JP6399844B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置に関する。

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。

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。

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。

特開２００１−１２４９８４号公報 国際公開第２００７／０２６７７７号

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。

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。

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。

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。

撮像装置の構成例を示す図である。 単位画素の配置図である。 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概念図である。 単位画素の構成例を示すレイアウト図である。 単位画素の構成例を示す回路図である。 撮像素子の読み出し回路の構成例を示す図である。 第１の実施形態による水平信号線の構成例を示す回路図である。 第１の実施形態による読み出し分割画素の概念を示す図である。 第１の駆動方法を示すタイミングチャートである。 第２の駆動方法を示すタイミングチャートである。 光走行時間法によるパルスタイミングを説明する図である。 第３の駆動方法を示すタイミングチャートである。 撮像装置の駆動方法を説明するフローチャートである。 第２の実施形態による水平信号線の構成例を示す回路図である。 第２の実施形態による読み出し分割画素の概念を示す図である。 第３の実施形態による水平信号線の構成例を示す回路図である。 単位画素の他の構成例を示すレイアウト図である。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (10)

1. 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撮像装置。
2. 前記撮像素子の第３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ることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記撮像素子の前記第３の領域は、前記撮像素子の中央領域であり、
   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。
4. 前記第１の転送スイッチは、前記第１の光電変換部の電荷を第１の電荷蓄積部に転送し、
   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。
5. 前記第１の転送スイッチは、前記第１の光電変換部の電荷を第１の電荷蓄積部に転送し、
   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。
6. さらに、被写体にパルス光を投射する発光装置を有し、
   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。
7. 前記撮像素子の第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。
8. さらに、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距離演算部を有することを特徴とする請求項７記載の撮像装置。
9. さらに、撮影レンズを有し、
   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。
10. さらに、撮影レンズを有し、
    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。

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