JP6399844B2 - 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 Patent Document 1, one pixel has two photodiodes (hereinafter, these are referred to as divided pixels), and each photodiode receives light that has passed through different pupils of the photographing lens by one microlens. Accordingly, by comparing the output signal waveforms from the two photodiodes, it is possible to acquire the pupil division phase difference AF and the distance detection image. Moreover, a normal captured image can be obtained by adding the output signals from the two photodiodes.
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)方式の測距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。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 discloses a technique that enables the imaging apparatus to perform distance measurement using a so-called optical travel time method or TOF (Time of Flight) method. In
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、測距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、良好な測距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、画像周辺部まで画素単位で距離情報の取得が可能である。そのため、両者を適切に組み合わせることで光学的な諸条件に応じた好適な距離測定が可能となる。しかし、光走行時間法においても画像周辺部では光軸に対して外側の光電変換部へ入射光線が集中してしまい、内側に配置された光電変換部への受光効率が落ちる。つまり、光が入射しにくい光電変換部のS/Nが悪化し、距離測定精度や画質に影響を与える。また、そのような必ずしも使用する必要のない画素の処理等も画像処理回路の負担となりうる。 However, the focus detection of the pupil division method can speed up the distance measurement compared to the contrast method that uses the contrast of the subject, but it can be used in situations where the depth of field is deep or in the peripheral area of the image. It is difficult to obtain a pupil division phase difference depending on various conditions. Therefore, it may be difficult for the focus detection of the pupil division method to obtain a good distance measurement or distance detection image. On the other hand, in the light travel time method, distance information can be obtained in pixel units up to the periphery of the image. Therefore, suitable distance measurement according to various optical conditions can be performed by appropriately combining the two. However, even in the light transit time method, incident light rays concentrate on the outer photoelectric conversion unit with respect to the optical axis in the peripheral portion of the image, and the light receiving efficiency to the photoelectric conversion unit arranged on the inner side decreases. In other words, the S / N of the photoelectric conversion unit that is difficult for light to enter deteriorates, which affects the distance measurement accuracy and the image quality. Further, such processing of pixels that are not necessarily used can be a burden on the image processing circuit.
本発明の目的は、撮像素子内の領域によらず距離測定の精度や画質を向上させることができる撮像装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide an imaging apparatus capable of improving the accuracy and image quality of distance measurement regardless of the area in the imaging element.
本発明の撮像装置は、複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズにそれぞれ対応し、2次元に配置される複数の単位画素を有する撮像素子とを有し、前記複数の単位画素の各々は、同一の前記マイクロレンズを介して受光した光を電荷に変換する第1及び第2の光電変換部と、前記第1の光電変換部の電荷をそれぞれ異なる電荷蓄積部に転送する第1及び第2の転送スイッチと、前記第2の光電変換部の電荷をそれぞれ異なる電荷蓄積部に転送する第3及び第4の転送スイッチとを有し、前記撮像素子の第1の領域の前記単位画素では、前記第1の光電変換部の電荷が前記第1の転送スイッチ又は前記第2の転送スイッチにより転送され、前記第2の光電変換部の電荷が前記第3の転送スイッチ又は前記第4の転送スイッチにより転送されず、前記撮像素子の第2の領域の前記単位画素では、前記第1の光電変換部の電荷が前記第1の転送スイッチ又は前記第2の転送スイッチにより転送されず、前記第2の光電変換部の電荷が前記第3の転送スイッチ又は前記第4の転送スイッチにより転送されることを特徴とする。 The imaging device of the present invention includes a plurality of microlenses and an imaging element that corresponds to each of the plurality of microlenses and includes a plurality of unit pixels that are two-dimensionally arranged, and each of the plurality of unit pixels includes , First and second photoelectric conversion units that convert light received through the same microlens into electric charges, and first and second photoelectric conversion units that transfer electric charges of the first photoelectric conversion units to different charge storage units, respectively. Two transfer switches, and third and fourth transfer switches that transfer the charges of the second photoelectric conversion unit to different charge storage units, respectively, in the unit pixel in the first region of the image sensor The charge of the first photoelectric conversion unit is transferred by the first transfer switch or the second transfer switch, and the charge of the second photoelectric conversion unit is transferred by the third transfer switch or the fourth transfer. By switch In the unit pixel in the second region of the image sensor, the charge of the first photoelectric conversion unit is not transferred by the first transfer switch or the second transfer switch, and the second pixel is not transferred. The charge of the photoelectric conversion unit is transferred by the third transfer switch or the fourth transfer switch.
撮像素子内の領域によらず距離測定の精度や画質を向上させることができる。 The accuracy and image quality of distance measurement can be improved regardless of the area in the image sensor.
(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、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、複数の画素を有し、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る。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。これにより、マイクロレンズ1020で瞳領域毎に分割して出射された光は、分割情報を保ったまま受光され、データ処理可能な画像信号に変換される。
(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(A/D)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 (A / D) 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、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、撮像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9及び図10)に応じて発光を行う。
The
次に、本実施形態の撮像装置100における撮影レンズ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
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に対応して1つの単位画素200が設けられる。撮像素子103は、行列状に配置された複数の単位画素200を有する。複数の単位画素200は、複数のマイクロレンズ1020にそれぞれ対応し、2次元行列状に配置される。また、複数の単位画素200の各々は、X軸方向に並ぶ2個の分割画素201A及び201Bを有する。分割画素201Aは、分割画素201Bの左に配置される。
FIG. 2 is a diagram of the
図3(a)及び(b)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を通過して撮像素子103の単位画素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を複数の領域に分解したときの射出瞳を表す。図3(a)に示すように、レンズ絞り204の絞り値が小さい場合、瞳領域202を通過する光束は、マイクロレンズ1020を通り、分割画素201Aにより受光される。瞳領域203を通過する光束は、マイクロレンズ1020を通り、分割画素201Bにより受光される。したがって、分割画素201A及び201Bは、それぞれ、撮影レンズ101の異なる射出瞳領域であり、かつ光軸に対して対角側の射出瞳領域の光を受光している。
3A and 3B show a state in which light emitted from the photographing
ここで、複数の単位画素200内の分割画素201Aの出力信号群で構成された被写体像を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された被写体像をB像とする。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。そして、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、算出された焦点位置情報を基に撮影レンズ101のフォーカスを制御することで、瞳分割位相差検出によるオートフォーカスが可能となる。また、画像処理回路106は、A像信号とB像信号とを加算してA+B像信号とすることで、このA+B像信号を通常の撮像画像に用いることができる。
Here, a subject image formed by the output signal group of the divided
ところで、例えば図3(b)に示すように、レンズ絞り204の絞り値が大きい場合、分割画素201A及び201Bは光軸に対して対角側の光束を受光するため、瞳領域203から分割画素201Bへ向かう光はレンズ絞り204により遮られる。その結果、分割画素201Bでは、光成分に対してダーク成分の寄与が支配的になり、上記の瞳分割位相差による測距だけでなく、光走行時間法を用いた測距においても精度が低下する。これを解決することが本実施形態の目的であり、詳細は後述する。
By the way, as shown in FIG. 3B, for example, when the aperture value of the
図5は、複数の単位画素200の各々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(第1の光電変換部)301A及び第2のフォトダイオード(第2の光電変換部)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。すなわち、第1のフォトダイオード301Aは、第2のフォトダイオード301Bの左に配置される。第1のフォトダイオード301Aには2つの転送スイッチ302A及び302Cが接続され、第2のフォトダイオード302Bには2つの転送スイッチ302B及び302Dが接続される。転送スイッチ302A〜302Dには、それぞれ、フローティングディフュージョン303A〜303Dが接続される。フローティングディフュージョン303A〜303Dには、それぞれ、リセットスイッチ304A〜304D及びソースフォロアアンプ305A〜305Dが接続される。ソースフォロアアンプ305A〜305Dには、それぞれ、セレクトスイッチ306A〜306Dが接続される。ここで、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)308のノードに接続されている。同様に、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)308のノードに接続されている。
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a configuration example of each of the plurality of
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は、同一のマイクロレンズ1020を介して受光した光を電荷に変換する。第1の転送スイッチ302Aは、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。第3の転送スイッチ302Bは、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。第2の転送スイッチ302Cは、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303Cに転送する。第4の転送スイッチ302Dは、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303Dに転送する。転送スイッチ302Aは、転送パルス信号PTXA1又はPTXA2によって制御される。転送スイッチ302Bは、転送パルス信号PTXB1又はPTXB2によって制御される。転送スイッチ302Cは、転送パルス信号PTXC1又はPTXC2によって制御される。転送スイッチ302Dは、転送パルス信号PTXD1又はPTXD2によって制御される。
The
第1の転送スイッチ302Aは、第1のフォトダイオード301Aの電荷を第1のフローティングディフュージョン(第1の電荷蓄積部)303Aに転送する。第2の転送スイッチ302Cは、第1のフォトダイオード301Aの電荷を第2のフローティングディフュージョン(第2の電荷蓄積部)303Cに転送する。第3の転送スイッチ302Bは、第2のフォトダイオード301Bの電荷を第3のフローティングディフュージョン(第3の電荷蓄積部)303Bに転送する。第4の転送スイッチ302Dは、第2のフォトダイオード301Bの電荷を第4のフローティングディフュージョン(第4の電荷蓄積部)303Dに転送する。転送スイッチ302A及び302Cは、フォトダイオード301Aの電荷をそれぞれ異なるフローティングディフュージョン303A及び303Cに転送する。転送スイッチ302B及び302Dは、フォトダイオード301Bの電荷をそれぞれ異なるフローティングディフュージョン303B及び303Dに転送する。
The
フローティングディフュージョン303A〜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信号に変換する電荷電圧変換部である。リセットスイッチ304A〜304Dは、それぞれ、フローティングディフュージョン303A〜303Dの電位を基準電位308にリセットする。リセットスイッチ304A〜304Dは、リセットパルス信号PRESによって制御される。
The floating diffusions 303 </ b> A to 303 </ b> D are charge-voltage conversion units that temporarily hold charges and convert the held charges into voltage signals. The reset switches 304A to 304D reset the potentials of the floating diffusions 303A to 303D to the
ソースフォロアアンプ305A〜305Dは、それぞれ、MOSトランジスタと基準電位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〜303Dに保持された電荷に基づく電圧信号を増幅して、画素信号として出力する。セレクトスイッチ306A〜306Dは、それぞれ、ソースフォロアアンプ305A〜305Dで増幅された画素信号を垂直出力線307A〜307Dに出力する。垂直出力線307A〜307Dは、図6に示すように、同じ列の単位画素200で共有される。セレクトスイッチ306A〜306Dは、セレクトパルス信号PSELによって制御される。
The
図4は、単位画素200の構成例を示すレイアウト図である。図5に示したように、フォトダイオード301Aは、両端に2つの転送スイッチ302A及び302Cが接続され、転送スイッチ302A及び302Cのどちらによっても電荷を転送できる。同様に、フォトダイオード301Bは、両端に2つの転送スイッチ302B及び302Dが接続され、転送スイッチ302B及び302Dのどちらによっても電荷を転送できる。転送スイッチ302A〜302Dは、それぞれ、フローティングディフュージョン303A〜303Dに接続される。
FIG. 4 is a layout diagram illustrating a configuration example of the
図6は、撮像素子103の読み出し回路の構成例を示す図である。撮像素子103は、行列状に配置された複数の単位画素200を含む撮像面を有する。なお、図6では、単位画素200を4行3列の計12個として図示するが、実際は数百万、数千万の単位画素200で構成される。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、例えば赤(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の投射光として赤外光を用いるため、又はより反射光の受光効率を上げるため、赤外フィルタ又は透明フィルタを形成してもよい。垂直シフトレジスタ4011及び4012は、各行毎に接続される信号線402を介して、各行の単位画素200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〜307D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. 6 is a diagram illustrating a configuration example of a readout circuit of the
次に、列回路403の回路構成を説明する。クランプ容量(C0)408は、垂直出力線307A〜307D及びオペアンプ410の入力端子間に接続される。フィードバック容量(Cf)409は、オペアンプ410の入力端子及び出力端子間に接続される。基準電源411は、基準電圧Vrefをオペアンプ410に供給する。スイッチ412は、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。スイッチ412は、リセット信号PC0Rで制御される。容量(CTS)413及び容量(CTN)414は、信号電圧を保持するための容量である。スイッチ415及び416は、それぞれ、容量413及び414への書き込みを制御するスイッチである。スイッチ415は信号PTSで制御され、スイッチ416は信号PTNで制御される。スイッチ417及び418は、水平シフトレジスタ404からの信号を入力し、それぞれ、水平出力線405及び406を介して、出力アンプ407に信号を出力する。スイッチ417は水平シフトレジスタ404の信号PHSで制御され、スイッチ418は信号PHNで制御される。出力アンプ407は、水平出力線405及び406の信号の差分を出力する。
Next, the circuit configuration of the
図7は、本実施形態による転送パルス信号PTXA1,PTXA2,PTXB1,PTXB2,PTXC1,PTXC2,PTXD1,PTXD2の配線を示す図の一例である。この例では、撮影レンズ101の光軸と撮像素子103の撮像面との交点を境界として画像の水平方向を左右方向と定義する。つまり、撮影レンズ101の光軸中心から振り分けることを意図するものである。
FIG. 7 is an example of a diagram showing the wiring of the transfer pulse signals PTXA1, PTXA2, PTXB1, PTXB2, PTXC1, PTXC2, PTXD1, and PTXD2 according to the present embodiment. In this example, the horizontal direction of the image is defined as the left-right direction with the intersection of the optical axis of the photographing
第1の垂直シフトレジスタ4011は、転送パルス信号PTXA1を撮像素子103の左領域(第1の領域)701の単位画素200内の分割画素201Aに供給する。撮像素子103の左領域701の単位画素200内の分割画素201Aの転送スイッチ302Aは、転送パルス信号PTXA1により制御される。
The first
第1の垂直シフトレジスタ4011は、転送パルス信号PTXB1を撮像素子103の左領域701の単位画素200内の分割画素201Bに供給する。撮像素子103の左領域701の単位画素200内の分割画素201Bの転送スイッチ302Bは、転送パルス信号PTXB1により制御される。
The first
第1の垂直シフトレジスタ4011は、転送パルス信号PTXC1を撮像素子103の左領域701の単位画素200内の分割画素201Aに供給する。撮像素子103の左領域701の単位画素200内の分割画素201Aの転送スイッチ302Cは、転送パルス信号PTXC1により制御される。
The first
第1の垂直シフトレジスタ4011は、転送パルス信号PTXD1を撮像素子103の左領域701の単位画素200内の分割画素201Bに供給する。撮像素子103の左領域701の単位画素200内の分割画素201Bの転送スイッチ302Dは、転送パルス信号PTXD1により制御される。
The first
第2の垂直シフトレジスタ4012は、転送パルス信号PTXA2を撮像素子103の右領域(第2の領域)702の単位画素200内の分割画素201Aに供給する。撮像素子103の右領域702の単位画素200内の分割画素201Aの転送スイッチ302Aは、転送パルス信号PTXA2により制御される。
The second
第2の垂直シフトレジスタ4012は、転送パルス信号PTXB2を撮像素子103の右領域702の単位画素200内の分割画素201Bに供給する。撮像素子103の右領域702の単位画素200内の分割画素201Bの転送スイッチ302Bは、転送パルス信号PTXB2により制御される。
The second
第2の垂直シフトレジスタ4012は、転送パルス信号PTXC2を撮像素子103の右領域702の単位画素200内の分割画素201Aに供給する。撮像素子103の右領域702の単位画素200内の分割画素201Aの転送スイッチ302Cは、転送パルス信号PTXC2により制御される。
The second
第2の垂直シフトレジスタ4012は、転送パルス信号PTXD2を撮像素子103の右領域702の単位画素200内の分割画素201Bに供給する。撮像素子103の右領域702の単位画素200内の分割画素201Bの転送スイッチ302Dは、転送パルス信号PTXD2により制御される。
The second
以上のように、撮像素子103の左領域701の単位画素200は、第1の垂直シフトレジスタ4011により駆動される。撮像素子103の右領域702の単位画素200は、第2の垂直シフトレジスタ4012により駆動される。左領域701の単位画素200と右領域702の単位画素200とでは、転送パルス信号の配線が異なる。なお、垂直シフトレジスタ4011,4012と単位画素200との間には、信号PRES及びPSELの水平方向の配線も設けられる。
As described above, the
図8(a)及び(b)は、図7の領域を撮像画像で示した模式図である。図8(a)は、被写体の全体像を示す。図8(b)のように、左領域701では第1の分割画素201Aのみを読み出し、右領域702では第2の分割画素201Bのみを読み出す。すなわち、左領域701では、第1のフォトダイオード301Aの電荷が転送スイッチ302A又は302Cにより転送され、第2のフォトダイオード301Bの電荷が転送スイッチ302B又は302Dにより転送されない。右領域702では、第1のフォトダイオード301Aの電荷が転送スイッチ302A又は302Cにより転送されず、第2のフォトダイオード301Bの電荷が転送スイッチ302B又は302Dにより転送される。この読み出し方法を光走行時間法による測距時に行うことで、レンズ絞り204の絞り値が大きい場合(図3(b))などに、画面周辺部で相対的に光出力の高い画素を選択的に利用することができる。
FIGS. 8A and 8B are schematic diagrams showing the region of FIG. 7 as a captured image. FIG. 8A shows an overall image of the subject. As shown in FIG. 8B, only the first divided
図9は、本実施形態による撮像装置100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、光走行時間法による測距時における第1の画素信号読み出し方法を示す。第1の駆動方法は、撮影レンズ101の絞り値が小さいときなどに適用され、2つのフォトダイオード301A及び302Bで発生した電荷をそれぞれ異なるフローティングディフュージョン303A、303C及び303B、303Dの組みに順次転送する。
FIG. 9 is a timing chart illustrating a first driving method of the
始めに、期間HBLKでは、信号PRESがハイレベルになり、リセットスイッチ304A〜304Dは、オンし、フローティングディフュージョン303A〜303Dをリセットする。時刻t1では、信号PTXA1,PTXA2,PTXB1,PTXB2がハイレベルになり、すべての単位画素200において、転送スイッチ302A及び302Bは、オンし、フォトダイオード301A及び301Bをリセットする。時刻t2では、信号PTXA1,PTXA2,PTXB1,PTXB2がローレベルになり、すべての単位画素200において、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の電荷蓄積が開始する。
First, in the period HBLK, the signal PRES becomes a high level, the reset switches 304A to 304D are turned on, and the floating diffusions 303A to 303D are reset. At time t1, the signals PTXA1, PTXA2, PTXB1, and PTXB2 are at a high level, the transfer switches 302A and 302B are turned on in all
蓄積開始後、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〜306Dは、オンし、ソースフォロアアンプ305A〜305Dを動作状態にする。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〜304Dは、オフし、フローティングディフュージョン303A〜303Dのリセットを解除する。ソースフォロアアンプ305A〜305Dは、フローティングディフュージョン303A〜303Dの電圧を増幅し、垂直出力線307A〜307Dを介して、列回路403にリセット信号レベル(ノイズ成分)として出力する。
After the start of accumulation, at time t3, the signal PSEL becomes high level, the
列回路403において、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の基準電圧出力状態を解除する。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の出力信号は、容量414にリセット信号レベルとして書き込まれる。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。
In the
次に、時刻t8では、信号PTXA1,PTXA2,PTXB1,PTXB2がハイレベルになる。すると、すべての単位画素200において、転送スイッチ302A及び302Bは、オンし、フォトダイオード301A、301Bに蓄積された光電荷を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PTXA1,PTXA2,PTXB1,PTXB2がローレベルになり、すべての単位画素200において、転送スイッチ302A及び302Bがオフし、フローティングディフュージョン303A及び303Bへの転送が終了する。また、時刻t10では、信号PTXC1,PTXC2,PTXD1,PTXD2がハイレベルになる。すると、すべての単位画素200において、転送スイッチ302C及び302Dは、オンし、フォトダイオード301A及び301Bに蓄積された光電荷をそれぞれフローティングディフュージョン303C及び303Dに転送開始する。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PTXC1,PTXC2,PTXD1,PTXD2がローレベルになり、すべての単位画素200において、転送スイッチ302C及び302Dは、オフし、フローティングディフュージョン303C及び303Dへの転送が終了する。以上のように、時刻t8〜t10の第1の期間では転送スイッチ302A及び302Bが転送を行い、その後の時刻t10〜t12の第2の期間では転送スイッチ302C及び転送スイッチ302Dが転送を行う。
Next, at time t8, the signals PTXA1, PTXA2, PTXB1, and PTXB2 become high level. Then, in all the
電荷量に応じたフローティングディフュージョン303A〜303Dの電位変動は、垂直出力線307A〜307Dを介して、列回路403に光信号レベル(光成分+ノイズ成分)として出力される。列回路403において、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の出力信号は、容量413に光信号レベルとして書き込まれる。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。なお、オペアンプ410は、クランプ容量408とフィードバック容量409の容量値の比に応じた反転ゲインで増幅して出力する。
The potential fluctuations of the floating diffusions 303A to 303D according to the amount of charge are output as optical signal levels (light component + noise component) to the
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〜304Dは、オンし、フローティングディフュージョン303A〜303Dをリセット状態にする。 Thereafter, at time t15, the signal PRES becomes high level, the reset switches 304A to 304D are turned on, and the floating diffusions 303A to 303D are reset.
次に、期間HSRにおいて、時刻t16〜t17では、信号PHS及びPHNのパルスにより、各列の列回路403内のスイッチ417及び418が順次オンする。すると、容量413及び414に保持された信号は、水平出力線405及び406を介して、出力アンプ407に出力される。出力アンプ407は、水平出力線405及び406の信号の差分の信号(光成分)を出力する。
Next, in a period HSR, from time t16 to t17, the
画像処理回路106は、距離演算部であり、時刻t8〜t10の第1の期間に転送された電荷に基づく信号と時刻t10〜t12の第2の期間に転送された電荷に基づく信号の比から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演算する。また、画像処理回路106は、転送スイッチ302A(302B)と転送スイッチ302C(302D)とを順次駆動して得られた異なる信号を、加算するなどしてもよい。
The
図10は、本実施形態による撮像装置100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、光走行時間法による測距時における第2の画素信号読み出し方法を示す。第2の駆動方法は、撮影レンズ101の絞り値が大きいときなどに適用され、図9の第1の画素信号読み出しにおける光軸側の分割画素の信号を読み出さない。
FIG. 10 is a timing chart illustrating the second driving method of the
始めに、期間HBLKでは、信号PRESがハイレベルになり、リセットスイッチ304A〜304Dは、オンし、フローティングディフュージョン303A〜303Dをリセットする。時刻t1では、信号PTXA1及びPTXB2がハイレベルになる。すると、撮像素子103の左領域701の単位画素200では、転送スイッチ302Aは、オンし、フォトダイオード301Aをリセットする。撮像素子103の右領域702の単位画素200では、転送スイッチ302Bは、オンし、フォトダイオード301Bをリセットする。時刻t2では、信号PTXA1及びPTXB2がローレベルになる。すると、撮像素子103の左領域701の単位画素200では、フォトダイオード301Aの電荷蓄積が開始され、撮像素子103の右領域702の単位画素200では、フォトダイオード301Bの電荷蓄積が開始される。
First, in the period HBLK, the signal PRES becomes a high level, the reset switches 304A to 304D are turned on, and the floating diffusions 303A to 303D are reset. At time t1, the signals PTXA1 and PTXB2 become high level. Then, in the
蓄積開始後、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〜306Dがオンし、ソースフォロアアンプ305A〜305D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〜304Dは、オフし、フローティングディフュージョン303A〜303Dのリセットが解除される。ソースフォロアアンプ305A〜305Dは、フローティングディフュージョン303A〜303Dの電圧を増幅し、垂直出力線307A〜307Dを介して、列回路403にリセット信号レベル(ノイズ成分)として出力する。
After the start of accumulation, at time t3, the signal PSEL becomes high level, the
列回路403において、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の基準電圧出力状態を解除する。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の出力信号は、容量414にリセット信号レベルとして書き込まれる。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。
In the
次に、時刻t8では、信号PTXA1及びPTXB2がハイレベルになる。すると、撮像素子103の左領域701の単位画素200では、転送スイッチ302Aは、オンし、フォトダイオード301Aに蓄積された光電荷をフローティングディフュージョン303Aに転送開始する。撮像素子103の右領域702の単位画素200では、転送スイッチ302Bは、オンし、フォトダイオード301Bに蓄積された光電荷をフローティングディフュージョン303B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。
Next, at time t8, the signals PTXA1 and PTXB2 become high level. Then, in the
時刻t10では、信号PTXA1及びPTXB2がローレベルになる。すると、撮像素子103の左領域701の単位画素200では、転送スイッチ302Aは、オフし、フローティングディフュージョン303Aへの転送が終了する。撮像素子103の右領域702の単位画素200では、転送スイッチ302Bは、オフし、フローティングディフュージョン303Bへの転送が終了する。
At time t10, the signals PTXA1 and PTXB2 become low level. Then, in the
また、時刻t10では、信号PTXC1及びPTXD2がハイレベルになる。すると、撮像素子103の左領域701の単位画素200では、転送スイッチ302Cは、オンし、フォトダイオード301Aに蓄積された光電荷をフローティングディフュージョン303Cに転送開始する。撮像素子103の右領域702の単位画素200では、転送スイッチ302Dは、オンし、フォトダイオード301Bに蓄積された光電荷をフローティングディフュージョン303Dに転送開始する。そして、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。
At time t10, the signals PTXC1 and PTXD2 are at a high level. Then, in the
時刻t12では、信号PTXC1及びPTXD2がローレベルになる。すると、撮像素子103の左領域701の単位画素200では、転送スイッチ302Cはオフし、フローティングディフュージョン303Cへの転送が終了する。撮像素子103の左領域701の単位画素200では、転送スイッチ302Dはオフし、フローティングディフュージョン303Dへの転送が終了する。
At time t12, the signals PTXC1 and PTXD2 become low level. Then, in the
以上のように、時刻t8〜t10の第1の期間では、撮像素子103の左領域701の単位画素200の転送スイッチ302A及び撮像素子103の右領域702の単位画素200の転送スイッチ302Bが転送を行う。その後の時刻t10〜t12の第2の期間では、撮像素子103の左領域701の単位画素200の転送スイッチ302C及び撮像素子103の右領域702の単位画素200の転送スイッチ302Dが転送を行う。
As described above, in the first period from time t8 to time t10, the
フローティングディフュージョン303A〜303Dの電位変動は、垂直出力線307A〜307Cを介して、列回路403に光信号レベル(光成分+ノイズ成分)として出力される。列回路403において、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の出力信号は、容量413に光信号レベルとして書き込まれる。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。なお、オペアンプ410は、クランプ容量408とフィードバック容量409の容量値の比に応じた反転ゲインで増幅して出力する。
The potential fluctuations of the floating diffusions 303A to 303D are output as optical signal levels (light component + noise component) to the
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〜304Dは、オンし、フローティングディフュージョン303A〜303Dをリセット状態にする。 Thereafter, at time t15, the signal PRES becomes high level, the reset switches 304A to 304D are turned on, and the floating diffusions 303A to 303D are reset.
次に、期間HSRにおいて、時刻t16〜t17では、信号PHS及びPHNのパルスにより、各列の列回路403内のスイッチ417及び418が順次オンする。すると、容量413及び414に保持された信号は、水平出力線405及び406を介して、出力アンプ407に出力される。出力アンプ407は、水平出力線405及び406の信号の差分の信号(光成分)を出力する。
Next, in a period HSR, from time t16 to t17, the
画像処理回路106は、距離演算部であり、時刻t8〜t10の第1の期間に転送された電荷に基づく信号と時刻t10〜t12の第2の期間に転送された電荷に基づく信号の比から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演算する。
The
第2の駆動方法は、第1の駆動方法と異なり、単位画素200内の光の入りにくい光軸側の分割画素を読み出さないことで、反射光成分を選択的に利用することができる。また、第2の駆動方法は、その他の効果として、利用する分割画素の数が減少することにより、画像処理回路106の負荷の軽減を図ることができる。
Unlike the first driving method, the second driving method can selectively use the reflected light component by not reading the divided pixels on the optical axis side in which light is difficult to enter in the
図11は、図9又は図10のタイミングチャートの一部を示すものであり、光走行時間法の測距を説明する図である。時刻t1では、信号PTXA(PTXB)がハイレベルになり、転送スイッチ302A(302B)がオンする。時刻t3では、信号PTXA(PTXB)がローレベルになり、転送スイッチ302A(302B)がオフすると同時に、信号PTXC(PTXD)がハイレベルになり、転送スイッチ302C(302D)がオンする。時刻t5では、信号PTXC(PTXD)がローレベルになり、転送スイッチ302C(302D)がオフする。ここで、転送スイッチ302A(302B)及び転送スイッチ302C(302D)のオン時間は等しい。時刻t2〜t4では、信号PLIGHTがハイレベルになり、発光装置112は、被写体にパルス光を投射する。フォトダイオード301A及び301Bは、被写体からの反射光を電荷に変換する。
FIG. 11 shows a part of the timing chart of FIG. 9 or FIG. 10, and is a diagram for explaining distance measurement by the optical travel time method. At time t1, the signal PTXA (PTXB) becomes a high level, and the
撮像装置100から被写体までの距離がゼロならば、被写体からの反射光は、信号PLIGHTと同タイミングで受光される。この場合、信号PTXA(PTXB)によりフローティングディフュージョン303A(303B)に転送された信号と信号PTXC(PTXD)によりフローティングディフュージョン303C(303D)に転送された信号は等しい。しかし、撮像装置100から被写体までの距離がゼロでない場合、図12のように、反射光は、信号PLIGHTのタイミングに対して(t2’−t2)分だけ遅れて受光される。その結果、信号PTXA(PTXB)によりフローティングディフュージョン303A(303B)に転送された信号は、(t3−t2’)の期間に受光した反射光に対応する。信号PTXC(PTXD)によりフローティングディフュージョン303C(303D)に転送された信号は、(t4’−t3)の期間に受光した反射光に対応する。フローティングディフュージョン303A(303B)の信号とフローティングディフュージョン303C(303D)の信号は、偏りが生じる。画像処理回路106は、時刻t1〜t3の第1の期間に転送された電荷に基づく信号と時刻t3〜t5の第2の期間に転送された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し、その遅延時間と光速との積から被写体までの距離を演算する。
If the distance from the
図12は、本実施形態による撮像装置100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、通常撮影及び瞳分割位相差検出における第3の画素信号読み出し方法を示す。第3の駆動方法は、フォトダイオード301A及び301B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303A及び303Bに転送する。
FIG. 12 is a timing chart showing the third driving method of the
始めに、期間HBLKでは、信号PRESがハイレベルの状態であり、リセットスイッチ304A及び304Bは、オンし、それぞれ、フローティングディフュージョン303A及び303Bをリセットする。時刻t1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は、オンし、それぞれ、フォトダイオード301A及び301Bをリセットする。
First, in the period HBLK, the signal PRES is in a high level state, and the reset switches 304A and 304B are turned on to reset the floating
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304A及び304Bはオフし、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の電圧を増幅し、垂直出力線307A及び307Bを介して、列回路403にリセット信号レベル(ノイズ成分)として出力する。
At time t3, the signal PSEL goes high, the
列回路403において、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の基準電圧出力状態を解除する。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の出力信号は、容量414にリセット信号レベルとして書き込まれる。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。
In the
次に、時刻t8では、信号PTXA1,PTXA2,PTXB1,PTXB2がハイレベルになる。すると、すべての単位画素200では、転送スイッチ302A及び302Bは、オンし、それぞれ、フォトダイオード301A及び301Bに蓄積された光電荷をそれぞれフローティングディフュージョン303A及び303Bに転送する。すると、電荷量に応じたフローティングディフュージョン303A及び303Bの電位変動は、それぞれ、垂直出力線307A及び307Bを介して、列回路403に光信号レベル(光成分+ノイズ成分)として出力される。時刻t10では、信号PTXA1,PTXA2,PTXB1,PTXB2がローレベルになり、すべての単位画素200では、転送スイッチ302A及び302Bは、オフし、上記の転送が終了する。以上のように、すべての単位画素200では、転送スイッチ302A及び302Bは、同じタイミングで転送を行う。
Next, at time t8, the signals PTXA1, PTXA2, PTXB1, and PTXB2 become high level. Then, in all the
列回路403において、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の出力信号は、容量413に光信号レベルとして書き込まれる。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。なお、容量413及び容量414に信号を書き込む際、オペアンプ410は、クランプ容量408とフィードバック容量409の容量値の比に応じた反転ゲインで増幅して出力する。
In the
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は、オンし、フローティングディフュージョン303A及び303Bをリセット状態にする。
Thereafter, at time t15, the signal PRES becomes high level, the reset switches 304A and 304B are turned on, and the floating
次に、期間HSRにおいて、時刻t16〜t17では、信号PHS及びPHNのパルスにより、各列の列回路403内のスイッチ417及び418が順次オンする。すると、容量413及び414に保持された信号は、水平出力線405及び406を介して、出力アンプ407に出力される。出力アンプ407は、水平出力線405及び406の信号の差分の信号(光成分)を出力する。
Next, in a period HSR, from time 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、加算部であり、フォトダイオード301A及び301Bから転送された電荷に基づく信号を加算して撮像画像としてもよい。一方、瞳分割位相差検出時は、画像処理回路106は、時刻t8〜t10で転送された電荷に基づく信号を入力し、前述したA像とB像に対する相関演算を施し、被写体までの距離情報を演算する。また、この場合、画像処理回路106は、距離情報取得後に、A像とB像の信号を加算するなどしてもよい。
Thereafter, when driven for normal photographing, the
図13は、本実施形態による撮像装置100の駆動方法を示すフローチャートである。ステップS1301では、静止画撮影、動画撮影等のモード設定、また感度、絞り値などの撮影条件設定が、ユーザーから操作回路110によって、あるいは撮像装置101から自動的に、制御回路109によってなされる。
FIG. 13 is a flowchart illustrating a method for driving the
ステップS1302では、撮像装置100は、焦点検出又は通常の撮像画像の取得のいずれを行うのかの判定を行う。焦点検出を行う場合はステップS1305に進む。通常の撮像画像を取得する場合はステップS1303に進む。
In step S1302, the
ステップS1303では、撮像装置100は、図12の第3の駆動方法(通常撮影)により画像信号を読み出す。次に、ステップS1304では、画像処理回路106は、ステップS1303で読み出された画像信号に対し、それぞれの読み出しに応じた所定の画像処理を施し、画像信号をメモリ回路107及び記録回路108に出力する。また、画像処理回路106は、画像信号を、制御回路109を介して表示回路111に出力する。
In step S1303, the
ステップS1305では、撮像装置100は、焦点検出方法を選択するため、撮影レンズ101の絞り値がしきい値より大きいか否かを判定する。しきい値より大きい場合にはステップS1306に進み、しきい値以下である場合にはステップS1307に進む。
In step S1305, the
ステップS1306では、撮像装置100は、図10の第2の駆動方法により信号を読み出し、距離検出用画像を取得する。その後、ステップS1308に進む。
In step S1306, the
ステップS1307では、撮像装置100は、図9の第1の駆動方法又は図12の第3の駆動方法(瞳分割位相差検出)により信号を読み出し、距離検出用画像を取得する。第1の駆動方法又は第3の駆動方法の選択は、予めユーザーが操作回路110によって指定してもよいし、制御回路109が自動で判定してもよい。その後、ステップS1308に進む。
In step S1307, the
ステップS1308では、撮像装置100は、読み出された距離検出用画像に対し、光走行時間法又は瞳分割位相差検出法による処理を行い、被写体までの距離情報を演算する。なお、撮像装置100は、距離検出用画像又は距離情報をメモリ回路107、記録回路108及び表示回路111に出力してもよい。
In step S1308, the
次に、ステップS1309では、撮像装置100は、撮影終了の有無を判定し、継続ならばステップS1310に進み、終了ならば一連の動作を終了する。
Next, in step S1309, the
ステップS1310では、画像処理回路106は、ステップS1308で得られた被写体までの距離情報を基にレンズ駆動量を算出する。
In step S1310, the
次に、ステップS1311では、制御回路109は、上記のレンズ駆動量を基に撮影レンズ101を駆動することにより、フォーカス駆動を行う。その後、ステップS1301に戻り、上記の動作を繰り返す。
Next, in step S1311, the
なお、ステップS1310においては、撮影レンズ101の絞り値が所定の値より大きい場合はパンフォーカスとみなし、焦点検出やレンズ駆動をスルーするようにしてもよい。また、ステップS1305では、撮影レンズ101の絞り値を基準に駆動方法を選択したが、実際の撮像装置100の使用に関しては、撮影レンズ101の絞り値に依存せず、第1〜第3の駆動方法を任意に選択して動作させてもよい。
In step S1310, when the aperture value of the photographing
以上のようにして、分割画素構造においても、撮像素子103内の領域によらず測距の精度を向上させ、また画像処理の負荷を軽減させることができる。
As described above, even in the divided pixel structure, the accuracy of distance measurement can be improved regardless of the area in the
なお、上記の説明では距離情報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 information are used without distinguishing between the color filters. However, only the pixels of the infrared filter may be used according to the color of the projection light, for example, infrared light, or more light. In order to capture the pixel, a transparent filter or a G filter pixel may be used.
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態は、第1の実施形態1と異なり、撮像素子103の周辺領域では一方の分割画素の信号読み出しを行い、撮像素子103の中央領域ではすべての分割画素の信号読み出しを行う。これは、誤差などにより撮像素子103の左領域701及び右領域702の境界と撮影レンズ101の光軸が一致しない場合や、撮像素子103の中央領域では入射光の左右差が周辺領域ほど大きくならないために行われる。
(Second Embodiment)
Unlike the first embodiment, the second embodiment of the present invention reads out signals of one divided pixel in the peripheral region of the
図14は、図7に対応し、第2の実施形態による転送パルス信号PTXA1,PTXA2,PTXB1,PTXB2,PTXC1,PTXC2,PTXD1,PTXD2の配線を示す図の一例である。第1の垂直シフトレジスタ4011は、転送パルス信号PTXA1,PTXB1,PTXC1,PTXD1を撮像素子103に出力する。第2の垂直シフトレジスタ4012は、転送パルス信号PTXA2,PTXB2,PTXC2,PTXD2を撮像素子103に出力する。
FIG. 14 corresponds to FIG. 7 and is an example of a diagram illustrating wiring of transfer pulse signals PTXA1, PTXA2, PTXB1, PTXB2, PTXC1, PTXC2, PTXD1, and PTXD2 according to the second embodiment. The first
まず、撮像素子103の左の周辺領域(第1の領域)1401の単位画素200について説明する。分割画素201Aでは、転送スイッチ302Aは、転送パルス信号PTXA1により制御され、転送スイッチ302Cは、転送パルス信号PTXC1により制御される。分割画素201Bでは、転送スイッチ302Bは、転送パルス信号PTXB1により制御され、転送スイッチ302Dは、転送パルス信号PTXD1により制御される。
First, the
次に、撮像素子103の中央領域(第3の領域)1402の単位画素200について説明する。分割画素201Aでは、転送スイッチ302Aは、転送パルス信号PTXA1により制御され、転送スイッチ302Cは、転送パルス信号PTXC1により制御される。分割画素201Bでは、転送スイッチ302Bは、転送パルス信号PTXB2により制御され、転送スイッチ302Dは、転送パルス信号PTXD2により制御される。
Next, the
次に、撮像素子103の右の周辺領域(第2の領域)1403の単位画素200について説明する。分割画素201Aでは、転送スイッチ302Aは、転送パルス信号PTXA2により制御され、転送スイッチ302Cは、転送パルス信号PTXC2により制御される。分割画素201Bでは、転送スイッチ302Bは、転送パルス信号PTXB2により制御され、転送スイッチ302Dは、転送パルス信号PTXD2により制御される。周辺領域1401及び1403は、中央領域1402の周辺の領域である。
Next, the
図15(a)及び(b)は、図8(a)及び(b)に対応し、図14の領域を撮像画像で示した模式図である。図15(a)は、被写体の全体像を示す。図15(b)のように、左の周辺領域1401、中央領域1402及び右の周辺領域1403では、信号を読み出す分割画素が異なる。
FIGS. 15A and 15B are schematic diagrams corresponding to FIGS. 8A and 8B and showing the region of FIG. 14 as captured images. FIG. 15A shows an overall image of the subject. As shown in FIG. 15B, the left
左の周辺領域1401では、第1の分割画素201Aの信号のみを読み出す。すなわち、左の周辺領域1401では、第1のフォトダイオード301Aの電荷が転送スイッチ302A又は302Cにより転送され、第2のフォトダイオード301Bの電荷が転送スイッチ302B又は302Dにより転送されない。
In the left
中央領域1402では、第1の分割画素201A及び第2の分割画素201Bの両方の信号を読み出す。すなわち、中央領域1402では、第1のフォトダイオード301Aの電荷が転送スイッチ302A又は302Cにより転送され、第2のフォトダイオード301Bの電荷が転送スイッチ302B又は302Dにより転送される。
In the
右の周辺領域1403では、第2の分割画素201Bの信号のみを読み出す。すなわち、右の周辺領域1403では、第1のフォトダイオード301Aの電荷が転送スイッチ302A又は302Cにより転送されず、第2のフォトダイオード301Bの電荷が転送スイッチ302B又は302Dにより転送される。
In the right
読み出し方法は、図9、図10、図12、図13と同様である。本実施形態によれば、分割画素構造においても、撮像素子103内の領域によらず、測距の精度を向上させ、また画像処理の負荷を軽減させることができる。
The reading method is the same as that in FIGS. 9, 10, 12, and 13. According to the present embodiment, even in the divided pixel structure, the accuracy of distance measurement can be improved and the load of image processing can be reduced regardless of the area in the
なお、本実施形態では、中央領域1402の駆動パルス信号の配線を左右の周辺領域1401,1403の駆動パルス信号の配線と共通としたが、中央領域1402も独立に制御させるために新たに駆動パルス信号の配線を追加してもよい。
In this embodiment, the drive pulse signal wiring in the
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態は、第2の実施形態と異なり、不要な駆動パルス信号の配線を取り除くものであり、レイアウトを効率化することができる。
(Third embodiment)
Unlike the second embodiment, the third embodiment of the present invention eliminates unnecessary drive pulse signal wiring, and can improve the layout efficiency.
図16は、図14に対応し、第3の実施形態による転送パルス信号PTXA1,PTXA2,PTXB1,PTXB2,PTXC1,PTXD2の配線を示す図の一例であり、図14の転送パルス信号PTXC2及びPTXD1の配線が削除されている。第1の垂直シフトレジスタ4011は、転送パルス信号PTXA1,PTXB1,PTXC1を撮像素子103に出力する。第2の垂直シフトレジスタ4012は、転送パルス信号PTXA2,PTXB2,PTXD2を撮像素子103に出力する。
FIG. 16 corresponds to FIG. 14 and is an example of a diagram illustrating wiring of transfer pulse signals PTXA1, PTXA2, PTXB1, PTXB2, PTXC1, and PTXD2 according to the third embodiment. The wiring has been deleted. The first
まず、撮像素子103の左の周辺領域1401の単位画素200について説明する。分割画素201Aでは、転送スイッチ302Aは、転送パルス信号PTXA1により制御され、転送スイッチ302Cは、転送パルス信号PTXC1により制御される。分割画素201Bでは、転送スイッチ302Bは、転送パルス信号PTXB1により制御され、転送スイッチ302Dは、転送パルス信号PTXD2により制御される。
First, the
次に、撮像素子103の中央領域1402の単位画素200について説明する。分割画素201Aでは、転送スイッチ302Aは、転送パルス信号PTXA1により制御され、転送スイッチ302Cは、転送パルス信号PTXC1により制御される。分割画素201Bでは、転送スイッチ302Bは、転送パルス信号PTXB2により制御され、転送スイッチ302Dは、転送パルス信号PTXD2により制御される。
Next, the
次に、撮像素子103の右の周辺領域1403の単位画素200について説明する。分割画素201Aでは、転送スイッチ302Aは、転送パルス信号PTXA2により制御され、転送スイッチ302Cは、転送パルス信号PTXC1により制御される。分割画素201Bでは、転送スイッチ302Bは、転送パルス信号PTXB2により制御され、転送スイッチ302Dは、転送パルス信号PTXD2により制御される。
Next, the
本実施形態でも、第1〜第3の駆動方法による信号読み出しを行うことができる。本実施形態によれば、レイアウトの効率化に寄与することができる。 Also in this embodiment, signal readout by the first to third driving methods can be performed. According to this embodiment, it is possible to contribute to layout efficiency.
なお、左の周辺領域1401の分割画素201Bでは、転送スイッチ302Dを転送パルス信号PTXD2の配線に接続せず、転送スイッチ302D及びフローティングディフュージョン303D等を削除してもよい。同様に、右の周辺領域1403の分割画素201Aでは、転送スイッチ302Cを転送パルス信号PTXC1の配線に接続せず、転送スイッチ302C及びフローティングディフュージョン303C等を削除してもよい。この場合は、第1の駆動方法による信号読み出しを行えなくなるが、第2の駆動方法による信号読み出しで代用でき、また第3の駆動方法による信号読み出しも可能である。
In the divided
以上、第1〜第3の実施形態は、種々の変形及び変更が可能である。例えば、図17に示すように、単位画素200のレイアウトの効率化を目的として、フローティングディフュージョン503A及び503Bを共有するなどの変形を施すことができる。図17のフローティングディフュージョン503Aは、図4のフローティングディフュージョン303A及び303Bに対応する。図17のフローティングディフュージョン503Bは、図4のフローティングディフュージョン303C及び303Dに対応する。転送スイッチ302Aは、フォトダイオード301Aの電荷をフローティングディフュージョン(第1の電荷蓄積部)503Aに転送する。転送スイッチ302Bは、フォトダイオード301Bの電荷をフローティングディフュージョン503Aに転送する。転送スイッチ302Cは、フォトダイオード301Aの電荷をフローティングディフュージョン(第2の電荷蓄積部)503Bに転送する。転送スイッチ302Dは、フォトダイオード301Bの電荷をフローティングディフュージョン503Bに転送する。
As described above, the first to third embodiments can be variously modified and changed. For example, as shown in FIG. 17, for the purpose of improving the layout efficiency of the
また、列回路403にアナログデジタル変換回路を組み込んでもよい。また、単一のマイクロレンズ1020を共有する複数のフォトダイオード301A及び301Bの信号を撮像素子103内の領域によらずすべて読み出してもよい。その場合、その後、画像処理回路106によって、光学系の光軸と撮像面との交点に対して外側に位置する信号を選択的に画像作成や距離測定に用いてもよい。
Further, an analog-digital conversion circuit may be incorporated in 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、101 撮影レンズ、102 マイクロレンズアレイ、1020 マイクロレンズ、103 撮像素子、301A,301B フォトダイオード、302A,302B,302C,302D 転送スイッチ、303A,303B,303C,303D フローティングディフュージョン
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記複数のマイクロレンズにそれぞれ対応し、2次元に配置される複数の単位画素を有する撮像素子とを有し、
前記複数の単位画素の各々は、
同一の前記マイクロレンズを介して受光した光を電荷に変換する第1及び第2の光電変換部と、
前記第1の光電変換部の電荷をそれぞれ異なる電荷蓄積部に転送する第1及び第2の転送スイッチと、
前記第2の光電変換部の電荷をそれぞれ異なる電荷蓄積部に転送する第3及び第4の転送スイッチとを有し、
前記撮像素子の第1の領域の前記単位画素では、前記第1の光電変換部の電荷が前記第1の転送スイッチ又は前記第2の転送スイッチにより転送され、前記第2の光電変換部の電荷が前記第3の転送スイッチ又は前記第4の転送スイッチにより転送されず、
前記撮像素子の第2の領域の前記単位画素では、前記第1の光電変換部の電荷が前記第1の転送スイッチ又は前記第2の転送スイッチにより転送されず、前記第2の光電変換部の電荷が前記第3の転送スイッチ又は前記第4の転送スイッチにより転送されることを特徴とする撮像装置。 A plurality of microlenses,
An image sensor that has a plurality of unit pixels that correspond to each of the plurality of microlenses and is arranged two-dimensionally,
Each of the plurality of unit pixels is
First and second photoelectric conversion units that convert light received through the same microlens into electric charge;
First and second transfer switches for transferring charges of the first photoelectric conversion unit to different charge storage units;
A third transfer switch and a fourth transfer switch for transferring the charge of the second photoelectric conversion unit to different charge storage units;
In the unit pixel in the first region of the image sensor, the charge of the first photoelectric conversion unit is transferred by the first transfer switch or the second transfer switch, and the charge of the second photoelectric conversion unit is transferred. Is not transferred by the third transfer switch or the fourth transfer switch,
In the unit pixel in the second region of the image sensor, the charge of the first photoelectric conversion unit is not transferred by the first transfer switch or the second transfer switch, and the second photoelectric conversion unit Charge is transferred by the third transfer switch or the fourth transfer switch.
前記撮像素子の前記第1の領域と前記撮像素子の前記第2の領域は、前記撮像素子の前記第3の領域の周辺の領域であることを特徴とする請求項2記載の撮像装置。 The third region of the image sensor is a central region of the image sensor;
The imaging apparatus according to claim 2, wherein the first area of the imaging element and the second area of the imaging element are areas around the third area of the imaging element.
前記第2の転送スイッチは、前記第1の光電変換部の電荷を第2の電荷蓄積部に転送し、
前記第3の転送スイッチは、前記第2の光電変換部の電荷を第3の電荷蓄積部に転送し、
前記第4の転送スイッチは、前記第2の光電変換部の電荷を第4の電荷蓄積部に転送することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の撮像装置。 The first transfer switch transfers the charge of the first photoelectric conversion unit to a first charge storage unit,
The second transfer switch transfers the charge of the first photoelectric conversion unit to a second charge storage unit,
The third transfer switch transfers the charge of the second photoelectric conversion unit to a third charge storage unit;
4. The imaging apparatus according to claim 1, wherein the fourth transfer switch transfers the charge of the second photoelectric conversion unit to a fourth charge storage unit. 5.
前記第2の転送スイッチは、前記第1の光電変換部の電荷を第2の電荷蓄積部に転送し、
前記第3の転送スイッチは、前記第2の光電変換部の電荷を前記第1の電荷蓄積部に転送し、
前記第4の転送スイッチは、前記第2の光電変換部の電荷を前記第2の電荷蓄積部に転送することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の撮像装置。 The first transfer switch transfers the charge of the first photoelectric conversion unit to a first charge storage unit,
The second transfer switch transfers the charge of the first photoelectric conversion unit to a second charge storage unit,
The third transfer switch transfers the charge of the second photoelectric conversion unit to the first charge storage unit,
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the fourth transfer switch transfers the charge of the second photoelectric conversion unit to the second charge storage unit.
前記第1の光電変換部及び第2の光電変換部は、前記被写体からの反射光を電荷に変換することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の撮像装置。 Furthermore, it has a light emitting device that projects pulsed light onto the subject,
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit convert reflected light from the subject into electric charges.
前記撮像素子の第2の領域の前記単位画素では、前記第1の期間に前記第3の転送スイッチが転送を行い、前記第2の期間に前記第4の転送スイッチが転送を行うことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の撮像装置。 In the unit pixel of the first region of the image sensor, the first transfer switch performs transfer in a first period, and the second transfer switch performs transfer in a second period thereafter,
In the unit pixel in the second region of the image sensor, the third transfer switch performs transfer during the first period, and the fourth transfer switch performs transfer during the second period. The imaging device according to any one of claims 1 to 6.
前記撮影レンズの絞り値がしきい値より大きい場合、
前記撮像素子の前記第1の領域の前記単位画素では、第1の期間に前記第1の転送スイッチが転送を行い、その後の第2の期間に前記第2の転送スイッチが転送を行い、
前記撮像素子の前記第2の領域の前記単位画素では、前記第1の期間に前記第3の転送スイッチが転送を行い、前記第2の期間に前記第4の転送スイッチが転送を行い、
前記距離演算部は、前記第1の期間に転送された電荷及び前記第2の期間に転送された電荷に応じて被写体までの距離を演算し、
前記撮影レンズの絞り値がしきい値以下である場合、
前記撮像素子の前記第1の領域及び前記第2の領域の前記単位画素では、第1の期間に前記第1の転送スイッチ及び第3の転送スイッチが転送を行い、その後の第2の期間に前記第2の転送スイッチ及び前記第4の転送スイッチが転送を行い、
前記距離演算部は、前記第1の期間に転送された電荷及び前記第2の期間に転送された電荷に応じて被写体までの距離を演算することを特徴とする請求項8記載の撮像装置。 In addition, it has a photographic lens,
If the aperture value of the taking lens is larger than a threshold value,
In the unit pixel in the first region of the imaging device, the first transfer switch performs transfer in a first period, and the second transfer switch performs transfer in a second period thereafter.
In the unit pixel in the second region of the image sensor, the third transfer switch performs transfer during the first period, and the fourth transfer switch performs transfer during the second period,
The distance calculation unit calculates a distance to a subject according to the charge transferred in the first period and the charge transferred in the second period,
If the aperture value of the taking lens is below a threshold value,
In the unit pixels in the first area and the second area of the image sensor, the first transfer switch and the third transfer switch perform transfer in a first period, and in the second period thereafter. The second transfer switch and the fourth transfer switch perform transfer;
The imaging apparatus according to claim 8, wherein the distance calculation unit calculates a distance to a subject according to the charge transferred in the first period and the charge transferred in the second period.
前記撮影レンズの絞り値がしきい値より大きい場合、
前記撮像素子の前記第1の領域の前記単位画素では、第1の期間に前記第1の転送スイッチが転送を行い、その後の第2の期間に前記第2の転送スイッチが転送を行い、
前記撮像素子の前記第2の領域の前記単位画素では、前記第1の期間に前記第3の転送スイッチが転送を行い、前記第2の期間に前記第4の転送スイッチが転送を行い、
前記距離演算部は、前記第1の期間に転送された電荷及び前記第2の期間に転送された電荷に応じて被写体までの距離を演算し、
前記撮影レンズの絞り値がしきい値以下である場合、
前記撮像素子の前記第1の領域及び前記第2の領域の前記単位画素では、前記第1の転送スイッチ及び前記第3の転送スイッチは、同じタイミングで転送を行い、
前記距離演算部は、前記第1の転送スイッチ及び前記第3の転送スイッチにより転送された電荷に応じて被写体までの距離を演算することを特徴とする請求項8記載の撮像装置。 In addition, it has a photographic lens,
If the aperture value of the taking lens is larger than a threshold value,
In the unit pixel in the first region of the imaging device, the first transfer switch performs transfer in a first period, and the second transfer switch performs transfer in a second period thereafter.
In the unit pixel in the second region of the image sensor, the third transfer switch performs transfer during the first period, and the fourth transfer switch performs transfer during the second period,
The distance calculation unit calculates a distance to a subject according to the charge transferred in the first period and the charge transferred in the second period,
If the aperture value of the taking lens is below a threshold value,
In the unit pixels of the first region and the second region of the image sensor, the first transfer switch and the third transfer switch perform transfer at the same timing,
The imaging apparatus according to claim 8, wherein the distance calculation unit calculates a distance to a subject in accordance with charges transferred by the first transfer switch and the third transfer switch.
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