JP6480712B2 - 撮像装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置及びその制御方法に関するものである。

近年、単位画素から複数の信号を出力することで撮像のみならず測距を行うことが可能な撮像装置が提案されている。

例えば、特許文献１では、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によると、撮像素子は１つのマイクロレンズに対して２つのフォトダイオード（以下ＰＤとする）が形成された複画素構造を有する。各ＰＤは、撮影レンズの異なる瞳を通過した光を受光するよう構成されている。したがって、２つのＰＤからの出力信号波形を比較することで、撮像面ＡＦや距離画像の取得が可能となる。また、２つのＰＤからの出力信号を加算することで、通常の撮影画像を得ることができる。

一方、特許文献２では、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によると、撮像素子の１つの画素は１つのＰＤに対して２つのフローティングディフュージョン（以下ＦＤとする）と２つの転送スイッチを有する。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ＰＤから２つのＦＤ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。

ところで、イメージセンサーの画素から読み出したアナログ信号をＡＤ変換する方式において、近年では列ごとに同時並列的にＡＤ変換を行う列ＡＤ変換方式（カラムＡＤ変換方式）が主流である。この列ＡＤ変換方式では、ＡＤ変換のタイムスケールを１画素の読み出しから１行の読み出し程度まで延ばすことができる他に、イメージセンサーの読み出し速度向上も図りやすいという利点がある。

列ＡＤ変換方式の中でも、例えばシングルスロープ型と呼ばれる方式では、アナログ信号を比較器の一方に入力し、他方に時間と線形関係にある参照電圧を入力する。カウンタは比較開始から上記二つの入力の大小関係が反転するまでの時間をカウントし、ラッチすることでデジタル信号を出力する。

特開２００１−１２４９８４号公報 特許第５１１０５１９号公報

しかしながら、このようなシングルスロープ型の列ＡＤ変換を用いてｎビットの分解能を得る場合、カウンタは２のｎ乗回の計数を行う必要があり、多ビット化時の高速化が難しい。一方で、前述した複画素構造や光走行時間法においても、単位画素から読み出すべき信号数が増加するため高速化が難しいという課題がある。

特に、複画素構造や光走行時間法による撮像面ＡＦの使用が想定されるライブビュー（ＬＶ）動作において、上記２つの制約により高速化を達成することが困難となる。ライブビュー動作のフレームレート向上は表示の滑らかさやＡＦの速度、精度、追従性等の点で重要な要素となる。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、単位画素から複数の信号を出力可能な構成を有する撮像装置において、撮像面ＡＦや距離情報取得時の読み出しを高速化することである。

本発明に係わる撮像装置は、被写体にパルス光を投射する投光手段と、行列状に配置され、それぞれが光電変換部を有する複数の単位画素と、前記光電変換部から複数の信号を取得する測距モードまたは前記光電変換部から１つの信号を取得する撮像モードで、前記複数の単位画素を駆動する駆動手段と、第１のＡＤ変換モードまたは前記第１のＡＤ変換モードとは異なる第２のＡＤ変換モードで前記複数の単位画素から出力された信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、前記測距モードにおいて、前記投光手段により光を照射した状態で前記単位画素の光電変換部から取得された複数のデジタル信号を用いて前記被写体までの距離を算出する演算手段と、を備え、前記ＡＤ変換器は、前記測距モードが設定された場合に前記第１のＡＤ変換モードで動作し、前記撮像モードが設定された場合に前記第２のＡＤ変換モードで動作することを特徴とする。

本発明によれば、単位画素から複数の信号を出力可能な構成を有する撮像装置において、距離情報取得時の読み出しを高速化することが可能となる。

本発明の実施形態における撮像装置の構成を示すブロック図。 単位画素の構成を示す回路図。 第１の実施形態における第１および第２のモードを示すタイミングチャート。 参照信号の例を表す模式図。 第１の実施形態における撮像動作を示すフローチャート。 焦点検出の原理を説明する図。 第２の実施形態における第１のモードを示すタイミングチャート。 第２の実施形態における第２のモードを示すタイミングチャート。 第２の実施形態における撮像動作を示すフローチャート。 第３の実施形態における単位画素の構成を示す回路図。 第３の実施形態における第３のモードを示すタイミングチャート。 第３の実施形態における第４のモードを示すタイミングチャート。 第３の実施形態における距離測定の原理を説明する図。 第４の実施形態におけるデジタルカメラの全体ブロック図。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を用いて詳細に説明する。

まず、本発明の実施形態における撮像装置１１００の構成を図１のブロック図を用いて説明する。図１において、画素部１００には行列状に単位画素１０１が配置されている。各単位画素１０１は、不図示の選択スイッチにより垂直信号線（列信号線）１０２に接続され、アナログ信号を行ごとに列回路１０５へ出力する。ここで選択スイッチは、垂直走査回路１０４から信号線１０３を介して特定行の電位選択制御がなされる。また、タイミングジェネレータ（以下ＴＧ）１００は、垂直走査回路１０４や単位画素１０１内のトランジスタ等を制御するパルス信号を発生させる。また、ＴＧ１１０は、Ｄ／Ａ変換器（以下ＤＡＣ）１０９を通して参照信号（スロープ波形またはランプ波形）を発生し、比較器１０６の一方の信号として入力する。さらには、ＴＧ１１０は、投光器１１５にも接続され、パルス発光の制御を行う。投光器１１５は、第３の実施形態で述べる構成において適用される。

次に、列回路１０５の構成について説明する。列回路１０５は、比較器１０６、カウンタ１０７、ラッチ１０８から構成される。比較器１０６の他方の入力には、垂直信号線１０２が接続されている。比較器１０６は、垂直出力線１０２の電位Ｖｌを時刻とともに変化する参照信号と比較し、その大小関係が反転するまでの時刻を検出する。カウンタ１０７は、前記大小関係が反転するまでの時間をクロックに基づいて計測し、その計測時間をもってデジタル信号とする。ラッチ１０８は、カウンタ１０７の計測したデジタル信号を保持する。

水平走査回路１１１は、列回路を列方向に順次走査し、列ごとに共通して接続された水平信号線１１２と出力端子１１３を通してラッチ１０８に保持されたデジタル信号を出力する。また、水平走査回路１１１もＴＧ１１０によって制御される。出力されたデジタル信号は、後段の画像処理回路１１４において所定の処理が施される。

図２は、本実施形態における単位画素１０１の構成の一例を示す回路図である。単位画素１０１は、第１と第２のＰＤ（フォトダイオード）であるＰＤ２０１Ａ、ＰＤ２０１Ｂを有する。この２つのＰＤは、感度が略同等であり、１つのマイクロレンズ（不図示）を共有するように配置されて位相差検出が可能な複画素構造となっている。本実施形態では、第１のＰＤ２０１Ａ側の画素からの像信号をＡ像信号、第２のＰＤ２０１Ｂ側の画素からの像信号をＢ像信号と定義する。

ＰＤ２０１Ａは、第１転送スイッチ（転送トランジスタ）２０２Ａを介して画素メモリ２０３Ａに、ＰＤ２０１Ｂは、第１転送スイッチ２０２Ｂを介して画素メモリ２０３Ｂに接続される。ここで、第１転送スイッチ２０２Ａ、２０２Ｂともに転送パルスＰＴＸ１ＡＢによって制御される。

さらに画素メモリ２０３Ａは、第２転送スイッチ２０４Ａを介して、同じく画素メモリ２０３Ｂは、第２転送スイッチ２０４Ｂを介して共有されたＦＤ（フローティングディフュージョン部）２０５へ接続される。ここで第２転送スイッチ２０４Ａは、転送パルスＰＴＸ２Ａによって制御され、第２転送スイッチ２０４Ｂは、転送パルスＰＴＸ２Ｂによって制御される。

リセットスイッチ２０６は、リセットパルスＰＲＥＳによって制御され、ＦＤ２０５に基準電位ＶＤＤを供給する。画素アンプ２０７は、ＭＯＳトランジスタと基準電位ＶＤＤからなるソースフォロア回路である。選択スイッチ２０８は、選択パルスＰＳＥＬによって制御され、画素アンプ２０７の電位変動を垂直信号線１０２から列回路へ出力する。

（第１の実施形態）
本実施形態における撮像装置は、複数のＰＤから独立した信号を取得する第１の信号読み出しモードと、複数のＰＤから合成した信号を取得する第２の信号読み出しモードとを備える。図３は、第１の実施形態における撮像装置の読み出し動作とＡＤ変換動作を示すタイミングチャートであり、ある１行を読み出す際の制御パルスと垂直信号線電位、および参照信号とカウント値を示している。

図３において、比較器１０６には、第１、第２の信号読み出しモードに応じて傾きの異なる参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１、Ｐｓｌｏｐｅ２が入力される。

時刻ｔ３０１で選択パルスＰＳＥＬにより、ある１行が垂直信号線１０２と接続される。また、時刻ｔ３０２までの間にリセットパルスＰＲＥＳによりＦＤ２０５がリセットされる。次いで、時刻ｔ３０３からｔ３０６において、リセット信号ＮのＡＤ変換を行う。時刻ｔ３０４で垂直信号線１０２の電位Ｖｌと参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１の大小関係が逆転することでカウンタが停止し、その時のカウント値が保持される。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ３０５でＮ読みが終了する。次いで、時刻ｔ３０６にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。また、この動作に並行して、転送パルスＰＴＸ１ＡＢによりＰＤの電荷が画素メモリに転送される。

時刻ｔ３０６で画素メモリ２０３Ａの電荷がＦＤ２０５に転送され、垂直信号線１０２の電位Ｖｌが画素信号に応じた電位になるとともに、比較器１０６のリセットがなされる。次いで、時刻ｔ３０７からｔ３１０において、画素信号Ｓ（Ａ）のＡＤ変換を行う（第１のＡＤ変換モード）。時刻ｔ３０８で垂直信号線１０２の電位Ｖｌと参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１の大小関係が逆転することでカウンタが停止し、その時のカウント値が保持される。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ３０９でＳ（Ａ）読みが終了する。次いで、時刻ｔ３１０にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。

続いて、時刻ｔ３１０で画素メモリ２０３Ａおよび２０３Ｂの電荷がＦＤ２０５に転送され、垂直信号線１０２の電位Ｖｌが画素信号に応じた電位になるとともに、比較器１０６のリセットがなされる。次いで、時刻ｔ３１１からｔ３１４において、画素信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）のＡＤ変換を行う（第２のＡＤ変換モード）。時刻ｔ３１２で垂直信号線１０２の電位Ｖｌと参照信号Ｐｓｌｏｐｅ２の大小関係が逆転することでカウンタが停止し、その時のカウント値が保持される。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ２が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ３１３でＳ（Ａ＋Ｂ）読みが終了する。次いで、時刻ｔ３１４にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。

図４は、この参照信号の時間依存を示す模式図である。第１の実施形態では、第１の信号読み出しモード時には、時間に対して第１の傾きをもつスロープ波形の参照信号（Ｐｓｌｏｐｅ１）を参照する。一方で、第２の信号読み出しモード時には、時間に対して第１の傾きの１／２倍の傾きをもつスロープ波形の参照信号（Ｐｓｌｏｐｅ２）を参照する。参照信号の異なるスロープ波形の生成方法は、ＤＡＣ１０９内の定電流値と抵抗値を変化させるなど、既知の方法が用いられる。またリセット信号Ｎは参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１を参照する構成とした。

例えば、画像処理回路１１４は、読み出されたリセット信号Ｎ、画素信号Ｓ（Ａ）、画素信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）について以下の処理を行う。

撮像：Ｓ（Ａ＋Ｂ）−Ｎ×２＝Ｓ（ｇ） …（式１）
測距Ａ：Ｓ（Ａ）−Ｎ＝Ｓ（ａ） …（式２）
測距Ｂ：Ｓ（Ａ＋Ｂ）／２−Ｓ（Ａ）＝Ｓ（ｂ） …（式３）
式１から求めた信号より撮像画像を生成し、式２および式３で求めた信号を元に焦点検出または測距を行う。また式１から式３より、測距情報よりも撮像の分解能が高いことがわかる。

図５は、第１の実施形態における撮像動作の流れを説明するフローチャートである。図５において、ステップＳ５０１では、静止画、動画撮影等の撮影モード設定、ＡＦや感度などの撮影条件設定が、ユーザーから、あるいは撮像装置から自動でなされる。

ステップＳ５０２において、撮像面位相差ＡＦを実施する撮影モードであるか否かの判定がなされる。ここで撮像面位相差ＡＦを実施しない撮影モードである場合はステップＳ５０３に進み、撮像面位相差ＡＦを実施する撮影モードである場合はステップＳ５０４に進む。

ステップＳ５０３において、第２の信号読み出しモードにより複数のＰＤから合成した信号を取得する。ステップＳ５０４において、第１の信号読み出しモードにより複数のＰＤから独立した信号を取得するとともに、第２の信号読み出しモードにより複数のＰＤから合成した信号を取得する。

ステップＳ５０５において、ＡＤ変換された信号出力から被写体の焦点位置と合焦のためのレンズ駆動量を算出する。ステップＳ５０６において、画像信号を表示回路、メモリカード等の記録回路に出力する。

ステップＳ５０７において、撮影終了か否かを判定し、継続ならばステップＳ５０８に進みフォーカス駆動や信号の再取得をすることになる。一方終了ならば一連の動作を終了する。

ステップＳ５０８において、再び撮像装置の撮影モード設定の判定を行う。ここで、撮像面位相差ＡＦを実施しない撮影モードである場合はステップＳ５０２に戻り、上記動作の繰り返しを行う。この場合はＡＦや感度などの再設定のためにＳ５０１まで戻ることも可能である。一方、撮像面ＡＦを実施する撮影モードである場合はステップＳ５０９に進む。

ステップＳ５０９において、ステップＳ５０５で算出したレンズ駆動量に応じて実際にレンズ（フォーカス）を駆動する。その後、ステップＳ５０２に戻り、上記動作の繰り返しを行う。この場合はＡＦや感度などの再設定のためにステップＳ５０１まで戻ることも可能である。

ここで、参考までに、本実施形態における瞳分割方式による焦点検出の原理を図６を用いて説明する。図２で述べたように、ＰＤ２０１ＡとＰＤ２０１Ｂは、それぞれ撮影レンズの射出瞳の異なる領域の光を受光している。このように瞳分割されたＰＤ２０１Ａの信号（Ａ像信号）を基線長方向に並ぶ複数の単位画素１０１で取得し、これらの出力信号で構成した被写体像を波形Ａとする。同様に瞳分割されたＰＤ２０１Ｂの信号（Ｂ像信号）を基線長方向に並ぶ複数の単位画素１０１で取得し、これらの出力信号で構成した被写体像を波形Ｂとする。

波形Ａと波形Ｂに対して相関演算を実施し、像のずれ量を検出する。さらに像のずれ量に対して光学系から決まる変換係数を乗じることで、被写体の焦点位置を算出することができる。ここで算出された焦点位置情報を元に撮影レンズのフォーカスを制御することで、撮像面ＡＦが可能となる。

また、Ａ像信号とＢ像信号との足し合わせを（Ａ＋Ｂ）像信号とすることで、位相差のない通常の撮影画像として用いることができる。

なお、第１の実施形態ではＡ像信号と（Ａ＋Ｂ）像信号を読み出す構成としたため、後者をそのまま撮影画像として用いることができる。また、後段の画像処理回路で（Ａ＋Ｂ）像信号からＡ像信号を差し引くことでＢ像信号を生成する。

このように、第１の実施形態の撮像装置は、複数の光電変換部で生成された信号を独立に読み出す場合（第１の信号読み出しモード）と、ＦＤで加算して読み出す場合（第２の信号読み出しモード）とに応じて、列ＡＤ変換器の設定を変えるものである。本実施形態の趣旨は、撮像面位相差ＡＦを実施しない通常撮影の場合にはＡＤ変換の時間をかけて精度を求め、撮像面位相差ＡＦを実施して測距信号を取得する場合にはＡＤ変換の時間を短縮することにある。

なお、画素構成において画素メモリを使用したが、上記目的を達するための必須の要件とはならず、また複数の光電変換部に対応して垂直信号線１０２を複数形成する構成でも構わない。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態の変形例である。前述の複数のＰＤから独立した信号を取得する第１の信号読み出しモードにおいて、Ａ像信号とＢ像信号の両方を個別に取得するものである。また、複数のＰＤから合成した信号を取得する第２の信号読み出しモードは、第１の実施形態と同様に（Ａ＋Ｂ）像信号を取得するものである。単位画素１０１の構成は図２と同様のため説明を省略する。

図７は第２の実施形態の第１の信号読み出しモードにおけるタイミングチャートである。図７において、比較器１０６には第１の信号読み出しモードに応じた参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１が入力される。

時刻ｔ７０１で選択パルスＰＳＥＬによりある１行が垂直信号線１０２と接続される。また、時刻ｔ７０２までの間にリセットパルスＰＲＥＳによりＦＤ２０５がリセットされる。次いで、時刻ｔ７０３からｔ７０６において、リセット信号Ｎ（Ａ）のＡＤ変換を行う。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ７０５でＮ（Ａ）読みが終了する。次いで、時刻ｔ７０６にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。また、この動作に並行して、転送パルスＰＴＸ１ＡＢによりＰＤの電荷が画素メモリに転送される。

時刻ｔ７０６で画素メモリ２０３Ａの電荷がＦＤ２０５に転送され、垂直信号線１０２の電位Ｖｌが画素信号に応じた電位になるとともに、比較器１０６のリセットがなされる。次いで、時刻ｔ７０７からｔ７１０において、画素信号Ｓ（Ａ）のＡＤ変換を行う（第１のＡＤ変換モード）。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ７０９でＳ（Ａ）読みが終了する。次いで、時刻ｔ７１０にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。

さらに、時刻ｔ７１０でリセットパルスＰＲＥＳによりＦＤ２０５がリセットされ、垂直信号線１０２の電位Ｖｌがリセット信号に応じた電位になるとともに、比較器１０６のリセットがなされる。次いで、時刻ｔ７１１からｔ７１４において、リセット信号Ｎ（Ｂ）のＡＤ変換を行う。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ７１３でＮ（Ｂ）読みが終了する。次いで、時刻ｔ７１４にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。

時刻ｔ７１４で画素メモリ２０３Ｂの電荷がＦＤ２０５に転送され、垂直信号線１０２の電位Ｖｌが画素信号に応じた電位になるとともに、比較器１０６のリセットがなされる。次いで、時刻ｔ７１５からｔ７１８において、画素信号Ｓ（Ｂ）のＡＤ変換を行う（第１のＡＤ変換モード）。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ７１７でＳ（Ｂ）読みが終了する。次いで、時刻ｔ７１８にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。

図８は、第２の実施形態の第２の信号読み出しモードにおけるタイミングチャートである。図８において、比較器１０６には第２の信号読み出しモードに応じた参照信号Ｐｓｌｏｐｅ２が入力される。

時刻ｔ８０１で選択パルスＰＳＥＬによりある１行が垂直信号線１０２と接続される。また、時刻ｔ８０２までの間にリセットパルスＰＲＥＳによりＦＤ２０５がリセットされる。次いで、時刻ｔ８０３からｔ８０６において、リセット信号Ｎ（Ａ＋Ｂ）のＡＤ変換を行う。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ２が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ８０５でＮ（Ａ＋Ｂ）読みが終了する。次いで、時刻ｔ８０６にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。また、この動作に並行して、転送パルスＰＴＸ１ＡＢによりＰＤの電荷が画素メモリに転送される。

時刻ｔ８０６で画素メモリ２０３Ａおよび２０３Ｂの電荷がＦＤ２０５に転送され、垂直信号線１０２の電位Ｖｌが画素信号に応じた電位になるとともに、比較器１０６のリセットがなされる。次いで、時刻ｔ８０７からｔ８１０において、画素信号Ｓ（Ａ＋Ｂ）のＡＤ変換を行う（第２のＡＤ変換モード）。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ２が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ８０９でＳ（Ａ＋Ｂ）読みが終了する。次いで、時刻ｔ８１０にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。

例えば、画像処理回路１１４は、読み出されたリセット信号Ｎ（Ａ）、Ｎ（Ｂ）、Ｎ（Ａ＋Ｂ）、画素信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）、Ｓ（Ａ＋Ｂ）について以下の処理を行う。

撮像：Ｓ（Ａ＋Ｂ）−Ｎ（Ａ＋Ｂ）＝Ｓ（ｇ） …（式４）
測距Ａ：Ｓ（Ａ）−Ｎ（Ａ）＝Ｓ（ａ） …（式５）
測距Ｂ：Ｓ（Ｂ）−Ｎ（Ｂ）＝Ｓ（ｂ） …（式６）
式４から求めた信号より撮像画像を生成し、式５および式６で求めた信号を元に焦点検出または測距を行う。また式５と式６を加算することで撮像画像の生成に用いてもよい。

図９は、第２の実施形態における撮像動作の流れを説明するフローチャートである。第２の実施形態は、図５で説明したステップＳ５０４を第１の信号読み出しモードのみで読み出すものである。

図９において、ステップＳ９０１では、静止画、動画撮影等の撮影モード設定、ＡＦや感度などの撮影条件設定が、ユーザーから、あるいは撮像装置から自動でなされる。

ステップＳ９０２において、撮像面位相差ＡＦを実施する撮影モードであるか否かの判定がなされる。ここで撮像面位相差ＡＦを実施しない撮影モードである場合はステップＳ９０３に進み、撮像面位相差ＡＦを実施する撮影モードである場合はステップＳ９０４に進む。

ステップＳ９０３では、第２の信号読み出しモードにより複数のＰＤから合成した信号を取得する。ステップＳ９０４では、第１の信号読み出しモードにより複数のＰＤから独立した信号を取得する。ステップＳ９０５において、ＡＤ変換された信号出力から被写体の焦点位置と合焦のためのレンズ駆動量を算出する。

ステップＳ９０６において、画像信号を表示回路、メモリカード等の記録回路に出力する。ステップＳ９０７において、撮影終了か否かを判定し、継続ならばステップＳ９０８に進みフォーカス駆動や信号の再取得をすることになる。一方終了ならば一連の動作を終了する。

ステップＳ９０８において、再び撮像装置の撮影モード設定の判定を行う。ここで、撮像面位相差ＡＦを実施しない撮影モードである場合はステップＳ９０２に戻り、上記動作の繰り返しを行う。この場合はＡＦや感度などの再設定のためにＳ９０１まで戻ることも可能である。一方、撮像面ＡＦを実施する撮影モードである場合はステップＳ９０９に進む。

ステップＳ９０９において、ステップＳ９０５で算出したレンズ駆動量に応じて実際にレンズ（フォーカス）を駆動する。その後、ステップＳ９０２に戻り、上記動作の繰り返しを行う。この場合はＡＦや感度などの再設定のためにステップＳ９０１まで戻ることも可能である。

第１の実施形態では（Ａ＋Ｂ）像信号からＡ像信号を差し引くことでＢ像信号を生成するように構成したが、第２の実施形態ではＡ像信号とＢ像信号を独立に取得することで、そのまま焦点検出に適用可能な構成とした。この構成では、後段の画像処理回路でＡ像信号とＢ像信号を加算することでＡ＋Ｂ像信号を撮影画像として用いることができる。

以上のように、第１及び第２の実施形態においては複数の光電変換部で生成された信号を独立に読み出す場合に分解能を１／２としたスロープ波形を用いた。これは分解能が低くても相関演算により要求精度を満たすことが可能であるためである。またＡ像信号とＢ像信号の分解能はそれぞれ１／２となるが、加算処理により画像生成に使用される（Ａ＋Ｂ）像信号として要求される精度を満たすことが可能である。

（第３の実施形態）
図１０は、第３の実施形態における単位画素１０１の構成の一例を示す回路図である。第３の実施形態は単位画素１０１の構成が異なり、１つのＰＤ１００１を有する。

ＰＤ１００１は、第１転送スイッチ１００２Ａを介して画素メモリ１００３Ａに、また、第１転送スイッチ１００２Ｂを介して画素メモリ１００３Ｂに接続される。このＰＤは、２つの転送スイッチが接続された、いわゆる光走行時間法が適用可能な構成となっている。ここで、第１転送スイッチ１００２Ａは転送パルスＰＴＸ１Ａにより、また、第１転送スイッチ１００２Ｂは転送パルスＰＴＸ１Ｂによって制御される。本実施形態では、第１転送スイッチ１００２Ａ側の信号をＡ信号、第１転送スイッチ１００２Ｂ側の信号をＢ信号と定義する。

さらに画素メモリ１００３Ａは、第２転送スイッチ１００４Ａを介して、同じく画素メモリ１００３Ｂは第２転送スイッチ１００４Ｂを介して共有されたＦＤ１００５へ接続される。ここで、第２転送スイッチ１００４Ａは転送パルスＰＴＸ２Ａにより、また、第２転送スイッチ１００４Ｂは転送パルスＰＴＸ２Ｂによって制御される。

リセットスイッチ１００６は、リセットパルスＰＲＥＳによって制御され、ＦＤ１００５に基準電位ＶＤＤを供給する。画素アンプ１００７は、ＭＯＳトランジスタと基準電位ＶＤＤからなるソースフォロア回路である。選択スイッチ１００８は、選択パルスＰＳＥＬによって制御され、画素アンプ１００７の電位変動を垂直信号線１０２から列回路へ出力する。

さらに、図１で示したように、第３の実施形態の撮像装置は、被写体へ赤外線などによるパルス光を投射する投光器１１５を備えている。投光器１１５は、投光パルスＰＬＩＧＨＴによって制御される。

第３の実施形態における撮像装置は、１つのＰＤから１つの信号を取得する第３の信号読み出しモードと、１つのＰＤから独立した複数の信号を取得する第４の信号読み出しモードとを備える。図１１、図１２は第３の実施形態における撮像装置の読み出し動作とＡＤ変換動作を示すタイミングチャートであり、ある１行を読み出す際の制御パルスと垂直信号線電位、および参照信号とカウント値を示すものである。

まず、第３の信号読み出しモード時におけるタイミングチャートを図１１に示す。図１１において、比較器１０６には第１の実施形態で説明した参照信号Ｐｓｌｏｐｅ２が入力される。

時刻ｔ１１０１で選択パルスＰＳＥＬにより、ある１行が垂直信号線１０２と接続される。また、時刻ｔ１１０２までの間にリセットパルスＰＲＥＳによりＦＤ１００５がリセットされる。次いで、時刻ｔ１１０３からｔ１１０６において、リセット信号ＮのＡＤ変換を行う。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ２が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ１１０５でＮ読みが終了する。次いで、時刻ｔ１１０６にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。また、この動作に並行して、転送パルスＰＴＸ１ＡによりＰＤの電荷が画素メモリに転送される。

時刻ｔ１１０６で画素メモリ１００３Ａの電荷がＦＤ１００５に転送され、垂直信号線１０２の電位Ｖｌが画素信号に応じた電位になるとともに、比較器１０６のリセットがなされる。次いで、時刻ｔ１１０７からｔ１１１０において、画素信号ＳのＡＤ変換を行う（第２のＡＤ変換モード）。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ２が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ１１０９でＳ読みが終了する。次いで、時刻ｔ１１１０にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。

このように、第３の信号読み出しモードでは、光電変換部で生成された信号を１つの転送スイッチを用いて単位画素あたり１つの画素信号として出力する。このモードは、光走行時間法を行わない通常の静止画像や動画像を取得する場合に適用されるものである。

なお、ここでは、第３の信号読み出しモードにおいて、ＰＤ１００１で発生した電荷は、第１転送スイッチ１００２Ａを介して画素メモリ１００３Ａに転送され、さらに、第２転送スイッチ１００４Ａを介してＦＤ１００５に転送されることで画素信号を読み出す例について説明したが、これに限定されるものではない。

すなわち、第３の信号読み出しモードにおいて、ＰＤ１００１で発生した電荷は、第１転送スイッチ１００２Ａを介して画素メモリ１００３Ａに転送され、それと同時に、第１転送スイッチ１００２Ｂを介して画素メモリ１００３Ｂに転送される。さらに、画素メモリ１００３Ａに保持された電荷は、第２転送スイッチ１００４Ａを介してＦＤ１００５に転送され、それと同時に画素メモリ１００３Ｂが第２転送スイッチ１００４Ｂを介してＦＤ１００５へ転送されるように構成してもかまわない。

次に、上述した第４の信号読み出しモード時におけるタイミングチャートを図１２に示す。図１２において、比較器１０６には、第１の実施形態で説明した参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１が入力される。

時刻ｔ１２０１で選択パルスＰＳＥＬにより、ある１行が垂直信号線１０２と接続される。また、時刻ｔ１２０２までの間にリセットパルスＰＲＥＳによりＦＤ１００５がリセットされる。

次いで、時刻ｔ１２０３からｔ１２１０において、リセット信号Ｎ（Ａ）のＡＤ変換を行う。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ１２０５でＮ（Ａ）読みが終了する。次いで、時刻ｔ１２１０にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。

また、この動作に並行して以下の光走行時間測距が実施される。時刻ｔ１２０５で転送パルスＰＴＸ１ＡをＨｉとし、ＰＤ１００１に蓄積された光電荷を一方の画素メモリ１００３Ａに転送開始する。その後、時刻ｔ１２０６で投光パルスＰＬＩＧＨＴをＨｉとすることで投光を開始する。さらに、時刻ｔ１２０７で転送パルスＰＴＸ１ＡをＬｏとするのと同時に転送パルスＰＴＸ１ＢをＨｉとし、ＰＤ１００１に蓄積された光電荷を他方の画素メモリ１００３Ｂに転送開始する。そして、時刻ｔ１２０８で投光パルスＰＬＩＧＨＴをＬｏとすることで投光を終了し、時刻ｔ１２０９で転送パルスＰＴＸ１ＢをＬｏとすることで転送を終了する。

続いて、時刻ｔ１２１０で画素メモリ１００３Ａの電荷がＦＤ１００５に転送され、垂直信号線１０２の電位Ｖｌが画素信号に応じた電位になるとともに、比較器１０６のリセットがなされる。次いで、時刻ｔ１２１１から時刻ｔ１２１４において、画素信号Ｓ（Ａ）のＡＤ変換を行う（第１のＡＤ変換モード）。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ１２１３でＳ（Ａ）読みが終了する。次いで、時刻ｔ１２１４にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。

時刻ｔ１２１４でリセットパルスＰＲＥＳによりＦＤ１００５がリセットされ、垂直信号線１０２の電位Ｖｌがリセット信号に応じた電位になるとともに、比較器１０６のリセットがなされる。次いで、時刻ｔ１２１５から時刻ｔ１２１８において、リセット信号Ｎ（Ｂ）のＡＤ変換を行う。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ１２１７でＮ（Ｂ）読みが終了する。次いで、時刻ｔ１２１８にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。

時刻ｔ１２１８で画素メモリ１００３Ｂの電荷がＦＤ１００５に転送され、垂直信号線１０２の電位Ｖｌが画素信号に応じた電位になるとともに、比較器１０６のリセットがなされる。次いで、時刻ｔ１２１９から時刻ｔ１２２２において、画素信号Ｓ（Ｂ）のＡＤ変換を行う（第１のＡＤ変換モード）。その後、参照信号Ｐｓｌｏｐｅ１が所定の上限値に達するまで遷移して時刻ｔ１２２１でＳ（Ｂ）読みが終了する。次いで、時刻ｔ１２２２にかけてカウンタ値を列方向に順次走査し、画像処理回路１１４において所定の処理が施される。

このように、第４の信号読み出しモードでは、光電変換部で生成された信号を２つの転送スイッチを用いて時系列的に読み出すことで、複数の時分割信号として出力する。このモードは、光走行時間法による距離情報を取得する場合に適用されるものである。

例えば、画像処理回路１１４は、読み出されたリセット信号Ｎ（Ａ），Ｎ（Ｂ），Ｎ，画素信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ），Ｓについて以下の処理を行う。

撮像：Ｓ−Ｎ＝Ｓ（ｇ） …（式７）
測距Ａ：Ｓ（Ａ）−Ｎ（Ａ）＝Ｓ（ａ） …（式８）
測距Ｂ：Ｓ（Ｂ）−Ｎ（Ｂ）＝Ｓ（ｂ） …（式９）
式７から求めた信号より撮像画像を生成し、式８および式９で求めた信号を元に焦点検出または測距を行う。

ここで参考までに、本実施形態における光走行時間測距の原理について、図１３を用いて説明する。この場合、パルス光の投射に同期して１つのＰＤに接続された２つの転送スイッチを順次駆動する。図１３において、パルスＰＬＩＧＨＴは、図１における投光器１１５の投光パルスである。また、パルスＰＴＸＡ、ＰＴＸＢは、図１０における第１の転送スイッチ１００２Ａ、１００２Ｂの転送パルスＰＴＸ１Ａ、ＰＴＸ１Ｂである。

例えば、時刻ｔ１でパルスＰＴＸＡをＨｉとし、時刻ｔ３でＬｏとするのと同時にパルスＰＴＸＢをＨｉ、時刻ｔ５でＬｏとする。ここで、両者のＨｉ期間は等しく、それぞれのＨｉ期間中の時刻ｔ２と時刻ｔ４で投光パルスＰＬＩＧＨＴによりパルス光が投射される。

被写体までの距離がゼロならば、反射光は投光パルスＰＬＩＧＨＴと同時に受光され、さらに、上記した時刻ｔ２と時刻ｔ４がそれぞれ時刻ｔ１と時刻ｔ３、時刻ｔ３と時刻ｔ５の中間に設定された場合、パルスＰＴＸＡとＰＴＸＢは等しい信号を出力する。しかし、被写体までの距離がゼロでない場合、図１３のように反射光は（ｔ２‘−ｔ２）分だけ遅れて受光される。その結果、パルスＰＴＸＡがＨｉの期間では（ｔ３−ｔ２’）分の信号を、パルスＰＴＸＢがＨｉの期間では（ｔ４‘−ｔ３）分の信号を受光することになり、両者に偏りが生じる。この信号の比から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から被写体までの距離を算出することができる。例えば、前述のように、時刻ｔ２と時刻ｔ４がそれぞれ時刻ｔ１と時刻ｔ３、時刻ｔ３と時刻ｔ５の中間に設定された場合、被写体までの距離Ｌは光速をｃとして、Ｌ＝（（ｔ４−ｔ２）ｃ／４）（２Ｒ−１）で表される。ここでＲはＰＴＸＢによって転送された電荷ＱＢの全電荷に対する比であり、Ｒ＝ＱＢ／（ＱＡ＋ＱＢ）＝（ｔ４’−ｔ３）／（ｔ４’−ｔ２’）で表される。

このように、第３の実施形態においても、光電変換部で生成された信号を単位画素あたり単一の信号として読み出す場合と、複数に分割して読み出す場合とに応じて、列ＡＤ変換器の設定を変えるものである。

（第４の実施形態）
第１〜第３の実施形態で説明した撮像装置１１００をデジタルカメラに適用した実施形態について述べる。図１４は、本発明の第４の実施形態におけるデジタルカメラの全体ブロック図である。

撮影レンズ１１１０は、レンズ駆動回路１１０９によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などが行われ、被写体の光学像を撮像装置に結像させる。撮像装置１１００は、第１〜第３の実施形態で説明した構成を有し、撮影レンズ１１１０により結像された被写体を画像信号に変換して出力する。

信号処理回路１１０３は、撮像素子１１００から出力される画像信号に対し、各種補正処理やデータ圧縮処理を施す。タイミング発生回路１１０２は、撮像素子１１００に各種駆動タイミング信号を供給する。全体制御・演算回路１１０４は、各種演算処理を行うとともにデジタルカメラ全体を制御する。

メモリ１１０５は、画像データ等を一時的に記憶する。表示回路１１０６は、各種情報や撮影画像を表示する。半導体メモリ等の着脱可能な記録回路１１０７は、画像データを記録する。操作回路１１０８は、操作者による操作部材の操作を電気的に受け付ける。

以上、本発明の好ましい形態を説明したが、本発明はこれらの形態に限定されるものではなくその要旨の範囲内で変形が可能である。

Claims (5)

1. 被写体にパルス光を投射する投光手段と、
   行列状に配置され、それぞれが光電変換部を有する複数の単位画素と、
   前記光電変換部から複数の信号を取得する測距モードまたは前記光電変換部から１つの信号を取得する撮像モードで、前記複数の単位画素を駆動する駆動手段と、
   第１のＡＤ変換モードまたは前記第１のＡＤ変換モードとは異なる第２のＡＤ変換モードで前記複数の単位画素から出力された信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、
   前記測距モードにおいて、前記投光手段により光を照射した状態で前記単位画素の光電変換部から取得された複数のデジタル信号を用いて前記被写体までの距離を算出する演算手段と、を備え、
   前記ＡＤ変換器は、前記測距モードが設定された場合に前記第１のＡＤ変換モードで動作し、前記撮像モードが設定された場合に前記第２のＡＤ変換モードで動作することを特徴とする撮像装置。
2. 前記第１のＡＤ変換モードと前記第２のＡＤ変換モードとは、ＡＤ変換の分解能が異なることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第２のＡＤ変換モードに対して前記第１のＡＤ変換モードのＡＤ変換の分解能が低いことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記単位画素の各々は、１つのマイクロレンズを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 被写体にパルス光を投射する投光手段と、行列状に配置され、それぞれが光電変換部を有する複数の単位画素と、を備える撮像装置を制御する方法であって、
   前記光電変換部から複数の信号を取得する測距モードまたは前記光電変換部から１つの信号を取得する撮像モードで、前記複数の単位画素を駆動する駆動工程と、
   第１のＡＤ変換モードまたは前記第１のＡＤ変換モードとは異なる第２のＡＤ変換モードで前記複数の単位画素から出力された信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換工程と、
   前記測距モードにおいて、前記投光手段により光を照射した状態で前記単位画素の光電変換部から取得された複数のデジタル信号を用いて前記被写体までの距離を算出する演算工程と、を有し、
   前記ＡＤ変換工程では、前記測距モードが設定された場合に前記第１のＡＤ変換モードで動作し、前記撮像モードが設定された場合に前記第２のＡＤ変換モードで動作することを特徴とする撮像装置の制御方法。

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