(57)【要約】【課題】撮像部の出力をその平均値を基準として差動増幅する際に発生する誤差成分の影響をなくすことができる固体撮像素子及びこのような固体撮像素子を用いた測距装置を提供すること。【解決手段】隣接して配置される複数の画素列１１１ａ、１１１ｂの光電荷蓄積を同じタイミングで行う。画素列１１１ａからの信号の読み出し時に、平均値保持回路１２１において画素列１１１ａからの信号の平均値を演算して保持しておくとともに、利得設定値保持回路１２３において平均値基準読み出しの際の利得を演算して保持しておく。画素列１１１ｂからの信号の読み出し時に、平均値保持回路１２１に保持しておいた平均値及び利得設定値保持回路１２３に保持しておいた利得を用いて、差動増幅回路１２６における差動増幅を行う。【選択図】図２
2009260891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電荷を蓄積するための画素列が複数隣接して配置され、各画素列で蓄積された光電荷に基づく信号を出力する撮像部と、
前記撮像部の各画素列に対して同じタイミングで光電荷を蓄積させるとともに、前記信号を画素列単位で順次出力させる制御部と、
所定のタイミングにおける前記画素列からの出力の平均値と前記所定のタイミングよりも後のタイミングにおける前記画素列からの出力との差分を増幅して出力する信号処理部と、
を具備することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記信号処理部は、
前記所定のタイミングにおける前記画素列からの出力を平均化して保持する平均値保持部と、
前記所定のタイミングよりも後のタイミングにおける前記画素列からの出力と前記平均値保持部における出力との差分を増幅して出力する増幅部と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記信号処理部は、
前記所定のタイミングにおける前記画素列からの出力における暗時出力を保持する暗時出力保持部と、
前記平均値保持部からの出力と前記暗時出力保持部からの出力との何れかを選択する出力選択部と、
をさらに有し、
前記増幅部は、前記所定のタイミングよりも後のタイミングにおける前記画素列からの出力と前記出力選択部で選択された出力との差分を増幅して出力することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記信号処理部は、
前記平均値保持部からの出力に基づいて前記増幅の際の利得を保持する利得設定保持部と、
前記利得設定保持部で保持される利得と暗時出力の際の利得との何れか選択して前記増幅部に供給する利得選択部と、
を有し、
前記複数の画素列のうちで最初に信号を出力した画素列に対応した増幅の際には、前記出力選択部によって前記暗時出力保持部からの出力を選択するとともに前記利得選択部によって前記暗時出力の際の利得を選択し、前記複数の画素列のうちで２番目以降に信号を出力した画素列に対応した増幅の際には、前記出力選択部によって前記暗時出力保持部からの出力を選択するとともに前記利得選択部によって前記暗時出力の際の利得を選択する、又は前記出力選択部によって前記平均値保持部からの出力を選択するとともに前記利得選択部によって前記利得設定保持部で保持される利得を選択することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記各画素列は、
所定のピッチをもって配置され、光電荷を蓄積する複数の画素と、
前記各画素に蓄積された光電荷を転送するためのトランスファゲートと、
前記トランスファゲートを介して転送された光電荷を転送するための転送路と、
を有し、
前記複数の画素列は、画素が前記所定のピッチの半分だけずらして配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記各画素列は、
所定のピッチをもって配置され、光電荷を蓄積する複数の画素と、
前記各画素に蓄積された光電荷を転送するための第１のトランスファゲートと、
前記第１のトランスファゲートを介して転送された光電荷を保持するストレージと、
前記ストレージに保持された光電荷を転送するための第２のトランスファゲートと、
前記第２のトランスファゲートを介して転送された光電荷を転送するための転送路と、
を有し、
前記複数の画素列は、画素が前記所定のピッチの半分だけずらして配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記各画素列の画素は、それぞれ、共通のタイミングで前記制御部から第１の制御信号が入力されてそれぞれ蓄積した光電荷を前記ストレージに転送し、
前記各画素列の第２のトランスファゲートは、それぞれ、異なるタイミングで前記制御部から第２の制御信号が入力されてそれぞれ前記ストレージに蓄積された光電荷を前記転送路に転送することを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記撮像部は、前記光電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部を有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項に記載の固体撮像素子における撮像部の少なくとも１つの画素列からの出力に基づいて距離を演算することを特徴とする測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子及び固体撮像素子を用いた測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
オートフォーカスカメラに用いられている焦点検出装置の１つとして位相差検出方式の焦点検出装置が知られている。位相差検出方式においては、主光学系の異なる光路を通過した被写体からの光が、瞳分割光学系において分割され、該分割された光が被写体像として基準部の撮像部と参照部の撮像部の２つの焦点検出部によってそれぞれ検出され、これら検出された被写体像の２像間隔値から撮影画面内に配された測距点における焦点状態が検出される。
【０００３】
ここで、位相差検出方式においては、コントラストの低い被写体に対しては焦点位置検出が困難である。そのため、撮像部で得られる出力信号を光電変換装置の暗時出力（光が当たっていない画素からの出力）を基準として増幅する手法と、撮像部で得られる出力信号を光電変換装置の平均出力を基準として増幅する手法とを被写体に応じて適宜切り替えて焦点検出を行うことができる焦点検出装置が例えば特許文献１において提案されている。
【０００４】
図９（ａ）及び図９（ｂ）を参照して、特許文献１の焦点検出装置について更に説明する。  
図９（ａ）に示す焦点検出装置は、被写体からの光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する撮像部（図９（ａ）ではセンサ２０１が対応する）と、撮像部で得られた信号を処理するための読み出し部（図９（ａ）ではモニタ電圧回路２０２、平均値保持回路２０３、暗時出力電圧回路２０４、セレクト回路２０５、差動増幅回路２０６が対応する）とを有している。
【０００５】
図９（ａ）に示す焦点検出装置は、センサ２０１で得られた信号を差動増幅回路２０６で差動増幅するものである。そして、差動増幅回路２０６の非反転端子にはセンサ２０１の出力が接続され、反転端子には一方の入力が暗時出力電圧回路２０４の出力に、他方の入力が平均値保持回路２０３の出力に接続されたセレクト回路２０５の出力が接続されている。このような構成において、セレクト回路２０５において暗時出力電圧回路２０４を選択すると、センサ２０１からの出力とセンサ２０１に設けられている光が当たらない遮光された画素（以下、遮光画素という）からの出力との差動増幅が行われる。一方、セレクト回路２０５において平均値保持回路２０３を選択すると、センサ２０１からの出力とモニタ電圧回路２０２によって検出され平均値保持回路２０３に保持されたセンサ出力の平均値との差動増幅が行われる。
【０００６】
一方、図９（ｂ）に示す焦点検出装置は、被写体からの光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する撮像部（図９（ｂ）ではセンサ２０１が対応する）と、撮像部で得られた信号を処理するための読み出し部（図９（ｂ）では平均値演算回路２０７、平均値保持回路２０３、暗時出力電圧回路２０４、セレクト回路２０５、差動増幅回路２０６が対応する）とを有している。
【０００７】
図９（ｂ）に示す焦点検出装置は、センサ２０１で得られた信号を差動増幅回路２０６で差動増幅するものである。そして、差動増幅回路２０６の非反転端子にはセンサ２０１の出力が接続され、反転端子には一方の入力が暗時出力電圧回路２０４の出力に、他方の入力が平均値保持回路２０３の出力に接続されたセレクト回路２０５の出力が接続されている。このような構成において、セレクト回路２０５において暗時出力電圧回路２０４を選択すると、センサ２０１からの出力とセンサ２０１に設けられている遮光画素からの出力との差動増幅が行われる。一方、セレクト回路２０５において平均値保持回路２０３を選択すると、センサ２０１からの出力と平均値演算回路２０７において演算され平均値保持回路２０３に保持されたセンサ出力の平均値との差動増幅が行われる。
【０００８】
ここで、図９（ａ）及び図９（ｂ）の回路において、セレクト回路２０５において平均値保持回路２０３の出力が選択された場合の差動増幅回路２０６の出力について説明する。図９（ａ）及び図９（ｂ）において、差動増幅回路２０６の利得をＧａｉｎ、センサ２０１の出力をＶｏｕｔ、平均値保持回路２０３の出力をＶａｖｅとすると、差動増幅回路２０６の出力Ｖａｍｐは、  
Ｖａｍｐ＝Ｇａｉｎ×（Ｖｏｕｔ−Ｖａｖｅ）  
となる。
【０００９】
遮光画素からの出力を基準とした読み出しの場合、被写体のコントラストが低いと信号を読み出せなくなる場合が生じる。このような場合には、平均値を基準とした読み出しを行うことで、被写体のコントラストに応じた信号の読み出しを行うことが可能である。
【特許文献１】特開平１１−８４２２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここで、図９（ａ）に示す構成において、平均値保持回路４０３の入力はモニタ電圧回路２０２である。モニタ電圧回路２０２は、一般に、図１０（ａ）に示すように、センサ２０１の画素列２０１１に入射する光の平均値に対応した光を受けるモニタフォトダイオード（ＰＤ）２０２１と、モニタＰＤ２０２１から出力される電荷を電圧に変換して読み出すモニタＰＤ出力読み出し回路２０２２とを有して構成されている。このような構成により、モニタ電圧回路２０２ではセンサ２０１の出力Ｖｏｕｔの平均値Ｖａｖｅとほぼ等しい電圧を検出することができる。しかしながら、モニタＰＤ２０２１の出力とセンサ２０１の出力の平均値Ｖａｖｅとを完全に等しくすることはできず、必ず誤差成分Ｖｄｃｏｆｆ１を含むことになる。このような誤差成分Ｖｄｃｏｆｆ１を考慮すると、差動増幅回路２０６の出力Ｖａｍｐは、  
Ｖａｍｐ＝Ｇａｉｎ×（Ｖｏｕｔ−Ｖａｖｅ±Ｖｄｃｏｆｆ１）  
＝Ｇａｉｎ×（Ｖｏｕｔ−Ｖａｖｅ）±Ｇａｉｎ×Ｖｄｃｏｆｆ１
となる。
【００１１】
ここで、誤差成分Ｖｄｃｃｏｆｆ１は、モニタＰＤ２０２１とセンサ２０１の画素列２０１１との構造の違いや画素列２０１１からの出力の読み出し回路２０１２とモニタＰＤ出力読み出し回路２０２２との回路の特性差に起因して発生するものである。なお、誤差成分Ｖｄｃｃｏｆｆ１は、特定の電圧源を用いたり特定の温度条件下で用いたりすることで小さくすることができる。しかしながら、この場合、電源電圧や温度が変化すると誤差成分Ｖｄｃｃｏｆｆ１が変化してしまうことになる。
【００１２】
また、図９（ｂ）に示す構成において、平均値保持回路２０３の入力は平均値演算回路２０７である。平均値演算回路２０７は、画素列２０１１から読み出し回路２０１２を介して出力される信号の平均値を演算する回路である。このような平均値演算回路２０７で演算された平均値を基準とした読み出しを行うためには２回の読み出しを行う必要がある。即ち、図１０（ｂ）に示すように、１回目の画素列２０１１からの信号の読み出し後に平均値を演算して平均値保持回路２０３に保持しておくことで、２回目の画素列２０１１からの信号の読み出し時に平均値保持回路２０３に保持された平均値を基準とした読み出しを行うことが可能である。このような構成の場合、１回目と２回目とで画素列２０１１への光の入射時間が異なると１回目と２回目とで平均値が異なる場合もあり得る。この入射時間の差に起因して誤差成分Ｖｄｃｃｏｆｆ２が発生する。このような誤差成分Ｖｄｃｏｆｆ２を考慮すると、差動増幅回路２０６の出力Ｖａｍｐは、  
Ｖａｍｐ＝Ｇａｉｎ×（Ｖｏｕｔ−Ｖａｖｅ＋Ｖｄｃｏｆｆ２）  
＝Ｇａｉｎ×（Ｖｏｕｔ−Ｖａｖｅ）＋Ｇａｉｎ×Ｖｄｃｏｆｆ２
となる。
【００１３】
以上、図９（ａ）及び図９（ｂ）の何れの構成においても平均値保持回路２０３で保持される平均値は誤差成分を含み、この誤差成分が差動増幅回路２０６において増幅されてしまう。
【００１４】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、撮像部の出力をその平均値を基準として差動増幅する際に発生する誤差成分の影響をなくすことができる固体撮像素子及びこのような固体撮像素子を用いた測距装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の形態の固体撮像素子は、光電荷を蓄積するための画素列が複数隣接して配置され、各画素列で蓄積された光電荷に基づく信号を出力する撮像部と、前記撮像部の各画素列に対して同じタイミングで光電荷を蓄積させるとともに、前記信号を画素列単位で順次出力させる制御部と、所定のタイミングにおける前記画素列からの出力の平均値と前記所定のタイミングよりも後のタイミングにおける前記画素列からの出力との差分を増幅して出力する信号処理部とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、撮像部の出力をその平均値を基準として差動増幅する際に発生する誤差成分の影響をなくすことができる固体撮像素子及びこのような固体撮像素子を用いた測距装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。  
［第１の実施形態］
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る測距装置が搭載されるカメラの、特に測距装置に係る構成について示す図である。ここで、図１に示すカメラは、１眼レフレックス方式のカメラを示しており、フォーカスレンズ１と、メインミラー２と、ペンタプリズム３と、接眼レンズ４と、サブミラー５と、コンデンサレンズ６と、固定ミラー７と、瞳分割光学系８と、ＡＦセンサ９と、焦点演算部１０と、レンズ駆動信号生成部１１と、モータドライバ１２と、撮像素子１３とを有している。
【００１８】
フォーカスレンズ１は、図示しない被写体からの光を集光し、集光した光をカメラ内部の撮像素子１３上に結像させる。メインミラー２は、中央部がハーフミラーで構成されたミラーであり、フォーカスレンズ１を介して入射してきた光を反射及び透過させる。ここで、メインミラー２は、図示しないミラー駆動機構により図示矢印Ａ方向に回動自在になされている。そして、メインミラー２が図１の位置にある場合には、フォーカスレンズ１を介して入射した光の一部をペンタプリズム３の側に反射させ、一部をサブミラー５の側に透過させる。また、メインミラー２が図示Ａ方向に回動された場合には、フォーカスレンズ１を介して入射した光が撮像素子１３の側に入射する。
【００１９】
ペンタプリズム３は、メインミラー２において反射されて得られる被写体像を正立像にしてから接眼レンズ４に入射させる。接眼レンズ４は、ペンタプリズム３からの被写体像を撮影者が視認可能なように拡大する。
【００２０】
サブミラー５は、メインミラー２の中央部背面側に設けられ、メインミラー２を透過した光をコンデンサレンズ６の方向に反射させる。コンデンサレンズ６は、サブミラー５で反射され、撮像等価面上に結像した被写体光を集光する。固定ミラー７は、コンデンサレンズ６によって集光された被写体光を瞳分割光学系８に入射させる。瞳分割光学系８は、少なくとも１対の瞳分割レンズから構成されており、コンデンサレンズ６からの被写体光を瞳分割してＡＦセンサ９に結像させる。
【００２１】
ＡＦセンサ９は、少なくとも１対の固体撮像素子から構成され、被写体像を受光して光電変換し、光電変換によって得られる電荷を電圧に変換して焦点演算部１０に出力する。このＡＦセンサ９の詳細については後述する。
【００２２】
焦点演算部１０は、ＡＦセンサ９から対として出力される被写体像を示す電圧信号をデジタル化して取り込み、取り込んだデジタル信号に従って、対をなす固体撮像素子にそれぞれ入射した被写体像における２像間隔値（ズレ量）を、例えば相関演算により演算する。レンズ駆動信号生成部１１は、焦点演算部１０において演算されたズレ量から、焦点が合う位置にフォーカスレンズ１を移動させるためのレンズ駆動信号を生成してモータドライバ１２に出力する。モータドライバ１２は、レンズ駆動信号生成部１１からのレンズ駆動信号に従ってフォーカスレンズ１を、図示矢印Ｂ方向で示す方向に駆動させる。撮像素子１３は、被写体からの光を受光して記録又は表示のための画像信号を得る。
【００２３】
図２は、ＡＦセンサ９を構成する固体撮像素子の構成を示す図である。ここで、ＡＦセンサ９は対をなす固体撮像素子から構成されているが、図２にはそのうちの一方の固体撮像素子のみを図示している。
【００２４】
図２に示す固体撮像素子は、撮像部１１０と、信号処理部１２０と、制御部１３０とを有している。
【００２５】
撮像部１１０は、画素列１１１ａ及び１１１ｂと、読み出し回路１１２とを有して構成されている。
【００２６】
画素列１１１ａ及び１１１ｂはそれぞれ図示しない被写体からの光を電荷（光電荷）に変換する画素等が配列されて構成されている。図３は、画素列１１１ａと画素列１１１ｂの構成を示した図である。図３に示すように、画素列１１１ａは、画素１１１１ａと、トランスファゲート１１１２ａと、転送路１１１３ａとを有している。また、画素列１１１ｂは、画素１１１１ｂと、トランスファゲート１１１２ｂと、転送路１１１３ｂとを有している。
【００２７】
画素１１１１ａ、１１１１ｂは、例えばフォトダイオードから構成され、被写体からの光を光電変換し、その光量に応じた電荷（光電荷）を蓄積する。画素１１１１ａとは１１１１ｂは、所定のピッチ（図３では１/２画素ピッチ）だけずらして配置されている。また、図２において、画素１１１１ａ、１１１１ｂの一部の画素（図示ハッチング部の画素）は、遮光されている。この遮光画素は、後述する暗時出力保持回路において暗時出力を保持するため等の理由で設けられている。
【００２８】
トランスファゲート１１１２ａ、１１１２ｂは、画素１１１１ａ、１１１１ｂに対応して設けられ、それぞれ、制御部１３０から制御信号ＴＧＬ１、ＴＧＬ２が入力される。これらトランスファゲート１１１２ａ、１１１２ｂは、制御部１３０から制御信号ＴＧＬ１、ＴＧＬ２が入力される毎に、画素１１１１ａ、１１１１ｂに蓄積された光電荷を転送路１１１３ａ、１１１３ｂに転送する。
【００２９】
転送路１１１３ａ、１１１３ｂは、それぞれ、制御部１３０から制御信号φＬ１、φＬ２が入力される。これら転送路１１１３ａ、１１１３ｂは制御信号φＬ１、φＬ２が入力される毎に、トランスファゲート１１１２ａ、１１１２ｂから転送された光電荷を画素単位で読み出し回路１１２に転送する。ここで、図２、図３においては制御信号φＬ１、φＬ２を１つの信号で示しているが、実際には多相（２相若しくは４相）の信号である。
【００３０】
読み出し回路１１２は、画素列１１１ａ及び画素列１１１ｂから転送されてくる電荷を電圧に変換し、この電圧信号Ｖｏｕｔを信号処理部１２０に出力する。ここで、読み出し回路１１２には、制御部１３０からの制御信号としてリセット信号φｒｓｔが入力される。リセット信号φｒｓｔは１画素分の電圧信号の読み出し前に入力される信号であり、このリセット信号φｒｓｔが入力される毎に、読み出し回路１１２の出力電圧Ｖｏｕｔがリセットされる。これにより、読み出し回路１１２から画素単位の電圧信号を取り出すことが可能である。なお、読み出し回路１１２は、例えば浮動拡散アンプ（floating diffusion amplifier）で構成されている。
【００３１】
信号処理部１２０は、平均値保持回路１２１と、暗時出力保持回路１２２と、利得設定値保持回路１２３と、セレクタ１２４、１２５と、差動増幅回路１２６とを有している。
【００３２】
平均値保持回路１２１は、撮像部１１０の出力部に接続され、撮像部１１０からの画素単位の出力Ｖｏｕｔの平均値に対応した電圧信号Ｖａｖｅを生成し、この生成した平均電圧Ｖａｖｅを保持する。暗時出力保持回路１２２は、撮像部１１０の出力部に接続され、撮像部１１０からの画素単位の出力Ｖｏｕｔにおける暗時出力、即ち遮光画素に対応した電圧信号Ｖｒｅｆを保持する。
【００３３】
利得設定値保持回路１２３は、撮像部１１０の出力部に接続され、撮像部１１０からの画素単位の出力Ｖｏｕｔの最大値と最小値の差に相当する電圧信号を生成するとともに、該生成した信号に従って差動増幅回路１２６の利得を決めるための値を演算し、演算した値を保持する。
【００３４】
セレクタ１２４は、平均値保持回路１２１の出力及び暗時出力保持回路１２２の出力と差動増幅回路１２６の反転入力端子とに接続されている。また、セレクタ１２４には、制御部１３０からの制御信号として、基準電圧選択信号Ｒｅｆｓｅｌが入力される。このような構成において、セレクタ１２４は、基準電圧選択信号Ｒｅｆｓｅｌの状態に応じて平均値保持回路１２１の出力電圧信号Ｖａｖｅと暗時出力保持回路１２２の出力電圧信号Ｖｒｅｆの何れかを選択し、選択した出力電圧信号を基準電圧信号として差動増幅回路１２６の反転入力端子に供給する。ここで、本実施形態の例では、セレクタ１２４は、基準電圧選択信号Ｒｅｆｓｅｌがハイレベル（Ｈ）のときに暗時出力保持回路１２２の出力電圧信号Ｖｒｅｆを選択し、基準電圧選択信号Ｒｅｆｓｅｌがローレベル（Ｌ）のときに平均値保持回路１２１の出力電圧信号Ｖａｖｅを選択する。
【００３５】
セレクタ１２５は、利得設定値保持回路１２３の出力及び制御部１３０における電圧信号Ｖｇａｉｎ＿ｄａｒｋの出力端子と差動増幅回路１２６の利得設定端子とに接続されている。また、セレクタ１２５には、制御部１３０から制御信号として利得設定選択信号Ｇａｉｎｓｅｌが入力される。このような構成において、セレクタ１２５は、利得設定選択信号Ｇａｉｎｓｅｌの状態に応じて利得設定値保持回路１２３の出力電圧信号Ｖｇａｉｎ＿ａｖｅと制御部１３０から供給される電圧信号Ｖｇａｉｎ＿ｄａｒｋの何れかを選択し、選択した電圧信号を差動増幅回路１２６の利得設定端子に供給する。ここで、本実施形態の例では、セレクタ１２５は、利得設定選択信号ＧａｉｎｓｅｌがＨのときに電圧信号Ｖｇａｉｎ＿ｄａｒｋを選択し、利得設定選択信号ＧａｉｎｓｅｌがＬのときに利得設定値保持回路１２３の出力電圧信号Ｖｇａｉｎ＿ａｖｅを選択する。
【００３６】
差動増幅回路１２６は、非反転入力端子が撮像部１１０の出力に接続され、反転入力端子がセレクタ１２４に接続されている。また、差動増幅回路１２６の出力はＡＦセンサ９の出力となっている。この差動増幅回路１２６は、撮像部１１０から出力される電圧信号Ｖｏｕｔとセレクタ１２４によって選択される電圧信号とを、利得設定端子に供給される電圧信号によって設定される利得に従って差動増幅する。
【００３７】
制御部１３０は、撮像部１１０、信号処理部１２０に対して上述したような各種の制御信号を供給するとともに、差動増幅回路１２６の利得設定に用いられる電圧信号Ｖｇａｉｎ＿ｄａｒｋを生成してセレクタ１２５に出力する。
【００３８】
以下、本実施形態の固体撮像素子についてさらに詳しく説明する。  
図４は、信号処理部１２０から出力される信号について示した図である。読み出し回路１１２への制御信号φｒｓｔがＨとなると、読み出し回路１１２の出力Ｖｏｕｔが所定のリセットレベルとなる。そして、制御信号φｒｓｔがＨからＬに切り替わるときに読み出し回路１１２の出力Ｖｏｕｔが所定のフィードスルーレベルとなった後、読み出し回路１１２の出力Ｖｏｕｔが画素に応じたレベルとなる。ここで、信号処理部１２０には、２つのセレクタ１２４、１２５が設けられており、それぞれのセレクタの状態を切り替えることで異なる種類の基準に基づいた信号の読み出しを行うことが可能である。
【００３９】
図４（ａ）は、暗時出力基準読み出しを示している。この暗時出力基準読み出しは、利得設定選択信号Ｇａｉｎｓｅｌと基準電圧選択信号ＲｅｆｓｅｌとをともにＨとしたときの読み出しモードである。この場合、信号処理部１２０の出力Ｖａｍｐは、読み出し回路１１２の出力Ｖｏｕｔと暗時出力保持回路１２２の出力Ｖｒｅｆとの差を利得Ｖｇａｉｎ＿ｄａｒｋ倍したものとなる。ここで、暗時基準読み出しの際に差動増幅回路１２６の利得設定端子に加える信号Ｖｇａｉｎ＿ｄａｒｋは、信号処理部１２０の出力Ｖａｍｐが飽和しないように設定される固定値である。
【００４０】
また、平均値基準読み出しは、利得設定選択信号Ｇａｉｎｓｅｌと基準電圧選択信号ＲｅｆｓｅｌとをともにＬとしたときの読み出しモードである。この場合、信号処理部１２０の出力Ｖａｍｐは、読み出し回路１１２の出力Ｖｏｕｔと平均値保持回路１２１の出力Ｖａｖｅとの差を利得Ｖｇａｉｎ＿ａｖｅ倍したものとなる。ここで、平均値基準読み出しの際に差動増幅回路１２６の利得設定端子に加える信号Ｖｇａｉｎ＿ａｖｅも、信号Ｖｇａｉｎ＿ｄａｒｋと同様に、信号処理部１２０の出力Ｖａｍｐが飽和しないように設定する必要がある。この設定手法としては、例えば、撮像部１１０の出力Ｖｏｕｔにおける遮光されていない画素に対応した部分の増幅後の結果が、焦点演算部１０に設けられる図示しないＡＤコンバータの２値化可能範囲内で且つ２値化可能範囲の上限と下限に可能な限り近くなるようにＶｇａｉｎ＿ａｖｅを設定する。即ち、Ｖｏｕｔにおける最大値の増幅後の結果がＡＤコンバータの２値化可能範囲の上限に可能な限り近く、且つＶｏｕｔにおける最小値の増幅後の結果がＡＤコンバータの２値化可能範囲の下限に可能な限り近くなる利得をＶｇａｉｎ＿ａｖｅとする。
【００４１】
図５は、本実施形態の固体撮像素子における信号読み出し動作の第１の例について示すタイミングチャートである。なお、図５は、上から、制御部１３０において生成される制御信号ＴＧＬ１、ＴＧＬ２、φＬ１、φＬ２、リセット信号φｒｓｔ、信号処理部１２０（差動増幅回路１２６）の出力Ｖａｍｐ、利得設定選択信号Ｇａｉｎｓｅｌ、基準電圧選択信号Ｒｅｆｓｅｌ、固体撮像素子の読み出しモード、平均値保持回路１２１の動作状態、利得設定値保持回路１２３の動作状態をそれぞれ示している。
【００４２】
第１の例においては、画素列１１１ａと画素列１１１ｂとの光電荷の蓄積時間を同じくし、且つ画素列１１１ａからの信号の読み出しと画素列１１１ｂからの信号の読み出しとを異なるタイミングで行う。さらに、画素列１１１ａからの信号の読み出しを暗時基準出力読み出しによって行い、画素列１１１ｂからの信号の読み出しを平均値基準出力読み出しによって行う。
【００４３】
図５には図示していないが、第１の例においては、制御部１３０は、画素列１１１ａと画素列１１１ｂとの光電荷の蓄積を同時に開始させる。そして、画素列１１１ａと画素列１１１ｂに所定の光電荷が蓄積された時点で、制御部１３０は、制御信号ＴＧＬ１、ＴＧＬ２を同時にＨとする。また、制御信号ＴＧＬ１、ＴＧＬ２をＨとしたのと同期して、制御部１３０は、利得設定選択信号Ｇａｉｎｓｅｌと基準電圧選択信号ＲｅｆｓｅｌとをＨとする。
【００４４】
以上の制御によって、画素１１１１ａに蓄積された光電荷がトランスファゲート１１１２ａを介して転送路１１１３ａに転送されるとともに、画素１１１１ｂに蓄積された光電荷がトランスファゲート１１１２ｂを介して転送路１１１３ｂに転送される。このようにして、画素列１１１ａ、１１１ｂにおける光電荷の蓄積が同時に終了する。ここで、画素列１１１ａと画素列１１１ｂとは隣接配置されているので、光電荷の蓄積時間を同じとすれば各画素列に蓄積される光電荷量が等しくなる。
【００４５】
画素列１１１ａと画素列１１１ｂの光電荷の蓄積終了後、制御部１３０は、転送路１１１３ａに制御信号φＬ１を加えるとともに読み出し回路１１２にリセット信号φｒｓｔを加える。転送路１１１３ａに制御信号φＬ１が加わる毎に、転送路１１１３ａに転送された光電荷が順次読み出し回路１１２に転送される。また、読み出し回路１１２に加えられているリセット信号φｒｓｔがＨからＬに切り替わったときに画素１１１１ａにおいて蓄積された光電荷に応じた電圧信号Ｖｏｕｔが読み出し回路１１２から信号処理部１２０に入力される。
【００４６】
上述したように、第１の例においては、画素列１１１ａからの信号の読み出し期間においては、暗時出力基準読み出しを行っている。この期間に、平均値保持回路１２１は、画素列１１１ａから順次転送される光電荷に基づく信号Ｖｏｕｔの平均値Ｖａｖｅを演算する。同様に、利得設定値保持回路１２３は画素列１１１ａから順次転送される光電荷に基づく信号から、平均値基準読み出しの際の利得Ｖｇａｉｎ＿ａｖｅを演算する。
【００４７】
差動増幅回路１２６は、読み出し回路１１２から出力される電圧信号Ｖｏｕｔと暗時出力保持回路１２２の出力Ｖｒｅｆとの差分を利得Ｖｇａｉｎ＿ｄａｒｋに従って増幅する。そして、差動増幅回路１２６は、差動増幅によって得られる信号Ｖａｍｐを焦点演算部１０に出力する。
【００４８】
画素列１１１ａからの信号の読み出しと平均値及び利得の演算とが終了した後、制御部１３０は、転送路１１１３ｂに制御信号φＬ２を加えるとともに読み出し回路１１２にリセット信号φｒｓｔを加える。また、制御部１３０は、利得設定選択信号Ｇａｉｎｓｅｌと基準電圧選択信号ＲｅｆｓｅｌとをＬとする。転送路１１１３ｂに制御信号φＬ２が加わる毎に、転送路１１１３ｂに転送された光電荷が順次読み出し回路１１２に転送される。また、読み出し回路１１２に加えられているリセット信号φｒｓｔがＨからＬに切り替わったときに画素１１１１ｂにおいて蓄積された光電荷に応じた電圧信号Ｖｏｕｔが読み出し回路１１２から信号処理部１２０に入力される。
【００４９】
上述したように、画素列１１１ｂからの信号の読み出し期間においては、平均値基準読み出しを行っている。この期間では、平均値保持回路１２１は、前回の読み出し時に演算した平均値を保持している。同様に、利得設定値保持回路１２３は、前回の読み出し時に演算した利得を保持している。
【００５０】
差動増幅回路１２６は、読み出し回路１１２から出力される電圧信号Ｖｏｕｔと平均値保持回路１２１の出力Ｖａｖｅとの差分を利得Ｖｇａｉｎ＿ａｖｅに従って増幅する。そして、差動増幅回路１２６は、差動増幅によって得られる信号Ｖａｍｐを焦点演算部１０に出力する。
【００５１】
焦点演算部１０は、対をなす固体撮像素子のそれぞれから、平均値基準読み出しによって読み出される出力Ｖａｍｐをデジタル化して取り込み、取り込んだ出力Ｖａｍｐのデジタル値を用いた相関演算によって２像間隔値の演算を行う。
【００５２】
以上説明した第１の例では、隣接配置される画素列１１１ａと画素列１１１ｂとで同じ時間だけの光電荷の蓄積を行うようにしている。そして、画素列１１１ａからの出力信号の平均値を求めて平均値保持回路１２１に保持させた後で、画素列１１１ｂからの出力信号の平均値基準読み出しを行うようにしている。画素列１１１ａと画素列１１１ｂとは光の入射時間が同じになるように蓄積制御を行っているので、画素列１１１ａからの出力信号に従って演算される平均値は、画素列１１１ｂからの出力信号に従って演算した場合の平均値と等しくなる。したがって、画素列１１１ｂからの信号の読み出し時には、画素列１１１ａと画素列１１１ｂとの光の入射時間の差に基づく誤差のない平均値基準読み出しを行うことが可能である。また、平均値を画素列１１１ａからの出力信号に基づいて求めているので、画素列とモニタＰＤとの構造の違い等による誤差も無くすことが可能である。
【００５３】
図６は、本実施形態の固体撮像素子における信号読み出し動作の第２の例について示すタイミングチャートである。なお、図６は、上から、制御部１３０において生成される制御信号ＴＧＬ１、ＴＧＬ２、φＬ１、φＬ２、リセット信号φｒｓｔ、信号処理部１２０（差動増幅回路１２６）の出力Ｖａｍｐ、利得設定選択信号Ｇａｉｎｓｅｌ、基準電圧選択信号Ｒｅｆｓｅｌ、固体撮像素子の読み出しモードをそれぞれ示している。
【００５４】
第２の例においては、画素列１１１ａと画素列１１１ｂとの光電荷の蓄積時間を同じくし、且つ画素列１１１ａからの信号の読み出しと画素列１１１ｂからの信号の読み出しとをともに暗時出力基準読み出しによって行う。
【００５５】
図６には図示していないが、第２の例においても、制御部１３０は、画素列１１１ａと画素列１１１ｂとの光電荷の蓄積を同時に開始させる。そして、画素列１１１ａと画素列１１１ｂに所定の光電荷が蓄積された時点で、制御部１３０は、制御信号ＴＧＬ１、ＴＧＬ２を同時にＨとする。また、制御信号ＴＧＬ１、ＴＧＬ２をＨとしたのと同期して、制御部１３０は、利得設定選択信号Ｇａｉｎｓｅｌと基準電圧選択信号ＲｅｆｓｅｌとをＨとする。
【００５６】
以上の制御によって、画素１１１１ａに蓄積された光電荷がトランスファゲート１１１２ａを介して転送路１１１３ａに転送されるとともに、画素１１１１ｂに蓄積された光電荷がトランスファゲート１１１２ｂを介して転送路１１１３ｂに転送される。このようにして、画素列１１１ａ、１１１ｂにおける光電荷の蓄積が同時に終了する。ここで、画素列１１１ａと画素列１１１ｂとは隣接配置されているので、光電荷の蓄積時間を同じとすれば各画素列に蓄積される光電荷量が等しくなる。
【００５７】
画素列１１１ａと画素列１１１ｂの光電荷の蓄積終了後、制御部１３０は、転送路１１１３ａに制御信号φＬ１を加えるとともに読み出し回路１１２にリセット信号φｒｓｔを加える。転送路１１１３ａに制御信号φＬ１が加わる毎に、転送路１１１３ａに転送された光電荷が順次読み出し回路１１２に転送される。また、読み出し回路１１２に加えられているリセット信号φｒｓｔがＨからＬに切り替わったときに画素１１１１ａにおいて蓄積された光電荷に応じた電圧信号Ｖｏｕｔが読み出し回路１１２から信号処理部１２０に入力される。
【００５８】
画素列１１１ａからの信号の読み出しが終了した後、制御部１３０は、転送路１１１３ｂに制御信号φＬ２を加えるとともに読み出し回路１１２にリセット信号φｒｓｔを加える。転送路１１１３ｂに制御信号φＬ２が加わる毎に、転送路１１１３ｂに転送された光電荷が順次読み出し回路１１２に転送される。また、読み出し回路１１２に加えられているリセット信号φｒｓｔがＨからＬに切り替わった時点で画素１１１１ｂにおいて蓄積された光電荷に応じた電圧信号Ｖｏｕｔが読み出し回路１１２から信号処理部１２０に入力される。
【００５９】
差動増幅回路１２６は、読み出し回路１１２から出力される電圧信号Ｖｏｕｔと暗時出力保持回路１２２の出力Ｖｒｅｆとの差分を利得Ｖｇａｉｎ＿ｄａｒｋに従って増幅する。そして、差動増幅回路１２６は、差動増幅によって得られる信号Ｖａｍｐを焦点演算部１０に出力する。
【００６０】
焦点演算部１０は、対をなす固体撮像素子のそれぞれから読み出される出力Ｖａｍｐをデジタル化して取り込み、取り込んだ出力Ｖａｍｐのデジタル値を用いた相関演算によって２像間隔値の演算を行う。第２の例においては、画素列１１１ａからの信号と画素列１１１ｂからの信号が何れも暗時出力基準読み出しによって読み出される。ただし、２像間隔値の演算は、画素列１１１ａからの信号と画素列１１１ｂからの信号の何れか一方のみを用いて行うようにしても良い。勿論、画素列１１１ａからの信号と画素列１１１ｂからの信号の両方を用いて行うようにしても良い。
【００６１】
上述のように、第２の例においては、画素列１１１ａと画素列１１１ｂの両方について暗時出力基準読み出しで信号を読み出すことが可能である。ここで、画素列１１１ａと画素列１１１ｂとは画素が１/２画素ピッチだけずらして配置されている。これらの画素列のそれぞれに対して相関演算を行ってそれぞれの画素列に対応した２像間隔値を算出し、これらの算出した２像間隔値の平均値を算出することで、出力Ｖａｍｐにおけるノイズ成分を低減することができる。
【００６２】
以上説明したように第１の実施形態によれば、誤差のない平均値基準読み出しを行うことが可能である。また、誤差のない平均値基準読み出しと暗時基準読み出しとを選択的に行うことが可能である。
【００６３】
ここで、第１の実施形態においては、暗時基準読み出しと平均値基準読み出しとが切り替え可能な構成となっているが、平均値基準読み出しのみを行えるようにしても良い。
【００６４】
また、第１の実施形態においては、隣接配置される画素列の数を２つとしているが、３つ以上の画素列を隣接配置するようにしても良い。３つ以上の場合の平均値基準読み出しについても２つの場合と同様である。即ち、隣接配置される画素列の光電荷の蓄積時間を同じくするとともに、信号の読み出しは異なるタイミングとする。最初に画素列から信号を読み出す時に平均値及び利得の演算を行い、これら演算した平均値及び利得を保持しておく。そして、２回目以後に画素列から信号を読み出す時に、保持しておいた平均値及び利得を用いた平均値基準読み出しを行う。
【００６５】
［第２の実施形態］
次に本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態と異なる構成の画素列を有する撮像部を用いた固体撮像素子の例である。なお、画素列の構成以外は第１の実施形態と同じであるので説明を省略する。
【００６６】
図７は、第２の実施形態における画素列１１１ａと画素列１１１ｂの構成を示した図である。ここで、図７において、図３に対応する構成については図３と同一の参照符号を付している。図７に示すように、画素列１１１ａは、画素１１１１ａと、トランスファゲート１１１４ａと、ストレージ１１１５ａと、トランスファゲート１１１２ａと、転送路１１１３ａとを有している。また、画素列１１１ｂは、画素１１１１ｂと、トランスファゲート１１１４ｂと、ストレージ１１１５ｂと、トランスファゲート１１１２ｂと、転送路１１１３ｂとを有している。
【００６７】
画素１１１１ａ、１１１１ｂは、例えばフォトダイオードから構成され、被写体からの光を光電変換し、その光量に応じた電荷（光電荷）を蓄積する。図７においても図３と同様に画素１１１１ａと画素１１１１ｂは、１/２画素ピッチだけずらして配置されている。
【００６８】
トランスファゲート１１１４ａ、１１１４ｂは、画素１１１１ａ、１１１１ｂに対応して設けられ、それぞれ、制御部１３０から共通の制御信号ＴＧｓｔが入力される。これらトランスファゲート１１１４ａ、１１１４ｂは、制御部１３０から制御信号ＴＧｓｔが入力されたときに、画素１１１１ａ、１１１１ｂに蓄積された光電荷をストレージ１１１５ａ、１１１５ｂに転送する。
【００６９】
ストレージ１１１５ａ、１１１５ｂは、それぞれ、トランスファゲート１１１４ａ、１１１４ｂを介して転送されてきた光電荷を保持する。
【００７０】
トランスファゲート１１１２ａ、１１１２ｂは、ストレージ１１１５ａ、１１１５ｂに対応して設けられ、それぞれ、制御部１３０から制御信号ＴＧＬ１、ＴＧＬ２が入力される。これらトランスファゲート１１１２ａ、１１１２ｂは、制御部１３０から制御信号ＴＧＬ１、ＴＧＬ２が入力される毎に、ストレージ１１１５ａ、１１１５ｂに保持された光電荷を転送路１１１３ａ、１１１３ｂに転送する。
【００７１】
転送路１１１３ａ、１１１３ｂは、それぞれ、制御部１３０から制御信号φＬ１、φＬ２が入力される。これら転送路１１１３ａ、１１１３ｂは制御信号φＬ１、φＬ２が入力される毎に、トランスファゲート１１１２ａ、１１１２ｂから転送された光電荷を画素単位で読み出し回路１１２に転送する。ここで、図７においては制御信号φＬ１、φＬ２を１つの信号で示しているが、実際には多相（２相若しくは４相）の信号である。
【００７２】
読み出し回路１１２は、画素列１１１ａ及び画素列１１１ｂから転送されてくる電荷を電圧に変換し、この電圧信号Ｖｏｕｔを信号処理部１２０に出力する。ここで、読み出し回路１１２には、制御部１３０からの制御信号としてリセット信号φｒｓｔが入力される。リセット信号φｒｓｔは１画素分の電圧信号の読み出し前に入力される信号であり、このリセット信号φｒｓｔが入力される毎に、読み出し回路１１２の出力電圧Ｖｏｕｔがリセットされる。これにより、読み出し回路１１２から画素単位の電圧信号を取り出すことが可能である。なお、読み出し回路１１２は、例えば浮動拡散アンプ（floating diffusion amplifier）で構成されている。
【００７３】
図８は、本実施形態の固体撮像素子における信号読み出し動作について示すタイミングチャートである。なお、図８は、上から、制御部１３０において生成される制御信号ＴＧＬ１、ＴＧＬ２、φＬ１、φＬ２をそれぞれ示している。リセット信号φｒｓｔ、信号処理部１２０（差動増幅回路１２６）の出力Ｖａｍｐ、利得設定選択信号Ｇａｉｎｓｅｌ、基準電圧選択信号Ｒｅｆｓｅｌについては第１の実施形態と同様である。
【００７４】
図８には図示していないが、第２の実施形態においても、制御部１３０は、画素列１１１ａと画素列１１１ｂとの光電荷の蓄積を同時に開始させる。そして、画素列１１１ａと画素列１１１ｂに所定の光電荷が蓄積された時点で、制御部１３０は、制御信号ＴＧｓｔをＨとする。
【００７５】
制御信号ＴＧｓｔをＨとすることによって画素１１１１ａに蓄積された光電荷がトランスファゲート１１１４ａを介してストレージ１１１５ａに転送されるとともに、画素１１１１ｂに蓄積された光電荷がトランスファゲート１１１４ｂを介してストレージ１１１５ｂに転送される。これによって画素列１１１ａと画素列１１１ｂにおける光電荷の蓄積が終了する。
【００７６】
画素列１１１ａと画素列１１１ｂの光電荷の蓄積終了後、制御部１３０は、制御信号ＴＧＬ１をＨとする。これにより、ストレージ１１１５ａに保持されていた光電荷がトランスファゲート１１１２ａを介して転送路１１１３ａに転送される。その後、制御部１３０は、転送路１１１３ａに制御信号φＬ１を加えるとともに読み出し回路１１２にリセット信号φｒｓｔを加える。転送路１１１３ａに制御信号φＬ１が加わる毎に、転送路１１１３ａに転送された光電荷が順次読み出し回路１１２に転送される。また、読み出し回路１１２に加えられているリセット信号φｒｓｔがＨからＬに切り替わったときに画素１１１１ａにおいて蓄積された光電荷に応じた電圧信号Ｖｏｕｔが読み出し回路１１２から信号処理部１２０に入力される。
【００７７】
画素列１１１ａからの信号の読み出しが終了した後、制御部１３０は、制御信号ＴＧＬ２をＨとする。これにより、ストレージ１１１５ｂに保持されていた光電荷がトランスファゲート１１１２ｂを介して転送路１１１３ｂに転送される。その後、制御部１３０は、転送路１１１３ｂに制御信号φＬ２を加えるとともに読み出し回路１１２にリセット信号φｒｓｔを加える。転送路１１１３ｂに制御信号φＬ２が加わる毎に、転送路１１１３ｂに転送された光電荷が順次読み出し回路１１２に転送される。また、読み出し回路１１２に加えられているリセット信号φｒｓｔがＨからＬに切り替わったときに画素１１１１ｂにおいて蓄積された光電荷に応じた電圧信号Ｖｏｕｔが読み出し回路１１２から信号処理部１２０に入力される。
【００７８】
以上説明した第２の実施形態によれば、画素列にストレージを設けることによって第１の実施形態に比べて高精度の光電荷の蓄積制御を行うことが可能である。
【００７９】
以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
【００８０】
さらに、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る測距装置が搭載されるカメラの、特に測距装置に係る構成について示す図である。
【図２】ＡＦセンサ９を構成する固体撮像素子の構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態における画素列１１１ａと画素列１１１ｂの構成を示した図である。
【図４】信号処理部１２０から出力される信号について示した図である。
【図５】第１の実施形態の固体撮像素子における信号読み出し動作の第１の例について示すタイミングチャートである。
【図６】第１の実施形態の固体撮像素子における信号読み出し動作の第２の例について示すタイミングチャートである。
【図７】第２の実施形態における画素列１１１ａと画素列１１１ｂの構成を示した図である。
【図８】第２の実施形態の固体撮像素子における信号読み出し動作について示すタイミングチャートである。
【図９】従来例について説明するための第１の図である。
【図１０】従来例について説明するための第２の図である。
【符号の説明】
【００８２】
１…フォーカスレンズ、２…メインミラー、３…ペンタプリズム、４…接眼レンズ、５…サブミラー、６…コンデンサレンズ、７…固定ミラー、８…瞳分割光学系、９…ＡＦセンサ、１０…焦点演算部、１１…レンズ駆動信号生成部、１２…モータドライバ、１３…撮像素子、１１０…撮像部、１１１ａ…画素列、１１１ｂ…画素列、１１２…読み出し回路、１２０…信号処理部、１２１…平均値保持回路、１２２…暗時出力保持回路、１２３…利得設定値保持回路、１２４，１２５…セレクタ、１２６…差動増幅回路、１３０…制御部
【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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