JP2014089260A - 撮像装置およびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】瞳分割方式の焦点検出が可能な撮像装置において、信号読み出し時間の増加を抑えつつ、撮影条件に応じて最適な範囲の焦点検出信号を得る。
【解決手段】撮影レンズと撮影レンズの瞳分割手段を含む撮影光学系と、撮影光学系で結像された被写体像を撮像する二次元の画素配列を有し、各画素が複数の光電変換素子を含む撮像手段と、複数の光電変換素子の所定の一つの画素信号と複数の光電変換素子の画素信号の加算信号を選択的に読み出し手段とを備え、所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素と加算信号を読み出す画素を選択する読み出しモードを撮影条件に従って設定し、読み出しモードに従って読み出された所定の光電変換素子の画素信号と加算信号とを用いて、読み出しモードで選択された所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素に含まれる所定の光電変換素子とは異なる光電変換素子の画素信号を生成する撮像装置。
【選択図】図９

Description

本発明は、撮像装置およびその駆動方法に関し、瞳分割方式の焦点検出が可能な撮像装置およびその駆動方法に関する。

近年、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置に用いられる固体撮像素子の多機能化が進んでいる。

特許文献１では、撮像素子に関して、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によると、撮像素子の１つの画素は、２つのフォトダイオードを有し、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よう構成されている。したがって、２つのフォトダイオードからの出力信号を比較することで、撮影レンズでの焦点検出が可能となる。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、通常の撮影画像の信号を得ることができる。

特開２００１-１２４９８４号公報

特許文献１のように、１つの画素に２つのフォトダイオードを設けた撮像素子を用いて焦点検出を行うには、２つのフォトダイオードそれぞれらの信号を取得する必要がある。そのため、画素領域のすべての範囲で焦点検出信号を得ようとした場合、１つの画素が１つのフォトダイオードのみを有する従来の撮像素子と較べて、読み出す信号量が２倍に増え、読み出し時間が大幅に増加してしまう。

本発明はこのような課題に鑑み、信号読み出し時間の増加を抑えつつ、撮影条件に応じて最適な範囲の焦点検出信号を得ることが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、撮影レンズと撮影レンズの瞳分割手段を含む撮影光学系と、撮影光学系で結像された被写体像を撮像する二次元の画素配列を有し、画素配列を構成する各画素が複数の光電変換素子を含む撮像手段と、複数の光電変換素子の所定の光電変換手段の画素信号と複数の光電変換素子の画素信号の加算信号を選択的に読み出す読み出し手段とを備え、所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素と加算信号を読み出す画素を選択する読み出しモードを撮影条件に従って設定し、設定された読み出しモードに従って読み出された所定の光電変換素子の画素信号と加算信号とを用いて、読み出しモードで選択された所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素に含まれる所定の光電変換素子とは異なる光電変換素子の画素信号を生成する。

本発明によれば、瞳分割方式の焦点検出が可能な撮像装置において、信号読み出し時間の増加を抑えつつ、撮影条件に応じて最適な範囲の焦点検出信号を得ることが可能となる。

撮影レンズの射出瞳から出た光束が複数の光電変換素子を有する単位画素に入射するときの光線を概念的に示す図 本発明の第１の実施例に係わる撮像装置のブロック図 本発明の第１の実施例に係る撮像装置が有する撮像素子の単位画素の回路構成図 本発明の第１の実施例に係る撮像装置における撮像素子の読み出し回路の回路構成図 本発明の第１の実施例に係る撮像装置における撮像素子の駆動タイミングチャートを示す図 本発明の第１の実施例に係る撮像装置における撮像素子の読み出し画素を示す図 焦点検出動作時のデフォーカス量に応じた被写体のＡ像信号およびＢ像信号を示す図 本発明の第１の実施例に係る撮像装置におけるデフォーカス量に応じた読み出し画素を示す図 本発明の第１の実施例に係る撮像装置の撮像動作のフローチャートを示す図 本発明の第１の実施例の第１の変形例に係る読み出し画素の例を示す図 本発明の第１の実施例の第１の変形例に係る読み出し画素の他の例を示す図 本発明の第１の実施例の第１の変形例に係る読み出し画素の更なる他の例を示す図 本発明の第１の実施例の第２の変形例に係る撮像装置における撮像素の読み出し回路の回路構成図 本発明の第１の実施例の第２の変形例に係る撮像装置における撮像素子の駆動タイミングチャートを示す図 焦点検出動作時の撮影レンズの絞りに応じた被写体のＡ像信号およびＢ像信号を示す図 本発明の第２の実施例に係る撮像装置の撮像動作のフローチャートを示す図

以下、図面を用いて本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

初めに、撮像装置における瞳分割方式による焦点検出の原理を説明する。

図１は、撮影レンズの射出瞳から出た光束が単位画素に入射する時の光線を概念的に示す図である。
同図において、１００は単位画素であり、第１のフォトダイオード１０１Ａおよび第２のフォトダイオード１０１Ｂを有する。１０２はカラーフィルタ、１０３はマイクロレンズ、１０４は撮影レンズの射出瞳をそれぞれ示す。

マイクロレンズ１０３を有する単位画素に対して、射出瞳から出た光束の中心を光軸１０５とすると、射出瞳を通過した光は、光軸１０５を中心として単位画素１００に入射する。図１に示すように、１０６、１０７を撮影レンズの射出瞳の一部領域とすると、瞳領域１０６を通過する光束はマイクロレンズ１０３を通して、フォトダイオード１０１Ａで受光される。同様に、瞳領域１０７を通過する光束はマイクロレンズ１０３を通して、フォトダイオード１０１Ｂで受光される。従って、フォトダイオード１０１Ａと１０１Ｂはそれぞれ、撮影レンズの出射瞳の別々の領域の光を受光することになり、フォトダイオード１０１Ａと１０１Ｂの信号を比較することで位相差の検知が可能となる。

ここで、フォトダイオード１０１Ａから得られる信号をＡ像信号、フォトダイオード１０１Ｂから得られる信号をＢ像信号と定義し、Ａ像信号とＢ像信号を足し合わせた加算信号をＡ＋Ｂ像信号とすれば、このＡ＋Ｂ像信号は撮影画像に用いることができる。

本発明の第１の実施例に係る撮像装置２００のブロック図を図２に示す。図において、２１０は被写体の光学像を撮像素子２０１に結像させる撮影光学系を構成する撮影レンズで、ズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などにおいてレンズ駆動回路２０９によって駆動される。２０１は撮影レンズ２１０で結像された被写体を撮像して画像信号として取り込むための撮像素子であり、図１で示した単位画素１００が二次元アレイ状に配置された画素配列を有する。２０３は撮像素子２０１より出力される画像信号に各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする信号処理回路である。この信号処理回路２０３は、撮像素子２０１で取得したＡ像信号とＡ＋Ｂ像信号からＢ像信号の生成も行う。２０２は撮像素子２０１に駆動タイミング信号を出力するタイミング発生回路である。２０４は各種演算と撮像装置全体を制御する全体制御・演算回路であり、Ａ像信号およびＢ像信号を用いて焦点検出動作の制御も行う。２０５は信号処理された画像データを一時的に記憶する為のメモリ、２０６は各種情報や撮影画像を表示する表示回路である。２０７は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体に記録を行なう記録回路である。２０８は操作回路であり、デジタルカメラの図示しない操作部材のユーザによる操作を電気的に受け付けるものである。

つぎに、本実施例に係る撮像装置２００が有する撮像素子２０１の構成を図３および図４を用いて説明する。

図３は、撮像素子２０１の単位画素１００の回路図であり、図１と同じ部分は同じ符号を付して示す。

図３に示すように、単位画素１００は、第１のフォトダイオード１０１Ａ、第２のフォトダイオード１０１Ｂ、第１の転送スイッチ３０２Ａ、第２の転送スイッチ３０２Ｂ、フローティングディフュージョン領域３０３、増幅部３０４を含む。さらに単位画素は、リセットスイッチ３０５、選択スイッチ３０６を含む。３０８は共通電源ＶＤＤである。

フォトダイオード１０１Ａ、１０１Ｂは、同一のマイクロレンズを通過した光を受光し、その受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子として機能する。この場合、マイクロレンズは瞳分割手段として機能する。

転送スイッチ３０２Ａ、３０２Ｂは、それぞれフォトダイオード１０１Ａ、１０１Ｂで発生した電荷を選択的に共通のフローティングディフュージョン領域３０３に転送する。転送スイッチ３０２Ａ、３０２Ｂは、それぞれ転送パルス信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢによって制御される。

フローティングディフュージョン領域３０３は、フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂから転送された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として機能する。

増幅部３０４は、ソースフォロワＭＯＳトランジスタであり、フローティングディフュージョン領域３０３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。

リセットスイッチ３０５は、リセットパルス信号ＰＲＥＳによって制御され、フローティングディフュージョン領域３０３の電位を基準電位ＶＤＤにリセットする。
選択スイッチ３０６は、垂直選択パルス信号ＰＳＥＬによって制御され、増幅部３０４で増幅された画素信号を垂直出力線３０７に出力する。

図４は、本実施例に係わる撮像装置における撮像素子の読み出し回路の回路構成図を示す図である。同図において、図１および図３と同じ部分は同じ符号を付して示す。

４００は撮像素子２０１の画素領域であり、複数の単位画素１００が行列状に配置されている。なお、説明を簡略化するために、図では８×４画素の画素領域を示しているが、実際の画素数はさらに多数である。また、単位画素１００には複数色のカラーフィルタが配設されている。図では、赤色カラーフィルタが設けられ、赤色光を撮像する画素をＲ、緑色カラーフィルタが設けられ、緑色光を撮像する画素をＧ、青色カラーフィルタが設けられ、青色光を撮像する画素をＢと表記している。これら３色のカラーフィルタをそれぞれ有する画素は、ベイヤー配列に従って配置される。

４０１は垂直シフトレジスタであり、各行の画素毎に共通の駆動信号線４２２を通して、駆動パルスを送出する。なお、駆動信号線４２２は、簡略化のため、各行毎に１本ずつ図示してあるが、実際には各行毎に複数の駆動信号線（図３に破線で示す制御信号線）が接続される。

同じ列の単位画素１００は共通の垂直出力線３０７に接続されており、各画素からの信号は、この垂直出力線４０７を介して共通の読み出し回路４０３に入力される。そして、読み出し回路４０３で処理された信号は水平シフトレジスタ４２０により水平出力線４２４、４２５を介して順次出力アンプ４２１に出力される。なお、４０２は垂直出力線３０７に接続される電流源負荷である。

つぎに、読み出し回路４０３の回路構成を説明する。

４０４はクランプ容量Ｃ０、４０５はフィードバック容量Ｃｆ、４０６はオペアンプ、４０７は基準電圧Ｖｒｅｆを供給する基準電圧源、４２３はフィードバック容量Ｃｆ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４２３はＰＣ０Ｒ信号で制御される。４０８、４０９、４１０、４１１は信号電圧を保持するための容量であり、４０８を容量ＣＴＳＡＢ、４１０を容量ＣＴＳＡ、４０９および４１１を容量ＣＴＮと表記する。

４１２、４１３、４１４、４１５は容量への書き込みを制御するスイッチである。スイッチ４１２はＰＴＡＢ信号で制御され、スイッチ４１０は、ＰＴＳＡ信号で制御される。スイッチ４１３、４１５はＰＴＮ信号で制御される。４１６、４１７、４１８、４１９は水平シフトレジスタ４２０からの信号を受けて水平出力線４２４、４２５を介して出力アンプ４２１に信号を出力するためのスイッチである。スイッチ４１６、４１７は水平シフトレジスタ４２０のＨＡＢ（ｎ）信号で制御され、スイッチ４１８、４１９はＨＡ（ｎ）信号で制御される。ここで、ｎは制御信号線が接続されている読み出し回路の列数を表す。容量ＣＴＳＡＢ４０８、ＣＴＳＡ４１０に書き込まれた信号は水平出力線４２４を介して、また容量ＣＴＮ４０９、４１１に書き込まれた信号は水平出力線４２５を介して出力アンプ４２１に出力される。信号ＰＣ０Ｒ，ＰＴＮ、ＰＴＡ、ＰＴＡＢは、全体制御・演算回路２０４による制御の下でタイミング発生回路２０２から供給される信号である。

つぎに、図４に示す画素信号の読み出し回路の駆動構成を、図５の駆動タイミングチャートを用いて説明する。

時刻Ｔ＝ｔ１で転送スイッチ３０２Ａおよび３０２Ｂの制御信号であるＰＴＸＡおよびＰＴＸＢをＨ（Ｈｉｇｈ）とし、フォトダイオード１０１Ａ，１０１Ｂをリセットする。Ｔ＝ｔ２でＰＴＸＡおよびＰＴＸＢをＬ（Ｌｏｗ）とし、フォトダイオード１０１Ａ、１０１Ｂでの光電荷の蓄積を開始する。

必要時間だけ蓄積を行った後に、Ｔ＝ｔ３で選択スイッチ３０６の制御信号であるＰＳＥＬをＨにして、選択スイッチ３０６をＯＮする。Ｔ＝ｔ４でリセットスイッチ３０５の制御信号であるＰＲＥＳをＬとすることでフローティングディフュージョン領域３０３のリセットを解除する。これにより、フローティングディフュージョン領域３０３の電位が垂直出力線３０７に増幅部３０４を介してリセット信号レベルとして読み出され、読み出し回路２０３に入力される。

読み出し回路４０３では、オペアンプ４０６が基準電圧Ｖｒｅｆの出力をバッファする状態（ＰＣ０ＲがＨでスイッチ４２３がＯＮの状態）でリセット信号レベルが入力される。

その後、Ｔ＝ｔ５でＰＣ０ＲをＬとし、そのときのＶｒｅｆの出力を容量ＣＴＮ４０９、４１１へ書き込むためにＴ＝ｔ６でＰＴＮをＨとして、スイッチ４１３、４１５をＯＮにする。次いで、Ｔ＝ｔ７でＰＴＮをＬとして、スイッチ４１３、４１５をＯＦＦにして書き込みを終了する。

つぎに、Ｔ＝ｔ８でＰＴＸＡをＨとして第１の転送スイッチ３０２ＡをＯＮにしてフォトダイオード３０１Ａの光電荷をフローティングディフュージョン領域３０３へ転送し、Ｔ＝ｔ９でＰＴＸＡをＬとする。この動作によりフォトダイオード１０１Ａに蓄積された電荷がフローティングディフュージョン領域３０３に読み出される。そして、その変化に応じた出力が増幅部３０４およびＯＮとなっている選択スイッチ３０６を介して垂直出力線３０７に読み出され、読み出し回路４０３に供給される。

読み出し回路４０３では、４０４のクランプ容量Ｃ０と４０５のフィードバック容量Ｃｆの比率で電圧変化に対し反転ゲインがかかった電圧がオペアンプ４０６から出力される。

この電圧を容量ＣＴＳＡ４１０へ書き込むために、Ｔ＝ｔ１０でＰＴＳＡをＬからＨに変更してスイッチ４１４をＯＮにし、Ｔ＝ｔ１１でＰＴＳＡをＨからＬに変更してスイッチ４１４をＯＦＦにすることで書き込みを終了する。

つぎに、Ｔ＝ｔ１２で再びＰＴＸＡをＨにすると同時にＰＴＸＢもＨにして転送スイッチ３０２Ａおよび３０２ＢをＯＮにする。この動作により、フォトダイオード１０１Ａと１０１Ｂの双方の光電荷が同時にフローティングディフュージョン領域３０３へ読み出される。読み出された電荷は３０１Ａのみを読みだした際と同様に読み出し回路４０３へ供給される。

この電圧を容量ＣＴＳＡＢへ書き込むために、Ｔ＝ｔ１４でＰＴＳＡＢをＬからＨに変更してスイッチ４１２をＯＮにし、Ｔ＝ｔ１５でＰＴＳＡＢをＨからＬに変更してスイッチ４１２をＯＦＦにすることで書き込みを終了する。

以上の動作により、容量ＣＴＳＡＢ４０８とＣＴＮ４０９に書き込まれた電圧信号の差電圧をとることで、フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂからの出力信号の和であるＡ＋Ｂ信号が得られる。このＡ＋Ｂ像信号は撮影画像となる。

また、容量ＣＴＳＡ４１０とＣＴＮ４１１に書き込まれた電圧信号の差電圧をとることで、フォトダイオード３０１Ａからの出力信号であるＡ像信号が得られる。このＡ像信号から撮影レンズの瞳の一部を透過する光束の情報が得られ、さらにＡ＋Ｂ像信号とＡ像信号の差をとることによりフォトダイオード１０１Ｂからの出力信号であるＢ像信号が得られる。このＢ像信号からはＡ像信号とは異なる瞳領域を透過する光束の情報が得られ、これら２つの光束の情報から距離情報を得ることができる。

図５に戻り、Ｔ＝ｔ１６でＰＲＥＳをＨとして、フローティングディフュージョン領域３０３をリセット状態にする。

その後、Ｔ＝ｔ１７〜ｔ１８の間に、水平シフトレジスタ４２０の駆動パルスＨＡ（ｎ）を読み出し回路毎に順次Ｌ→Ｈ→Ｌと変化させ、それに伴い、スイッチ４１８、４１９をＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦと動作させる。スイッチ４１８、４１９がＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦと動作した列の容量ＣＴＳＡ４１０、ＣＴＮ４１１に保持された信号は、水平出力線４２４、４２５にそれぞれ読み出され、出力アンプ４２１で差電圧として出力される。この差電圧がＡ像信号となる。なお、本実施例で駆動パルスＨＡ（ｎ）がＬ→Ｈ→Ｌと変化する画素列は、図４の駆動タイミングチャートに示すように第２および５列であり、第０、１、３、４、６、７列は常にＬレベルのままである。したがって、Ａ像信号が読み出される画素列は第２および５列となる。

つぎに、Ｔ＝ｔ１８〜ｔ１９の間に、水平シフトレジスタ４２０の駆動パルスＨＡＢ（ｎ）が読み出し回路毎に順次Ｌ→Ｈ→Ｌと変更され、それに伴い、スイッチ４１６、４１７がＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦと動作する。スイッチ４１６、４１７がＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦと動作する列の容量ＣＴＳＡＢ４０８、ＣＴＮ４０９に保持された信号は水平出力線２２４、２２５にそれぞれ読み出され、出力アンプ４２１で差電圧として出力される。この差電圧がＡ＋Ｂ像信号となる。なお、本実施例では、駆動パルスＨＡＢ（ｎ）を図４の駆動タイミングチャートに示すように、すべての列で順次Ｌ→Ｈ→Ｌと変化させる。したがって、Ａ＋Ｂ像信号はすべての列から読み出される。

以上の動作が各行毎に順次行われ、Ａ像信号、Ａ＋Ｂ像信号の読み出しが完了する。

図６は、本実施例のＡ像信号およびＡ＋Ｂ像信号の読み出し動作で読み出される画素を示す図である。同図において、斜線の入った画素は信号が読み出されない画素である。Ａ像信号の読み出しでは、第２および５列の画素信号が出力される。一方、Ａ＋Ｂ像信号の読み出しでは、すべての列の画素信号が出力される。出力されたＡ像信号とそれに対応する位置のＡ＋Ｂ像信号の差分をとることでＢ像信号を得ることができる。したがって、これらのＡ像信号とＢ像信号を用いた焦点検出動作が可能となる。

また、水平シフトレジスタ４２０においてＨＡ（ｎ）パルスおよびＨＡＢ（ｎ）パルスを出力する列を変更すれば、読み出す画素列を変更することが可能である。本実施例では、Ａ像信号の読み出し範囲を、撮影条件を表わすパラメータに応じて変更する。その詳細について次に説明する。

本発明の撮像装置では、撮影レンズの瞳全域の光束を用いて瞳分割方式の焦点検出を行っている。そのため、合焦状態から離れるほど被写体像の崩れ方が大きくなる。図７は、焦点検出動作時における異なるデフォーカス量の状態での被写体のＡ像信号７１５ａおよびＢ像信号７１５ｂを示す図である。デフォーカス量が大きい状態では、図７（ａ）に示すように被写体像の崩れ方が大きく、デフォーカス量が中程度では、図７（ｂ）のように中間的崩れとなり、デフォーカス量が小さい状態では、図７（ｃ）に示すように被写体像の崩れ方は小さくなる。したがって、デフォーカス量が大きい状態で焦点検出を行うには、広範囲のＡ像およびＢ像信号を取得する必要がある。

そこで、本実施例では、撮影条件のパラメータの一つである撮影レンズのデフォーカス量に応じて、図８に示すように、Ａ像信号の読み出し範囲とその範囲内での間引き率を変更する。なお、同図では画素領域が３２×２０画素である場合の例であり、斜線の入った画素は信号が読み出されない画素である。

まず、デフォーカス量が大きい時には、図８（ａ）に示すように、Ａ像信号をＨ１で示す読み出し範囲から１／５の間引率で読み出し、Ａ＋Ｂ像信号は全域から非間引きで読み出す。デフォーカス量が中程度の時は、図８（ｂ）に示すように、Ａ像信号はＨ２で示す読み出し範囲から１／３の間引率で読み出し、Ａ＋Ｂ像は全域から非間引きで読み出す。デフォーカス量が小さい時は、図８（ｃ）に示すように、Ａ像信号をＨ３で示す読み出し範囲から非間引きで読み出し、Ａ＋Ｂ像信号は全域から非間引きで読み出す。これらの読み出し動作は、全体制御・演算回路２０４がデフォーカス量に応じて読み出しモードとして設定し、水平シフトレジスタ４２０は、設定された読み出しモードに従ってＨＡ（ｎ）パルスおよびＨＡＢ（ｎ）パルスを出力する列を変更する。
なお、図８の（ａ）〜（ｃ）の各読み出しモードでは、Ａ像信号の読み出し範囲はＨ１＞Ｈ２＞Ｈ３であるが、間引き率も同時に変更しているため、読み出す画素数は変わらない。したがって、読み出し時間も同じである。

図９は、上述した本実施例に係る撮像装置の撮像動作のフローチャートを示す図である。本撮像動作は、全体制御・演算回路２０４の図示しないＣＰＵが、フローチャートに対応するプログラムをロードして実行することで実現される。

本動作は、撮像装置２００の図示しない操作部材をユーザが操作して撮影開始を指示したことを操作回路２０８が受け付けたことに応じて、開始される。
まず、ステップＳ９００で全体制御・演算回路２０４は、最初のフレームかどうかの判定を行い、最初のフレームの場合はステップＳ９０４に移行し、初期読み出しモードを設定する。この場合、デフォーカス量を取得できないため、図８（ａ）に示す、Ａ像を１／５の間引率で広範囲に読み出すモードが設定される。

ステップＳ９００で２番目のフレーム以降であると判定された場合は、ステップＳ９０１に移行する。ステップＳ９０１では，全体制御・演算回路２０４は、前のフレームについて得られたデフォーカス量を取得する。次いで、ステップ９０２で全体制御・演算回路２０４は、ステップＳ９０１で得られたデフォーカス量に従って、読み出しモードを設定する。

次に、ステップＳ９０３では、設定されている読み出しモードに従って撮像素子２０１を駆動してＡ像信号およびＡ＋Ｂ像信号を取得し、ステップＳ９０４で、信号処理回路２０３によりＡ像信号およびＡ＋Ｂ像信号からＢ像信号を生成する。ステップＳ９０５では、取得した画像のうち、Ａ＋Ｂ像信号を撮影画像として表示回路２０６に表示する。ステップＳ９０６では撮影を終了するかどうかの判定を行い、撮影が継続される場合は、焦点調節行ってレンズを駆動し、再度画像を取得することになる。なお、撮影を継続するかどうかの判断は、ユーザによる撮像装置２００の不図示の操作部材の操作を操作回路２０８が受け付けることで判断する。

ステップＳ９０７では、全体制御・演算回路２０４が、Ａ像信号およびＢ像信号を用いて、公知である相関演算を行い、各像の位相差（像ずれ量）から撮影レンズのデフォーカス量を算出し、デフォーカス量に基づいて撮影レンズの駆動量を決定する。ステップＳ９０８では、全体制御・演算回路２０４は、決定した駆動量に基づいてレンズ駆動回路２０９を制御し、撮影レンズ２１０を駆動する。

その後、再度ステップＳ９００に戻る。この場合、ステップＳ９００はで２番目のフレーム以降であると判定されるので、ステップＳ９０１では、全体制御・演算回路２０４は前フレームのステップＳ９０７で算出したデフォーカス量を取得する。そして、ステップＳ９０２にて、取得したデフォーカス量に応じて、図８（ａ）〜（ｃ）の読み出しモードの設定を行ない、ステップＳ９０３では、選択した読み出しモードで撮影を行なう。

以上の動作を行うことで、デフォーカス量が大きく、被写体の像崩れが大きい場合でも、広範囲の焦点検出信号を取得することで焦点検出を行うことが可能である。また、合焦近傍では、非間引きの読み出しで焦点検出信号を取得するため、精度良く合焦させることが可能となる。また、Ａ像信号の読み出し領域を制限しているため、画素領域全体からＡ像信号を読み出す場合に比べて、読み出し時間が短縮できる。さらには、Ａ＋Ｂ像信号は常に画素領域全体から読み出しているため、撮影画像の画質劣化が起こらない。

［実施例１の変形例１］
つぎに、上述した第１の実施例の第１の変形例を図１０〜１２を用いて説明する。第１の実施例では、デフォーカス量に応じてＡ像信号の読み出し範囲を変更するとともに、読み出し領域でのＡ像信号を１／３や１／５に間引き、Ａ＋Ｂ像信号を全画素領域から読み出していた。本変形例は、他の読み出しモードの他の例を示す。本変形例の読み出しモードに従った画素の選択も、第１の実施例の読み出し回路(図４)によって実現することができる。従って、本変形例では、画素領域における読み出しモードについてのみ説明する。

図１０〜１２は本変形例に係る読み出しモードの例である。これらの図は画素領域を１６×４画素としたときの読み出しモードの例であり、斜線の入った画素が、信号が読み出されない画素である。これらの読み出しモードに従った画素の選択は、第１の実施例における読み出し回路の水平シフトレジスタ４２０において、設定された読み出しモードに従ってＨＡ（ｎ）パルスおよびＨＡＢ（ｎ）パルスを出力する画素列を変更することで実現できる。

図１０は、Ａ像信号の読み出しにおいては所定の色の画素信号のみを読み出し、Ａ＋Ｂ像信号の読み出しでは常に全画素を読み出す読み出しモードでの読み出し画素の設定を示す。この読み出し画素の設定にたいして、水平シフトレジスタ４２０は、偶数行(図の０、２、・・・行)、の読み出しにおいては、ＨＡ（ｎ）パルスを奇数列（図の１、３、・・・列）のみに送出し、ＨＡＢ（ｎ）パルスをすべての列に送出する。また、奇数行(図の１、３、・・・行)の読み出しにおいては、ＨＡ（ｎ）パルスを偶数列（図の０、２、・・・列）のみに送出し、ＨＡＢ（ｎ）パルスをすべての列に送出する。上記の読み出し動作により、Ａ像信号の読み出しにおいてはＧ画素のみが出力され、Ａ＋Ｂ像信号はすべての画素が出力される。出力されたＡ像信号とそれに対応する位置のＡ＋Ｂ像信号との差をとることでＢ像信号を得ることができ、Ｇ画素のみを使用した焦点検出が可能となる。

図１１は、より高速な読み出しを実現するためにＡ＋Ｂ像信号も間引いて読み出す読み出しモードでの設定例である。この設定例では、Ａ＋Ｂ像信号は１／３の間引率で、図の２、５、８、１１、１４列が読み出され、Ａ像信号はＡ＋Ｂ信号で読み出した列をさらに１／２に間引いて図の２、１１列のみが読み出される。Ａ＋Ｂ像信号が間引いて読み出されても、Ａ像信号に対応する位置のＡ＋Ｂ像信号は必ず読み出されるので、Ｂ像信号を生成することができる。

図１２は、Ａ＋Ｂ像信号を１／３の間引率で読み出し、Ａ像信号を１／５の間引率で読み出す読み出しモードでの設定例である。この場合、図１１の例と異なり、Ａ像信号に対応する位置のＡ＋Ｂ像信号が読み出されない列が生じてしまう。その場合は、Ａ像信号に対応する位置の近傍の位置から読み出したＡ＋Ｂ像信号のうち、隣接する同色列の画素信号を用いた補間により、Ａ像信号に対応するＡ＋Ｂ像信号を生成すればよい。例えば、図の０行７列目のＧ画素のＡ像信号に対応する位置のＡ＋Ｂ像信号は、図の０行５列目のＧ画素と、０行１１列目のＧ画素のＡ＋Ｂ像信号から補間すればよい。以上のようにすることで、Ａ像信号に対応する位置のＡ＋Ｂ像信号が読み出されていない場合でもＢ像信号を生成することが可能となる。

［実施例１の変形例２］
第１の実施例およびその第１の変形例ではＡ像信号を間引いて読み出したため、間引かれた列のＡ像信号の情報は失われていた。本変形例では、例えば第１の実施例のＡ像信号の読み出しを行なう前に、所定数の異なる列のＡ像信号を水平加算平均しておく。こうすることで、第１の実施例と同様に読み出し列数を減らして読み出し時間を短縮しても、より多くの列のＡ像信号の情報が得られ、焦点検出の精度を向上させることが可能となる。本変形例に係る撮像装置は、第１の実施例の撮像装置２００と撮像素子２０１の読み出し回路の構成においてのみ異なる。読み出し回路以外の部分は第１の実施例と同様であるため、ここでの説明は省略する。

図１３は、第１の実施例の第２の変形例に係る撮像装置の読み出し回路の回路構成図である。同図において、図４と同一の機能を有する部分は同じ番号で示し、その説明は省略する。

１３０１〜１３０８は同色画素の隣接する所定数(図では３)の列の容量ＣＴＳＡ４１４およびＣＴＮ４１５を接続するためのスイッチであり、ＰＨＡＤＤＡパルスにより制御される。スイッチ１３０１および１３０２がＯＮされた後ＯＦＦされると、図の第０、２、４列の容量ＣＴＳＡ４１０に保持されていた電圧の加算平均電圧がそれぞれの容量ＣＴＡ４１０に書き込まれる。また、スイッチ１３０３および１３０４がＯＮされた後ＯＦＦされると、第０、２、４列の容量ＣＴＮ４１１に保持されていた電圧の加算平均電圧がそれぞれの容量ＣＴＮ４１１に書き込まれる。同様に、スイッチ１３０５、１３０６は第３、５、７列の容量ＣＴＳＡ４１０に保持されていた電圧を加算平均し、スイッチ１３０７、１３０８は第３、５、７列の容量ＣＴＮ４１１に保持されていた電圧を加算平均する。

図１４は本実施例の駆動タイミングチャートを示す図であり、図５と同一の部分は同一の記号で示し、その説明は省略する。

図５との違いは、時刻Ｔ＝ｔａ〜ｔｂの間にＰＨＡＤＤＡパルスをＬ→Ｈ→Ｌと変化させることである。これにより、同色画素の隣接する所定数の列の容量ＣＴＳＡ４１０、ＣＴＮ４１１に書き込まれた電圧を加算平均している。その後は、図５と同様にＨＡ（ｎ）パルスおよびＨＡＢ（ｎ）パルスを第１の実施例と同様に送出し、Ａ像信号を第２および５列から読み出し、Ａ＋Ｂ像信号をすべての列から読み出す。

この読み出し動作により読み出される画素位置は図６と同じであるが、Ａ像信号は同色の隣接する画素の加算平均信号が読み出される。

なお、Ａ信号、Ａ＋Ｂ信号からＢ信号を生成する際は、Ａ像信号に対応してＡ＋Ｂ信号の同色の隣接する画素の加算平均を算出してから、Ａ像信号を減算すればよい。

以上の動作により読み出されなかった列のＡ像信号の情報が欠落することがなくなるため、焦点検出の精度を向上させることが可能となる。

また、読み出し画素の設定例は、上述して第１の実施例およびその第１の変形例に限るものではなく、それらに変えて、あるいは追加して適宜他の設定を使用することが可能である。

［実施例２］
次に本発明の第２の実施例について説明する。
先に述べた通り、本発明の撮像装置では、撮影レンズの瞳全域の光束を用いて瞳分割方式の焦点検出を行っている。そのため、撮影レンズの絞りを開放側にするほど、デフォーカス時の被写体像の崩れ方が大きくなる。

図１５は、焦点検出動作時のデフォーカス状態の被写体のＡ像信号１５１２ａおよびＢ像信号１５１２ｂと撮影レンズの絞り値の関係を説明するための図である。撮影レンズの絞り値が大きい小絞り側の場合、図１５（ｃ）に示すように被写体像の崩れ方が小さく、中間の絞りでは図１５（ｂ）、開放側では図１５（ａ）のように像の崩れ方が大きくなっていく。したがって、絞り値が小さい開放側で焦点検出を行うには、広範囲のＡ像、Ｂ像信号を取得する必要がある。

そこで、本実施例では、撮影条件の他の一つのパラメータである撮影レンズの絞り値に応じて、図８に示すようにＡ像の読み出し範囲とその範囲での間引き率を変更する読み出しモードを設定する。絞り開放時は図８（ａ）に示すようにＡ像はＨ１で示す範囲を１／５の間引き率で読み出し、Ａ＋Ｂ像は全域を非間引きで読み出す。中間絞り時は図８（ｂ）に示すようにＡ像はＨ２で示す範囲を１／３の間引き率で読み出し、Ａ＋Ｂ像は全域を非間引きで読み出す。小絞り時は図８（ｃ）に示すように、Ａ像はＨ３で示す範囲を非間引きで読み出し、Ａ＋Ｂ像は全域を非間引きで読み出す。

図１６は本実施例に係る撮像装置の撮像動作のフローチャートを示す図である。同図において、第１の実施例と同一の部分については同一の符号を付して示し、その説明は省略する。

撮影が開始すると、まず、ステップＳ１６０１において撮影レンズの絞り値を取得する。次に、ステップＳ１６０２において、取得した絞り値に応じて、図８（ａ）〜（ｃ）の読み出しモードを選択する。次に、ステップＳ９０３において、選択した読み出しモードでＡ像信号およびＡ＋Ｂ像信号を取得する。以降の動作は第１の実施例と同様である。

以上の動作を行うことで、撮影レンズの絞り値に応じて最適なＡ像の読み出し範囲を設定できるとともに、その設定に従ったＡ像読み出しにおいて読み出し時間の増加を抑えることが可能となる。

［他の実施の形態］
前述した本発明の実施形態における撮像装置を構成する各手段、並びに駆動方法の各工程は、コンピュータのＲＡＭやＲＯＭなどに記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム及び前記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は本発明に含まれる。

また、本発明は、例えば、システム、装置、方法、プログラムもしくは記憶媒体等としての実施形態も可能であり、具体的には、複数の機器から構成されるシステムに適用してもよいし、また、一つの機器からなる装置に適用してもよい。

なお、本発明は、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラム（図示したフローチャートに対応したプログラム）を、システムまたは装置に直接、または遠隔から供給する場合も含む。そして、そのシステムまたは装置のコンピュータが前記供給されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される場合を含む。

したがって、本発明の機能処理をコンピュータで実現するために、前記コンピュータにインストールされるプログラムコード自体も本発明を実現するものである。つまり、本発明は、本発明の機能処理を実現するためのコンピュータプログラム自体も含まれる。その場合、プログラムの機能を有していれば、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラム、ＯＳに供給するスクリプトデータ等の形態であってもよい。

プログラムを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスクなどがある。さらに、ＭＯ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ）などもある。

その他、プログラムの供給方法としては、クライアントコンピュータのブラウザを用いてインターネットのホームページに接続する方法がある。そして、前記ホームページから本発明のコンピュータプログラムそのもの、もしくは圧縮され自動インストール機能を含むファイルをハードディスク等の記憶媒体にダウンロードすることによっても供給できる。

また、本発明のプログラムを構成するプログラムコードを複数のファイルに分割し、それぞれのファイルを異なるホームページからダウンロードすることによっても実現可能である。つまり、本発明の機能処理をコンピュータで実現するためのプログラムファイルを複数のユーザに対してダウンロードさせるＷＷＷサーバも、本発明に含まれるものである。

また、その他の方法として、本発明のプログラムを暗号化してＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に格納してユーザに配布し、所定の条件をクリアしたユーザに対し、インターネットを介してホームページから暗号化を解く鍵情報をダウンロードさせる。そして、その鍵情報を使用することにより暗号化されたプログラムを実行してコンピュータにインストールさせて実現することも可能である。

また、コンピュータが、読み出したプログラムを実行することによって、前述した実施形態の機能が実現される。さらに、そのプログラムの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳなどが、実際の処理の一部または全部を行い、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現され得る。

さらに、その他の方法として、まず記憶媒体から読み出されたプログラムが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれる。そして、そのプログラムの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims (17)

1. 撮影レンズと前記撮影レンズの瞳分割手段を含む撮影光学系と、前記撮影光学系で結像された被写体像を撮像する二次元の画素配列を有し、前記画素配列を構成する各画素が複数の光電変換素子を含む撮像手段とを備える撮像装置において、前記複数の光電変換素子の所定の光電変換素子の画素信号と前記複数の光電変換手段の画素信号の加算信号を選択的に読み出す読み出し手段と、
   前記所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素と前記加算信号を読み出す画素とを選択する読み出しモードを、前記撮像装置の撮影条件に従って設定する設定手段と、
   前記設定された読み出しモードに従って前記読み出し手段が読み出した所定の光電変換素子の画素信号と加算信号とを用いて、前記読み出しモードで選択された所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素に含まれる前記所定の光電変換素子とは異なる光電変換素子の画素信号を生成する信号処理手段と
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮影条件は、少なくとも前記被写体像のデフォーカス量および絞りの絞り値を含み、前記設定手段は前記デフォーカス量および絞り値のいずれかに従って前記読み出しモードを設定し、前記読み出しモードは、前記画素配列における選択する画素の範囲と、前記範囲で選択する画素の間引き率を含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記設定手段は、前記所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素と前記加算信号を読み出す画素とで、異なる範囲と間引き率を設定することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記撮影光学系は前記絞りを有し、前記設定手段は、前記絞りの絞り値が小さいほど、前記所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素を選択する範囲を広く設定することを特徴とする請求項２又は３に記載の撮像装置。
5. 前記被写体像のデフォーカス量を検出する焦点検出手段をさらに備え、前記設定手段は、前記焦点検出手段で検出されたデフォーカス量が大きいほど、前記所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素を選択する範囲を広く設定することを特徴とする請求項２又は３に記載の撮像装置。
6. 前記焦点検出手段は、前記読み出しモードに従って読み出された前記所定の光電変換素子の画素信号と前記信号処理手段で生成された画素信号とを用いて前記被写体のデフォーカス量を検出することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 前記設定手段は、前記所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素が、前記加算信号を読み出す画素に含まれるように、前記範囲と間引き率を設定することを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載の撮像装置。
8. 前記撮像手段は、各画素に配設された複数色のカラーフィルタを備え、前記設定手段は、前記所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素が同色のカラーフィルタを備えた画素となるように前記範囲および間引き率を設定することを特徴とする請求項３乃至７のいずれか一項に記載の撮像装置。
9. 前記信号処理手段は、前記読み出しモードで選択された前記所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素に含まれる前記所定の光電変換手段とは異なる光電変換素子の画素信号を、前記読み出しモードで選択された所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素から読み出された前記所定の光電変換素子の画素信号と前記加算信号との差分をとることで生成することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の撮像装置。
10. 前記設定手段が、前記所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素が前記加算信号を読み出す画素に含まれないように前記範囲および間引き率を設定したときは、前記信号処理手段は、前記読み出しモードで選択された所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素に含まれる前記所定の光電変換手段とは異なる光電変換素子の画素信号を、前記所定の光電変換素子の画素信号を読み出した画素の近傍の画素から読み出された前記加算信号から補間された信号と前記所定の光電変換素子から読み出された画素信号とから生成することを特徴とする請求項１乃至６および８のいずれか一項に記載の撮像装置。
11. 前記所定の光電変換素子の画素信号を読み出した画素の近傍の画素は、前記所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素と同色のカラーフィルタを備えた画素であることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
12. 前記読み出し手段は、前記画素配列の所定の複数の列の画素の前記所定の光電変換素子の画素信号を加算平均する加算平均手段を有し、前記加算平均された画素信号を、前記読み出しモードに従って、前記所定の光電変換素子の画素信号として読み出すことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の撮像装置。
13. 撮影レンズと前記撮影レンズの瞳分割手段を含む撮影光学系と、前記撮影光学系で結像された被写体像を撮像する二次元の画素配列を有し、前記画素配列を構成する各画素が複数の光電変換素子を含む撮像手段と、前記複数の光電変換素子の所定の光電変換素子の画素信号と前記複数の光電変換素子の画素信号の加算信号を選択的に読み出す読み出し手段とを備えた撮像装置の駆動方法において、
    前記所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素と前記加算信号を読み出す画素とを選択する読み出しモードを、前記撮像装置の撮影条件に従って設定する設定ステップと、
    前記設定された読み出しモードに従って前記読み出し手段を制御し、前記所定の光電変換素子の画素信号と前記加算信号を読み出す読み出しステップと、
    前記読み出しステップで読み出した前記所定の光電変換素子の画素信号と加算信号とを用いて、前記読み出しモードで選択された所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素に含まれる前記所定の光電変換素子とは異なる光電変換素子の画素信号を生成する信号処理ステップと
    を備えることを特徴とする駆動方法。
14. 撮影レンズと前記撮影レンズの瞳分割手段を含む撮影光学系と、前記撮影光学系で結像された被写体像を撮像する二次元の画素配列を有し、前記画素配列を構成する各画素が複数の光電変換素子を含む撮像手段と、前記複数の光電変換素子の所定の光電変換素子の画素信号と前記複数の光電変換素子の画素信号の加算信号を選択的に読み出す読み出し手段とを備えた撮像装置を制御するためのプログラムであり、
    コンピュータを、
    前記所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素と前記加算信号を読み出す画素とを選択する読み出しモードを、前記撮像装置の撮影条件に従って設定する設定手段、
    前記設定された読み出しモードに従って前記読み出し手段を制御し、前記所定の光電変換素子の画素信号と前記加算信号を読み出す読み出し制御手段、
    前記設定された読み出しモードに従って読み出された前記所定の光電変換素子の画素信号と加算信号とを用いて、前記読み出しモードで選択された所定の光電変換素子の画素信号を読み出す画素に含まれる前記所定の光電変換素子とは異なる光電変換素子の画素信号を生成する信号処理手段と
    して機能させるプログラム。
15. 請求項１４に記載のプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。
16. コンピュータを、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載された撮像装置の各手段として機能させるプログラム。
17. コンピュータを、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載された撮像装置の各手段として機能させるプログラムを格納した記憶媒体。

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