JP6482186B2 - 撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、焦点検出情報と画像情報とを出力する撮像装置及びその駆動方法に関する。

位相差検出方式の焦点検出に利用可能な信号を出力する撮像装置として、マイクロレンズ下に１対の光電変換部を配置した画素を２次元マトリクス状に配列したものが提案されている。

特許文献１には、撮像領域に、焦点検出情報と画像情報の両方を取得する焦点検出領域と、画像情報のみを取得する画像領域とを設定した撮像装置が記載されている。この撮像装置では、焦点検出領域の画素からは、１対の光電変換部のうちの一方のみに基づく信号（Ａ信号）と、１対の光電変換部の双方で生じた電荷に基づく信号（Ａ＋Ｂ信号）とを読み出す。その後、これら信号を演算して１対の光電変換部のうちの他方のみに基づく信号（Ｂ信号）を算出し、Ａ信号とＢ信号とを用いて焦点検出を行う。Ａ＋Ｂ信号は、そのまま画像信号として用いられる。また、画像領域の画素からは、Ａ信号の読み出しは行わずにＡ＋Ｂ信号のみを読み出すことで、読み出し時間の短縮化が図られている。

特開２０１３−２１１８３３号公報

しかしながら、焦点検出領域から読み出されるＡ＋Ｂ信号には、画像領域から読み出されるＡ＋Ｂ信号と比較してより多くのノイズ成分が重畳されるため、画質が劣化することがあった。また、１つのフレーム期間において、焦点検出領域と画像領域とで行走査の駆動方法を変える必要があり、制御方法が困難であった。

本発明の目的は、画質を劣化することなく焦点検出用信号と画像取得用信号とを容易に読み出すことができる撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、第１の光電変換部と、第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射光を集光するマイクロレンズとをそれぞれ含む複数の画素が配された画素アレイを有する撮像装置の駆動方法であって、第１のフレーム期間に、前記画素アレイの一部に含まれる複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第１の信号と、少なくとも前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第２の信号とをそれぞれ読み出し、前記第１のフレーム期間とは別の第２のフレーム期間に、前記画素アレイの前記一部とは別の一部に含まれるとともに、前記第１のフレーム期間に信号電荷に基づく信号が読み出されない複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷及び前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第３の信号を読み出す撮像装置の駆動方法が提供される。

また、本発明の他の一観点によれば、第１の光電変換部と、第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射光を集光するマイクロレンズとをそれぞれ含む複数の画素が複数行及び複数列に渡って配された画素アレイを有する撮像装置の駆動方法であって、前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第１の信号と、少なくとも前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第２の信号とをそれぞれ読み出す動作を、前記複数行のうちの第１行と、他の複数の行を間に含むように前記第１行から離間した第２行とのそれぞれを含む複数の行に対して順次行う第１走査と、前記第１走査の後に行う走査であって、前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷及び前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第３の信号を読み出す動作を、前記他の複数の行のうち、前記第１走査において選択された行とは異なる複数の行に対して順次行う第２走査と、を含む撮像装置の駆動方法が提供される。
また、本発明の更に他の一観点によれば、第１の光電変換部と、第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射光を集光するマイクロレンズとをそれぞれ含む複数の画素が複数行及び複数列に渡って配された画素アレイを有する撮像装置の駆動方法であって、前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第１の信号と、少なくとも前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第２の信号とをそれぞれ読み出す動作を、前記複数行に含まれる複数の行に対して順次行う第１走査と、前記第１走査の後に行う走査であって、前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷及び前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第３の信号を読み出す動作を、前記複数行のうち、前記複数の行よりも少ない行に対して順次行う第２走査と、を含む撮像装置の駆動方法が提供される。

また、本発明の更に他の一観点によれば、第１の光電変換部と、第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射光を集光するマイクロレンズとをそれぞれ含む複数の画素が配された画素アレイと、前記画素アレイの一部に含まれる複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第１の信号と、少なくとも前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第２の信号とを読み出す第１のフレーム期間と、前記第１のフレーム期間とは別のフレーム期間であって、前記画素アレイの前記一部とは別の一部に含まれるとともに、前記第１のフレーム期間に信号電荷に基づく信号が読み出されない複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷及び前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第３の信号を読み出す第２のフレーム期間と、を実行するように構成された走査回路部とを有する撮像装置が提供される。

また、本発明の更に他の一観点によれば、第１の光電変換部と、第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射光を集光するマイクロレンズとをそれぞれ含む複数の画素が複数行及び複数列に渡って配された画素アレイと、前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第１の信号と、少なくとも前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第２の信号とをそれぞれ読み出す動作を、前記複数行のうちの第１行と、他の複数の行を間に含むように前記第１行から離間した第２行とのそれぞれを含む複数の行に対して順次行う第１走査と、前記第１走査の後に行う走査であって、前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷及び前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第３の信号を読み出す動作を、前記他の複数の行のうち、前記第１走査において選択された行とは異なる複数の行に対して順次行う第２走査と、を実行するように構成された走査回路部とを有する撮像装置が提供される。
また、本発明の更に他の一観点によれば、第１の光電変換部と、第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射光を集光するマイクロレンズとをそれぞれ含む複数の画素が複数行及び複数列に渡って配された画素アレイと、前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第１の信号と、少なくとも前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第２の信号とをそれぞれ読み出す動作を、前記複数行に含まれる複数の行に対して順次行う第１走査と、前記第１走査の後に行う走査であって、前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷及び前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第３の信号を読み出す動作を、前記複数行のうち、前記複数の行よりも少ない行に対して順次行う第２走査と、を実行するように構成された走査回路部とを有する撮像装置が提供される。

本発明によれば、一対の光電変換部を備える画素を複数有する撮像装置において、画質を劣化することなく焦点検出用信号及び画像取得用信号の双方を容易に読み出すことができる。

図１は、本発明の第１実施形態による撮像装置の構成を示す回路図である。 図２は、本発明の第１実施形態による撮像装置の画素部の構成を示す平面図及び断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図（その１）である。 図４は、本発明の第１実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図（その２）である。 図５は、本発明の第１実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図（その３）である。 図６は、本発明の第２実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。 図７は、本発明の第３実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。 図８は、本発明の第４実施形態による撮像システムの構成を示す概略図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による撮像装置及びその駆動方法について図１乃至図５を用いて説明する。

図１は、本実施形態による撮像装置の構成を示す回路図である。図２は、本実施形態による撮像装置の画素の構成を示す平面図及び断面図である。図３乃至図５は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。

はじめに、本実施形態による撮像装置の構成の概略について図１及び図２を用いて説明する。

本実施形態による撮像装置１００は、図１に示すように、画素アレイ１０、信号処理回路４０、垂直走査回路１２、水平走査回路１４、タイミングジェネレータ（以下、「ＴＧ」と表す）１６、ランプ信号発生回路５２を有している。

画素アレイ１０は、行方向及び列方向に沿って２次元マトリクス状に配列された複数の画素２０を有している。図１には図面の簡略化のために２行２列の画素アレイ１０を示しているが、行方向及び列方向に配置される画素２０の数は特に限定されるものではない。なお、本明細書において、行方向とは図面において横方向を示し、列方向とは図面において縦方向を示すものとする。一例では、行方向が撮像装置における水平方向に対応し、列方向が撮像装置における垂直方向に対応する。

画素２０は、フォトダイオード２２，２６、転送ＭＯＳトランジスタ２４，２８、リセットＭＯＳトランジスタ３０、増幅ＭＯＳトランジスタ３２、選択ＭＯＳトランジスタ３４を、それぞれ有している。

第１の光電変換部を構成するフォトダイオード２２のアノードは接地電圧線に接続され、カソードは転送ＭＯＳトランジスタ２４のソースに接続されている。第２の光電変換部を構成するフォトダイオード２６のアノードは接地電圧線に接続され、カソードは転送ＭＯＳトランジスタ２８のソースに接続されている。転送ＭＯＳトランジスタ２４，２８のドレインは、リセットＭＯＳトランジスタ３０のソース及び増幅ＭＯＳトランジスタ３２のゲートに接続されている。転送ＭＯＳトランジスタ２４，２８のドレイン、リセットＭＯＳトランジスタ３０のソース及び増幅ＭＯＳトランジスタ３２のゲートの接続ノードは、フローティングディフュージョン領域（以下、「ＦＤ領域」という）３６を構成する。リセットＭＯＳトランジスタ３０及び増幅ＭＯＳトランジスタ３２のドレインは、電源電圧線に接続されている。増幅ＭＯＳトランジスタ３２のソースは、選択ＭＯＳトランジスタ３４のドレインに接続されている。転送ＭＯＳトランジスタ２４，２８、リセットＭＯＳトランジスタ３０、増幅ＭＯＳトランジスタ３２、選択ＭＯＳトランジスタ３４は、フォトダイオード２２，２６において生成された電荷に基づく画素信号を読み出すための画素内読み出し回路を構成する。

なお、トランジスタのソースとドレインの呼称は、トランジスタの導電型や着目する機能等に応じて異なることがあり、上述のソースとドレインとは逆の名称で呼ばれることもある。

図２（ａ）は画素アレイ１０の上面模式図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。図１に示す回路構成の画素アレイ１０は、例えば図２（ａ）に示す平面レイアウトによって実現することができる。図２（ａ）において点線で囲まれた単位領域が、単位画素（画素２０）である。各画素２０上には、マイクロレンズ６０がそれぞれ配置されている。フォトダイオード２２，２６とマイクロレンズ６０との間には、図２（ｂ）に示すように、カラーフィルタ６２が配置されている。

本明細書において、１つの画素２０が有するフォトダイオード２２，２６を一括して示す際は、「受光部」と表記するものとする。１つのマイクロレンズ６０は、１つの受光部を覆うように配置され、光束を受光部に集光する。つまり、１つのマイクロレンズ６０は１つの受光部に対応して設けられている。また、１つのマイクロレンズ６０によって集光された光は、１つのマイクロレンズ６０に対応して設けられた画素２０が有する複数の光電変換部に入射する。本実施形態の撮像装置１００は、複数のマイクロレンズ６０を有するマイクロレンズアレイを有する。

画素アレイ１０の各行には、行方向に延在して、信号線ＴＸ１、信号線ＴＸ２、信号線ＲＥＳ、信号線ＳＥＬが、それぞれ配置されている。信号線ＴＸ１は、行方向に並ぶ画素２０の転送ＭＯＳトランジスタ２４のゲートにそれぞれ接続され、これら画素２０に共通の信号線をなしている。信号線ＴＸ２は、行方向に並ぶ画素２０の転送ＭＯＳトランジスタ２８のゲートにそれぞれ接続され、これら画素２０に共通の信号線をなしている。信号線ＲＥＳは、行方向に並ぶ画素２０のリセットＭＯＳトランジスタ３０のゲートにそれぞれ接続され、これら画素２０に共通の信号線をなしている。信号線ＳＥＬは、行方向に並ぶ画素２０の選択ＭＯＳトランジスタ３４のゲートにそれぞれ接続され、これら画素２０に共通の信号線をなしている。なお、図１では、各信号線の名称に、行番号に対応した番号をそれぞれ付記している（例えば、ＲＥＳ１，ＲＥＳ２、ＴＸ１１，ＴＸ１２）。

垂直走査回路１２は、ＴＧ１６からのタイミング信号に基づいて画素２０を行ごとに選択して、画素２０から画素信号を出力させるものである。信号線ＴＸ１、信号線ＴＸ２、信号線ＲＥＳ、信号線ＳＥＬは、垂直走査回路１２に接続されている。信号線ＴＸ１には、垂直走査回路１２から、転送ＭＯＳトランジスタ２４を駆動するための転送パルス信号ＰＴＸ１が出力される。信号線ＴＸ２には、垂直走査回路１２から、転送ＭＯＳトランジスタ２８を駆動するための転送パルス信号ＰＴＸ２が出力される。信号線ＲＥＳには、垂直走査回路１２から、リセットＭＯＳトランジスタ３０を駆動するためのリセットパルス信号ＰＲＥＳが出力される。信号線ＳＥＬには、垂直走査回路１２から、選択パルス信号ＰＳＥＬが出力される。これら信号線にＨｉｇｈレベル（以下、「Ｈレベル」と表記する）の信号が印加されると、対応するトランジスタが導通状態（オン状態）となる。また、Ｌｏｗレベル（以下、「Ｌレベル」と表記する）の信号が印加されると、対応するトランジスタが非導通状態（オフ状態）となる。

画素アレイ１０の各列には、列方向に延在して、垂直信号線３８がそれぞれ配置されている。垂直信号線３８は、列方向に並ぶ画素２０のそれぞれの選択ＭＯＳトランジスタ３４のソースに接続され、これら画素２０に共通の信号線をなしている。各列の垂直信号線３８には、信号処理回路４０と電流源４２とが、それぞれ接続されている。

信号処理回路４０は、画素アレイ１０から出力された画素信号を処理するためのものである。信号処理回路４０は、図１に示すように、クランプ容量Ｃ０，Ｃ３，Ｃ４、フィードバック容量Ｃ２、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３、オペアンプ４４、比較回路４６、カウンタ回路４８、メモリ５０を、それぞれ有している。

オペアンプ４４の反転入力端子は、クランプ容量Ｃ０を介して垂直信号線３８に接続されている。オペアンプ４４の正転入力端子には、基準電圧Ｖｒｅｆが与えられている。オペアンプ４４の反転入力端子と出力端子との間には、フィードバック容量Ｃ２とスイッチＳＷ１とが並列に接続されている。オペアンプ４４の出力端子は、クランプ容量Ｃ３を介して比較回路４６の一方の入力端子に接続されている。クランプ容量Ｃ３と比較回路４６との接続ノードと、固定電圧線（例えば、電源電圧線）との間には、スイッチＳＷ２が接続されている。比較回路４６の他方の入力端子には、クランプ容量Ｃ４を介してランプ信号発生回路５２が接続されている。ランプ信号発生回路５２は、ＴＧ１６からのタイミング信号に基づいて、信号処理回路４０における画素信号の処理の際に用いられるランプ信号を発生するための回路である。クランプ容量Ｃ４と比較回路４６との接続ノードと、固定電圧線（例えば、電源電圧線）との間には、スイッチＳＷ３が接続されている。比較回路４６の出力端子には、カウンタ回路４８が接続されている。カウンタ回路４８には、ＴＧ１６とメモリ５０とが接続されている。メモリ５０には、水平走査回路１４が接続されている。

スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３には、これらスイッチのオン／オフを切り替えるためのスイッチパルス信号ＰＳＷ１，ＰＳＷ２，ＰＳＷ３が、それぞれ印加される。これら信号がＨレベルのときに対応するスイッチは導通状態（オン状態）となり、これら信号線がＬレベルのときに対応するスイッチは非導通状態（オフ状態）となる。

次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について図１乃至図５を用いて説明する。

本実施形態による撮像装置の駆動方法は、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出すフレーム期間を実行するステップと、画像取得用信号のみを読み出すフレーム期間を実行するステップとを含む。

まず、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出すフレーム期間における読み出し動作について、図３を用いて説明する。なお、図３において、信号ＨＤは行の識別信号を表し、信号Ｖ１はオペアンプ４４の出力を表し、信号ＶＲＡＭＰはランプ信号発生回路５２から出力されるランプ信号を表し、信号ＬＡＴは比較回路４６から出力されるラッチ信号を表す。

まず、時刻ｔ１１において、信号ＨＤがＨレベルとされ、１行目の画素２０からの読み出し動作が開始される。

信号ＨＤに応じて、垂直走査回路１２は、同じく時刻ｔ１１において、信号線ＲＥＳにＨレベルのリセットパルス信号ＰＲＥＳを出力し、リセットＭＯＳトランジスタ３０をオン状態とする。これにより、増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードがリセットＭＯＳトランジスタ３０を介して電源電圧線に電気的に接続され、増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードがリセットレベルの電位にリセットされる。

また、同じく時刻ｔ１１において、垂直走査回路１２は、信号線ＳＥＬにＨレベルの選択パルス信号ＰＳＥＬを出力し、選択ＭＯＳトランジスタ３４をオン状態とする。これにより、増幅ＭＯＳトランジスタ３２は、ソースには垂直信号線３８及び選択ＭＯＳトランジスタ３４を介して電流源４２からバイアス電流が供給された状態となり、ソースフォロワ回路を構成する。そしてこれによって、垂直信号線３８には、増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードがリセットレベルの電位であるときの画素信号が、選択ＭＯＳトランジスタ３４を介して出力される。

また、同じく時刻ｔ１１において、スイッチパルス信号ＰＳＷ１，ＰＳＷ２，ＰＳＷ３をＨレベルとし、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３をオン状態とする。これにより、オペアンプ４４の出力端子と入力端子とを短絡状態としてオペアンプ４４をリセットするとともに、クランプ容量Ｃ４、Ｃ３をリセットする。

次いで、時刻ｔ１２において、リセットパルス信号ＰＲＥＳをＬレベルとし、リセットＭＯＳトランジスタ３０をオフ状態とする。リセットパルス信号ＰＲＥＳがＨレベルからＬレベルに遷移するとき、リセットＭＯＳトランジスタ３０で生じるチャージインジェクションによって増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードの電位が変化する。これにより、垂直信号線３８に出力される画素信号の信号レベルも変化する。この時刻ｔ１２において出力される画素信号を、以下、「Ｎ信号」と表記する。また、同じく時刻ｔ１２において、スイッチパルス信号ＰＳＷ１，ＰＳＷ２，ＰＳＷ３をＬレベルとする。これにより、クランプ容量Ｃ０，Ｃ３，Ｃ４には、スイッチパルス信号ＰＳＷ１，ＰＳＷ２，ＰＳＷ３がＬレベルになるときの電位が、それぞれ保持される。

垂直信号線３８に出力された画素２０からの画素信号は、クランプ容量Ｃ０を介してオペアンプ４４の反転入力端子に入力される。これにより、オペアンプ４４は、クランプ容量Ｃ０を介して垂直信号線３８から与えられた画素信号を増幅し、クランプ容量Ｃ３に出力する。このとき、オペアンプ４４の帰還経路にはフィードバック容量Ｃ１が接続されているため、クランプ容量Ｃ０とフィードバック容量Ｃ２との比によってゲインが決定される。クランプ容量Ｃ３に与えられる信号には、クランプ容量Ｃ０を介して画素２０から入力された信号をオペアンプ４４が増幅した信号に、オペアンプ４４のオフセット信号Ｖｏｆｆが重畳されている。比較回路４６には、オペアンプ４４から出力された信号がクランプ容量Ｃ３を介して入力される。

次いで、時刻ｔ１３において、ランプ信号発生回路５２は、クランプ容量Ｃ４を介して比較回路４６へ供給するランプ信号ＶＲＡＭＰの増加を開始する。ここで、ランプ信号ＶＲＡＭＰとは、時間に依存して電圧値が徐々に変化（増加）する信号である。ランプ信号ＶＲＡＭＰは、比較回路４６においてアナログ信号と比較される参照信号の一例である。

比較回路４６は、クランプ容量Ｃ３を介してオペアンプ４４から入力された信号と、クランプ容量Ｃ４を介してランプ信号発生回路５２から供給されたランプ信号ＶＲＡＭＰとの比較動作を開始する。比較回路４６は、比較結果に基づく信号であるラッチ信号ＬＡＴをカウンタ回路４８に出力する。すなわち、比較回路４６は、ランプ信号ＶＲＡＭＰとオペアンプ４４から出力される信号との大小関係が逆転したときに、カウンタ回路４８に出力するラッチ信号ＬＡＴの信号レベルをＬレベルからＨレベルに変化する。

カウンタ回路４８には、ＴＧ１６からクロックパルス信号ＣＬＫが入力されている。カウンタ回路４８は、ランプ信号発生回路５２がランプ信号ＶＲＡＭＰの電圧値の増加を開始すると同時にクロックパルス信号ＣＬＫの計数を開始し、計数結果であるカウント信号をメモリ５０に出力する。そして、比較回路４６から出力されるラッチ信号ＬＡＴがＨレベルに変化したとき、カウンタ回路４８はクロックパルス信号ＣＬＫの計数を終了し、メモリ５０はラッチ信号ＬＡＴが変化したときのカウント信号を保持する。

例えば、クランプ容量Ｃ３を介してオペアンプ４４から入力された信号と、クランプ容量Ｃ４を介して入力されたランプ信号ＶＲＡＭＰとの大小関係が、時刻ｔ１４において逆転したものとする。すると、比較回路４６は、カウンタ回路４８にＨレベルのラッチ信号ＬＡＴを出力する。このＨレベルのラッチ信号ＬＡＴを受けたカウンタ回路４８は、カウント信号のメモリ５０への出力を停止する。メモリ５０は、この時刻ｔ１４でのカウント信号を保持する。ランプ信号発生回路５２は、時刻ｔ１５でランプ信号ＶＲＡＭＰを増加するのを終了する。なお、本例では、Ｈレベルのラッチ信号ＬＡＴを受けたカウンタ回路４８は、カウント信号のメモリ５０への出力を停止するが、カウンタ回路４８は、Ｈレベルのラッチ信号ＬＡＴを受けると、カウント動作を停止するように構成しても良い。以下で説明する動作についても同様である。

なお、後述するＳ信号をデジタル信号に変換する場合と比較して、このＮ信号をデジタル信号に変換する場合には、ランプ信号ＶＲＡＭＰを変化させる期間を短縮している。これは、一般的に、Ｎ信号はノイズ成分やオフセット成分が主であるために、Ｎ信号の信号範囲がＳ信号の信号範囲よりも狭いことによるものである。したがって、ランプ信号ＶＲＡＭＰを変化させる期間をより短いものとすることが可能である。このようにすることによって、１行の画素が出力する画素信号の変換動作に要する時間を短縮することができる。

この時刻ｔ１３から時刻ｔ１５までにおいて行われる比較回路４６、カウンタ回路４８、メモリ５０の動作によって、オペアンプ４４からクランプ容量Ｃ３を介して出力されたアナログ信号が、デジタル信号に変換される。時刻ｔ１３から時刻ｔ１５までにおいて行う、比較回路４６、カウンタ回路４８、メモリ５０が行う動作を総称して、以下、「Ｎ変換」と表記する。このＮ変換によってメモリ５０に保持されたデジタル信号が、デジタルＮ信号である。

次いで、時刻ｔ１６において、垂直走査回路１２は、信号線ＴＸ１にＨレベルの転送パルス信号ＰＴＸ１を出力し、転送ＭＯＳトランジスタ２４をオン状態とする。これにより、フォトダイオード２２において光電変換により生成された信号電荷が増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードに転送される。そして、垂直信号線３８には、フォトダイオード２２から転送された信号電荷の量に応じた増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードの電位に基づく画素信号が、選択ＭＯＳトランジスタ３４を介して出力される。この画素信号を、以下、「Ａ信号」と表記する。

本明細書では、受光部が入射光を光電変換した信号電荷を保持した増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードの電位に基づいて垂直信号線３８に出力される画素信号を、以下、「Ｓ信号」と表記する。Ｓ信号には、上述のＡ信号と、後述するＡ＋Ｂ信号とが含まれる。本実施形態による撮像装置の駆動方法では、Ｓ信号としてＡ信号とＡ＋Ｂ信号とを時分割で出力する。

画素２０からＡ信号を垂直信号線３８を介してクランプ容量Ｃ０に出力した後、転送パルス信号ＰＴＸ１をＬレベルとする。オペアンプ４４は、画素２０からクランプ容量Ｃ０を介して入力されるＡ信号を増幅し、クランプ容量Ｃ３を介して比較回路４６に出力する。

次いで、時刻ｔ１７において、ランプ信号発生回路５２は、クランプ容量Ｃ４を介して比較回路４６へ供給するランプ信号ＶＲＡＭＰの増加を開始する。また、比較回路４６は、オペアンプ４４からクランプ容量Ｃ３を介して入力された信号とランプ信号ＶＲＡＭＰとの比較動作を開始する。また、カウンタ回路４８も、先のＮ信号の場合と同様に、ランプ信号ＶＲＡＭＰが信号レベルの増加を開始すると同時にクロックパルス信号ＣＬＫの計数を開始する。

例えば、クランプ容量Ｃ３を介してオペアンプ４４から入力された信号と、クランプ容量Ｃ４を介して入力されたランプ信号ＶＲＡＭＰとの大小関係が、時刻ｔ１８において逆転したものとする。すると、比較回路４６は、カウンタ回路４８にＨレベルのラッチ信号ＬＡＴを出力する。このラッチ信号ＬＡＴを受けたカウンタ回路４８は、カウント信号のメモリ５０への出力を停止する。メモリ５０は、この時刻ｔ１８でのカウント信号を保持する。ランプ信号発生回路５２は、時刻ｔ１９でランプ信号ＶＲＡＭＰを増加するのを終了する。

この時刻ｔ１７から時刻ｔ１９までにおいて行われる比較回路４６、カウンタ回路４８、メモリ５０の動作によって、オペアンプ４４からクランプ容量Ｃ３を介して出力されたアナログ信号が、デジタル信号に変換される。時刻ｔ１７から時刻ｔ１９までにおいて行う、比較回路４６、カウンタ回路４８、メモリ５０が行う動作を総称して、以下、「Ａ変換」と表記する。このＡ変換によってメモリ５０に保持されたデジタル信号が、デジタルＡ信号である。

次いで、時刻ｔ２０において、メモリ５０に保持されたデジタルＮ信号及びデジタルＡ信号を、出力信号ＳＩＧＯＵＴとして、メモリ５０から撮像装置の外部へ転送する。ここで、撮像装置の外部とは、例えば後述の第４実施形態において説明する、撮像システム８００の映像信号処理部８３０（図８参照）が該当する。なお、映像信号処理部８３０は、撮像装置の一部、すなわち、撮像装置と同一のチップ上に配置されていてもよい。水平走査回路１４は、ＴＧ１６からのタイミング信号に基づいて各列のメモリ５０を順次選択し、各列のメモリ５０が保持しているデジタルＮ信号及びデジタルＡ信号を、映像信号処理部８３０へ順次転送する。

なお、本実施形態では、デジタルＮ信号及びデジタルＡ信号の撮像装置の外部への転送を時刻ｔ２０から行っているが、後述する時刻ｔ２１の動作と順番が前後しても差し支えない。デジタルＡ信号及びデジタルＮ信号の転送は、後述するＡ＋Ｂ変換が終了する時刻ｔ２４までに終了することが好ましい。これにより、後述するデジタルＡ＋Ｂ信号及びデジタルＮ信号の転送をＡ＋Ｂ変換の終了後に直ちに行うことができるため、読み出し時間を短くすることができる。

次いで、時刻ｔ２１において、垂直走査回路１２は、信号線ＴＸ２にＨレベルの転送パルス信号ＰＴＸ２を出力し、転送ＭＯＳトランジスタ２８をオン状態とする。これにより、フォトダイオード２６において光電変換により生成された信号電荷が増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードに転送される。このとき、増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードには、フォトダイオード２２からの信号電荷がすでに保持されている。したがって、転送パルス信号ＰＴＸ２をＨレベルとすることにより、ＦＤ領域３６には、フォトダイオード２２，２６の両方からの信号電荷が保持されることになる。そしてその結果、垂直信号線３８には、フォトダイオード２２，２６の信号電荷の総量に応じた増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードの電位に基づく画素信号が、選択ＭＯＳトランジスタ３４を介して出力される。この画素信号を、以下、「Ａ＋Ｂ信号」と表記する。

画素２０がＡ＋Ｂ信号を垂直信号線３８を介してクランプ容量Ｃ０に出力した後、転送パルス信号ＰＴＸ２をＬレベルとする。オペアンプ４４は、画素２０からクランプ容量Ｃ０を介して入力されるＡ＋Ｂ信号を増幅し、クランプ容量Ｃ３を介して比較回路４６に出力する。

次いで、時刻ｔ２２において、ランプ信号発生回路５２は、クランプ容量Ｃ４を介して比較回路４６へ供給するランプ信号ＶＲＡＭＰの増加を開始する。また、比較回路４６は、オペアンプ４４からクランプ容量Ｃ３を介して入力された信号とランプ信号ＶＲＡＭＰとの比較動作を開始する。また、カウンタ回路４８も、先のＮ信号の場合と同様に、ランプ信号ＶＲＡＭＰが信号レベルの変化を開始すると同時にクロックパルス信号ＣＬＫの計数を開始する。

例えば、クランプ容量Ｃ３を介してオペアンプ４４から入力された信号と、クランプ容量Ｃ４を介して入力されたランプ信号ＶＲＡＭＰとの大小関係が、時刻ｔ２３において逆転したものとする。すると、比較回路４６は、カウンタ回路４８にＨレベルのラッチ信号ＬＡＴを出力する。このラッチ信号ＬＡＴが出力されたカウンタ回路４８は、カウント信号のメモリ５０への出力を停止する。メモリ５０は、この時刻ｔ２３でのカウント信号を保持する。ランプ信号発生回路５２は、時刻ｔ２４でランプ信号ＶＲＡＭＰを変化させるのを終了する。

この時刻ｔ２２から時刻ｔ２４までにおいて行われる比較回路４６、カウンタ回路４８、メモリ５０の動作によって、オペアンプ４４からクランプ容量Ｃ３を介して出力されたアナログ信号が、デジタル信号に変換される。時刻ｔ２２から時刻ｔ２４までにおいて行う、比較回路４６、カウンタ回路４８、メモリ５０が行う動作を総称して、以下、「Ａ＋Ｂ変換」と表記する。このＡ＋Ｂ変換によってメモリ５０に保持されたデジタル信号が、デジタルＡ＋Ｂ信号である。

次いで、時刻ｔ２５において、Ｎ変換によって得たデジタルＮ信号と、Ａ＋Ｂ変換によって得たデジタルＡ＋Ｂ信号とを、出力信号ＳＩＧＯＵＴとして、メモリ５０から撮像装置の外部、例えば、前述の映像信号処理部８３０に転送する。映像信号処理部８３０は、デジタルＡ信号とデジタルＮ信号との差分、デジタルＡ＋Ｂ信号とデジタルＮ信号との差分を得る処理や、デジタルＡ＋Ｂ信号とデジタルＡ信号との差分を演算して、デジタルＢ信号を得る処理などを行う。なお、デジタルＢ信号とは、フォトダイオード２６のみが保持する信号電荷の量に応じた増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードの電位に基づく画素信号を上記ＡＤ変換手順と同様にデジタル信号に変換した場合に得られるものと想定されるデジタル信号である。

このようにして、フォトダイオード２２において生成された信号電荷に基づく信号、フォトダイオード２６において生成された信号電荷に基づく信号、フォトダイオード２２，２６において生成された信号電荷に基づく信号を得ることができる。

映像信号処理部８３０は、デジタルＡ信号とデジタルＢ信号とを用いて、位相差検出方式の焦点検出を行うことができる。また、デジタルＡ＋Ｂ信号を用いて、画像を形成することができる。また、デジタルＡ信号、デジタルＡ＋Ｂ信号に重畳されている画素２０、オペアンプ４４などから生じるノイズ成分については、デジタルＡ信号とデジタルＡ＋Ｂ信号のそれぞれからデジタルＮ信号を差し引くことによって低減することができる。このような信号処理は、いわゆる相関二重サンプリングと呼ばれるものである。

この後、時刻２６において、信号ＨＤがＨレベルとされ、上述の手順と同様にして２行目以降の画素２０からの読み出し動作が開始される。

このようにして、焦点検出用信号と画像取得用信号とを取得するように定められた総ての行の読み出しを行い、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出すフレーム期間における一連の読み出し動作を完了する。

次に、画像取得用信号のみを読み出すフレーム期間における読み出し動作について、図４を用いて説明する。なお、図４において、信号ＨＤは行の識別信号を表し、信号Ｖ１はオペアンプ４４の出力を表し、信号ＶＲＡＭＰはランプ信号発生回路５２から出力されるランプ信号を表し、信号ＬＡＴは比較回路４６から出力されるラッチ信号を表す。

画像取得用信号のみを読み出すフレーム期間においても、Ｎ変換に関わる動作手順は、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出すフレーム期間における読み出し動作と同様である。すなわち、画像取得用信号のみを読み出すフレーム期間における時刻ｔ３１〜時刻ｔ３５のそれぞれでの動作は、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出すフレーム期間における時刻ｔ１１〜時刻ｔ１５のそれぞれでの動作と同様である。

画像取得用信号のみを読み出す場合は、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出すフレーム期間における、時刻ｔ１６のＡ信号の転送動作、時刻ｔ１７〜時刻ｔ１９のＡ変換の動作は行わない。また、Ａ変換を行わないため、時刻ｔ２０におけるデジタルＡ信号とデジタルＮ信号とを転送する動作についても行わない。つまり、Ｎ変換の後、Ａ＋Ｂ信号を画素２０から出力し、映像信号処理部８３０によってデジタルＡ＋Ｂ信号を得る動作を行う。

これには、まず、時刻ｔ３６において、転送パルス信号ＰＴＸ１，ＰＴＸ２をともにＨレベルとし、転送ＭＯＳトランジスタ２４，２８をオン状態とする。これにより、フォトダイオード２２，２６において光電変換によって生成された信号電荷が、ともに増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードに転送される。そしてその結果、垂直信号線３８には、フォトダイオード２２，２６の信号電荷の総量に応じた増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードの電位に基づく画素信号、すなわちＡ＋Ｂ信号が、選択ＭＯＳトランジスタ３４を介して出力される。

以降、Ａ＋Ｂ信号をデジタル信号に変換するためのＡ＋Ｂ変換に関わる動作手順は、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出すフレーム期間におけるＡ＋Ｂ変換の手順と同様とすることができる。すなわち、画像取得用信号のみを読み出すフレーム期間における時刻ｔ３７〜時刻ｔ３９における動作は、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出すフレーム期間における時刻ｔ２２〜時刻ｔ２４における動作と同様とすることができる。

時刻ｔ４０で行う、Ａ＋Ｂ変換によって得られたデジタルＡ＋Ｂ信号をメモリ５０から転送する動作についても、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出す場合の時刻ｔ２５における動作と同様とすることができる。

このようにして、画像取得用信号のみを取得するように定められた総ての行の読み出しを行い、画像取得用信号のみを読み出すフレーム期間の一連の読み出し動作を完了する。

画像取得用信号のみを読み出すフレーム期間では、Ａ信号の読み出し動作は行わず、Ａ＋Ｂ信号のみの読み出し動作を行う。したがって、画像取得用信号のみを読み出すフレーム期間は、Ａ信号の読み出し動作及びＡ変換の動作を行わない分、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出すフレーム期間に比べて、読み出し時間を短縮することができる。

ここで、図３に示す期間Ｘと、図４に示す期間Ｚとに着目する。期間Ｘは、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出すフレーム期間におけるＮ信号のＡＤ変換からＡ＋Ｂ信号のＡＤ変換までの期間である。期間Ｚは、画像取得用信号のみを読み出すフレーム期間におけるＮ信号のＡＤ変換からＡ＋Ｂ信号のＡＤ変換までの期間である。図３及び図４の比較からも明らかなように、画像取得用信号のみを読み出すフレーム期間における期間Ｚは、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出すフレーム期間における期間Ｘに対して短い。

１／ｆノイズなどのノイズ成分は、ＦＤ領域３６、オペアンプ４４、比較回路４６の入力がフローティング状態の期間が短い程に小さくなる。つまりは、期間Ｘ或いは期間Ｚに相当する期間が短いほど、Ａ＋Ｂ信号に重畳するノイズ成分は小さくなる。例えば、図３及び図４に信号ＶＤＤで表した低周波のノイズが信号に混入した場合、Ｓ信号からＮ信号を差し引いた後に残存するノイズ信号Ｙは、図４の場合の方が小さくなる。このほか、増幅ＭＯＳトランジスタ３２や周辺回路の１/ｆノイズや、リセットＭＯＳトランジスタ３０のリーク電流などにより、期間Ｘ或いは期間Ｚに相当する期間が長い場合には、画質の劣化は大きくなる。

つまり、画像取得用信号のみを読み出すフレーム期間において読み出したＡ＋Ｂ信号に基づいて画像取得用信号を取得することにより、画像取得用信号に重畳するノイズ成分を低減することができる。

次に、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出すフレーム期間と、画像取得用信号のみを読み出すフレーム期間とを含む一連の読み出し動作の構成例について図５を用いて説明する。

図５（ａ）は、１６×１６の画素２０を含む画素アレイ１０を模した平面図であり、図５（ｂ）は、この画素アレイ１０における行ごとの動作順序を示したタイミング図である。図５（ｂ）において、横軸は時間を示しており、縦方向は図５（ａ）の画素アレイ１０の行位置に対応している。

図５（ｂ）中、期間１０１は、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出す行走査を行う期間であり、図３に記載のタイミング図の動作を行う期間に相当する。期間１０３は、画像取得用信号のみを読み出す行走査を行う期間であり、図４に記載のタイミング図の動作を行う期間に相当する。

図５（ｂ）中、信号ＨＤは行の識別信号であり、信号ＨＤがＨレベルになると次の行の読み出しに移行する。例えば、時刻ｔ５０で信号ＨＤがＨレベルとなると３行目の行の読み出しの期間１０１を開始し、次に信号ＨＤがＨレベルになる時刻ｔ５１で６行目の行の読み出しの期間１０１を開始する。このようにして、画素アレイ１０から３行目、６行目、９行目、１２行目、１５行目の行を順次抽出し、焦点検出用信号及び画像取得用信号の読み出しのための行走査を行う。焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出すこのフレーム期間を、以後、「フレームＡ」と呼ぶ。

また、図５（ｂ）中、信号ＶＤはフレーム識別信号であり、信号ＶＤがＨレベルになると次のフレームに移行する。例えば、時刻ｔ５０で信号ＶＤがＨレベルになることでフレームＡの読み出しが開始され、次に信号ＶＤがＨレベルになる時刻ｔ５３から次のフレームの読み出しが開始される。

図５（ｂ）中、期間１０２は、フォトダイオード２２，２６に蓄積された電荷をリセットするリセット期間である。具体的には、対応する行の転送パルス信号ＰＴＸ１，ＰＴＸ２、リセットパルス信号ＰＲＥＳをＨレベルとすることで、フォトダイオード２２，２６の電荷をリセットする。この際、選択パルス信号ＰＳＥＬはＬレベルであるため、読み出し期間とは無関係にリセット操作を行うことができる。例えば、時刻ｔ５２において、９行目の行は読み出しの期間１０１であるのに対して、３行目の行はフォトダイオード２２，２６のリセットの期間１０２である。

時刻ｔ５３において、信号ＶＤが再びＨレベルになると、画像取得用信号のみを読み出すフレームへと移行する。この画像信号のみを読み出すフレーム期間を、以後、「フレームＢ」と呼ぶ。このフレームＢにおける行走査では、期間１０３において図４に記載のタイミング図の動作が行われる。

図５の例では、フレームＢにおいて、フレームＡで読み出されなかった１行目、２行目、４行目、５行目、７行目、８行目、１０行目、１１行目、１３行目、１４行目、１６行目の行の読み出しを行っている。フレームＢの読み出し動作は、信号ＶＤが次にＨレベルとなるｔ５５で終了する。

図５（ｂ）中、期間１０４は、画像取得用信号のみを読み出した行のリセット期間であり、リセットの手順は前述の期間１０２における手順と同じである。フレームＢの読み出しが終了した時刻ｔ５５の後は、前述したと同様に、フレームＡの読み出し動作及びフレームＢの読み出し動作を繰り返す。

このようにすることで、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出すフレーム期間と、画像取得用信号のみを読み出すフレーム期間とを含む一連の読み出し動作を実現することができる。

なお、特許文献１に記載の技術においてＮ信号、Ａ信号及びＡ＋Ｂ信号を読み出す際には、焦点検出のための情報と画像情報との両方を取得していた。このため、Ｎ信号を読み出してからＡ＋Ｂ信号を読み出すまでの読み出し時間が長くなり、増幅ＭＯＳトランジスタのゲートで生じるノイズが大きくなっていた。このノイズは、焦点検出のためには問題のないレベルでも、よりノイズに厳しい画像信号としては、視認出来るノイズとなって画質が劣化するおそれがあった。

これに対し、本実施形態においては、Ｎ信号→Ａ信号→Ａ＋Ｂ信号の順で信号を読み出す場合には、Ａ＋Ｂ信号は画像情報としては取り扱わず、焦点検出用信号の取得の目的のみに用いる。画像情報を取得する場合には、Ｎ信号とＡ＋Ｂ信号のみを読み出し、Ｎ信号→Ａ信号→Ａ＋Ｂ信号の順で信号を読み出した場合よりもノイズが小さいＡ＋Ｂ信号を画像情報として用いる。これにより、特許文献１に記載の技術と比較して、画質を向上することができる。

また、特許文献１に記載の技術では、Ｎ信号→Ａ信号→Ａ＋Ｂ信号の読み出しと、Ｎ信号→Ａ＋Ｂ信号の読み出しとを、同一のフレーム期間内で行っていた。この場合、Ｎ信号→Ａ信号→Ａ＋Ｂ信号の読み出しを行う行と、Ｎ信号→Ａ＋Ｂ信号の読み出しを行う行とでは、読み出し時間の長さが異なることとなり、ひいては蓄積期間の連続性が損なわれてしまう。その結果、動きのある被写体を撮影した場合、特に動画を撮影した場合において、被写体の境界がギザギザに見えるなど画質が劣化する虞があった。また、システム上においても、行単位で駆動方法を切り替える必要があり、読み出しが複雑になることが懸念された。

これに対し、本実施形態においては、Ｎ信号→Ａ信号→Ａ＋Ｂ信号の順に信号を読み出すフレームＡと、Ｎ信号→Ａ＋Ｂ信号の順に信号を読み出すフレームＢとを分けるため、蓄積期間の連続性を確保することが可能となる。これにより、被写体の境界のギザギザをなくし、スリットローリングシャッター時に生じる移動物体の歪も抑制することができる。また、駆動方法の切り替えはフレーム単位で行うことができるため、システムの簡略化の効果もある。

また、本実施形態の特徴は、焦点検出情報取得のための行と画像情報取得のための行とを分けた点にもある。すなわち、いわゆる画像の間引き行を焦点検出情報の取得のための行に割り当てるため、画像領域と焦点検出領域とで蓄積期間を独立に設定することができる。

また、本実施形態の駆動方法では、フレームＡの期間とフレームＢで読み出す行の蓄積期間（蓄積期間Ｂ）とを、時間的に重ねることが可能である。同様に、フレームＢの期間とフレームＡで読み出す行の蓄積期間（蓄積期間Ａ）とを、時間的に重ねることが可能である。本実施形態では、このように読み出し動作と蓄積期間とを多重化することができるため、各行の蓄積期間を容易に設定することができ、連続性の高い良好な画像を得ることができる。

このように、本実施形態によれば、一対の光電変換部を備える画素を複数有する撮像装置において、画質を劣化することなく焦点検出用信号及び画像取得用信号の双方を容易に読み出すことができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による撮像装置の駆動方法について図６を用いて説明する。図１乃至図５に示す第１実施形態による撮像装置及びその駆動方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図６は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。

本実施形態では、図１及び図２に示す第１実施形態による撮像装置の他の駆動方法について説明する。

本実施形態による撮像装置の駆動方法は、図６に示すタイミング図にしたがって、フレームＡの読み出し及びフレームＢの読み出しが行われる。図６中、期間１０１は、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出す行走査を行う期間であり、図３に記載のタイミング図の動作を行う期間に相当する。期間１０２は、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出した行のリセット期間である。期間１０３は、画像取得用信号のみを読み出す行走査を行う期間であり、図４に記載のタイミング図の動作を行う期間に相当する。期間１０４は、画像取得用信号のみを読み出した行のリセット期間である。

本実施形態による撮像装置の駆動方法では、図６に示すように、フレームＡの期間（時刻ｔ６０〜時刻ｔ６２）に、総ての行の画素から焦点検出用信号を読み出している。また、フレームＢの期間（時刻ｔ６２〜時刻ｔ６４）に、総ての行の画素から画像取得用信号を読み出している。

この場合も、第１実施形態の場合と同様、フレームＢにおける行走査の読み出しはフレームＡにおける焦点検出用信号の読み出しよりも短期間で行うことができるため、ノイズの影響の小さい良好な画像を得ることができる。

また、本実施形態の駆動方法においても、フレームＡの期間とフレームＢで読み出す行の蓄積期間（蓄積期間Ｂ）とを、時間的に重ねることが可能である。同様に、フレームＢの期間とフレームＡで読み出す行の蓄積期間（蓄積期間Ａ）とを、時間的に重ねることが可能である。これにより、連続性の高い良好な画像を得ることができる。

このように、本実施形態によれば、一対の光電変換部を備える画素を複数有する撮像装置において、画質を劣化することなく焦点検出用信号及び画像取得用信号の双方を容易に読み出すことができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による撮像装置の駆動方法について図７を用いて説明する。図１乃至図５に示す第１実施形態による撮像装置及びその駆動方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図７は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。

本実施形態では、図１及び図２に示す第１実施形態による撮像装置の他の駆動方法について説明する。

本実施形態による撮像装置の駆動方法は、図７に示すタイミング図にしたがって、フレームＡの読み出し、フレームＢの読み出し、フレームＡ′の読み出し、フレームＢ′の読み出しが行われる。図７中、期間１０１は、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出す行走査を行う期間であり、図３に記載のタイミング図の動作を行う期間に相当する。期間１０２は、焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出した行のリセット期間である。期間１０３は、画像取得用信号のみを読み出す行走査を行う期間であり、図４に記載のタイミング図の動作を行う期間に相当する。期間１０４は、画像取得用信号のみを読み出した行のリセット期間である。

本実施形態による撮像装置の駆動方法では、図７に示すように、フレームＡの期間（時刻ｔ７０〜時刻ｔ７２）に、総ての行の画素から焦点検出用信号を読み出している。また、フレームＢの期間（時刻ｔ７２〜時刻ｔ７４）に、総ての行の画素から画像取得用信号を読み出している。この場合も、第２実施形態の場合と同様、フレームＢにおける行走査の読み出しはフレームＡにおける焦点検出用信号の読み出しよりも短期間で行うことができるため、ノイズの影響の小さい良好な画像を得ることができる。

また、本実施形態による撮像装置の駆動方法では、フレームＢに続くフレームＡ’の期間（時刻ｔ７４〜時刻ｔ７５）、フレームＡ’に続くフレームＢ’の期間（時刻ｔ７５〜時刻７６）において、行を間引いて読み出しを行っている。すなわち、フレームＡ’では、１行目、４行目、７行目、１０行目、１３行目、１６行目の行から焦点検出用信号を読み出している。また、フレームＢ’では、２行目、３行目、５行目、６行目、８行目、９行目、１１行目、１２行目、１４行目、１５行目の行から画像取得用信号の読み出しを行っている。このように行の間引き率を変化して読み出しを行っても、ノイズの影響の小さい読み出しを行えることに変わりはない。

また、本実施形態の駆動方法においても、フレームＡの期間とフレームＢで読み出す行の蓄積期間（蓄積期間Ｂ）とを、時間的に重ねることが可能である。同様に、フレームＢの期間とフレームＡで読み出す行の蓄積期間（蓄積期間Ａ）とを、時間的に重ねることが可能である。これにより、連続性の高い良好な画像を得ることができる。フレームＡ′の期間と蓄積期間Ｂ′、フレームＢ′の期間と蓄積期間Ａ′についても同様である。

また、本実施形態では、フレームＡ′及びフレームＢ′の期間において行間引き動作を行う場合を説明したが、複数の画素の信号を加算して読み出す動作や、画素アレイ１０の一部の領域を切り出して読み出す動作を行う場合も、同様の効果を得ることができる。

このように、本実施形態によれば、一対の光電変換部を備える画素を複数有する撮像装置において、画質を劣化することなく焦点検出用信号及び画像取得用信号の双方を容易に読み出すことができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像システムについて図８を用いて説明する。図１乃至図７に示す第１乃至第３実施形態による撮像装置及びその駆動方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図８は、本実施形態による撮像システムの構成を示す概略図である。

本実施形態による撮像システム８００は、例えば、光学部８１０、撮像装置１００、映像信号処理部８３０、記録・通信部８４０、タイミング制御部８５０、システム制御部８６０、及び再生・表示部８７０を含む。撮像装置１００は、先の実施例で説明した撮像装置１００が用いられる。

レンズ等の光学系である光学部８１０は、被写体からの光を撮像装置１００の、複数の画素２０が２次元マトリクス状に配列された画素アレイ１０に結像させ、被写体の像を形成する。撮像装置１００は、タイミング制御部８５０からの信号に基づくタイミングで、画素アレイ１０に結像された光に応じた信号を出力する。撮像装置１００から出力された信号は、映像信号処理部８３０に入力され、映像信号処理部８３０が、プログラム等によって定められた方法に従って信号処理を行う。映像信号処理部８３０での処理によって得られた信号は画像データとして記録・通信部８４０に送られる。記録・通信部８４０は、画像を形成するための信号を再生・表示部８７０に送り、再生・表示部８７０に動画や静止画像を再生・表示させる。記録・通信部８４０は、また、映像信号処理部８３０からの信号を受けて、システム制御部８６０と通信を行うほか、不図示の記録媒体に、画像を形成するための信号を記録する動作も行う。

システム制御部８６０は、撮像システムの動作を統括的に制御するものであり、光学部８１０、タイミング制御部８５０、記録・通信部８４０、及び再生・表示部８７０の駆動を制御する。また、システム制御部８６０は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、ここに撮像システムの動作を制御するのに必要なプログラム等が記録される。また、システム制御部８６０は、例えばユーザの操作に応じて駆動モードを切り替える信号を撮像システム内に供給する。具体的な例としては、読み出す行やリセットする行の変更、電子ズームに伴う画角の変更や、電子防振に伴う画角のずらし等である。タイミング制御部８５０は、システム制御部８６０による制御に基づいて撮像装置１００及び映像信号処理部８３０の駆動タイミングを制御する。

撮像システム８００は、上述の各実施形態で説明したＡ信号とＡ＋Ｂ信号とに基づいて焦点検出を行う。また、フレームＡで取得したＡ＋Ｂ信号は画像の形成には利用せず、フレームＢで取得したＡ＋Ｂ信号のみを用いて画像を形成してもよい。

このようにして、第１乃至第３実施形態による撮像装置を用いて撮像システムを構成することにより、高性能の撮像システムを実現することができる。

［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記第１実施形態では、ｎを０以上の整数として、フレームＡでは３ｎ＋１行目の行の読み出しを行い、フレームＢでは３ｎ＋２行目及び３ｎ行目の行の読み出しを行ったが、各フレームにおいて読み出す行の選択は、これに限定されるものではない。第３実施形態のフレームＡ′及びフレームＢ′についても同様である。

また、上記実施形態では、フレームＡにおいて図３に示す手順で焦点検出用信号と画像取得用信号とを読み出す場合を示したが、フレームＡの期間では、画像取得用信号の読み出しは必須ではなく、少なくとも焦点検出用信号のみを検出できればよい。

したがって、図３に示したようなＡ信号及びＡ＋Ｂ信号の読み出しではなく、フォトダイオード２２及びフォトダイオード２６の信号を、それぞれＡ信号及びＢ信号として読み出してもよい。Ａ＋Ｂ信号及びＢ信号のいずれも、少なくともフォトダイオード２６において生成された信号電荷に基づく信号、或いは、フォトダイオード２６において生成された信号電荷を反映した信号、であるといえる。

その場合の具体的な読み出し方法としては、例えば、図３に示した動作において、時刻ｔ１９から時刻ｔ２０までの間に、リセットパルス信号ＰＲＥＳをハイレベルにして、増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードをリセットすることが考えられる。この場合には、フォトダイオード２２に基づく信号成分がリセットされるので、時刻ｔ２２から時刻ｔ２４の間にＡＤ変換される信号は、フォトダイオード２６に基づく信号成分のみとなる。これがＢ信号となる。

なお、Ｂ信号の読み出しに先立って増幅ＭＯＳトランジスタ３２の入力ノードをリセットすることで生じるＮ信号は、時刻ｔ１２において生じるＮ信号とは異なる。このため、このときのＮ信号もＡＤ変換し、Ｂ信号との差分を取ることで、ノイズを低減することができる。ただし、焦点検出にのみ用いる信号には画像信号ほどのＳ／Ｎ比が要求されないことに鑑みて、Ｂ信号の読み出しの前に生じるＮ信号の読み出しは行わず、動作の高速化を優先してもよい。

また、上記実施形態では、フレームＡの動作を行った後にフレームＢの動作を行う場合を示したが、フレームＢの動作を行った後にフレームＡの動作を行うようにしてもよい。この場合にも、上記と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、信号処理回路４０として、ＡＤ変換器を搭載したデジタル出力センサを用いた例を示したが、デジタル出力センサの代わりにアナログ出力センサを用いてもよい。アナログ出力センサにおいても、Ｎ信号、Ａ信号、Ａ＋Ｂ信号を読み出す方式であれば、Ａ信号を読み出すか読み出さないかでＮ信号からＡ＋Ｂ信号を読み出すまでの時間が異なるため、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記第１乃至第３実施形態では、リセット電位に基づく出力信号を取得して相関二重サンプリングを行うことによりノイズ成分を除去したが、必ずしも相関二重サンプリングを行う必要はない。

また、上記実施形態では、１つの画素に含まれる光電変換部（フォトダイオード）が２つの場合を示したが、必ずしも２つである必要はなく、２つ以上であればよい。また、画素内読み出し回路の構成も、図１に示すものに限定されるものではない。

また、上記第１乃至第３実施形態の撮像装置を適用しうる撮像システムは、第４実施形態に記載のものに限定されるものではなく、撮像装置を用いる種々の撮像システムに広く適用することができる。

また、上記実施形態は、本発明を適用しうる幾つかの態様を例示したものに過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜修正や変形を行うことを妨げるものではない。

１０ 画素アレイ
１２ 垂直走査回路
１４ 水平走査回路
１６ タイミングジェネレータ（ＴＧ）
２０ 画素
２２，２６ フォトダイオード
２４，２８ 転送ＭＯＳトランジスタ
３０ リセットＭＯＳトランジスタ
３２ 増幅ＭＯＳトランジスタ
３４ 選択ＭＯＳトランジスタ
３８ 垂直信号線
４０ 信号処理回路
４４ オペアンプ
４６ 比較回路
４８ カウンタ回路
５０ メモリ
５２ ランプ信号発生回路
６０ マイクロレンズ
６２ カラーフィルタ
１００ 撮像装置
８００ 撮像システム

Claims (24)

1. 第１の光電変換部と、第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射光を集光するマイクロレンズとをそれぞれ含む複数の画素が配された画素アレイを有する撮像装置の駆動方法であって、
   第１のフレーム期間に、前記画素アレイの一部に含まれる複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第１の信号と、少なくとも前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第２の信号とをそれぞれ読み出し、
   前記第１のフレーム期間とは別の第２のフレーム期間に、前記画素アレイの前記一部とは別の一部に含まれるとともに、前記第１のフレーム期間に信号電荷に基づく信号が読み出されない複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷及び前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第３の信号を読み出す
   ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
2. 前記第１のフレーム期間の少なくとも一部と、前記第２のフレーム期間で読み出される前記画素の前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部における前記信号電荷の蓄積期間の少なくとも一部、及び／又は、前記第２のフレーム期間の少なくとも一部と、前記第１のフレーム期間で読み出される前記画素の前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部における前記信号電荷の蓄積期間の少なくとも一部、が重なっている
   ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置の駆動方法。
3. 前記第１のフレーム期間における各行の行走査の期間よりも、前記第２のフレーム期間における各行の行走査の期間が短い
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の撮像装置の駆動方法。
4. 第１の光電変換部と、第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射光を集光するマイクロレンズとをそれぞれ含む複数の画素が複数行及び複数列に渡って配された画素アレイを有する撮像装置の駆動方法であって、
   前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第１の信号と、少なくとも前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第２の信号とをそれぞれ読み出す動作を、前記複数行のうちの第１行と、他の複数の行を間に含むように前記第１行から離間した第２行とのそれぞれを含む複数の行に対して順次行う第１走査と、
   前記第１走査の後に行う走査であって、前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷及び前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第３の信号を読み出す動作を、前記他の複数の行のうち、前記第１走査において選択された行とは異なる複数の行に対して順次行う第２走査と、を含む
   ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
5. 前記第１走査で選択される行は、前記第２走査で選択される行よりも少ない
   ことを特徴とする請求項４記載の撮像装置の駆動方法。
6. 第１の光電変換部と、第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射光を集光するマイクロレンズとをそれぞれ含む複数の画素が複数行及び複数列に渡って配された画素アレイを有する撮像装置の駆動方法であって、
   前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第１の信号と、少なくとも前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第２の信号とをそれぞれ読み出す動作を、前記複数行に含まれる複数の行に対して順次行う第１走査と、
   前記第１走査の後に行う走査であって、前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷及び前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第３の信号を読み出す動作を、前記複数行のうち、前記複数の行よりも少ない行に対して順次行う第２走査と、を含む
   ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
7. 前記第２走査では、前記第３の信号のみを読み出す
   ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
8. 前記第１走査の期間の少なくとも一部と、前記第２走査で読み出される前記画素の前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部における前記信号電荷の蓄積期間の少なくとも一部、及び／又は、前記第２走査の期間の少なくとも一部と、前記第１走査の期間で読み出される前記画素の前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部における前記信号電荷の蓄積期間の少なくとも一部、が重なっている
   ことを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
9. 前記第１走査において選択された１つの行の読み出し期間よりも、前記第２走査において選択された１つの行の読み出し期間が短い
   ことを特徴とする請求項４乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
10. 前記第２の信号は、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷と前記第２の光電変換部において生成された信号電荷との和に基づく
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
11. 前記第２の信号は、前記第２の光電変換部のみにおいて生成された信号電荷に基づく
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
12. 第１の光電変換部と、第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射光を集光するマイクロレンズとをそれぞれ含む複数の画素が配された画素アレイと、
    前記画素アレイの一部に含まれる複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第１の信号と、少なくとも前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第２の信号とを読み出す第１のフレーム期間と、前記第１のフレーム期間とは別のフレーム期間であって、前記画素アレイの前記一部とは別の一部に含まれるとともに、前記第１のフレーム期間に信号電荷に基づく信号が読み出されない複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷及び前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第３の信号を読み出す第２のフレーム期間と、を実行するように構成された走査回路部と
    を有することを特徴とする撮像装置。
13. 前記走査回路部は、前記第１のフレーム期間の少なくとも一部と、前記第２のフレーム期間で読み出される前記画素の前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部における前記信号電荷の蓄積期間の少なくとも一部、及び／又は、前記第２のフレーム期間と、前記第１のフレーム期間で読み出される前記画素の蓄積期間の少なくとも一部、が重なるように、前記蓄積期間を実行するように更に構成されている
    ことを特徴とする請求項１２記載の撮像装置。
14. 前記第１のフレーム期間における各行の行走査の期間よりも、前記第２のフレーム期間における各行の行走査の期間が短い
    ことを特徴とする請求項１２又は１３記載の撮像装置。
15. 請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置の出力する信号の処理を行う信号処理部と
    を有することを特徴とする撮像システム。
16. 前記信号処理部は、前記第１のフレーム期間で取得した前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて焦点検出を行う
    ことを特徴とする請求項１５記載の撮像システム。
17. 前記信号処理部は、前記第２のフレーム期間で取得した前記第３の信号のみに基づいて画像を形成する
    ことを特徴とする請求項１５又は１６記載の撮像システム。
18. 第１の光電変換部と、第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射光を集光するマイクロレンズとをそれぞれ含む複数の画素が複数行及び複数列に渡って配された画素アレイと、
    前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第１の信号と、少なくとも前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第２の信号とをそれぞれ読み出す動作を、前記複数行のうちの第１行と、他の複数の行を間に含むように前記第１行から離間した第２行とのそれぞれを含む複数の行に対して順次行う第１走査と、前記第１走査の後に行う走査であって、前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷及び前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第３の信号を読み出す動作を、前記他の複数の行のうち、前記第１走査において選択された行とは異なる行に対して順次行う第２走査と、を実行するように構成された走査回路部と
    を有することを特徴とする撮像装置。
19. 第１の光電変換部と、第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射光を集光するマイクロレンズとをそれぞれ含む複数の画素が複数行及び複数列に渡って配された画素アレイと、
    前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第１の信号と、少なくとも前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第２の信号とをそれぞれ読み出す動作を、前記複数行に含まれる複数の行に対して順次行う第１走査と、前記第１走査の後に行う走査であって、前記複数の画素の各々から、前記第１の光電変換部において生成された信号電荷及び前記第２の光電変換部において生成された信号電荷に基づく第３の信号を読み出す動作を、前記複数行のうち、前記複数の行よりも少ない行に対して順次行う第２走査と、を実行するように構成された走査回路部と
    を有することを特徴とする撮像装置。
20. 前記走査回路部は、前記第１走査の期間の少なくとも一部と、前記第２走査で読み出される前記画素の前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部における前記信号電荷の蓄積期間の少なくとも一部、及び／又は、前記第２走査の期間の少なくとも一部と、前記第１走査の期間で読み出される前記画素の前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部における前記信号電荷の蓄積期間の少なくとも一部、が重なるように、前記蓄積期間を実行するように更に構成されている
    ことを特徴とする請求項１８又は１９記載の撮像装置。
21. 前記第１走査において選択された１つの行の読み出し期間よりも、前記第２走査において選択された１つの行の読み出し期間が短い
    ことを特徴とする請求項１８乃至２０記載の撮像装置。
22. 請求項１８乃至２１のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置の出力する信号の処理を行う信号処理部と
    を有することを特徴とする撮像システム。
23. 前記信号処理部は、前記第１走査の期間で取得した前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて焦点検出を行う
    ことを特徴とする請求項２２記載の撮像システム。
24. 前記信号処理部は、前記第２走査の期間で取得した前記第３の信号のみに基づいて画像を形成する
    ことを特徴とする請求項２２又は２３記載の撮像システム。

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