容量群である。帰還容量群５０３は、例えば、トランジスタと容量によって構成され、トランジスタのオン・オフの制御で容量の接続・切り離しを行うことにより、静電容量を制御できる。
【００２３】
Ａ／Ｄ変換回路３０４は、シングルスロープ型の回路構成をとっており、比較器５０４とカウンタ５０５を備えて構成される。比較器５０４は、増幅回路３０３の出力とＲＡＭＰ生成回路３０６から出力される基準ＲＡＭＰ信号とを比較し、基準ＲＡＭＰ信号の電圧が増幅回路３０３の出力の電圧を上回ったタイミングでカウンタ５０５を止める。これにより増幅回路３０３の出力電圧をカウント値（デジタル値）に変換することができる。
【００２４】
メモリ回路３０５は、Ｓ信号（光信号）用メモリ５０６、Ｎ信号（ノイズ信号）用メモリ５０７、減算回路５０８、Ｓ−Ｎ信号用メモリ５０９を備えて構成される。単位画素１００内のＦＤ４０１のリセット、及び増幅回路３０３のリセットが終わった後、画素信号を出力する前の信号をＮ信号として、Ｎ信号用メモリ５０７に保持する。その後、転送トランジスタ４００Ａ，４００Ｂをオンし、画素信号を出力した状態の信号をＳ信号としてＳ信号用メモリ５０６に保持する。減算回路５０８はＳ信号からＮ信号を減算し、Ｓ−Ｎ信号としてＳ−Ｎ信号用メモリ５０９に保持する。
【００２５】
次に、図６は、本実施形態の撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。図６を参照して、本実施形態の撮像素子の駆動方法について説明する。図６（ａ）はＡ＋Ｂ像信号を直接読み出す第１の駆動モードを示しており、これは位相差検出を行わない場合に用いる駆動モードである。図６（ｂ）はＡ像信号とＢ像信号を別々に読み出す第２の駆動モードを示しており、これは位相差検出を行う場合に用いる駆動モードである。図６（ａ）、図６（ｂ）共に、特定の１行の読み出しを行う駆動を示しており、１フレームの画像を読み出す場合は、図に示す駆動を行数に応じて繰り返す。図６において、駆動信号φＲＥＳ、φＴＸＡ、φＴＸＢ、φＡＦＢ、φＳＥＬの各々は、Ｈｉｇｈ状態（以下“Ｈ”）及びＬｏｗ状態（以下“Ｌ”）の何れかの状態をとるものとする。Ａ／Ｄ変換はＡ／Ｄ変換回路３０４における状態を表している。
【００２６】
次に、図６（ａ）に示すタイミングチャートを用いて、第１の駆動モードについて説明する。まず、タイミングｔ１では、読み出しを行う行の駆動信号φＳＥＬが“Ｈ”となり、選択トランジスタ４０３がオンとなる。そして、選択された行の単位画素１００が列信号線３００に接続される。
【００２７】
タイミングｔ２では、駆動信号φＲＥＳが“Ｈ”となり、リセットトランジスタ４０４がオンとなる。これにより、ＦＤ４０１に貯まっている電荷がリセットされる。また、同時に駆動信号φＣＬＡＭＰも“Ｈ”となり、クランプトランジスタ５０１がオンとなる。これにより、アンプ５００のマイナス側入力端子と出力端子が接続され、アンプ５００の出力がクランプ電圧Ｖｃと同じ電圧になるように変化する。
【００２８】
タイミングｔ３では駆動信号φＲＥＳが“Ｌ”となり、リセットトランジスタ４０４がオフとなる。それにより、ＦＤ４０１はフローティング状態となり、駆動信号φＲＥＳが“Ｈ”から“Ｌ”に切り替わる影響を受けＦＤ４０１の電圧は変化する。その後、ＦＤ４０１の電圧が安定した後に、タイミングｔ４において駆動信号φＣＬＡＭＰが“Ｌ”となり、入力容量５０２には、ＦＤ４０１の電圧とクランプ電圧Ｖｃとの電圧差が保持される。
【００２９】
タイミングｔ５〜ｔ６ではＡ／Ｄ変換回路３０４により、ＦＤ４０１のリセット後の電圧に応じた値であるＮ信号がＡ／Ｄ変換され、Ｎ信号用メモリ５０７に保持される。Ｎ信号をＡ／Ｄ変換することを図中ではＮ変換と表す。Ｎ信号は、ＦＤ４０１のリセット後の電圧のバラツキや増幅回路３０３とＡ／Ｄ変換回路３０４の特性のバラツキ、温度変化による特性変化等を含むため、Ｓ信号から減算することで、これらの特性の変化を打ち消すことが可能となる。
【００３０】
タイミングｔ７では、駆動信号φＴＸＡ及びφＴＸＢが“Ｈ”となり、転送トランジスタ４００Ａ及び４００Ｂがオンとなる。ＰＤ１０１Ａ及びＰＤ１０１Ｂにおいて光電変換され蓄積された電荷がＦＤ４０１へと出力され、ＦＤ４０１の電圧が変化する。転送トランジスタ４００Ａと４００Ｂを同時にオンすることにより、ＰＤ１０１Ａにおいて光電変換され蓄積された電荷とＰＤ１０１Ｂにおいて光電変換され蓄積された電荷は、ＦＤ４０１において混合される。
【００３１】
タイミングｔ８では、駆動信号φＴＸＡ及びφＴＸＢが“Ｌ”となり、転送トランジスタ４００Ａ及び４００Ｂがオフとなる。駆動信号φＴＸＡ，φＴＸＢが“Ｈ”から“Ｌ”へと変化した影響によりＦＤ４０１の電圧が変化する。
【００３２】
その後、ＦＤ４０１の電圧が安定した後に、タイミングｔ９〜ｔ１０において、ＰＤの信号が転送された後のＦＤ４０１に応じた信号であるＳ信号がＡ／Ｄ変換回路３０４でＡ／Ｄ変換される。そして、Ｓ信号用メモリ５０６に保持される。Ｓ信号をＡ／Ｄ変換することを図中ではＳ変換と表す。Ｓ信号は、Ｎ信号にＰＤ１０１Ａ及びＰＤ１０１Ｂの電荷による電圧変化が加わった信号であるため、減算回路５０８においてＳ信号からＮ信号を減算する。これにより、ＰＤ１０１Ａ及びＰＤ１０１Ｂで光電変換され蓄積された電荷による電圧変化のみの信号をＳ−Ｎ信号としてＳ−Ｎ信号用メモリ５０９に保持する。Ｓ−Ｎ信号用メモリ５０９に保持された信号は、列毎に順に信号処理回路３０８、出力回路３０９を介して、撮像素子２００の外部へ出力される。
【００３３】
タイミングｔ１１では駆動信号φＳＥＬが“Ｌ”となり、選択トランジスタ４０３がオフとなる。読み出しを行っている行の単位画素１００は列信号線３００から切り離され、１行の読み出しが終了する。第１の駆動モードでは、ＰＤ１０１Ａにおいて光電変換され蓄積されたＡ像信号と、ＰＤ１０１Ｂにおいて光電変換され蓄積されたＢ像信号をＦＤ４０１で（単位画素内で）混合した信号Ａ＋Ｂ像信号を直接読み出す。そのため、Ｎ変換及びＳ変換は、一行の読み出しにおいてそれぞれ１回行われる。また、その際、駆動信号φＡＦＢは常に“Ｈ”となっており、単位画素１００内のＦＤ４０１に追加容量４０６が接続されている。
【００３４】
次に、図６（ｂ）に示すタイミングチャートを用いて、第２の駆動モードについて説明する。タイミングｔ１では第１の駆動モードと異なり、駆動信号φＡＦＢが“Ｌ”となる。これにより、単位画素１００内のＦＤ４０１から追加容量４０６が切り離され、撮像素子２００内のゲイン配分が第１の駆動モードと比べ変化する。ゲイン配分については図７を用いて後述する。
【００３５】
タイミングｔ７では第１の駆動モードと異なり、駆動信号φＴＸＡのみが“Ｈ”となり、駆動信号φＴＸＢは“Ｌ”のままとなる。これにより、ＰＤ１０１Ａにおいて光電変換され蓄積された電荷のみがＦＤ４０１に出力される。
【００３６】
タイミングｔ９〜ｔ１０においてＡ／Ｄ変換回路３０４によりＳ変換が行われるが、この場合Ｓ−Ｎ信号用メモリ５０９に保持される信号は、ＰＤ１０１Ａにおいて光電変換され蓄積された信号のみであり、Ａ像信号となる。
【００３７】
タイミングｔ１１〜ｔ１９では、タイミングｔ１６〜ｔ１７の部分以外は、タイミングｔ２〜ｔ１０と同じ駆動が繰り返される。ｔ１６〜ｔ１７で異なる駆動は、駆動信号φＴＸＡではなく、駆動信号φＴＸＢが“Ｈ”となることである。これにより、タイミングｔ１６〜ｔ１７においてＳ−Ｎ信号用メモリ５０９に保持される信号は、ＰＤ１０１Ｂにおいて光電変換され蓄積された信号のみであり、Ｂ像信号となる。
【００３８】
タイミングｔ２０において駆動信号φＳＥＬが“Ｌ”となると同時に駆動信号φＡＦＢが“Ｈ”となり、１行の読み出しが終了する。このように駆動信号φＡＦＢは第２の駆動モードにおいて、読み出し中に“Ｌ”となる。それにより、単位画素１００内のＦＤ４０１には追加容量４０６が接続されず、ＦＤ４０１における電荷電圧変換の変換ゲインは高くなる。また、信号処理回路３０８では駆動信号φＡＦＢが“Ｈ”となることにより、デジタルゲインがかかるように制御される。この時のデジタルゲインは、第１の駆動モードの場合のゲインより小さいゲインがかけられる。このようにして、それぞれ読み出されたＡ像信号及びＢ像信号は、信号処理部２０３において混合処理され、撮影画像に用いられるＡ＋Ｂ像信号が生成される。
【００３９】
次に、図７は撮像素子２００からの信号の読み出しにおけるゲイン配分を示す図である。図７を参照して、本実施形態の撮像素子の読み出しにおけるゲイン配分について説明する。
【００４０】
撮像素子２００には、ＰＤ１０１Ａ及びＰＤ１０１Ｂの信号を外部へ出力するにあたり、ゲインを変更できる箇所が複数（本実施形態では４箇所）ある。それらのゲインをそれぞれ第１のゲイン〜第４のゲインと呼ぶ。加えて、第１のゲイン〜第４のゲインの積をとったものを全体のゲインとする。第１のゲイン（信号レベル変更ゲイン）はＦＤ４０１における電荷電圧変換の変換率の制御で決まる。具体的には、追加容量４０６が接続されるか否かを制御することによりゲインを変化させる。追加容量４０６はＦＤ４０１の持つ容量と等しい静電容量になっており、追加容量４０６が切り離されることにより、電荷電圧変換の変換率は２倍となる。第２のゲインは増幅回路４０２の増幅率で決まり、帰還容量群５０３の容量を変更することにより制御される。第３のゲインはＡ／Ｄ変換回路３０４の変換ゲインである。第４のゲイン（信号レベル変更ゲイン）は信号処理回路３０８でかけるデジタルゲインである。
【００４１】
位相差検出を行わず、Ａ＋Ｂ像信号を直接読み出す第１の駆動モードで設定される第１〜第４のゲインをそれぞれ１倍とする。一方、位相差検出を行い、Ａ像信号とＢ像信号をそれぞれ読み出す第２の駆動モードにおいては、例えば第１のゲインを２倍、第４のゲインが１／２倍とする。この時、全体のゲインは１倍となり、第１の駆動モードの全体のゲインと変わらない。第２の駆動モードでは、Ａ像信号とＢ像信号を混合することにより撮影画像に用いるＡ＋Ｂ像信号を生成するため、ランダムノイズは増加してしまう。しかし、このように前段のＦＤ４０１においてゲインを大きくかけ、後段の信号処理回路３０８でゲインを小さくかけることにより、ＦＤ４０１以降に現れるノイズを低減することが可能となる。これにより、位相差検出を行う場合と行わない場合の画質の差を小さくすることが可能となる。また、全体のゲインは１倍となり第１の駆動モードと変わらないことから、撮影画像として使用するＡ＋Ｂ像信号を生成する際に、撮影画像の感度が変わることが避けられる。
【００４２】
本実施形態においては、第２の駆動モードにおいて、前段でゲインを大きくかける箇所を第１のゲイン、後段でゲインを小さくかける箇所を第４のゲインとしたが、これに限られるものではない。図８に示すようなゲイン配分でも良い。図８において、第２の駆動モード１〜５に示すように、前段でゲインを大きくかけ、後段でゲインを小さくかける配分であれば、ノイズ低減効果が得られる。また、第１の駆動モードに対し、第２の駆動モードにおいて前段で大きくかけるゲインを２倍としているが、２倍に限られるものではなく、１倍より大きければノイズ低減効果が得られる。
【００４３】
（第２の実施形態）
以下、図９及び図１０を参照して、本発明の第２の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。なお、第１の実施形態と同様の構成・駆動方法である箇所については説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分について説明する。
【００４４】
図９は本発明の第２の実施形態の撮像素子２２０の全体構成を示す図である。第１の実施形態の撮像素子２００と異なる点は、信号処理回路３０８が平均化回路３１２に置き換えられている点である。平均化回路３１２は図示しないメモリを有しており、メモリ３０５から出力されたＡ像信号とＢ像信号にそれぞれ平均化処理を行う。平均化回路３１２からは、平均化処理を行われることにより、Ａ像信号とＢ像信号を混合した場合と比べ、等価的に１／２倍（平均化ゲイン）されたＡ＋Ｂ像信号が出力される。また、Ａ像信号、Ｂ像信号もそれぞれ順番に出力される。
【００４５】
次に、図１０を参照して、本実施形態の撮像素子２２０におけるゲイン配分及び平均化処理について説明する。位相差検出を行わず、Ａ＋Ｂ像信号を直接読み出す第１の駆動モードで設定される第１のゲイン〜第３のゲインをそれぞれ１倍とする。また、第１のモードでは平均化処理は行われず、Ａ＋Ｂ像信号が読み出される。一方、位相差検出を行う第２の駆動モードにおいては、第１のゲインを２倍に設定する。また、同時に平均化処理を行うことにより、等価的に全体のゲインが第１の駆動モードと変わらず１倍となるＡ＋Ｂ像信号を生成することができる。
【００４６】
本実施形態においては、第１の実施形態と同様に、前段でゲインを大きくかけ、後段の平均化回路３１２で平均化処理を行うことにより等価的に小さいゲインをかける。これにより、位相差検出を行う場合と行わない場合の画質の差を小さくすることが可能となる。また、全体のゲインは等価的に１倍となり第１の駆動モードと変わらないことから、撮影画像として使用するＡ＋Ｂ像信号を生成する際に、撮影画像の感度が変わることが避けられる。なお、本実施形態においては、平均化処理を撮像素子２２０内で行ったが、これに限らず、信号処理部２０３のような撮像素子外に配置された部分において行ってもよい。
【００４７】
（第３の実施形態）
以下、図１１及び図１２を参照して、本発明の第３の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。第２の駆動モードにおいて、ＦＤ４０１で第１の駆動モードに比べて２倍のゲインをかけると、特定の撮像条件下において混合して生成されるＡ＋Ｂ像の信号に誤差を生じることがある。この特定の撮像条件とは、Ａ像信号とＢ像信号をそれぞれ読み出す第２の駆動モードにおいて、どちらかの信号が飽和した出力になり、かつ誤差のないＡ＋Ｂ像信号は飽和しないような場合である。第１の駆動モードではＡ＋Ｂ像信号を直接読み出すので問題ないが、第２の駆動モードでは、飽和して検出できなかった信号量だけ、Ａ＋Ｂ像信号に誤差を生じる。
【００４８】
この誤差が発生する条件は、感度を上げるためにゲインをかけて読み出す場合である。ゲインをかけずに読み出す場合は、ＰＤ１０１の片方が飽和した後に発生した電荷はもう一方の飽和していないＰＤ１０１に流れ込むため、上記の誤差は生じない。そのため、本実施形態では、ゲインをかけて読み出す場合には第１および第２の実施形態で説明した第２の駆動モードを実行せず、撮像信号の誤差を生じさせない駆動を行う。
【００４９】
図１１は、本実施形態における駆動モードの切り替え制御を表すフローチャートである。本実施形態では、位相差ＡＦを行う場合、Ａ像信号とＢ像信号を別々に読みだすが読み出し時のゲイン配分が第１の駆動モードと変わらない、第３の駆動モードを有する。
【００５０】
ステップＳ９００では、位相差検出を行うかどうかを全体制御・演算部２０４において判断する。位相差検出を行う場合はステップＳ９０１に進み、行わない場合はステップＳ９０２に進み第１の駆動モードで撮像素子２００が駆動される。
【００５１】
ステップＳ９０１では、撮影時の感度設定の判定が行われる。ＩＳＯ感度１００のような、感度設定が低く、ゲインをかけずに読み出すような場合は、ステップＳ９０３に進み、第２の駆動モードで撮像素子２００を駆動する。一方、ＩＳＯ感度１００より感度を高くしてゲインをかけて読み出す場合は、ステップＳ９０４に進み第３の駆動モードで撮像素子２００を駆動する。
【００５２】
次に、図１２を参照して第３の駆動モードについて詳細に説明する。第３の駆動モードでは駆動信号φＡＦＢ以外、第２の駆動モードと同じである。駆動信号φＡＦＢは常に“Ｈ”となっており、第１の駆動モードと同じである。それにより、読み出し時の第１のゲイン〜第４のゲインは第１の駆動モードと同じになる。このように、第３の駆動モードでは、第１の駆動モードと同じゲイン配分により、Ａ像信号とＢ像信号を別々に読み出す。このように撮影感度が低くゲインをかけずに読み出す際にのみ、第１および第２の実施形態で説明した第２の駆動モードを実行することにより、撮像信号の誤差を発生させず、低感度設定時にノイズ低減効果を得ることができる。
【００５３】
（第４の実施形態）
以下、図１３及び図１４を参照して、本発明の第４の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。第２の駆動モードでは、Ａ像信号とＢ像信号を別々に読み出すため、１行の撮像信号を得るのにかかる時間はＡ＋Ｂ像信号を直接読み出す第１の駆動モードに比べ長くなる。一方、位相差検出において画面全体でＡ像信号とＢ像信号の両方を必要とすることはなく、焦点を合わせたい領域、及びその周辺領域のみについて焦点検出用の信号があればよい。そのため、本実施形態では、特定の行でのみ第２の駆動モードを行うことにより、焦点検出の精度を落とさずに１フレームの読み出し速度を向上させる。
【００５４】
図１３は第１の駆動モードを行う行と第２の駆動モードを行う行を表した画素配置図である。図１３のように、特定の行だけ第２の駆動モードを行うことにより、１フレームの読み出し時間を短縮することができる。
【００５５】
次に、図１４を参照して、本実施形態における駆動モードの切替制御について説明する。ステップＳ１１００では位相差検出を行うか否かを判定する。位相差検出を行う行でない場合は、ステップＳ１１０１に進み、第１の駆動モードで読み出しが行われる。一方、位相差検出を行う行である場合は、ステップＳ１１０２に進み、第２の駆動モードで読み出しが行われる。
【００５６】
ステップＳ１１０３では行送りが行われ、次の行へ移行する。ステップＳ１１０４では全行の読み出しが行われ、１フレームの撮像信号が全て読み出されたかどうかを判定する。まだ読み出されていない行がある場合は、ステップＳ１１００に戻り、全行の読み出しが行われるまで、ステップＳ１１００〜ステップＳ１１０４を繰り返す。
【００５７】
このように画面全体で位相差検出を行うのではなく、特定の行のみで位相差検出を行うことにより、１フレームの撮像信号を読み出す時間を短縮することが可能となる。また、位相差検出を行う行において、第２の駆動モードで読み出すことにより、ノイズを低減し、特定行のみノイズが多く縞として見えてしまう現象を軽減することが可能となる。
【００５８】
（第５の実施形態）
以下、図１５〜図１６を参照して、本発明の第５の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。本実施形態では、任意の行の出力は、事前に取得した前の行の出力と強い相関を持つことを利用し、撮像信号の誤差の発生を抑制しつつノイズ低減効果を得る。そのために、列毎に前行の出力値を判定し、読み出し時のゲイン配分を変更する駆動を行う。
【００５９】
図１５は本実施形態の撮像素子２３０の全体構成を示す図である。第１〜第４の実施形態の回路構成とは異なり、列回路部毎に前行出力判定回路１３００と、駆動線１３０１を有している。また、列回路部１３０２、及びその構成回路である増幅回路１３０３、Ａ／Ｄ変換回路１３０４、メモリ１３０５を有している。列回路部１３０２の構成に関しては、図１６を参照して後述する。
【００６０】
前行出力判定回路１３００は、メモリ１３０５に保持している前行のＡ＋Ｂ像信号とＡ／Ｄ変換における飽和レベルを比較し、飽和レベルに対する割合の閾値を越えていないかを判定する。例えば、信号のレベルが飽和レベルの５０％以上の場合は“０”を、２５％以上５０％未満の場合は“１”を、２５％未満の場合は“２”を駆動線１３０１に出力する。出力判定は位相差検出を行う場合のみ、すなわち駆動信号φＡＦＢが“Ｈ”のときのみ行われ、位相差検出を行わない場合は“０”を出力する。前行が位相差検出を行っている場合、メモリから出力されるのはＡ像信号とＢ像信号なので、前行出力判定回路１３００にて混合処理を行い、比較する。
【００６１】
次に、図１６を参照して、列回路部１３０２の構成について説明する。列回路部１３０２は増幅回路１３０３、Ａ／Ｄ変換回路１３０４、メモリ１３０５を備えて構成される。前行出力判定回路１３００の出力信号は、駆動線１３０１を介して増幅回路１３０３内の帰還容量群５０３に入力され、増幅回路１３０３のゲインを制御する。また、同様に前行出力判定回路１３００の出力信号は、Ａ／Ｄ変換回路１３０４を構成する比較器１４００内の可変容量１４０１にも入力される。これにより駆動線１３０１からの信号の状態によって可変容量１４０１の静電容量が変わり、Ａ／Ｄ変換ゲインを制御することが可能となる。また、比較器１４００は、差動アンプ１４０２、クランプ容量１４０３、コンパレータクランプトランジスタ１４０４を備えて構成される。コンパレータクランプトランジスタ１４０４は駆動信号φＣＯＭＰＣＬＡＭＰにより駆動され、差動アンプの入力端子側の電荷をリセットする。メモリ１３０５は第１〜第４の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００６２】
次に、図１７を参照して、駆動モードの切り替え方法について説明する。図１７は本実施形態における駆動切り替えを示すフローチャートである。本実施形態では、Ａ＋Ｂ像信号を直接読み出す第１の駆動モード、第１の駆動モードとゲイン配分が異なる状態でＡ像信号とＢ像信号を読み出す第２の駆動モード、第１の駆動モードとゲイン配分が同じ状態でＡ像信号とＢ像信号を読み出す第３の駆動モードを切り替えて駆動する。また、第２の駆動モードには、ゲインを異ならせた２つのモードがあり、それぞれ第２の駆動モード６及び第２の駆動モード７と呼ぶ。これらの駆動モードのゲイン配分については、図１８を参照して後述する。
【００６３】
ステップＳ１５００では読み出す行が位相差検出を行う行か否かを判定する。位相差検出を行う場合は、ステップＳ１５０１に進み、前行の出力値を判定する。位相差検出を行わない場合はステップＳ１５０２へ進み、第１の駆動モードで信号を読み出す。なお、１フレーム内の最初の行は、前行がないので、位相差検出用の行にはしないことが望ましい。
【００６４】
ステップＳ１５０１では前行の出力値を、前行出力判定回路１３００において判定する。Ａ／Ｄ変換の飽和レベルに対して０％以上２５％未満の場合はステップＳ１５０３へ進み、第２の駆動モード６で読み出しを行う。２５％以上５０％未満の場合は、ステップＳ１５０４へ進み、第２の駆動モード７で読み出しを行う。５０％以上の場合は、ステップＳ１５０５へ進み第３の駆動モードで読み出しを行う。読み出し後はステップＳ１５０６へ進み、行送りが行われ、次の行へ移行する。
【００６５】
ステップＳ１５０７では全行の読み出しが行われ、１フレームの撮像信号が全て読み出されたかどうかを判定する。まだ読み出されていない行がある場合はステップＳ１５００に戻り、全行の読み出しが行われるまで、ステップＳ１５００〜ステップＳ１５０７を繰り返す。
【００６６】
次に、図１８を参照して、各駆動モードにおけるゲイン配分について説明する。ゲイン配分は第１の駆動モードにおける各回路でのゲインを１倍とする。位相差検出を行う行では前行の出力値に応じて、第２の駆動モード６、第２の駆動モード７、第３の駆動モードが切り替えて用いられる。
【００６７】
前行の出力値がＡ／Ｄ変換における飽和レベルの５０％以上の場合、読み出す行も同様に５０％を超える可能性が高い。出力が５０％を超える場合、もしＡ像信号とＢ像信号の出力に偏りがあったとすると、後段で混合して生成するＡ＋Ｂ像信号に誤差が発生する可能性がある。そのため前行の出力が５０％を超えている場合は、第１の駆動モードと同じゲイン配分で読み出す第３の駆動モードを用いることにより、Ａ＋Ｂ像信号に誤差が生じることを防ぐ。
【００６８】
前行の出力値がＡ／Ｄ変換における飽和レベルの２５％以上５０％未満の場合、読み出す行も５０％未満である可能性が高い。そのため、第２の駆動モード７を用いることでノイズ低減効果を得ることができる。
【００６９】
前行の出力値がＡ／Ｄ変換における飽和レベルの０％以上２５％未満の場合、読み出す行も２５％未満である可能性が高い。そのため、第２の駆動モード６を用いることで、Ａ＋Ｂ像信号に誤差が発生する可能性を抑制しつつ、更に大きなノイズ低減効果を得る。
【００７０】
なお、上記の実施形態で低減可能なノイズは、第１の駆動モードに対しゲインを上げた回路以降に現れるノイズであり、暗い被写体で目立つノイズである。光が十分入射した場合、光ショットノイズが支配的になり、上記のノイズは目立たなくなる。そのため、出力値が小さい場合に第２の駆動モードでノイズ低減を行うことにより、Ａ＋Ｂ像信号に誤差を生じることなく、効果的にノイズ低減効果を得ることができる。本実施形態においては、列毎に前行の出力値に基づいて駆動モードを切り替える例を示したが、１フレーム前の信号の出力や、ＡＥセンサの出力に応じて、フレーム全体や、行毎に駆動を切り替えてもよい。
【００７１】
（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】
【００７２】
１００：単位画素、１０１Ａ，１０１Ｂ：フォトダイオード、２００，２２０，２３０：撮像素子、３０２：列回路部、３０３：増幅回路、３０４：Ａ／Ｄ変換回路、３０５：メモリ、３０８：信号処理回路、４００Ａ，４００Ｂ：転送トランジスタ、４０１：フローティングディフュージョン、４０５：容量追加トランジスタ、４０６：追加容量
【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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