JP6452354B2 - Imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus.
近年、電子カメラ等の撮像装置において、光の強度分布のみならず光の入射方向や距離情報をも取得可能な撮像装置が知られている。 2. Description of the Related Art In recent years, imaging apparatuses such as electronic cameras that can acquire not only light intensity distribution but also light incident direction and distance information are known.
特許文献1では、撮像装置において、瞳分割方式の焦点検出が可能な技術が開示されている。特許文献1では、1つの画素は2つのフォトダイオードを有しており(以下、これらを分割画素という)、各フォトダイオードは1つのマイクロレンズによって撮影レンズの異なる瞳を通過した光を受光する。したがって、2つのフォトダイオードからの出力信号波形を比較することで、瞳分割位相差AFや距離検出用画像の取得が可能となる。また、2つのフォトダイオードからの出力信号を加算することで、通常の撮像画像を得ることができる。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 discloses a technique capable of pupil focus type focus detection in an imaging apparatus. In
また、特許文献2では、撮像装置において、いわゆる光走行時間法、あるいはTOF(Time of Flight)方式の焦点検出が可能な技術が開示されている。特許文献2には、1つの画素は1つのフォトダイオードに対して2つのフローティングディフュージョンと2つの転送スイッチを有している。そして、投射光のパルスタイミングに同期し、2つの転送スイッチを交互に開閉させることで、反射光により発生した電荷を1つのフォトダイオードから2つのフローティングディフュージョンへ配分する。その電荷の配分比から被写体までの距離を推定することができる。
しかし、瞳分割方式の焦点検出は、被写体の明暗を用いたコントラスト方式等に比べて、焦点検出の高速化が可能であるが、被写界深度が深い状況や、また画像周辺部など、光学的な諸条件によっては瞳分割位相差が得られにくい。そのため、瞳分割方式の焦点検出は、良好な焦点検出や距離検出用画像の取得を行うことが難しい場合がある。一方で、光走行時間法では、画素単位で距離情報の取得が可能であるが、遠距離被写体に対して投射光が届かない場合や反射率の低い被写体に対して測定が困難である。 However, the focus detection of the pupil division method can speed up the focus detection compared to the contrast method using the contrast of the subject, but it is difficult to detect the optical field in situations where the depth of field is deep or the periphery of the image. It is difficult to obtain a pupil division phase difference depending on various conditions. For this reason, it may be difficult for pupil division type focus detection to perform good focus detection or acquisition of a distance detection image. On the other hand, in the light travel time method, distance information can be acquired in units of pixels, but measurement is difficult when the projection light does not reach a long-distance subject or a subject with low reflectivity.
本発明の目的は、状況に応じた適切な焦点検出を行うことができる撮像装置を提供することである。 The objective of this invention is providing the imaging device which can perform the focus detection suitable according to a condition.
本発明の撮像装置は、光を電荷に変換する第1及び第2の単位画素を有する撮像素子と、被写体に対して光を投射する発光装置と、1フレーム期間内に前記第1及び第2の単位画素の信号の蓄積及び読み出しを行うように前記撮像素子を駆動する駆動手段と、前記第1の単位画素の出力信号を用いて瞳分割位相差検出方式による被写体の焦点検出を行う第1の焦点検出手段と、前記第2の単位画素の出力信号を用いて前記発光装置により前記被写体に光を投射してから前記第2の単位画素により反射光を受光するまでの時間に基づくTOF(Time of Flight)方式による被写体の焦点検出を行う第2の焦点検出手段と、前記第1の単位画素及び前記第2の単位画素の出力信号を用いて撮影画像を生成する生成手段と、を有することを特徴とする。 The imaging device of the present invention includes an imaging device having first and second unit pixels for converting light into electric charge, a light emitting device for projecting light onto a subject, and the first and second within one frame period. the performing accumulation of the unit pixels of the signal and a driving unit that drives the image pickup device so as to read, before SL focus detection of an object by the pupil division phase difference detection method using an output signal of the first unit pixel based on the time until receiving the reflected light by the second unit pixel from the projecting light to said object by said light emitting device by using the first focus detection unit, the pre-SL output signal of the second unit pixel A second focus detection unit that performs focus detection of a subject by a TOF (Time of Flight) method; a generation unit that generates a captured image using an output signal of the first unit pixel and the second unit pixel; Have The features.
光学的な諸条件に応じた適切な焦点検出を行うことができる。 It is possible to perform appropriate focus detection according to various optical conditions.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態による撮像装置100の構成例を示すブロック図である。撮影レンズ101を通過した光は、レンズ絞り204を介して、撮影レンズ101の焦点位置近傍に結像する。マイクロレンズアレイ102は、複数のマイクロレンズ1020を有し、撮影レンズ101の焦点位置近傍に配置されることで、撮影レンズ101の異なる瞳領域を通過した光を瞳領域毎に分割して出射する。撮像素子103は、CMOSイメージセンサやCCDイメージセンサ等の固体撮像素子であり、1つのマイクロレンズ1020に対して複数の画素が対応するように配置される。撮像素子103は、マイクロレンズ1020で瞳領域毎に分割して出射された光を、分割情報を保ったまま受光し、データ処理可能な画像信号に変換する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of an
アナログ信号処理回路(AFE)104は、撮像素子103から出力される画像信号に対して、相関二重サンプリング処理、信号増幅、基準レベル調整、アナログ/デジタル変換処理等を行う。デジタル信号処理回路(DFE)105は、アナログ信号処理回路104から出力される画像信号に対して、基準レベル調整等のデジタル画像処理を行う。
An analog signal processing circuit (AFE) 104 performs correlated double sampling processing, signal amplification, reference level adjustment, analog / digital conversion processing, and the like on the image signal output from the
画像処理回路106は、デジタル信号処理回路105から出力された画像信号に対して、後述するA像及びB像の相関演算や焦点検出、また所定の画像処理や欠陥補正等を施す。メモリ回路107及び記録回路108は、画像処理回路106から出力された画像信号等を記録保持する不揮発性メモリあるいはメモリカード等の記録媒体である。
The
制御回路109は、撮影レンズ101、撮像素子103、画像処理回路106、操作回路110、表示回路111及び発光装置112等の撮像装置全体を統括的に駆動・制御する。操作回路110は、撮像装置100に備え付けられた操作部材からの信号を入力し、制御回路109に対してユーザーの命令を出力する。表示回路111は、撮影後の画像やライブビュー画像、各種設定画面等を表示する。発光装置112は、制御回路109からの信号PLIGHT(図8〜図11)に応じて、被写体に対して光を投射する。
The
次に、撮影レンズ101、マイクロレンズアレイ102及び撮像素子103の関係と、画素の定義、及び瞳分割方式による焦点検出の原理を説明する。
Next, the relationship between the photographing
図2は、撮像素子103及びマイクロレンズ1020を図1の光軸Z方向から観察した図である。本実施形態では、1つのマイクロレンズ1020に対して1つの単位画素200が設けられる。図2においては、撮像素子103は、8×8=64個の単位画素200を有する。各単位画素200は、それぞれX座標とY座標のアドレスを(X,Y)と表記する。単位画素200は、光を電荷に変換する。ここで、Y座標が0、1、2、4、5、6の6行に配置されている単位画素200は、1つのマイクロレンズ1020に対して2個の分割画素201A及び201Bを有する。分割画素201A及び201Bは、X軸方向に並ぶ。また、Y座標が3、6の2行に配置されている単位画素200は、1つのマイクロレンズ1020に対して1つの画素を有する。2つの分割画素201A及び201Bで構成される6行の単位画素200は、瞳分割位相差検出方式の焦点検出に使用され、1つの画素で構成される2行の単位画素200は、TOF方式焦点検出に使用される。
FIG. 2 is a diagram of the
図3は、撮影レンズ101から出射された光が1つのマイクロレンズ1020を通過して単位画素200で受光される様子を光軸Zに対して垂直方向(Y軸方向)から観察した図である。瞳領域202及び203は、撮影レンズ101の射出瞳領域を表す。瞳領域202及び203を通過した光は、光軸Zを中心として単位画素200に入射する。瞳領域202を通過する光束はマイクロレンズ1020を通して分割画素201Aで受光され、瞳領域203を通過する光束はマイクロレンズ1020を通して分割画素201Bで受光される。したがって、分割画素201A及び201Bは、それぞれ撮影レンズ101の異なる瞳領域202及び203の光を受光している。
FIG. 3 is a diagram in which the light emitted from the photographing
複数の単位画素200内の分割画素201Aの出力信号群で構成した被写体像をA像とする。同様に、複数の単位画素200内の分割画素201Bの出力信号群で構成した被写体像をB像とする。
A subject image formed by the output signal group of the divided
画像処理回路106は、A像及びB像に対して相関演算を実施し、像のずれ量(瞳分割位相差)を検出する。さらに、画像処理回路106は、像のずれ量に対して撮影レンズ101の焦点位置と光学系から決まる変換係数を乗じることで、画像内の任意の被写体位置に対応した焦点位置を算出することができる。制御回路109は、ここで算出された焦点位置を基に撮影レンズ101のフォーカスを制御することで瞳分割位相差AFが可能となる。また、画像処理回路106は、A像信号とB像信号との加算をA+B像信号とすることで、このA+B像信号を通常の撮影画像に用いることができる。
The
図5は、図2のY座標が0、1、2、4、5、6の単位画素200の構成例を示す回路図であり、瞳分割位相差検出方式の焦点検出に使用される第1の単位画素200を示す。Y座標が0、1、2、4、5、6の行は、それぞれ、複数の図5の第1の単位画素200が並ぶ行である。第1の単位画素200は、第1のフォトダイオード301A及び第2のフォトダイオード301Bを有する。第1のフォトダイオード301Aは分割画素201Aに対応し、第2のフォトダイオード301Bは分割画素201Bに対応する。第1のフォトダイオード301Aには転送スイッチ302Aが接続され、第2のフォトダイオード301Bには転送スイッチ302Bが接続される。転送スイッチ302Aにはフローティングディフュージョン303Aが接続され、転送スイッチ302Bにはフローティングディフュージョン303Bが接続される。フローティングディフュージョン303Aにはリセットスイッチ304A及びソースフォロアアンプ305Aが接続される。フローティングディフュージョン303Bにはリセットスイッチ304B及びソースフォロアアンプ305Bが接続される。ソースフォロアアンプ305Aにはセレクトスイッチ306Aが接続される。ソースフォロアアンプ305Bにはセレクトスイッチ306Bが接続される。リセットスイッチ304Aと304B及びソースフォロアアンプ305Aと305Bのドレインは、基準電位(VDD)ノード308に接続される。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration example of the
フォトダイオード301A及び301Bは、同一のマイクロレンズ1020を通過した光を受光し、その受光量に応じた電荷を生成する光電変換部である。転送スイッチ302Aは、転送パルス信号PTXAに応じて、第1のフォトダイオード301Aで発生した電荷をフローティングディフュージョン303Aに転送する。転送スイッチ302Bは、転送パルス信号PTXBに応じて、第2のフォトダイオード301Bで発生した電荷をフローティングディフュージョン303Bに転送する。フローティングディフュージョン303A及び303Bは、電荷を一時的に保持するとともに、保持した電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部である。
The
リセットスイッチ304Aは、リセットパルス信号PRESに応じて、フローティングディフュージョン303Aの電位を基準電位ノード308の電位にリセットする。リセットスイッチ304Bは、リセットパルス信号PRESに応じて、フローティングディフュージョン303Bの電位を基準電位ノード308の電位にリセットする。ソースフォロアアンプ305Aは、MOSトランジスタと基準電位ノード308からなるソースフォロア回路であり、フローティングディフュージョン303Aに保持した電荷に基づく電圧を増幅して、画素信号として出力する。ソースフォロアアンプ305Bは、MOSトランジスタと基準電位ノード308からなるソースフォロア回路であり、フローティングディフュージョン303Bに保持した電荷に基づく電圧を増幅して、画素信号として出力する。
The
セレクトスイッチ306Aは、セレクトパルス信号PSELに応じて、ソースフォロアアンプ305Aで増幅された画素信号を垂直出力線307Aに出力する。セレクトスイッチ306Bは、セレクトパルス信号PSELに応じて、ソースフォロアアンプ305Bで増幅された画素信号を垂直出力線307Bに出力する。垂直出力線307A及び307Bは、図7のように、同じ列の複数の単位画素200で共有される。
The
図6は、図2のY座標が3、6の単位画素200の構成例を示す回路図であり、TOF方式の焦点検出に使用される第2の単位画素200を示す。Y座標が3、6の行は、複数の図6の第2の単位画素200が並ぶ行である。第2の単位画素200は、1つのフォトダイオード301を有する。フォトダイオード301は、画素に対応する。フォトダイオード301には2つの転送スイッチ302C及び302Dが接続される。転送スイッチ302Cにはフローティングディフュージョン303Cが接続される。転送スイッチ302Dにはフローティングディフュージョン303Dが接続される。フローティングディフュージョン303Cにはリセットスイッチ304C及びソースフォロアアンプ305Cが接続される。フローティングディフュージョン303Dにはリセットスイッチ304D及びソースフォロアアンプ305Dが接続される。ソースフォロアアンプ305Cにはセレクトスイッチ306Cが接続される。ソースフォロアアンプ305Dにはセレクトスイッチ306Dが接続される。リセットスイッチ304Cと304D及びソースフォロアアンプ305Cと305Dのドレインは、基準電位(VDD)ノード308に接続される。
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of the
フォトダイオード301は、マイクロレンズ1020を通過した光を受光し、その受光量に応じた電荷を生成する光電変換部である。転送スイッチ302Cは、転送パルス信号PTXCに応じて、フォトダイオード301で発生した電荷をフローティングディフュージョン303Cに転送する。転送スイッチ302Dは、転送パルス信号PTXDに応じて、フォトダイオード301で発生した電荷をフローティングディフュージョン303Dに転送する。フローティングディフュージョン303C及び303Dは、電荷を一時的に保持するとともに、保持した電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部である。
The
リセットスイッチ304Cは、リセットパルス信号PRESに応じて、フローティングディフュージョン303Cの電位を基準電位ノード308の電位にリセットする。リセットスイッチ304Dは、リセットパルス信号PRESに応じて、フローティングディフュージョン303Dの電位を基準電位ノード308の電位にリセットする。ソースフォロアアンプ305Cは、MOSトランジスタと基準電位ノード308からなるソースフォロア回路であり、フローティングディフュージョン303Cに保持した電荷に基づく電圧を増幅して、画素信号として出力する。ソースフォロアアンプ305Dは、MOSトランジスタと基準電位ノード308からなるソースフォロア回路であり、フローティングディフュージョン303Dに保持した電荷に基づく電圧を増幅して、画素信号として出力する。
The
セレクトスイッチ306Cは、セレクトパルス信号PSELに応じて、ソースフォロアアンプ305Cで増幅された画素信号を垂直出力線307Aに出力する。セレクトスイッチ306Dは、セレクトパルス信号PSELに応じて、ソースフォロアアンプ305Dで増幅された画素信号を垂直出力線307Bに出力する。垂直出力線307A及び307Bは、図7のように、同じ列の複数の単位画素200で共有される。
The
図4(a)は、図5に対応し、図2のY座標が0、1、2、4、5、6の単位画素200のレイアウト図であり、瞳分割位相差検出方式の焦点検出に使用される第1の単位画素200を示す。第1の単位画素200は、単一のマイクロレンズ1020を共有する第1のフォトダイオード301A及び第2のフォトダイオード301Bを有する。第1のフォトダイオード301Aは、転送スイッチ302Aに接続される。第2のフォトダイオード301Bは、転送スイッチ302Bに接続される。転送スイッチ302Aは、フローティングディフュージョン303Aに接続される。転送スイッチ302Bは、フローティングディフュージョン303Bに接続される。
FIG. 4A corresponds to FIG. 5 and is a layout diagram of the
図4(b)は、図6に対応し、図2のY座標が3、6の単位画素200のレイアウト図であり、TOF方式の焦点検出に使用される単位画素200を示す。1つのマイクロレンズ1020に対して、フォトダイオード301が設けられる。フォトダイオード301の両端には、2つの転送スイッチ302C及び302Dが接続される。転送スイッチ302Cは、フローティングディフュージョン303Cに接続される。転送スイッチ302Dは、フローティングディフュージョン303Dに接続される。
FIG. 4B is a layout diagram of the
図7は、撮像素子103、垂直シフトレジスタ401、列回路403、水平シフトレジスタ404及び出力アンプ407の構成例を示す図である。撮像素子103では、複数の単位画素200が行列状に配置されている。なお、図7においては、4行3列の計12個の単位画素200を図示するが、実際は、撮像素子103は数百万〜数千万の単位画素200を有する。また、単位画素200は、ベイヤー配列に従って並べられ、それぞれ赤(R)、緑(G)、青(B)のカラーフィルタが設けられる。ここでは、発光装置112の投射光として用いられる赤外光や、より反射光の受光効率を上げることを目的として、赤外フィルタや透明フィルタを形成した画素を配置してもよい。垂直シフトレジスタ401は、各行の単位画素200に接続される信号線402を介して、単位画素200の行を選択・駆動する。単位画素200のフローティングディフュージョン303A〜303Dで変換された信号は、それぞれ垂直出力線307A及び307Bを通り、列回路403に入力される。列回路403で処理された信号は、水平シフトレジスタ404により、水平出力線405及び406を通り、出力アンプ407に転送される。
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of the
続いて、列回路403の構成を説明する。クランプ容量408は、垂直出力線307A又は307Bに接続される。フィードバック容量409は、オペアンプ410の出力端子及び入力端子間に接続される。基準電圧ノード411は、基準電圧をオペアンプ410に供給する。スイッチ412は、リセット信号PC0Rに応じて、フィードバック容量409の両端をショートさせるためのスイッチである。容量413及び414は、電圧を保持するための容量である。スイッチ415は、信号PTSに応じて、オペアンプ410の出力電圧を容量413へ書き込む。スイッチ416は、信号PTNに応じて、オペアンプ410の出力電圧を容量414へ書き込む。スイッチ417は、水平シフトレジスタ404からの信号PHSに応じて、容量413の電圧を水平出力線405に転送する。スイッチ418は、水平シフトレジスタ404からの信号PHNに応じて、容量414の電圧を水平出力線406に転送する。出力アンプ407は、水平出力線405及び406の電圧の差分を出力する。
Next, the configuration of the
図8は、撮像装置の第1の駆動方法を示すタイミングチャートである。第1の駆動方法は、通常撮影及び瞳分割位相差検出方式の焦点検出における画素信号読み出しを行うための駆動方法である。通常撮影では、画像信号を生成する。瞳分割位相差検出方式の焦点検出では、瞳分割位相差検出方式の焦点検出を行う。第1の駆動方法では、2つのフォトダイオード301A及び301Bで発生した電荷をそれぞれ2つのフローティングディフュージョン303A及び303Bで読み出す。
FIG. 8 is a timing chart illustrating a first driving method of the imaging apparatus. The first driving method is a driving method for performing pixel signal reading in normal imaging and focus detection using the pupil division phase difference detection method. In normal shooting, an image signal is generated. In focus detection using the pupil division phase difference detection method, focus detection using the pupil division phase difference detection method is performed. In the first driving method, the charges generated in the two
始めに、期間HBLKにおいて、時刻t0では、信号PRESがハイレベルであり、リセットスイッチ304A及び304Bがオンし、フローティングディフュージョン303A及び303Bがリセットされる。時刻t1では、信号PTXA及びPTXBがハイレベルとなり、転送スイッチ302A及び302Bがオンし、フォトダイオード301A及び301Bがリセットされる。時刻t2では、信号PTXA及びPTXBがローレベルになり、転送スイッチ302A及び302Bがオフし、フォトダイオード301A及び301Bの電荷蓄積期間が開始する。フォトダイオード301A及び301Bは、光電変換により電荷を生成する。
First, in the period HBLK, at time t0, the signal PRES is at a high level, the reset switches 304A and 304B are turned on, and the floating
その後、時刻t3では、信号PSELがハイレベルになり、セレクトスイッチ306A及び306Bがオンし、ソースフォロアアンプ305A及び305Bが動作状態となる。時刻t4では、信号PRESがローレベルになり、リセットスイッチ304A及び304Bがオフし、フローティングディフュージョン303A及び303Bのリセットが解除される。ソースフォロアアンプ305A及び305Bは、それぞれ、フローティングディフュージョン303A及び303Bの電荷に基づく電圧をリセット信号レベル(ノイズ成分)として、垂直出力線307A及び307Bを介して列回路403に出力する。時刻t5では、信号PC0Rがローレベルになり、スイッチ412がオフし、オペアンプ410のリセット状態を解除する。時刻t6では、信号PTNがハイレベルになり、スイッチ416がオンし、オペアンプ410の出力信号がリセット信号レベルとして容量414に書き込む。時刻t7では、信号PTNがローレベルになり、スイッチ416がオフし、容量414への書き込みが終了する。
Thereafter, at time t3, the signal PSEL becomes high level, the
次に、時刻t8では、信号PTXA及びPTXBがハイレベルになり、転送スイッチ302A及び302Bがオンする。すると、フォトダイオード301A及び301Bに蓄積された電荷は、それぞれ、フローティングディフュージョン303A及び303Bに転送される。時刻t10では、信号PTXA及びPTXBがローレベルになり、転送スイッチ302A及び302Bがオフし、フォトダイオード301A及び301Bからフローティングディフュージョン303A及び303Bへの電荷転送が終了する。すなわち、フォトダイオード301A及び301Bの電荷蓄積期間が終了する。ソースフォロアアンプ305A及び305Bは、それぞれ、フローティングディフュージョン303A及び303Bの電荷に応じた電圧を光信号レベル(光成分+ノイズ成分)として、垂直出力線307A及び307Bを介して列回路403に出力する。時刻t13では、信号PTSがハイレベルになり、スイッチ415がオンし、オペアンプ410の出力信号を光信号レベルとして、容量413に書き込む。オペアンプ410は、クランプ容量408及びフィードバック容量409の比に応じた反転ゲインで増幅出力する。時刻t14では、信号PTSがローレベルになり、スイッチ415がオフし、容量413への書き込みが終了する。その後、時刻t15では、信号PRESがハイレベルになり、リセットスイッチ304A及び304Bがオンし、フローティングディフュージョン303A及び303Bがリセット状態になる。
Next, at time t8, the signals PTXA and PTXB become high level, and the transfer switches 302A and 302B are turned on. Then, the electric charges accumulated in the
次に、期間HSRにおいて、時刻t16〜t17では、水平シフトレジスタ404は、各列の列回路403毎に順次、ハイレベルパルスの信号PHS及びPHNを出力する。すると、各列の列回路403のスイッチ417及び418は、順次オンし、各列の列回路403の容量413及び414に保持された信号はそれぞれ水平出力線405及び406に出力される。出力アンプ407は、水平出力線405及び406の信号の差分を差動信号レベル(光成分)として出力する。
Next, in a period HSR, during times t16 to t17, the
この後、通常撮影の場合、画像処理回路106は、フォトダイオード301A及び301Bの電荷に基づく信号を加算して撮影画像としてもよい。一方、瞳分割位相差検出方式の焦点検出の場合は、画像処理回路106は、前述したA像及びB像に対する相関演算を施し、距離情報を取得する。また、この場合も、距離情報取得後に、画像処理回路106は、A像とB像の信号を加算してもよい。
Thereafter, in the case of normal shooting, the
図9は、撮像装置の第2の駆動方法を示すタイミングチャートである。第2の駆動方法は、図6の単位画素200に対し、発光装置112による発光を用いず、通常撮影の画素信号読み出しを行うための駆動方法である。第2の駆動方法では、1つのフォトダイオード301で発生した電荷を2つのフローティングディフュージョン303C及び303Dに転送する。
FIG. 9 is a timing chart illustrating a second driving method of the imaging apparatus. The second driving method is a driving method for reading pixel signals for normal photographing without using light emission by the
始めに、期間HBLKにおいて、時刻t0では、信号PRESがハイレベルであり、リセットスイッチ304C及び304Dがオンし、フローティングディフュージョン303C及び303Dがリセットされる。時刻t1では、信号PTXC及びPTXDがハイレベルになり、転送スイッチ302C及び302Dがオンし、フォトダイオード301がリセットされる。時刻t2では、信号PTXC及びPTXDがローレベルになり、転送スイッチ302C及び302Dがオフし、フォトダイオード301の電荷蓄積が開始される。
First, in the period HBLK, at time t0, the signal PRES is at a high level, the reset switches 304C and 304D are turned on, and the floating diffusions 303C and 303D are reset. At time t1, the signals PTXC and PTXD become high level, the transfer switches 302C and 302D are turned on, and the
その後、時刻t3では、信号PSELがハイレベルになり、セレクトスイッチ306C及び306Dがオンし、ソースフォロアアンプ305C及び305Dが動作状態になる。時刻t4では、信号PRESがローレベルになり、リセットスイッチ304C及び304Dがオフし、フローティングディフュージョン303C及び303Dのリセットが解除される。ソースフォロアアンプ305C及び305Dは、それぞれ、フローティングディフュージョン303C及び303Dの電荷に基づく電圧をリセット信号レベル(ノイズ成分)として、垂直出力線307A及び307Bを介して列回路403に出力する。時刻t5では、信号PC0Rがローレベルになり、スイッチ412がオフし、オペアンプ410のリセット状態が解除される。時刻t6では、信号PTNがハイレベルになり、スイッチ416がオンし、オペアンプ410の出力信号がリセット信号レベルとして容量414に書き込まれる。時刻t7では、信号PTNがローレベルになり、スイッチ416がオフし、容量414への書き込みが終了する。
After that, at time t3, the signal PSEL becomes high level, the
次に、時刻t8では、信号PTXC及びPTXDがハイレベルになり、転送スイッチ302C及び302Dがオンし、フォトダイオード301に蓄積された電荷がフローティングディフュージョン303C及び303Dに転送される。時刻t10では、信号PTXC及びPTXDがローレベルになり、転送スイッチ302C及び302Dがオフし、フォトダイオード301からフローティングディフュージョン303C及び303Dへの電荷転送が終了する。ソースフォロアアンプ305C及び305Dは、それぞれ、フローティングディフュージョン303C及び303Dの電荷に基づく電圧を光信号レベル(光成分+ノイズ成分)として、垂直出力線307A及び307Bを介して列回路403に出力する。時刻t13では、信号PTSがハイレベルになり、スイッチ415がオンし、オペアンプ410の出力信号が光信号レベルとして容量413に書き込まれる。オペアンプ410は、クランプ容量408及びフィードバック容量409の比に応じた反転ゲインで増幅出力する。時刻t14では、信号PTSがローレベルになり、スイッチ415がオフし、容量413への書き込みが終了する。その後、時刻t15では、信号PRESがハイレベルになり、リセットスイッチ304C及び304Dがオンし、フローティングディフュージョン303C及び303Dがリセット状態になる。
Next, at time t8, the signals PTXC and PTXD become high level, the transfer switches 302C and 302D are turned on, and the charges accumulated in the
次に、期間HSRにおいて、時刻t16〜t17では、水平シフトレジスタ404は、各列の列回路403毎に順次、ハイレベルパルスの信号PHS及びPHNを出力する。すると、各列の列回路403のスイッチ417及び418は、順次オンし、各列の列回路403の容量413及び414に保持された信号はそれぞれ水平出力線405及び406に出力される。出力アンプ407は、水平出力線405及び406の信号の差分を差動信号レベル(光成分)として出力する。
Next, in a period HSR, during times t16 to t17, the
この後、通常撮影の場合、画像処理回路106は、フローティングディフュージョン303C及び303Dの電荷に基づく信号を加算して撮影画像として使用する。
Thereafter, in the case of normal shooting, the
図10は、撮像装置の第3の駆動方法を示すタイミングチャートである。第3の駆動方法は、TOF方式の焦点検出における画素信号読み出しを行うための駆動方法である。第3の駆動方法では、1つのフォトダイオード301で発生した電荷を2つのフローティングディフュージョン303C及び303Dに転送する。
FIG. 10 is a timing chart illustrating a third driving method of the imaging apparatus. The third driving method is a driving method for performing pixel signal readout in TOF type focus detection. In the third driving method, electric charges generated in one
始めに、期間HBLKにおいて、時刻t0では、信号PRESがハイレベルであり、リセットスイッチ304C及び304Dがオンし、フローティングディフュージョン303C及び303Dがリセットされる。時刻t1では、信号PTXC及びPTXDがハイレベルになり、転送スイッチ302C及び302Dがオンし、フォトダイオード301がリセットされる。時刻t2では、信号PTXC及びPTXDがローレベルになり、転送スイッチ302C及び302Dがオフし、フォトダイオード301の電荷蓄積が開始する。
First, in the period HBLK, at time t0, the signal PRES is at a high level, the reset switches 304C and 304D are turned on, and the floating diffusions 303C and 303D are reset. At time t1, the signals PTXC and PTXD become high level, the transfer switches 302C and 302D are turned on, and the
その後、時刻t3では、信号PSELがハイレベルになり、セレクトスイッチ306C及び306Dがオンし、ソースフォロアアンプ305C及び305Dが動作状態になる。時刻t4では、信号PRESがローレベルになり、リセットスイッチ304C及び304Dがオフし、フローティングディフュージョン303C及び303Dのリセットが解除される。ソースフォロアアンプ305C及び305Dは、それぞれ、フローティングディフュージョン303C及び303Dの電荷に基づく電圧をリセット信号レベル(ノイズ成分)として、垂直出力線307A及び307Bを介して列回路403に出力する。時刻t5では、信号PC0Rがローレベルになり、スイッチ412がオフし、オペアンプ410のリセット状態が解除される。時刻t6では、信号PTNがハイレベルになり、スイッチ416がオンし、オペアンプ410の出力信号がリセット信号レベルとして容量414に書き込まれる。時刻t7では、信号PTNがローレベルになり、スイッチ416がオフし、容量414への書き込みが終了する。
After that, at time t3, the signal PSEL becomes high level, the
次に、時刻t8では、信号PTXCがハイレベルになり、転送スイッチ302Cがオンし、フォトダイオード301に蓄積された電荷がフローティングディフュージョン303Cに転送開始する。その後、時刻t9では、信号PLIGHTがハイレベルになり、発光装置112はパルス光の投射を開始する。時刻t10では、信号PTXCがローレベルになり、それと同時に信号PTXDがハイレベルになる。すると、転送スイッチ302Cがオフし、フォトダイオード301からフローティングディフュージョン303Cへの電荷転送が終了し、転送スイッチ302Dがオンし、フォトダイオード301からフローティングディフュージョン303Dへの電荷転送が開始する。時刻t11では、信号PLIGHTがローレベルになり、発光装置112はパルス光の投射を終了する。時刻t12では、信号PTXDがローレベルになり、転送スイッチ302Dがオフし、フォトダイオード301からフローティングディフュージョン303Dへの電荷転送が終了する。
Next, at time t8, the signal PTXC becomes high level, the
ソースフォロアアンプ305C及び305Dは、それぞれ、フローティングディフュージョン303C及び303Dの電荷に基づく電圧を光信号レベル(光成分+ノイズ成分)として、垂直出力線307A及び307Bを介して列回路403に出力する。時刻t13では、信号PTSがハイレベルになり、スイッチ415がオンし、オペアンプ410の出力信号が光信号レベルとして容量413に書き込まれる。オペアンプ410は、クランプ容量408及びフィードバック容量409の比に応じた反転ゲインで増幅出力する。時刻t14では、信号PTSがローレベルになり、スイッチ415がオフし、容量413への書き込みが終了する。その後、時刻t15では、信号PRESがハイレベルになり、リセットスイッチ304C及び304Dがオンし、フローティングディフュージョン303C及び303Dがリセット状態になる。
The
次に、期間HSRにおいて、時刻t16〜t17では、水平シフトレジスタ404は、各列の列回路403毎に順次、ハイレベルパルスの信号PHS及びPHNを出力する。すると、各列の列回路403のスイッチ417及び418は、順次オンし、各列の列回路403の容量413及び414に保持された信号はそれぞれ水平出力線405及び406に出力される。出力アンプ407は、水平出力線405及び406の信号の差分を差動信号レベル(光成分)として出力する。
Next, in a period HSR, during times t16 to t17, the
この後、画像処理回路106は、後述するようにフローティングディフュージョン303C及び303Dの電荷に基づく信号の比を基に反射光の投射光に対する遅延時間を算出し、被写体までの距離を取得する。また、画像処理回路106は、フローティングディフュージョン303C及び303Dの電荷に基づく信号を加算してもよい。
Thereafter, as will be described later, the
ところで、図8の瞳分割位相差方式では光学的な諸条件によって位相差検出が難しい場合が考えられる。そこで、図10のTOF方式による焦点検出を行う。図11は、図10のタイミングチャートの一部を示すものであり、TOF方式の焦点検出の原理を説明する図である。 By the way, in the pupil division phase difference method of FIG. 8, it may be difficult to detect the phase difference due to various optical conditions. Therefore, focus detection by the TOF method of FIG. 10 is performed. FIG. 11 shows a part of the timing chart of FIG. 10 and explains the principle of TOF focus detection.
時刻t8では、信号PTXCがハイレベルになり、転送スイッチ302Cがオンし、フォトダイオード301に蓄積された電荷がフローティングディフュージョン303Cに転送開始する。その後、時刻t9では、信号PLIGHTがハイレベルになり、発光装置112はパルス光の投射を開始する。時刻t10では、信号PTXCがローレベルになり、それと同時に信号PTXDがハイレベルになる。すると、転送スイッチ302Cがオフし、フォトダイオード301からフローティングディフュージョン303Cへの電荷転送が終了し、転送スイッチ302Dがオンし、フォトダイオード301からフローティングディフュージョン303Dへの電荷転送が開始する。時刻t11では、信号PLIGHTがローレベルになり、発光装置112はパルス光の投射を終了する。時刻t12では、信号PTXDがローレベルになり、転送スイッチ302Dがオフし、フォトダイオード301からフローティングディフュージョン303Dへの電荷転送が終了する。
At time t8, the signal PTXC becomes high level, the
ここで、信号PTXCによる転送スイッチ302Cのオン時間と信号PTXDによる転送スイッチ302Dのオン時間は等しい。発光装置112が投射するパルス光は、被写体に対して反射する。撮像装置から被写体までの距離がゼロならば、反射光は信号PLIGHTによるパルス光の投射期間と同期間に受光され、フローティングディフュージョン303C及び303Dの電荷に基づく信号は同じになる。
Here, the ON time of the
しかし、撮像装置から被写体までの距離がゼロでない場合、図11のように、反射光は、信号PLIGHTによるパルス光の投射期間に対して、(t9’−t9)分だけ遅れて受光される。その結果、フローティングディフュージョン303Cは(t10−t9’)の期間に受光した反射光に応じた電荷を蓄積し、フローティングディフュージョン303Dは(t11’−t10)の期間に受光した反射光に応じた電荷を蓄積することになる。フローティングディフュージョン303C及び303Dの蓄積電荷量に偏りが生じる。画像処理回路106は、発光装置112が投射する光と、図6の単位画素200が受光した光との位相差を基に被写体までの距離を演算する。すなわち、画像処理回路106は、フローティングディフュージョン303C及び303Dの電荷に基づく信号の比を基に反射光の投射光に対する遅延時間を推定することができ、その遅延時間と光速との積を基に被写体までの距離を算出することができる。
However, when the distance from the imaging device to the subject is not zero, the reflected light is received with a delay of (t9'-t9) with respect to the pulse light projection period by the signal PLIGHT as shown in FIG. As a result, the floating
以上を踏まえ、撮像装置の撮像動作について、図12に示すフローチャートを用いて説明する。ステップS801では、制御回路109は、ユーザーによる操作回路110の操作に応じて又は自動的に、静止画撮影、動画撮影等のモード設定、感度、絞り値などの撮影条件設定を行う。
Based on the above, the imaging operation of the imaging apparatus will be described using the flowchart shown in FIG. In step S <b> 801, the
ステップS802では、制御回路109は、被写体の輝度が第1の閾値よりも高いか否かの判定を行う。被写体の輝度が第1の閾値よりも高い場合は、ステップS804に進む。被写体の輝度が第1の閾値よりも低い場合はステップS803に進む。
In step S802, the
ステップS803では、制御回路109は、前のフレームにおける焦点検出結果である被写体までの距離が第2の閾値より近いか否かの判定を行う。被写体までの距離が第2の閾値よりも近い場合は、ステップS805に進む。被写体までの距離が第2の閾値よりも遠い場合は、ステップS804に進む。
In step S803, the
ステップS804では、図5の単位画素200は、発光装置112による発光を伴わない図8の第1の駆動方法(瞳分割位相差検出方式焦点検出)により信号を読み出し、図6の単位画素200は、図9の第2の駆動方法により信号を読み出す。その後、ステップS806に進む。
In step S804, the
ステップS805では、図5の単位画素200は、図8の第1の駆動方法により信号を読み出し、図6の単位画素200は、発光装置112による発光を伴う図10の第3の駆動方法(TOF方式焦点検出)により信号を読み出す。その後、ステップS806に進む。
In step S805, the
ステップS806では、画像処理回路106は、ステップS804の信号を基に、瞳分割位相差検出方式により被写体までの距離を算出し、ステップS805の信号を基に、TOF方式により被写体までの距離を算出する。具体的には、ステップS804を通過した場合、画像処理回路106の第1の焦点検出部は、ステップS804の発光装置112が光を投射しないで図5の単位画素200の出力信号を基に被写体までの距離に関する情報を取得(演算)する。ステップS805を通過した場合、画像処理回路106の第2の焦点検出部は、ステップS805の発光装置112が光を投射して図6の単位画素200の出力信号を基に被写体までの距離に関する情報を取得(演算)する。
In step S806, the
また、画像処理回路106は、ステップS804又はS805で読み出された画像信号に対し、所定の画像処理を施し、画像信号をメモリ回路107、記録回路108、及び表示回路111に出力する。
Further, the
ステップS807では、制御回路109は、撮影終了の有無を判定する。継続ならばステップS808に進み、終了ならば一連の動作を終了する。
In step S807, the
ステップS808では、制御回路109は、ステップS806で得られた被写体までの距離を基にレンズ駆動量を算出する。ステップS809では、制御回路109は、算出されたレンズ駆動量を基に撮影レンズ101を駆動することでフォーカス駆動を行う。その後、ステップS801に戻り、上記動作を繰り返す。
In step S808, the
なお、最初のフレームにおいて、ステップS802及びS803の判定ができない場合には、ステップS801の後、ステップS804に進む。すなわち、図12の1回目の処理では、ステップS801からステップS804に進む。その後の2回目の処理では、1回目の図5の単位画素200の出力を基に、ステップS802及びS803の判定を行う。すなわち、2回目以降の処理では、前フレームの単位画素200の出力信号を基に、ステップS802及びS803の判定を行う。なお、ステップS802の判定は、測光部により測定された輝度を基に判定してもよい。
If the determinations in steps S802 and S803 cannot be made in the first frame, the process proceeds to step S804 after step S801. That is, in the first process of FIG. 12, the process proceeds from step S801 to step S804. In the second processing thereafter, the determinations in steps S802 and S803 are performed based on the first output of the
次に、撮像素子103の読み出しのタイミングについて図13及び図14を用いて説明する。図13は、図12のステップS804の第1及び第2の駆動方法を説明する読み出しタイミングチャートである。図13において、点線で区切られた期間H00〜H15は、それぞれ各行の読み出し期間を表すものである。また、表記の画素アドレスは、図2を用いて説明した画素配置のアドレスと同じものである。本実施形態においては、各行を順番に読み出すローリング方式による読み出しを行う。読み出す行の順番は、まず、瞳分割位相差検出方式の焦点検出が可能な図5の単位画素200の行を、Y座標アドレスが小さい順に6行読み出し、続けて、TOF方式の焦点検出が可能な図6の単位画素200の行を、Y座標アドレスが小さい順に2行読み出す。この時、例えば、単位画素(0,0)が信号を蓄積する期間はH00〜H07の期間であり、単位画素(0,3)が信号を蓄積する期間はH06〜H13の期間となる。
Next, the readout timing of the
図14は、図12のステップS805の第1及び第3の駆動方法を説明する読み出しタイミングチャートである。図14においても、図13と同様に、読み出す行の順番は、まず、瞳分割位相差検出方式の焦点検出が可能な図5の単位画素200の行を、Y座標アドレスが小さい順に6行読み出す。続けて、TOF方式の焦点検出が可能な図6の単位画素200の行を、Y座標アドレスが小さい順に2行読み出す。
FIG. 14 is a read timing chart for explaining the first and third driving methods in step S805 of FIG. Also in FIG. 14, as in FIG. 13, the order of the rows to be read is first to read out the rows of the
また、TOF方式の焦点検出に使用する発光装置112による発光を、信号PLIGHTに従い、H05,H06,H13,H14の期間に行う。この時、例えば、瞳分割位相差検出方式の焦点検出が可能な図5の単位画素200の行の単位画素(0,0)が電荷を蓄積する期間はH00〜H07の期間である。
Further, light emission by the
一方、TOF方式の焦点検出が可能な図6の単位画素200の行の単位画素(0,3)が電荷を蓄積する期間は、図13ではH06〜H13の期間であった。図14においては、発光装置112による発光の被写体からの反射光以外の外光の影響を極力抑えるため、期間H13の発光の直前の期間H12において、フォトダイオード301の信号のリセットを行うことにより、電荷蓄積期間はH13のみとする。
On the other hand, the period in which the unit pixels (0, 3) in the row of the
瞳分割位相差検出方式の焦点検出が可能な図5の単位画素200の電荷蓄積期間と、TOF方式の焦点検出が可能な図6の単位画素200の電荷蓄積期間は、相互に異なる。TOF方式の焦点検出が可能な図6の単位画素200の電荷蓄積期間は、発光装置112が光を投射する期間を含む。
The charge accumulation period of the
以上のようにして、撮像素子103は、瞳分割位相差方式による焦点検出とTOF方式による焦点検出の両方を行うことが可能であり、一方の焦点検出方式での焦点検出が困難な場合でも、もう一方の焦点検出方式の焦点検出結果を用いることが可能となる。これにより、撮影環境や被写体の状態によらず、適切な焦点検出を行うことが可能となる。
As described above, the
なお、上記説明では、距離を算出する画素をカラーフィルタの区別なく行ったが、投射光の色、例えば赤外光などに合わせて赤外フィルタの画素のみを用いてもよいし、より光を取り込むために透明フィルタやGフィルタの画素を用いてもよい。 In the above description, the pixels for calculating the distance are performed without distinction of the color filters. However, only the pixels of the infrared filter may be used according to the color of the projection light, for example, the infrared light, or more light may be used. In order to capture, transparent filter or G filter pixels may be used.
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態による撮像装置について説明する。第1の実施形態では全ての単位画素200が焦点検出可能な単位画素であるのに対し、第2の実施形態では撮像専用の単位画素を混在させる。
(Second Embodiment)
Next, an imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, all
図15は、図2と同様に、撮像素子103及びマイクロレンズ1020を図1の光軸Z方向から観察した図である。撮像素子103は、8×8=64個の単位画素200を有する。各単位画素200は、それぞれX座標とY座標のアドレスをもって、(X,Y)と表記する。ここで、本実施形態においては、Y座標が0、4の2行に配置されている単位画素200は、1つのマイクロレンズ1020に対して2つの分割画素201A及び201Bが設けられる。また、Y座標が1、2、3、5、6、7の6行に配置されている単位画素200は、1つのマイクロレンズ1020に対して1つの画素が設けられる。2つの分割画素201A及び201Bで構成される単位画素200は、瞳分割位相差検出方式の焦点検出に使用される。1つの画素で構成される単位画素200のうち、Y座標が3、7の単位画素200は、TOF方式の焦点検出に使用され、Y座標が1、2、5、6の単位画素200は、焦点検出には使用されず、撮像にのみ使用される。
FIG. 15 is a view of the
Y座標が0、4の単位画素200は、図5の構成を有する。Y座標が3、7の単位画素200は、図6の構成を有する。
The
図17は、図15のY座標が1、2、5、6の単位画素200の構成例を示す回路図である。単位画素200は、1つのフォトダイオード301を有する。フォトダイオード301には、転送スイッチ302Eが接続される。転送スイッチ302Eには、フローティングディフュージョン303Eが接続される。フローティングディフュージョン303Eには、リセットスイッチ304E及びソースフォロアアンプ305Eが接続される。ソースフォロアアンプ305Eには、セレクトスイッチ306Eが接続される。リセットスイッチ304E及びソースフォロアアンプ305Eのドレインは、基準電位(VDD)ノード308に接続される。
FIG. 17 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
フォトダイオード301は、マイクロレンズ1020を通過した光を受光し、その受光量に応じた電荷を生成する光電変換部である。転送スイッチ302Eは、転送パルス信号PTXEに応じて、フォトダイオード301で発生した電荷をフローティングディフュージョン303Eに転送する。フローティングディフュージョン303Eは、電荷を一時的に保持するとともに、保持した電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部である。
The
リセットスイッチ304Eは、リセットパルス信号PRESに応じて、フローティングディフュージョン303Eの電位を基準電位ノード308の電位にリセットする。ソースフォロアアンプ305Eは、MOSトランジスタと基準電位VDD308からなるソースフォロア回路であり、フローティングディフュージョン303Eに保持した電荷に基づく電圧を増幅して、画素信号として出力する。
セレクトスイッチ306Eは、セレクトパルス信号PSELに応じて、ソースフォロアアンプ305Eで増幅された画素信号を垂直出力線307Aに出力する。垂直出力線307Aは、同じ列の複数の単位画素200で共有される。
The
The
図16(a)は、図15のY座標が0、4の単位画素200(図5)のレイアウト図であり、図4(a)と同じである。図16(b)は、図15のY座標が3、7の単位画素200(図6)のレイアウト図であり、図4(b)と同じである。図16(a)の単位画素200は第1の単位画素200であり、図16(b)の単位画素200は第2の単位画素200である。
FIG. 16A is a layout diagram of the unit pixel 200 (FIG. 5) whose Y coordinate is 0 or 4 in FIG. 15 and is the same as FIG. 4A. FIG. 16B is a layout diagram of the unit pixel 200 (FIG. 6) whose Y coordinate is 3 or 7 in FIG. 15, and is the same as FIG. 4B. The
図16(c)は、図15のY座標が1、2、5、6の単位画素200(図17)のレイアウト図である。フォトダイオード301は、転送スイッチ302Eに接続される。転送スイッチ302Eは、フローティングディフュージョン303Eに接続される。図16(c)の単位画素200は、第3の単位画素200である。
FIG. 16C is a layout diagram of the unit pixel 200 (FIG. 17) whose Y coordinate is 1, 2, 5, 6 in FIG. The
図18は、撮像素子103、垂直シフトレジスタ401、列回路403、水平シフトレジスタ404及び出力アンプ407の構成例を示す図である。本実施形態(図18)が第1の実施形態(図7)と異なる点を説明する。撮像素子103は、複数の単位画素200が行列状に配置されている。単位画素200内のフローティングディフュージョン303A〜303Eの電荷に基づく信号は、垂直出力線307A又は307Bを通り、列回路403に入力される。列回路403で処理された信号は、水平シフトレジスタ404により、水平出力線405及び406を通り、出力アンプ407に転送される。
FIG. 18 is a diagram illustrating a configuration example of the
次に、単位画素200からの信号読み出しの読み出しタイミングを説明する。但し、図16(a)の単位画素200及び図16(b)の単位画素200からの信号読み出しのタイミングについては、図8、図9、図10を用いて説明した第1の実施形態の駆動タイミングと同一であるため、説明を省略する。
Next, the readout timing of signal readout from the
図19は、撮像装置の第4の駆動方法を示すタイミングチャートである。第4の駆動方法は、図16(c)及び図17の単位画素200からの画素信号読み出しを行うための駆動方法である。始めに、期間HBLKにおいて、時刻t0では、信号PRESがハイレベルであり、リセットスイッチ304Eがオンし、フローティングディフュージョン303Eがリセットされる。時刻t1では、信号PTXEがハイレベルになり、転送スイッチ302Eがオンし、フォトダイオード301がリセットされる。時刻t2では、信号PTXEがローレベルになり、転送スイッチ302Eがオフし、フォトダイオード301の電荷蓄積期間が開始する。
FIG. 19 is a timing chart illustrating a fourth driving method of the imaging device. The fourth driving method is a driving method for reading a pixel signal from the
その後、時刻t3では、信号PSELがハイレベルになり、セレクトスイッチ306Eがオンし、ソースフォロアアンプ305Eが動作状態になる。時刻t4では、信号PRESがローレベルになり、リセットスイッチ304Eがオフし、フローティングディフュージョン303Eのリセットが解除される。ソースフォロアアンプ305Eは、フローティングディフュージョン303Eの電荷に基づく電圧をリセット信号レベル(ノイズ成分)として、垂直出力線307Aを介して列回路403に出力する。時刻t5では、信号PC0Rがローレベルになり、スイッチ412がオフし、オペアンプ410のリセット状態が解除される。時刻t6では、信号PTNがハイレベルになり、スイッチ416がオンし、オペアンプ410の出力信号がリセット信号レベルとして容量414に書き込まれる。時刻t7では、信号PTNがローレベルになり、スイッチ416がオフし、容量414への書き込みが終了する。
After that, at time t3, the signal PSEL becomes high level, the
次に、時刻t8では、信号PTXEがハイレベルになり、転送スイッチ302Eがオンし、フォトダイオード301に蓄積された電荷がフローティングディフュージョン303Eに転送される。時刻t10では、信号PTXEがローレベルになり、転送スイッチ302Eがオフし、フォトダイオード301からフローティングディフュージョン303Eへの電荷転送が終了する。すなわち、フォトダイオード301の電荷蓄積期間が終了する。ソースフォロアアンプ305Eは、フローティングディフュージョン303Eの電荷に基づく電圧を光信号レベル(光成分+ノイズ成分)として、垂直出力線307Aを介して列回路403に出力する。時刻t13では、信号PTSがハイレベルになり、スイッチ415がオンし、オペアンプ410の出力信号が光信号レベルとして容量413に書き込まれる。オペアンプ410は、クランプ容量408及びフィードバック容量409の比に応じた反転ゲインで増幅出力する。時刻t14では、信号PTSがローレベルになり、スイッチ415がオフし、容量413への書き込みが終了する。その後、時刻t15では、信号PRESがハイレベルになり、フローティングディフュージョン303Eがリセット状態になる。
Next, at time t8, the signal PTXE becomes high level, the
次に、期間HSRにおいて、時刻t16〜t17では、水平シフトレジスタ404は、各列の列回路403毎に順次、ハイレベルパルスの信号PHS及びPHNを出力する。すると、各列の列回路403のスイッチ417及び418は、順次オンし、各列の列回路403の容量413及び414に保持された信号はそれぞれ水平出力線405及び406に出力される。出力アンプ407は、水平出力線405及び406の信号の差分を差動信号レベル(光成分)として出力する。
Next, in a period HSR, during times t16 to t17, the
その後、画像処理回路106は、フローティングディフュージョン303Eの電荷に基づく信号を撮影画像として使用する。画像処理回路106は、信号を加算してもよい。
Thereafter, the
画像処理回路106は、図16(c)の単位画素200の出力信号を用いずに、第1の実施形態と同様に、図16(a)の単位画素200又は図16(b)の単位画素200の出力信号を基に被写体までの距離を演算する。図16(c)の単位画素200の出力信号は、画像信号を形成するために用いられる。
The
次に、撮像素子103の読み出しのタイミングについて図20及び図21を用いて説明する。図20は、図12のステップS804の駆動方法を説明する読み出しタイミングチャートである。図16(a)の単位画素200は図8の第1の駆動方法により駆動され、図16(b)の単位画素200は図9の第2の駆動方法により駆動され、図16(c)の単位画素200は図19の第4の駆動方法により駆動される。
Next, the readout timing of the
図20において、点線で区切られた期間H00〜H15は、それぞれ各行の読み出し期間を表すものである。また、表記の画素アドレスは、図15を用いて説明した画素配置のアドレスと同じものである。本実施形態においては、各行を順番に読み出すローリング方式による読み出しを行う。読み出す行の順番は、まず、瞳分割位相差検出方式の焦点検出が可能な図16(a)の単位画素200の行を、Y座標アドレスが小さい順に2行読み出す。続けて、通常の撮像にのみ使用される図16(c)の単位画素200の行を、Y座標アドレスが小さい順に4行読み出し、続けて、TOF方式の焦点検出が可能な図16(b)の単位画素200の行を、Y座標アドレスが小さい順に2行読み出す。この時、例えば、単位画素(0,0)が電荷を蓄積する期間はH00〜H07の期間であり、単位画素(0,1)が電荷を蓄積する期間はH02〜H09の期間であり、単位画素(0,3)が電荷を蓄積する期間はH06〜H13の期間となる。
In FIG. 20, periods H00 to H15 separated by dotted lines represent the readout periods of the respective rows. In addition, the pixel address of the notation is the same as the address of the pixel arrangement described with reference to FIG. In the present embodiment, reading is performed by a rolling method in which each row is read sequentially. Regarding the order of the rows to be read, first, two rows of the
図21は、図12のステップS805の駆動方法を説明する読み出しタイミングチャートである。図16(a)の単位画素200は図8の第1の駆動方法により駆動され、図16(b)の単位画素200は図10の第3の駆動方法により駆動され、図16(c)の単位画素200は図19の第4の駆動方法により駆動される。
FIG. 21 is a read timing chart illustrating the driving method in step S805 of FIG. The
図21においても、図20と同様に、読み出す行の順番は、まず、瞳分割位相差検出方式の焦点検出が可能な図16(a)の単位画素200の行を、Y座標アドレスが小さい順に2行読み出す。続けて、通常の撮像にのみ使用される図16(c)の単位画素200の行を、Y座標アドレスが小さい順に4行読み出し、続けて、TOF方式の焦点検出が可能な図16(b)の単位画素200の行を、Y座標アドレスが小さい順に2行読み出す。また、TOF方式の焦点検出に使用する発光装置112による発光を、信号PLIGHTに従い、H05,H06,H13,H14の期間に行う。この時、例えば、瞳分割位相差検出方式の焦点検出が可能な図16(a)の単位画素200の行の単位画素(0,0)が電荷を蓄積する期間はH00〜H07の期間である。
Also in FIG. 21, as in FIG. 20, the order of rows to be read is as follows. First, the rows of the
一方、TOF方式の焦点検出が可能な図16(b)の単位画素200の行の単位画素(0,3)が電荷を蓄積する期間は、図20ではH06〜H13の期間であった。図21では、発光装置112による発光の被写体からの反射光以外の外光の影響を極力抑えることが望ましいため、期間H13の発光の直前の期間H12において、フォトダイオード301の電荷のリセットを行うことにより、電荷蓄積期間はH13のみとする。
On the other hand, the period in which the unit pixels (0, 3) in the row of the
また、通常の撮像にのみ使用される図16(c)の単位画素(0,1)が電荷を蓄積する期間は、図20ではH02〜H09の期間であった。図21では、発光装置112による発光の被写体からの反射光の画像への写りこみは極力抑えることが望ましい。そのため、期間H06に行われる発光装置112による発光の直後にフォトダイオード301の電荷のリセットを行うことにより、電荷蓄積期間はH07〜H09のみとする。
Further, the period in which the unit pixel (0, 1) in FIG. 16C used only for normal imaging accumulates electric charge is the period from H02 to H09 in FIG. In FIG. 21, it is desirable to suppress reflection of reflected light from the light-emitting subject on the image by the light-emitting
瞳分割位相差検出方式の焦点検出が可能な図16(a)の単位画素200の電荷蓄積期間と、TOF方式の焦点検出が可能な図16(b)の単位画素200の電荷蓄積期間と、通常の撮像にのみ使用される図16(c)の単位画素200の電荷蓄積期間は異なる。TOF方式の焦点検出が可能な図16(b)の単位画素200の電荷蓄積期間は、発光装置112が光を投射する期間を含む。通常の撮像にのみ使用される図16(c)の単位画素200の電荷蓄積期間は、発光装置112が光を投射する期間を含まない。
The charge accumulation period of the
以上のように、図16(a)の単位画素200の行、図16(c)の単位画素200の行、図16(b)の単位画素200の行について、それぞれ異なるタイミングでフォトダイオード301の電荷のリセットを行う。これにより、異なる方式の距離測定の精度向上及び適切な撮像画像取得を同時に行うことができる。
As described above, the
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態による撮像装置について説明する。第3の実施形態は、焦点検出方式に依らず、すべての単位画素200の構成が同じであり、単位画素200の駆動方法を異ならせることで、複数の焦点検出方式を実現するものである。
(Third embodiment)
Next, an imaging apparatus according to the third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the configuration of all
図22は、撮像素子103及びマイクロレンズ1020を図1の光軸Z方向から観察した図である。1つのマイクロレンズ1020に対応して、1つの単位画素200が設けられる。撮像素子103は、8×8=64個の単位画素200を有する。各単位画素200は、それぞれX座標とY座標のアドレスをもって、(X,Y)と表記する。すべての単位画素200は、相互に、構成が同じであり、1つのマイクロレンズ1020に対して2つの分割画素201A及び201Bを有する。2つの分割画素201A及び201Bで構成される単位画素200は、各行毎に、通常の撮像、瞳分割位相差検出方式の焦点検出、TOF方式の焦点検出のいずれかに使用される。
22 is a diagram of the
図24は、単位画素200の構成例を示す回路図である。単位画素200は、第1のフォトダイオード301F及び第2のフォトダイオード301Gを有する。第1のフォトダイオード301Fには、2つの転送スイッチ302F及び302Hが接続される。第2のフォトダイオード302Gには、2つの転送スイッチ302G及び302Jが接続される。転送スイッチ302F、302G、302H、302Jには、それぞれ、フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jが接続される。フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jには、それぞれ、リセットスイッチ304F、304G、304H、304Jとソースフォロアアンプ305F、305G、305H、305Jが接続される。ソースフォロアアンプ305F、305G、305H、305Jには、それぞれ、セレクトスイッチ306F、306G、306H、306Jが接続される。リセットスイッチ304Fと304G及びソースフォロアアンプ305Fと305Gのドレインは、基準電位(VDD)ノード308を共有している。リセットスイッチ304Hと304J及びソースフォロアアンプ305Hと305Jのドレインは、基準電位ノード308を共有している。
FIG. 24 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
フォトダイオード301F及び301Gは、同一のマイクロレンズ1020を通過した光を受光し、その受光量に応じた電荷を生成する光電変換部である。転送スイッチ302Fは、転送パルス信号PTXFに応じて、フォトダイオード301Fで発生した電荷をフローティングディフュージョン303Fに転送する。転送スイッチ302Hは、転送パルス信号PTXHに応じて、フォトダイオード301Fで発生した電荷をフローティングディフュージョン303Hに転送する。転送スイッチ302Gは、転送パルス信号PTXGに応じて、フォトダイオード301Gで発生した電荷をフローティングディフュージョン303Gに転送する。転送スイッチ302Jは、転送パルス信号PTXJに応じて、フォトダイオード301Gで発生した電荷をフローティングディフュージョン303Jに転送する。フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jは、電荷を一時的に保持するとともに、保持した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部である。
The
リセットスイッチ304F、304G、304H、304Jは、それぞれ、リセットパルス信号PRESに応じて、フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jの電位を基準電位ノード308の電位にリセットする。ソースフォロアアンプ305F、305G、305H、305Jは、それぞれ、MOSトランジスタと基準電位VDD308からなるソースフォロア回路である。ソースフォロアアンプ305F、305G、305H、305Jは、それぞれ、フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jに保持した電荷に基づく電圧を増幅して、画素信号として出力する。
The reset switches 304F, 304G, 304H, and 304J respectively reset the potentials of the floating
セレクトスイッチ306F、306G、306H、306Jは、セレクトパルス信号PSELに応じて、ソースフォロアアンプ305F、305G、305H、305Jで増幅された画素信号を垂直出力線307F、307G、307H、307Jに出力する。垂直出力線307F、307G、307H、307Jは、図25に示すように、同じの列の複数の単位画素200で共有される。
The select switches 306F, 306G, 306H, 306J output the pixel signals amplified by the
図23は、単位画素200のレイアウト図である。フォトダイオード301Fの両端には、2つの転送スイッチ302F及び302Hが接続される。転送スイッチ302Fはフローティングディフュージョン303Fに接続され、転送スイッチ302Hはフローティングディフュージョン303Hに接続される。フォトダイオード301Gの両端には、2つの転送スイッチ302G及び302Jが接続される。転送スイッチ302Gはフローティングディフュージョン303Gに接続され、転送スイッチ302Jはフローティングディフュージョン303Jに接続される。
FIG. 23 is a layout diagram of the
図25は、撮像素子103、垂直シフトレジスタ401、列回路403、水平シフトレジスタ404及び出力アンプ407の構成例を示す図である。本実施形態(図25)が第1の実施形態(図7)と同様の構成要素については、説明を省略する。撮像素子103は、複数の単位画素200が行列状に配置されている。単位画素200内のフローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jでの電荷に基づく信号は、それぞれ、垂直出力線307F、307G、307H、307Jを通り、列回路403に入力される。列回路403で処理された信号は、水平シフトレジスタ404により、水平出力線405及び406を通り、出力アンプ407に転送される。
FIG. 25 is a diagram illustrating a configuration example of the
図26は、図8に対応し、撮像装置の第1の駆動方法を示すタイミングチャートである。第1の駆動方法は、通常撮影及び瞳分割位相差検出方式焦点検出における画素信号読み出しを行うための駆動方法である。第1の駆動方法では、2つのフォトダイオード301F及び301Gで発生した電荷をそれぞれフローティングディフュージョン303F及び303Gに転送する。
FIG. 26 is a timing chart corresponding to FIG. 8 and illustrating a first driving method of the imaging apparatus. The first driving method is a driving method for reading pixel signals in normal imaging and pupil division phase difference detection type focus detection. In the first driving method, charges generated in the two
始めに、期間HBLKにおいて、時刻t0では、信号PRESがハイレベルであり、リセットスイッチ304F及び304Gがオンし、フローティングディフュージョン303F及び303Gがリセットされる。時刻t1では、信号PTXF及びPTXGがハイレベルになり、転送スイッチ302F及び302Gがオンし、フォトダイオード301F及び301Gがリセットされる。時刻t2では、信号PTXF及びPTXGがローレベルになり、転送スイッチ302F及び302Gがオフし、フォトダイオード301F及び301Gの電荷蓄積が開始する。ここで、リセットのためにオン/オフする転送スイッチは、電荷蓄積後に、電荷転送に用いるものに限らず、この例では信号PTXH及びPTXJによる転送スイッチ302H及び302Jを使用してもよい。
First, in the period HBLK, at time t0, the signal PRES is at a high level, the reset switches 304F and 304G are turned on, and the floating
その後、時刻t3では、信号PSELがハイレベルになり、セレクトスイッチ306F及び306Gがオンし、ソースフォロアアンプ305F及び305Gが動作状態になる。時刻t4では、信号PRESがローレベルになり、リセットスイッチ304F及び304Gがオフし、フローティングディフュージョン303F及び303Gのリセットが解除される。ソースフォロアアンプ305F及び305Gは、それぞれ、フローティングディフュージョン303F及び303Gの電荷に基づく電圧をリセット信号レベル(ノイズ成分)として、垂直出力線307F及び307Gを介して列回路403に出力する。時刻t5では、信号PC0Rがローレベルになり、スイッチ412がオフし、オペアンプ410のリセット状態が解除される。時刻t6では、信号PTNがハイレベルになり、スイッチ416がオンし、オペアンプ410の出力信号がリセット信号レベルとして容量414に書き込まれる。時刻t7では、信号PTNがローレベルになり、スイッチ416がオフし、容量414への書き込みが終了する。
After that, at time t3, the signal PSEL becomes high level, the
次に、時刻t8では、信号PTXF及びPTXGがハイレベルになり、転送スイッチ302F及び302Gがオンし、フォトダイオード301F及び301Gに蓄積された電荷がフローティングディフュージョン303F及び303Gにそれぞれ転送される。時刻t10では、信号PTXF及びPTXGがローレベルになり、転送スイッチ302F及び302Gがオフし、フォトダイオード301F及び301Gからフローティングディフュージョン303F及び303Gへの電荷転送が終了する。ソースフォロアアンプ305F及び305Gは、それぞれ、フローティングディフュージョン303F及び303G電荷に基づく電圧を光信号レベル(光成分+ノイズ成分)として、垂直出力線307F及び307Gを介して列回路403に出力する。時刻t13では、信号PTSがハイレベルになり、スイッチ415がオンし、オペアンプ410の出力信号が光信号レベルとして容量413に書き込まれる。オペアンプ410は、クランプ容量408及びフィードバック容量409の比に応じた反転ゲインで増幅出力する。時刻t14では、信号PTSがローレベルになり、スイッチ415がオフし、容量413への書き込みが終了する。その後、時刻t15では、信号PRESがハイレベルになり、リセットスイッチ304F及び304Gがオンし、フローティングディフュージョン303F及び303Gがリセット状態になる。
Next, at time t8, the signals PTXF and PTXG become high level, the transfer switches 302F and 302G are turned on, and the charges accumulated in the
次に、期間HSRにおいて、時刻t16〜t17では、水平シフトレジスタ404は、各列の列回路403毎に順次、ハイレベルパルスの信号PHS及びPHNを出力する。すると、各列の列回路403のスイッチ417及び418は、順次オンし、各列の列回路403の容量413及び414に保持された信号はそれぞれ水平出力線405及び406に出力される。出力アンプ407は、水平出力線405及び406の信号の差分を差動信号レベル(光成分)として出力する。
Next, in a period HSR, during times t16 to t17, the
この後、通常撮影として駆動される場合、画像処理回路106は、フォトダイオード301F及び301Gの電荷に基づく信号を加算して撮影画像としてもよい。一方、瞳分割位相差検出の場合、画像処理回路106は、前述したA像及びB像に対する相関演算を施し、距離情報を取得する。また、この場合も、画像処理回路106は、距離情報取得後に、A像及びB像の信号を加算してもよい。
Thereafter, when driven for normal shooting, the
なお、図26のタイミングチャートでは、F及びGの組み合わせを用いたが、F及びJまたはG及びHといった組み合わせを用いることもできる。それは、水平転送や後段の処理回路等の仕様に応じて適宜決められる。 In the timing chart of FIG. 26, a combination of F and G is used, but a combination of F and J or G and H can also be used. It is determined as appropriate according to the specifications of horizontal transfer and subsequent processing circuits.
図27は、図10に対応し、撮像装置の第3の駆動方法を示すタイミングチャートである。第3の駆動方法は、TOF方式焦点検出における画素信号読み出しを行うための駆動方法である。第3の駆動方法では、フォトダイオード301Fに加えて、フォトダイオード301Gも同時に使用して読み出す。
FIG. 27 corresponds to FIG. 10 and is a timing chart showing a third driving method of the imaging apparatus. The third driving method is a driving method for performing pixel signal reading in TOF focus detection. In the third driving method, in addition to the
始めに、期間HBLKにおいて、時刻t0では、信号PRESがハイレベルであり、リセットスイッチ304F、304G、304H、304Jがオンし、フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jがリセットされる。時刻t1では、信号PTXF、PTXG、PTXH、PTXJがハイレベルになり、転送スイッチ302F、302G、302H、302Jがオンし、フォトダイオード301F及び301Gがリセットされる。時刻t2では、信号PTXF、PTXG、PTXH、PTXJがローレベルになり、転送スイッチ302F、302G、302H、302Jがオフし、フォトダイオード301F及び301Gの電荷蓄積が開始する。
First, in the period HBLK, at time t0, the signal PRES is at a high level, the reset switches 304F, 304G, 304H, and 304J are turned on, and the floating
その後、時刻t3では、信号PSELがハイレベルになり、セレクトスイッチ306F、306G、306H、306Jがオンし、ソースフォロアアンプ305F、305G、305H、305Jが動作状態になる。時刻t4では、信号PRESがローレベルになり、リセットスイッチ304F、304G、304H、304Jがオフし、フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jのリセットが解除される。ソースフォロアアンプ305F、305G、305H、305Jは、それぞれ、フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jの電荷に基づく電圧をリセット信号レベル(ノイズ成分)として、列回路403に出力する。その電圧は、垂直出力線307F、307G、307H、307Jを介して、列回路403に出力される。時刻t5では、信号PC0Rがローレベルになり、スイッチ412がオフし、オペアンプ410のリセット状態が解除される。時刻t6では、信号PTNがハイレベルになり、スイッチ416がオンし、オペアンプ410の出力信号がリセット信号レベルとして容量414に書き込まれる。時刻t7では、信号PTNがローレベルになり、スイッチ416がオフし、容量414への書き込みが終了する。
Thereafter, at time t3, the signal PSEL becomes high level, the
次に、時刻t8では、信号PTXF及びPTXGがハイレベルになり、転送スイッチ302F及び302Gがオンし、フォトダイオード301F及び301Gに蓄積された電荷がフローティングディフュージョン303F及び303Gに転送開始する。その後、時刻t9では、信号PLIGHTがハイレベルになり、発光装置112はパルス光の投射を開始する。時刻t10では、信号PTXF及びPTXGがローレベルになり、信号PTXH及びPTXJがハイレベルになり、転送スイッチ302F及び302Gがオフし、転送スイッチ302H及び302Jがオンする。すると、フォトダイオード301F及び301Gからフローティングディフュージョン303F及び303Gへの電荷転送が終了し、フォトダイオード301F及び301Gからフローティングディフュージョン303H及び303Jへの電荷転送が開始する。時刻t11では、信号PLIGHTがローレベルになり、発光装置112はパルス光の投射を終了する。時刻t12では、信号PTXH及びPTXJがローレベルになり、転送スイッチ302H及び302Jがオフし、フォトダイオード301F及び301Gからフローティングディフュージョン303H及び303Jへの電荷転送が終了する。
Next, at time t8, the signals PTXF and PTXG become high level, the transfer switches 302F and 302G are turned on, and the charges accumulated in the
ソースフォロアアンプ305F、305G、305H、305Jは、それぞれ、フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jの電荷に基づく電圧を光信号レベル(光成分+ノイズ成分)として、列回路403に出力する。その電圧は、垂直出力線307F、307G、307H、307Jを介して、列回路403に出力される。時刻t13では、信号PTSがハイレベルになり、スイッチ415がオンし、オペアンプ410の出力信号が光信号レベルとして容量413に書き込まれる。オペアンプ410は、クランプ容量408及びフィードバック容量409の比に応じた反転ゲインで増幅出力する。時刻t14では、信号PTSがローレベルになり、スイッチ415がオフし、容量413への書き込みが終了する。その後、時刻t15では、信号PRESがハイレベルになり、リセットスイッチ304F、304G、304H、304Jがオンし、フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jがリセット状態になる。
The
次に、期間HSRにおいて、時刻t16〜t17では、水平シフトレジスタ404は、各列の列回路403毎に順次、ハイレベルパルスの信号PHS及びPHNを出力する。すると、各列の列回路403のスイッチ417及び418は、順次オンし、各列の列回路403の容量413及び414に保持された信号はそれぞれ水平出力線405及び406に出力される。出力アンプ407は、水平出力線405及び406の信号の差分を差動信号レベル(光成分)として出力する。
Next, in a period HSR, during times t16 to t17, the
図28は、図19に対応し、撮像装置の第4の駆動方法を示すタイミングチャートである。第4の駆動方法は、通常の撮像にのみ使用される単位画素200からの画素信号読み出しを行うための駆動方法である。
FIG. 28 is a timing chart corresponding to FIG. 19 and showing a fourth driving method of the imaging apparatus. The fourth driving method is a driving method for reading a pixel signal from the
始めに、期間HBLKにおいて、時刻t0では、信号PRESがハイレベルであり、リセットスイッチ304F、304G、304H、304Jがオンし、フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jがリセットされる。時刻t1では、信号PTXF、PTXG、PTXH、PTXJがハイレベルになり、転送スイッチ302F、302G、302H、302Jがオンし、フォトダイオード301F、301Gがリセットされる。時刻t2では、信号PTXF、PTXG、PTXH、PTXJがローレベルになり、転送スイッチ302F、302G、302H、302Jがオフし、フォトダイオード301F、301Gの電荷蓄積が開始する。
First, in the period HBLK, at time t0, the signal PRES is at a high level, the reset switches 304F, 304G, 304H, and 304J are turned on, and the floating
その後、時刻t3では、信号PSELがハイレベルになり、セレクトスイッチ306F、306G、306H、306Jがオンし、ソースフォロアアンプ305F、305G、305H、305Jが動作状態になる。時刻t4では、信号PRESがローレベルになり、リセットスイッチ304F、304G、304H、304Jがオフし、フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jのリセットが解除される。ソースフォロアアンプ305F、305G、305H、305Jは、それぞれ、フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jの電荷に基づく電圧をリセット信号レベル(ノイズ成分)として、列回路403に出力する。その電圧は、垂直出力線307F、307G、307H、307Jを介して、列回路403に出力される。時刻t5では、信号PC0Rがローレベルであり、スイッチ412がオフし、オペアンプ410のリセット状態が解除される。時刻t6では、信号PTNがハイレベルになり、スイッチ416がオンし、オペアンプ410の出力信号がリセット信号レベルとして容量414に書き込まれる。時刻t7では、信号PTNがローレベルになり、スイッチ416がオフし、容量414への書き込みが終了する。
Thereafter, at time t3, the signal PSEL becomes high level, the
次に、時刻t8では、信号PTXF、PTXG、PTXH、PTXJがハイレベルになり、転送スイッチ302F、302G、302H、302Jがオンする。すると、フォトダイオード301F、301Gに蓄積された電荷がフローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jに転送される。時刻t10では、信号PTXF、PTXG、PTXH、PTXJがローレベルになり、転送スイッチ302F、302G、302H、302Jがオフする。すると、フォトダイオード301F、301Gからフローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jへの電荷転送が終了する。ソースフォロアアンプ305F、305G、305H、305Jは、それぞれ、フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jの電荷に基づく電圧を光信号レベル(光成分+ノイズ成分)として、列回路403に出力する。その電圧は、垂直出力線307F、307G、307H、307Jを介して、列回路403に出力される。時刻t13では、信号PTSがハイレベルになり、スイッチ415がオンし、オペアンプ410の出力信号が光信号レベルとして容量413に書き込まれる。オペアンプ410は、クランプ容量408及びフィードバック容量409の比に応じた反転ゲインで増幅出力する。時刻t14では、信号PTSがローレベルになり、スイッチ415がオフし、容量413への書き込みが終了する。その後、時刻t15では、信号PRESがハイレベルになり、リセットスイッチ304F、304G、304H、304Jがオンし、フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jがリセット状態になる。
Next, at time t8, the signals PTXF, PTXG, PTXH, and PTXJ become high level, and the transfer switches 302F, 302G, 302H, and 302J are turned on. Then, charges accumulated in the
次に、期間HSRにおいて、時刻t16〜t17では、水平シフトレジスタ404は、各列の列回路403毎に順次、ハイレベルパルスの信号PHS及びPHNを出力する。すると、各列の列回路403のスイッチ417及び418は、順次オンし、各列の列回路403の容量413及び414に保持された信号はそれぞれ水平出力線405及び406に出力される。出力アンプ407は、水平出力線405及び406の信号の差分を差動信号レベル(光成分)として出力する。
Next, in a period HSR, during times t16 to t17, the
この後、通常撮影として駆動するために、画像処理回路106は、フローティングディフュージョン303F、303G、303H、303Jの電荷に基づく信号を加算して撮影画像として使用する。
Thereafter, in order to drive for normal photographing, the
以上のように、本実施形態では、単位画素200が全て同一の構成でありながら、単位画素200からの信号読み出し駆動方法を変える。これにより、瞳分割位相差検出方式の焦点検出を行う単位画素の行、通常の撮像にのみ使用される単位画素の行、TOF方式の焦点検出を行う単位画素の行のいずれかの駆動方法を各行毎に選択することが可能となる。1つの撮像素子103を用いて複数の焦点検出方式を自由に実現可能とする。これにより、撮影環境や被写体の状態によらず、適切な焦点検出を行うことができる。
As described above, in this embodiment, the signal readout driving method from the
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 The above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
100 撮像装置、103 撮像素子、106 画像処理回路、112 発光装置、200 単位画素
DESCRIPTION OF
Claims (18)
被写体に対して光を投射する発光装置と、
1フレーム期間内に前記第1及び第2の単位画素の信号の蓄積及び読み出しを行うように前記撮像素子を駆動する駆動手段と、
前記第1の単位画素の出力信号を用いて瞳分割位相差検出方式による被写体の焦点検出を行う第1の焦点検出手段と、
前記第2の単位画素の出力信号を用いて前記発光装置により前記被写体に光を投射してから前記第2の単位画素により反射光を受光するまでの時間に基づくTOF(Time of Flight)方式による被写体の焦点検出を行う第2の焦点検出手段と、
前記第1の単位画素及び前記第2の単位画素の出力信号を用いて撮影画像を生成する生成手段と、
を有することを特徴とする撮像装置。 An imaging device having first and second unit pixels for converting light into electric charge;
A light emitting device that projects light onto a subject;
Driving means for driving the image sensor so as to accumulate and read out signals of the first and second unit pixels within one frame period;
A first focus detection means for performing focus detection of an object by the pupil division phase difference detection method using an output signal of the previous SL first unit pixel,
Based on the time from the projecting front Symbol light to the subject by the light emitting device by using an output signal of the second unit pixel until receiving the reflected light by the second unit pixel TOF (Time of Flight) method Second focus detection means for detecting the focus of the subject by
Generating means for generating a captured image using output signals of the first unit pixel and the second unit pixel;
An imaging device comprising:
前記第1の焦点検出手段は、前記複数の光電変換部の信号を基に被写体の焦点検出を行うことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の撮像装置。 The first unit pixel has a plurality of photoelectric conversion units sharing a single microlens,
Said first focus detection means, the imaging apparatus according to any one of claims 1 to 7, characterized in that said plurality of focus detection of the object based on the signals of the photoelectric conversion unit.
前記駆動手段は、1フレーム期間内に前記第1乃至第3の単位画素の信号の蓄積及び読み出しを行うように前記撮像素子を駆動し、
前記生成手段は、前記第1乃至第3の単位画素の出力信号を用いて撮影画像を生成し、
前記第1の焦点検出手段及び前記第2の焦点検出手段は、前記第3の単位画素の出力信号を用いずに被写体の焦点検出を行うことを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の撮像装置。 The imaging device has a third unit pixels that converts light into electric charge,
The driving unit drives the imaging element to store and read signals of the first to third unit pixels within one frame period,
The generation unit generates a captured image using output signals of the first to third unit pixels ,
Said first focus detection means and the second focus detection means is any one of claims 1 to 13, characterized in that for performing focus detection of an object without using an output signal of said third unit pixel 1 The imaging device according to item .
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