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技術 固体撮像装置、固体撮像装置の制御方法、および撮像装置

出願人 オリンパス株式会社
発明者 福岡直人
出願日 2012年11月20日 (8年1ヶ月経過) 出願番号 2012-254093
公開日 2014年6月5日 (6年6ヶ月経過) 公開番号 2014-103525
状態 特許登録済
技術分野 光信号から電気信号への変換
主要キーワード 画素欠け 回路ノイズ 単位メモリ 画素エリア内 補正用画素 画素転送 走査ステップ 転送線
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (14)

課題

位相差AF用画素と通常の画素とが配置された固体撮像装置において、位相差AF用の信号と撮像用の通常の画素信号との読み出を両立させることができる固体撮像装置、固体撮像装置の制御方法、および撮像装置を提供する。

解決手段

次元行列状に配置された複数の画素は、入射光電気信号に変換して蓄積する第1の光電変換手段を具備した第1の画素と、入射光を電気信号に変換して蓄積する第2の光電変換手段と第2の光電変換手段に入射する光線を選択する光線選択手段とを具備した第2の画素とを含み、全ての第1の画素を同時に駆動する第1の露光動作の制御を行う第1の走査回路と、第2の画素を行毎に順次駆動する第2の露光動作の制御を行う第2の走査回路と、を備え、第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を、画像信号として出力し、第2の光電変換手段に蓄積された電気信号を、フォーカス信号として出力する。

概要

背景

近年、固体撮像装置としてCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor:相補型金属酸化膜半導体)型固体撮像装置(以下、「MOS型固体撮像装置」という)が注目され、実用化されている。
このMOS型固体撮像装置は、CCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)型固体撮像装置と異なり、単一電源で駆動することが可能である。また、CCD型固体撮像装置では、専用の製造プロセスを必要とするのに対し、MOS型固体撮像装置は、他のLSIと同じ製造プロセスを用いて製造することができることからSOC(System On Chip)への対応が容易であり、固体撮像装置の多機能化を可能としている。
また、MOS型固体撮像装置は、各画素増幅回路を備えることによって画素内で信号電荷増幅しているため、信号の伝達経路からのノイズの影響を受けづらい構成になっている。さらに、各画素の信号電荷を選択して取り出す(選択方式)ことが可能であり、原理上、信号の蓄積時間や読み出し順序を画素毎に自由に制御することができるという特徴がある。

従来から、MOS型固体撮像装置(以下、「固体撮像装置」ともいう)を搭載した撮像装置として、デジタル一眼レフカメラがある。
従来のデジタル一眼レフカメラでは、レンズを通過した被写体光入射光)を固体撮像装置に入射させると共に、ミラーを使用して、例えば、位相差AFセンサのようなオートフォーカス(AF)用のセンサに被写体光を導いて、被写体情報を得ている。

しかし、上記のようなミラーを備えない、いわゆる、ミラーレスカメラも普及している。このミラーレスカメラでは、従来のデジタル一眼レフカメラのように、被写体光をミラーによって位相差AFセンサに導くことができない。このため、ミラーレスカメラにおけるAF方式では、固体撮像装置から出力される画素信号に基づいてオートフォーカスの制御を行う、いわゆる、コントラストAFの方式を採用せざるを得ない。

しかしながら、一般的に、コントラストAF方式のオートフォーカス制御は、位相差AFセンサを用いた方式のオートフォーカス制御に比べて、AF動作が遅いという問題がある。
このような問題を解決するための技術として、例えば、特許文献1のように、固体撮像装置の有効画素エリア内に、画像を取得するための通常の画素だけではなく、オートフォーカス制御を行うための被写体情報を取得する位相差AF用の画素を設ける技術が開示されている。

概要

位相差AF用の画素と通常の画素とが配置された固体撮像装置において、位相差AF用の信号と撮像用の通常の画素信号との読み出を両立させることができる固体撮像装置、固体撮像装置の制御方法、および撮像装置を提供する。2次元行列状に配置された複数の画素は、入射光を電気信号に変換して蓄積する第1の光電変換手段を具備した第1の画素と、入射光を電気信号に変換して蓄積する第2の光電変換手段と第2の光電変換手段に入射する光線を選択する光線選択手段とを具備した第2の画素とを含み、全ての第1の画素を同時に駆動する第1の露光動作の制御を行う第1の走査回路と、第2の画素を行毎に順次駆動する第2の露光動作の制御を行う第2の走査回路と、を備え、第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を、画像信号として出力し、第2の光電変換手段に蓄積された電気信号を、フォーカス信号として出力する。

目的

本発明は、上記の課題認識に基づいてなされたものであり、位相差AF用の画素と通常の画素とが有効画素エリア内に配置された固体撮像装置においてグローバル露光方式の露光動作を行った場合でも、効率良く位相差AF用の信号と撮像用の通常の画素信号とを読み出し高速なオートフォーカス制御と良好な画質の画像の取得とを両立させることができる固体撮像装置、固体撮像装置の制御方法、および撮像装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

次元行列状に配置された複数の画素を有し、複数の前記画素のそれぞれに入射した光量に応じた信号を出力する固体撮像装置であって、前記画素は、入射光電気信号に変換して蓄積する第1の光電変換手段を具備した第1の画素と、入射光を電気信号に変換して蓄積する第2の光電変換手段と、該第2の光電変換手段に入射する光線を選択する光線選択手段とを具備した第2の画素とを含み、前記第1の画素に対して、全ての前記第1の画素の前記第1の光電変換手段を同時に駆動し、予め定めた蓄積時間が経過した後に、前記第1の画素が配置された行毎に、それぞれの前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を順次出力させる第1の露光動作の制御を行う第1の走査回路と、前記第2の画素に対して、前記第2の画素が配置された行毎に、それぞれの前記第2の画素の前記第2の光電変換手段を順次駆動し、それぞれの前記第2の光電変換手段に蓄積された電気信号を順次出力させる第2の露光動作の制御を行う第2の走査回路と、を備え、前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を、画像信号として出力し、前記第2の光電変換手段に蓄積された電気信号を、フォーカス信号として出力する、ことを特徴とする固体撮像装置。

請求項2

前記第2の走査回路は、前記第1の走査回路が、前記第1の画素が配置された行毎にそれぞれの前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を順次出力させている期間中に、前記第2の露光動作の制御を行う、ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。

請求項3

前記第2の走査回路は、前記第1の走査回路が、全ての前記第1の画素の前記第1の光電変換手段を同時に駆動している期間および前記蓄積時間の期間以外の期間中に、前記第2の露光動作の制御を行う、ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。

請求項4

前記画素を構成する回路要素は、接続部によって電気的に接続される第1の基板と第2の基板とに分けて形成され、前記第1の画素は、前記第1の光電変換手段が、前記第1の基板内に形成され、前記第2の基板内に形成され、前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を保持する電荷蓄積部、をさらに備え、前記第2の画素は、前記第2の光電変換手段と前記光線選択手段とが、前記第1の基板内に形成され、前記第1の走査回路は、前記蓄積時間が経過した後に、全ての前記第1の画素の前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を、対応する前記電荷蓄積部に同時に転送させ、その後、前記第1の画素が配置された行毎に、それぞれの前記電荷蓄積部に保持した電気信号を順次出力させ、前記電荷蓄積部に保持した電気信号を、画像信号として出力する、ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1の項に記載の固体撮像装置。

請求項5

前記第1の画素は、前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号をリセットするリセット手段、をさらに備え、前記第1の走査回路は、前記第2の走査回路が、前記第2の露光動作の制御を行っている期間中、前記リセット手段による前記リセットが有効な状態にする、ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。

請求項6

前記第2の画素は、前記第2の基板内に形成され、前記第1の基板を透過した入射光を電気信号に変換して蓄積する第3の光電変換手段、をさらに備え、前記第1の走査回路は、全ての前記第1の画素の前記第1の光電変換手段と、全ての前記第2の画素の前記第3の光電変換手段とを同時に駆動し、前記蓄積時間が経過した後に、全ての前記第1の画素の前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を、対応する前記電荷蓄積部に同時に転送させ、その後、前記第1の画素および前記第2の画素が配置された行毎に、それぞれの前記電荷蓄積部に保持した電気信号および前記第3の光電変換手段に蓄積された電気信号を順次出力させ、前記電荷蓄積部に保持した電気信号と、前記第3の光電変換手段に蓄積された電気信号とを、画像信号として出力する、ことを特徴とする請求項4または請求項5に記載の固体撮像装置。

請求項7

2次元の行列状に配置された複数の画素を有し、複数の前記画素のそれぞれに入射した光量に応じた信号を出力する固体撮像装置の制御方法であって、当該固体撮像装置の前記画素は、入射光を電気信号に変換して蓄積する第1の光電変換手段を具備した第1の画素と、入射光を電気信号に変換して蓄積する第2の光電変換手段と、該第2の光電変換手段に入射する光線を選択する光線選択手段とを具備した第2の画素とを含んでおり、第1の走査回路によって、前記第1の画素に対して、全ての前記第1の画素の前記第1の光電変換手段を同時に駆動し、予め定めた蓄積時間が経過した後に、前記第1の画素が配置された行毎に、それぞれの前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を順次出力させる第1の露光動作の制御を行う第1の走査ステップと、第2の走査回路によって、前記第2の画素に対して、前記第2の画素が配置された行毎に、それぞれの前記第2の画素の前記第2の光電変換手段を順次駆動し、それぞれの前記第2の光電変換手段に蓄積された電気信号を順次出力させる第2の露光動作の制御を行う第2の走査ステップと、を含み、前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を、画像信号として出力し、前記第2の光電変換手段に蓄積された電気信号を、フォーカス信号として出力する、ことを特徴とする固体撮像装置の制御方法。

請求項8

2次元の行列状に配置された複数の画素を有し、複数の前記画素のそれぞれに入射した光量に応じた信号を出力する固体撮像装置であって、前記画素は、入射光を電気信号に変換して蓄積する第1の光電変換手段を具備した第1の画素と、入射光を電気信号に変換して蓄積する第2の光電変換手段と、該第2の光電変換手段に入射する光線を選択する光線選択手段とを具備した第2の画素とを含み、前記第1の画素に対して、全ての前記第1の画素の前記第1の光電変換手段を同時に駆動し、予め定めた蓄積時間が経過した後に、前記第1の画素が配置された行毎に、それぞれの前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を順次出力させる第1の露光動作の制御を行う第1の走査回路と、前記第2の画素に対して、前記第2の画素が配置された行毎に、それぞれの前記第2の画素の前記第2の光電変換手段を順次駆動し、それぞれの前記第2の光電変換手段に蓄積された電気信号を順次出力させる第2の露光動作の制御を行う第2の走査回路と、を備え、前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を、画像信号として出力し、前記第2の光電変換手段に蓄積された電気信号を、フォーカス信号として出力する固体撮像装置、を備えることを特徴とする撮像装置

技術分野

0001

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の制御方法、および撮像装置に関する。

背景技術

0002

近年、固体撮像装置としてCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor:相補型金属酸化膜半導体)型固体撮像装置(以下、「MOS型固体撮像装置」という)が注目され、実用化されている。
このMOS型固体撮像装置は、CCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)型固体撮像装置と異なり、単一電源で駆動することが可能である。また、CCD型固体撮像装置では、専用の製造プロセスを必要とするのに対し、MOS型固体撮像装置は、他のLSIと同じ製造プロセスを用いて製造することができることからSOC(System On Chip)への対応が容易であり、固体撮像装置の多機能化を可能としている。
また、MOS型固体撮像装置は、各画素増幅回路を備えることによって画素内で信号電荷増幅しているため、信号の伝達経路からのノイズの影響を受けづらい構成になっている。さらに、各画素の信号電荷を選択して取り出す(選択方式)ことが可能であり、原理上、信号の蓄積時間や読み出し順序を画素毎に自由に制御することができるという特徴がある。

0003

従来から、MOS型固体撮像装置(以下、「固体撮像装置」ともいう)を搭載した撮像装置として、デジタル一眼レフカメラがある。
従来のデジタル一眼レフカメラでは、レンズを通過した被写体光入射光)を固体撮像装置に入射させると共に、ミラーを使用して、例えば、位相差AFセンサのようなオートフォーカス(AF)用のセンサに被写体光を導いて、被写体情報を得ている。

0004

しかし、上記のようなミラーを備えない、いわゆる、ミラーレスカメラも普及している。このミラーレスカメラでは、従来のデジタル一眼レフカメラのように、被写体光をミラーによって位相差AFセンサに導くことができない。このため、ミラーレスカメラにおけるAF方式では、固体撮像装置から出力される画素信号に基づいてオートフォーカスの制御を行う、いわゆる、コントラストAFの方式を採用せざるを得ない。

0005

しかしながら、一般的に、コントラストAF方式のオートフォーカス制御は、位相差AFセンサを用いた方式のオートフォーカス制御に比べて、AF動作が遅いという問題がある。
このような問題を解決するための技術として、例えば、特許文献1のように、固体撮像装置の有効画素エリア内に、画像を取得するための通常の画素だけではなく、オートフォーカス制御を行うための被写体情報を取得する位相差AF用の画素を設ける技術が開示されている。

先行技術

0006

特開2011−171749号公報

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、特許文献1で開示された技術のように、固体撮像装置の有効画素エリア内にオートフォーカス制御を行うために用いる位相差AF用の画素を配置すると、この位相差AF用の画素が配置された位置には通常の画素を配置することができなくなる。このため、画像を取得するための通常の画素アレイとしては、位相差AF用の画素が配置された位置に画素欠けが発生しているのと同様の状態になり、欠陥画素と同様に扱って、位相差AF用の画素が配置された位置の画素を補完する処理が必要となる。

0008

ところで、オートフォーカス制御においてAF動作の性能を確保するためには、ある程度の数の位相差AF用の画素を、固体撮像装置の画素アレイ内に配置しなければならない。このため、画像を取得するための通常の画素アレイには多数の欠陥画素を有してしまうことになり、その結果、欠陥画素の補完処理を行ったとしても、カメラとして良好な画質の画像を得ることが困難になってしまうということが懸念される。

0009

また、従来から、一般的な固体撮像装置の露光動作の方式として、ライン露光方式と、グローバル露光方式とが知られている。ライン露光方式は、固体撮像装置内に2次元に配列された多数の画素を、行毎に異なるタイミングで露光し、露光を行った行毎にそれぞれの画素の画素信号を順次読み出すことによって、被写体の画像を得る露光動作の方式である。ライン露光方式の場合、行単位で露光と読み出しとを連続して行うことが可能であるため、それぞれの画素におけるノイズの影響を最小限に抑えた状態で、被写体の画像を得ることができる。しかし、ライン露光方式で移動する被写体を撮影した場合には、行毎に露光のタイミングが異なることにから被写体を正しく撮像することができず、被写体が歪曲した画像が得られてしまうという不具合が発生する。

0010

一方、グローバル露光方式は、固体撮像装置内に2次元に配列された全ての画素を、同時のタイミングで露光した後に、それぞれの画素の画素信号を順次読み出すことによって、被写体の画像を得る露光動作の方式である。グローバル露光方式の場合は、全ての画素が同時のタイミングで露光を行うため、移動する被写体を撮影する際にも、歪曲した画像が得られてしまうという不具合が発生することはない。

0011

ところが、このグローバル露光方式の露光動作を、特許文献1で開示された有効画素エリア内に位相差AF用の画素と通常の画素とを配置した固体撮像装置で行うと、通常の画素のそれぞれから画素信号を読み出す動作の制御が煩雑になるばかりではなく、位相差AF用の画素を駆動するための信号が通常の画素の駆動に影響を及ぼし、画像が劣化してしまうことが懸念される。しかしながら、特許文献1には、位相差AF用の画素と通常の画素とのそれぞれを駆動して、位相差AF用の信号と通常の画素信号とを読み出す際の読み出し制御に関しての開示はされていない。

0012

本発明は、上記の課題認識に基づいてなされたものであり、位相差AF用の画素と通常の画素とが有効画素エリア内に配置された固体撮像装置においてグローバル露光方式の露光動作を行った場合でも、効率良く位相差AF用の信号と撮像用の通常の画素信号とを読み出し、高速なオートフォーカス制御と良好な画質の画像の取得とを両立させることができる固体撮像装置、固体撮像装置の制御方法、および撮像装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0013

上記の課題を解決するため、本発明の固体撮像装置は、2次元の行列状に配置された複数の画素を有し、複数の前記画素のそれぞれに入射した光量に応じた信号を出力する固体撮像装置であって、前記画素は、入射光を電気信号に変換して蓄積する第1の光電変換手段を具備した第1の画素と、入射光を電気信号に変換して蓄積する第2の光電変換手段と、該第2の光電変換手段に入射する光線を選択する光線選択手段とを具備した第2の画素とを含み、前記第1の画素に対して、全ての前記第1の画素の前記第1の光電変換手段を同時に駆動し、予め定めた蓄積時間が経過した後に、前記第1の画素が配置された行毎に、それぞれの前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を順次出力させる第1の露光動作の制御を行う第1の走査回路と、前記第2の画素に対して、前記第2の画素が配置された行毎に、それぞれの前記第2の画素の前記第2の光電変換手段を順次駆動し、それぞれの前記第2の光電変換手段に蓄積された電気信号を順次出力させる第2の露光動作の制御を行う第2の走査回路と、を備え、前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を、画像信号として出力し、前記第2の光電変換手段に蓄積された電気信号を、フォーカス信号として出力する、ことを特徴とする。

0014

また、本発明の固体撮像装置の制御方法は、2次元の行列状に配置された複数の画素を有し、複数の前記画素のそれぞれに入射した光量に応じた信号を出力する固体撮像装置の制御方法であって、当該固体撮像装置の前記画素は、入射光を電気信号に変換して蓄積する第1の光電変換手段を具備した第1の画素と、入射光を電気信号に変換して蓄積する第2の光電変換手段と、該第2の光電変換手段に入射する光線を選択する光線選択手段とを具備した第2の画素とを含んでおり、第1の走査回路によって、前記第1の画素に対して、全ての前記第1の画素の前記第1の光電変換手段を同時に駆動し、予め定めた蓄積時間が経過した後に、前記第1の画素が配置された行毎に、それぞれの前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を順次出力させる第1の露光動作の制御を行う第1の走査ステップと、第2の走査回路によって、前記第2の画素に対して、前記第2の画素が配置された行毎に、それぞれの前記第2の画素の前記第2の光電変換手段を順次駆動し、それぞれの前記第2の光電変換手段に蓄積された電気信号を順次出力させる第2の露光動作の制御を行う第2の走査ステップと、を含み、前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を、画像信号として出力し、前記第2の光電変換手段に蓄積された電気信号を、フォーカス信号として出力する、ことを特徴とする。

0015

また、本発明の撮像装置は、2次元の行列状に配置された複数の画素を有し、複数の前記画素のそれぞれに入射した光量に応じた信号を出力する固体撮像装置であって、前記画素は、入射光を電気信号に変換して蓄積する第1の光電変換手段を具備した第1の画素と、入射光を電気信号に変換して蓄積する第2の光電変換手段と、該第2の光電変換手段に入射する光線を選択する光線選択手段とを具備した第2の画素とを含み、前記第1の画素に対して、全ての前記第1の画素の前記第1の光電変換手段を同時に駆動し、予め定めた蓄積時間が経過した後に、前記第1の画素が配置された行毎に、それぞれの前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を順次出力させる第1の露光動作の制御を行う第1の走査回路と、前記第2の画素に対して、前記第2の画素が配置された行毎に、それぞれの前記第2の画素の前記第2の光電変換手段を順次駆動し、それぞれの前記第2の光電変換手段に蓄積された電気信号を順次出力させる第2の露光動作の制御を行う第2の走査回路と、を備え、前記第1の光電変換手段に蓄積された電気信号を、画像信号として出力し、前記第2の光電変換手段に蓄積された電気信号を、フォーカス信号として出力する固体撮像装置、を備えることを特徴とする。

発明の効果

0016

本発明によれば、位相差AF用の画素と通常の画素とが有効画素エリア内に配置された固体撮像装置においてグローバル露光方式の露光動作を行った場合でも、効率良く位相差AF用の信号と撮像用の通常の画素信号とを読み出し、高速なオートフォーカス制御と良好な画質の画像の取得とを両立させることができる固体撮像装置、固体撮像装置の制御方法、および撮像装置を提供することができるという効果が得られる。

図面の簡単な説明

0017

本発明の第1の実施形態による固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。
本第1の実施形態の固体撮像装置に備えた撮像用単位画素の概略構成を示した回路図である。
本第1の実施形態の固体撮像装置に備えたAF用単位画素の概略構成を示した回路図である。
本第1の実施形態の固体撮像装置においてAF用単位画素の読み出しとグローバル露光の動作とを行う際の動作シーケンスの概略を示したシーケンス図である。
本発明の第2の実施形態による固体撮像装置の概略構成を示した概観図である。
本第2の実施形態の固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。
本第2の実施形態の固体撮像装置に備えた画素チップ内の撮像用単位画素の概略構成を示した回路図である。
本第2の実施形態の固体撮像装置に備えた画素信号処理チップ内の撮像用単位メモリの概略構成を示した回路図である。
本第2の実施形態の固体撮像装置においてAF用単位画素の読み出しとグローバル露光の動作とを行う際の第1の動作シーケンスの概略を示したシーケンス図である。
本第2の実施形態の固体撮像装置においてAF用単位画素の読み出しとグローバル露光の動作とを行う際の第2の動作シーケンスの概略を示したシーケンス図である。
本発明の第3の実施形態の固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。
本第3の実施形態の固体撮像装置に備えた画素信号処理チップ内の補正用単位画素の概略構成を示した回路図である。
本発明の実施形態による固体撮像装置を搭載した撮像装置の概略構成を示したブロック図である。

実施例

0018

<第1の実施形態>
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明は、例示のために特定の詳細な内容が含まれている。しかし、当業者であれば、以下に説明する詳細な内容に様々な変更を加えた場合であっても、本発明の範囲を超えないことは理解できるであろう。従って、以下に説明する本発明の例示的な実施形態は、権利を請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。

0019

図1は、本第1の実施形態による固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。本第1の実施形態の固体撮像装置は、被写体を撮像するための通常の画素(以下、「撮像用単位画素」という)が2次元の行列状に配列され、入射した被写体光の受光量(光線量)に応じた電気信号を出力するMOS型固体撮像装置である。また、本第1の実施形態の固体撮像装置は、撮像用単位画素以外に、オートフォーカス制御に用いられる位相差AF用の画素(以下、「AF用単位画素」という)が任意の間隔で配置されている。図1において、固体撮像装置1は、複数の撮像用単位画素13およびAF用単位画素14で構成された画素アレイ部10、撮像画素垂直走査回路11、AF画素用垂直走査回路12、水平走査回路15から構成される。なお、以下の説明においては、画素アレイ部10の領域が、固体撮像装置1における有効画素の領域(有効画素エリア)であるものとして説明する。

0020

画素アレイ部10内のそれぞれの撮像用単位画素13は、入射した被写体光を電気信号に変換し、撮像画素用垂直走査回路11から入力された制御信号に応じて、入射した被写体光の受光量(光線量)に応じた電気信号を撮像用画素信号として、水平走査回路15に出力する。また、画素アレイ部10内のそれぞれのAF用単位画素14は、例えば、遮光部材(光線選択手段)によって一部の被写体光が遮光されており、遮光されていない側から入射した被写体光を電気信号に変換する。そして、AF用単位画素14は、AF画素用垂直走査回路12から入力された制御信号に応じて、入射した一部の被写体光の受光量(光線量)に応じた電気信号をAF用画素信号として、水平走査回路15に出力する。

0021

なお、図1に示したように、AF用単位画素14は、隣り合うAF用単位画素14同士で異なる方向の被写体光が遮光されている。すなわち、隣接するAF用単位画素14同士で、入射する被写体光の方向(入射方向)が異なっている。この隣接するAF用単位画素14に入射する被写体光の入射方向の違いによって、隣り合うAF用単位画素14がそれぞれ出力するAF用画素信号が位相差を持つことになる。そして、固体撮像装置1を搭載した撮像装置では、隣接する2つのAF用単位画素14を1つの組として扱うことによって、位相差AFセンサを用いた方式のオートフォーカス制御と同様のオートフォーカス制御を、それぞれの組のAF用単位画素14が出力したAF用画素信号に基づいて行うことができる。図1には、左側が遮光されたAF用単位画素14と、右側が遮光されたAF用単位画素14とが交互に、左から順番に配置されている場合の一例を示している。なお、撮像用単位画素13およびAF用単位画素14に関する詳細な説明は、後述する。

0022

撮像画素用垂直走査回路11は、画素アレイ部10内のそれぞれの撮像用単位画素13を制御し、各撮像用単位画素13からの撮像用画素信号を水平走査回路15に出力させる。撮像画素用垂直走査回路11は、撮像用単位画素13がグローバル露光の動作を行うように制御するための制御信号を、画素アレイ部10に備えた撮像用単位画素13に出力する。

0023

AF画素用垂直走査回路12は、画素アレイ部10内のそれぞれのAF用単位画素14を制御し、各AF用単位画素14からのAF用画素信号を水平走査回路15に出力させる。AF画素用垂直走査回路12は、AF用単位画素14がライン露光の動作を行うように制御するための制御信号を、画素アレイ部10に備えたAF用単位画素14に出力する。なお、撮像画素用垂直走査回路11およびAF画素用垂直走査回路12による撮像用単位画素13およびAF用単位画素14の制御方法に関する詳細な説明は、後述する。

0024

水平走査回路15は、画素アレイ部10の各列の撮像用単位画素13からそれぞれ入力された撮像用画素信号を、固体撮像装置1が被写体を撮像した画像信号として、固体撮像装置1の外部に順次出力する。また、水平走査回路15は、画素アレイ部10の各列のAF用単位画素14からそれぞれ入力されたAF用画素信号を、オートフォーカス制御に用いる位相差AF用の信号(以下、「AF用信号」という)として、固体撮像装置1の外部に順次出力する。

0025

次に、本第1の実施形態の固体撮像装置1内の画素アレイ部10に備えた撮像用単位画素13およびAF用単位画素14について説明する。図2は、本第1の実施形態の固体撮像装置1に備えた撮像用単位画素13の概略構成を示した回路図である。また、図3は、本第1の実施形態の固体撮像装置1に備えたAF用単位画素14の概略構成を示した回路図である。

0026

まず、撮像用単位画素13について説明する。撮像用単位画素13は、入射した光を電気信号に変換した撮像用画素信号を、撮像用画素垂直信号線134に出力する回路である。撮像用単位画素13は、それぞれ、フォトダイオードPD、画素電荷蓄積部FD画素転送トランジスタPM1、画素リセットトランジスタPM2、画素増幅トランジスタPM3、画素選択トランジスタPM4から構成される。

0027

画素電荷蓄積部FDは、画素増幅トランジスタPM3のゲート端子に接続されたノード付随する容量であり、図2に示した撮像用単位画素13の概略構成においては、キャパシタ記号で示す。図2に示した撮像用単位画素13の概略構成は、従来のイメージセンサの画素と同様の構成である。

0028

フォトダイオードPDは、入射した光を光電変換して信号電荷を発生する光電変換部(光電変換素子)である。
画素電荷蓄積部FDは、フォトダイオードPDが発生した信号電荷を蓄積する容量である。
画素転送トランジスタPM1は、撮像画素用垂直走査回路11から撮像用画素転送線112を介して入力される画素転送パルスΦPT1に基づいて、フォトダイオードPDが発生した信号電荷を、画素増幅トランジスタPM3のゲート端子に接続された画素電荷蓄積部FDに転送する。画素転送トランジスタPM1によって転送された信号電荷は、画素電荷蓄積部FDに蓄積される。
画素増幅トランジスタPM3は、画素電荷蓄積部FDに蓄積された信号電荷に応じた電圧を出力する。

0029

画素リセットトランジスタPM2は、撮像画素用垂直走査回路11から撮像用画素リセット線111を介して入力される画素リセットパルスΦPR1に基づいて、画素電荷蓄積部FDを電源電位DDPリセットする。
画素選択トランジスタPM4は、撮像画素用垂直走査回路11から撮像用画素選択線113を介して入力される画素選択パルスΦPS1に基づいて、画素増幅トランジスタPM3が出力した電圧を、撮像用単位画素13が出力する撮像用画素信号として撮像用画素垂直信号線134に出力する。
撮像用画素垂直信号線134に出力された撮像用画素信号は、水平走査回路15に入力される。

0030

続いて、AF用単位画素14について説明する。AF用単位画素14は、入射した光を電気信号に変換したAF用画素信号を、AF用画素垂直信号線144に出力する回路である。AF用単位画素14は、上述したように、入射する一部の被写体光が遮光されており、AF画素用垂直走査回路12によって制御されるが、それ以外の構成は、図2に示した撮像用単位画素13の構成と同様である。従って、AF用単位画素14の構成要素には、撮像用単位画素13と同様の構成要素に同一の符号を付加し、撮像用単位画素13と異なる動作のみを説明する。

0031

画素転送トランジスタPM1は、AF画素用垂直走査回路12からAF用画素転送線122を介して入力される画素転送パルスΦPT2に基づいて、フォトダイオードPDが発生した信号電荷を、画素増幅トランジスタPM3のゲート端子に接続された画素電荷蓄積部FDに転送する。画素転送トランジスタPM1によって転送された信号電荷は、画素電荷蓄積部FDに蓄積される。
画素増幅トランジスタPM3は、画素電荷蓄積部FDに蓄積された信号電荷に応じた電圧を出力する。

0032

画素リセットトランジスタPM2は、AF画素用垂直走査回路12からAF用画素リセット線121を介して入力される画素リセットパルスΦPR2に基づいて、画素電荷蓄積部FDを電源電位VDDPにリセットする。
画素選択トランジスタPM4は、AF画素用垂直走査回路12からAF用画素選択線123を介して入力される画素選択パルスΦPS2に基づいて、画素増幅トランジスタPM3が出力した電圧を、AF用単位画素14が出力するAF用画素信号としてAF用画素垂直信号線144に出力する。
AF用画素垂直信号線144に出力されたAF用画素信号は、水平走査回路15に入力される。

0033

このような構成によって、本第1の実施形態の固体撮像装置1では、撮像用単位画素13が出力した撮像用画素信号を画像信号とし、AF用単位画素14が出力したAF用画素信号をAF用信号として、それぞれ固体撮像装置1の外部に出力する。

0034

<動作シーケンス>
次に、本第1の実施形態の固体撮像装置1にけるグローバル露光の動作シーケンスについて説明する。図4は、本第1の実施形態の固体撮像装置1においてAF用単位画素14の読み出しとグローバル露光の動作とを行う際の動作シーケンスの概略を示したシーケンス図である。図4に示したグローバル露光の動作シーケンス図には、撮像用単位画素13をリセットするリセットパルス、より具体的には、撮像画素用垂直走査回路11から画素リセットトランジスタPM2に入力される画素リセットパルスΦPR1を併せて示している。

0035

図4において、横軸は時間を示し、縦軸は固体撮像装置1の行を示している。そして、シーケンス101は撮像用画素リセット動作を示し、シーケンス102は撮像用画素転送動作を示し、シーケンス103は画像信号読み出し動作を示している。また、シーケンス104は、AF用信号読み出し動作を示している。また、蓄積時間105は、撮像用画素リセット動作から撮像用画素転送動作までの1回の露光期間を示している。

0036

固体撮像装置1にけるグローバル露光の動作シーケンスでは、まず、時刻t1において、シーケンス101に示した撮像用画素リセット動作を行う。シーケンス101の撮像用画素リセット動作では、画素アレイ部10に備えた全ての撮像用単位画素13内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDに蓄積された信号電荷を同時にリセットする。

0037

より具体的には、撮像画素用垂直走査回路11が、画素アレイ部10の全ての行の画素リセットパルスΦPR1および画素転送パルスΦPT1を、例えば、“High”レベルにすることによって、画素アレイ部10に備えた全ての撮像用単位画素13内の画素リセットトランジスタPM2と画素転送トランジスタPM1とをON状態にする。これにより、全ての撮像用単位画素13内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDをリセットする。その後、撮像画素用垂直走査回路11は、画素アレイ部10の全ての行の画素リセットパルスΦPR1および画素転送パルスΦPT1を、例えば、“Low”レベルにすることによって、画素アレイ部10に備えた全ての撮像用単位画素13内の画素リセットトランジスタPM2と画素転送トランジスタPM1とをOFF状態にし、全ての撮像用単位画素13内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDのリセットを終了する。

0038

続いて、予め定めた蓄積時間105が経過した時刻t2のときに、シーケンス102に示した撮像用画素転送動作を行う。シーケンス102の撮像用画素転送動作では、画素アレイ部10に備えた全ての撮像用単位画素13内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷を、それぞれの撮像用単位画素13内の画素電荷蓄積部FDに同時に転送する。

0039

より具体的には、撮像画素用垂直走査回路11が、画素アレイ部10に備えた全ての撮像用単位画素13に、例えば、“High”レベルの画素転送パルスΦPT1を入力することによって、全ての撮像用単位画素13内の画素転送トランジスタPM1をON状態にする。これにより、それぞれの撮像用単位画素13内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷が、それぞれの撮像用単位画素13内の画素電荷蓄積部FDに転送され、保持される。そして、撮像画素用垂直走査回路11は、画素アレイ部10に備えた全ての撮像用単位画素13に、例えば、“Low”レベルの画素転送パルスΦPT1を入力することによって、全ての撮像用単位画素13内の画素転送トランジスタPM1をOFF状態にし、それぞれの撮像用単位画素13内の画素電荷蓄積部FDへの信号電荷の転送を終了する。

0040

その後、シーケンス103に示した画像信号読み出し動作を行う。シーケンス103の画像信号読み出し動作では、シーケンス102によってそれぞれの撮像用単位画素13内の画素電荷蓄積部FDに保持された信号電荷を、撮像用画素信号として水平走査回路15に順次出力する。そして、水平走査回路15は、撮像用単位画素13から順次入力された撮像用画素信号を、固体撮像装置1が出力する画像信号として順次外部に出力する。

0041

より具体的には、撮像画素用垂直走査回路11が、画素アレイ部10に備えた撮像用単位画素13の行毎に、画素選択パルスΦPS1を、例えば、“High”レベルにすることによって、撮像用画素信号を出力する撮像用単位画素13内の画素選択トランジスタPM4を順次ON状態にする。これにより、それぞれの撮像用単位画素13内の画素電荷蓄積部FDに保持された信号電荷が、画素アレイ部10のそれぞれの列の撮像用画素垂直信号線134を介して、画素アレイ部10の行毎に水平走査回路15に順次出力される。そして、水平走査回路15は、それぞれの列の撮像用単位画素13から行毎に入力されたそれぞれの撮像用画素信号を、固体撮像装置1が出力する画像信号として列毎に順次外部に出力する。

0042

また、シーケンス102の撮像用画素転送動作が完了した後の時刻t3のときから、シーケンス104に示したAF用信号読み出し動作を行う。シーケンス104のAF用信号読み出し動作では、AF用単位画素14をライン露光の動作で制御して、AF用単位画素14を備えた画素アレイ部10の行毎に、AF用画素信号を水平走査回路15に順次出力する。

0043

シーケンス104のAF用信号読み出し動作では、まず、AF用画素信号を出力する画素アレイ部10の行に備えた全てのAF用単位画素14内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDに蓄積された信号電荷を同時にリセットする。

0044

より具体的には、AF画素用垂直走査回路12が、AF用画素信号を出力する画素アレイ部10の行の画素リセットパルスΦPR2および画素転送パルスΦPT2を、例えば、“High”レベルにすることによって、その行の全てのAF用単位画素14内の画素リセットトランジスタPM2と画素転送トランジスタPM1とをON状態にする。これにより、その行の全てのAF用単位画素14内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDをリセットする。その後、AF画素用垂直走査回路12は、AF用画素信号を出力する画素アレイ部10の行の画素リセットパルスΦPR2および画素転送パルスΦPT2を、例えば、“Low”レベルにすることによって、その行の全てのAF用単位画素14内の画素リセットトランジスタPM2と画素転送トランジスタPM1とをOFF状態にし、その行の全てのAF用単位画素14内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDのリセットを終了する。これにより、AF用画素信号を出力する画素アレイ部10の行の全てのAF用単位画素14が同時に被写体光の露光を開始する。

0045

その後、予め定めた蓄積時間が経過したときに、AF用画素信号を出力する画素アレイ部10の行に備えた全てのAF用単位画素14内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷を、それぞれのAF用単位画素14内の画素電荷蓄積部FDに同時に転送する。

0046

より具体的には、AF画素用垂直走査回路12が、AF用画素信号を出力する画素アレイ部10の行の画素転送パルスΦPT2を、例えば、“High”レベルにすることによって、その行の全てのAF用単位画素14内の画素転送トランジスタPM1をON状態にする。これにより、その行のそれぞれのAF用単位画素14内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷が、それぞれのAF用単位画素14内の画素電荷蓄積部FDに転送され、保持される。そして、AF画素用垂直走査回路12は、AF用画素信号を出力する画素アレイ部10の行の画素転送パルスΦPT2を、例えば、“Low”レベルにすることによって、その行の全てのAF用単位画素14内の画素転送トランジスタPM1をOFF状態にし、その行のそれぞれのAF用単位画素14内の画素電荷蓄積部FDへの信号電荷の転送を終了する。

0047

その後、AF用画素信号を出力する画素アレイ部10の行に備えた全てのAF用単位画素14内の画素電荷蓄積部FDに保持された信号電荷を、AF用画素信号として水平走査回路15に順次出力する。

0048

より具体的には、AF画素用垂直走査回路12が、AF用画素信号を出力する画素アレイ部10の行の画素選択パルスΦPS2を、例えば、“High”レベルにすることによって、その行の全てのAF用単位画素14内の画素選択トランジスタPM4を順次ON状態にする。これにより、その行のそれぞれのAF用単位画素14内の画素電荷蓄積部FDに保持された信号電荷が、画素アレイ部10のそれぞれの列のAF用画素垂直信号線144を介して、水平走査回路15に出力される。そして、水平走査回路15は、それぞれの列のAF用単位画素14から入力されたそれぞれのAF用画素信号を、固体撮像装置1が出力するAF用信号として列毎に順次外部に出力する。

0049

このような、AF用単位画素14に対するライン露光の動作の制御を、画素アレイ部10においてAF用単位画素14が配置されている行毎に繰り返すことによって、画素アレイ部10に備えた全てのAF用単位画素14からのAF用画素信号を、固体撮像装置1が出力するAF用信号として順次外部に出力する。

0050

なお、シーケンス104のAF用信号読み出し動作は、AF用単位画素14の数が、画素アレイ部10内に備えた撮像用単位画素13の数よりも少ないため、シーケンス103の画像信号読み出し動作によって全ての画像信号の出力が完了するよりも前の、例えば、時刻t4のときにAF用信号の出力を完了する。

0051

その後、シーケンス103の画像信号読み出し動作が完了した時刻t5以降、次の画像を取得するためのグローバル露光の動作シーケンスを開始することができる。図4に示したグローバル露光の動作シーケンス図では、時刻t5のときから、次の画像を取得するグローバル露光の動作シーケンスを開始し、連続して複数の画像を取得する場合を示している。

0052

このように、本第1の実施形態の固体撮像装置1における動作シーケンスでは、グローバル露光方式の露光動作を行いながら、効率良く位相差AF用の信号を取得することができる。このとき、動作シーケンスでは、固体撮像装置1のグローバル露光の動作に影響を及ぼさないタイミングで、AF用単位画素14を駆動することによって、AF用信号の読み出しを行う。より具体的には、撮像用単位画素13内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷を画素電荷蓄積部FDに転送している撮像用画素転送動作(シーケンス102)の期間や、フォトダイオードPDが被写体光を露光している期間(蓄積時間105)中に、AF用信号読み出し動作(シーケンス104)を行わない。これにより、本第1の実施形態の固体撮像装置1では、信号線カップリングノイズや、電源およびグラウンドのノイズなどの回路ノイズによる撮像用単位画素13に対する影響を低減し、グローバル露光方式の露光動作によって良好な画質の画像を取得することができる。

0053

なお、図4に示した動作シーケンスでは、AF用単位画素14からのAF用信号読み出し動作(シーケンス104)を、撮像用単位画素13の撮像用画素転送動作(シーケンス102)から次の撮像用画素リセット動作(シーケンス101)の間に1回行う場合について説明した。しかし、AF用単位画素14からのAF用信号読み出し動作の回数は、図4に示した動作シーケンスの回数に限定されるものではない。例えば、撮像用単位画素13の画像信号読み出し動作(シーケンス103)の期間中に、AF用単位画素14によるAF用信号の取得動作、すなわち、AF用単位画素14の画素リセット動作、画素転送動作、およびAF用信号読み出し動作(シーケンス104)を行うことができる時間がある場合には、AF画素用垂直走査回路12が、次のAF用信号の取得動作を行うようにAF用単位画素14を駆動する制御を行うこともできる。

0054

なお、グローバル露光方式の露光動作では、上述したように、全ての撮像用単位画素13の露光を行った後に、全ての撮像用単位画素13内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷を順次読み出す。すなわち、図4に示したシーケンス101の撮像用画素リセット動作で撮像用単位画素13をリセットし、蓄積時間105が経過してシーケンス102の撮像用画素転送動作を行った後に、シーケンス103に示した画像信号読み出し動作を行う。このとき、撮像用単位画素13の露光が終了してから信号電荷の読み出しを開始するまでに時間を要する撮像用単位画素13では、撮像用単位画素13内の画素電荷蓄積部FDに信号電荷を保持している時間が長くなり、この信号電荷を保持している期間に、例えば、光に起因するノイズが画素電荷蓄積部FDで発生し、固体撮像装置1が出力する画像信号が劣化してしまうことがある。このため、信号電荷を保持する画素電荷蓄積部FDは、ノイズの原因となり得る被写体光が入射しないように、遮光されていることが望ましい。そこで、1つの固体撮像装置を複数のチップで形成し、それぞれのチップを重ね合わせた構造にすることによって、信号電荷を保持する画素電荷蓄積部を遮光された位置に配置する構造の固体撮像装置が考えられる。

0055

<第2の実施形態>
次に、第2の実施形態の固体撮像装置について説明する。図5は、本第2の実施形態による固体撮像装置の概略構成を示した概観図である。本第2の実施形態の固体撮像装置2も、第1の実施形態の固体撮像装置1と同様に、被写体を撮像するための撮像用単位画素が2次元の行列状に配列され、入射した被写体光の受光量(光線量)に応じた電気信号を出力するMOS型固体撮像装置である。また、固体撮像装置2にも、第1の実施形態の固体撮像装置1と同様に、撮像用単位画素以外にAF用単位画素が任意の間隔で配置されている。そして、固体撮像装置2は、図5に示したように、画素チップ21、画素信号処理チップ22、チップ接続部23から構成される。

0056

画素チップ21は、後述する撮像用単位画素が2次元の行列状に配列され、入射した被写体光(入射光)を電気信号に変換するチップである。また、画素チップ21内の予め定められた画素の位置には、AF用単位画素が配置されている。画素チップ21は、画素チップ21内の信号、あるいは画素信号処理チップ22から送信された信号によって駆動、制御される。そして、画素チップ21は、変換した電気信号を画素信号処理チップ22に送信(転送)する。

0057

画素信号処理チップ22は、画素チップ21の撮像用単位画素から送信(転送)されてきた電気信号の一時的な記憶(保持)や積分、電気信号に対する簡単な演算などの処理を行うチップである。また、画素信号処理チップ22は、画素チップ21を駆動、制御するための信号を画素チップ21に送信する。

0058

チップ接続部23は、画素チップ21と画素信号処理チップ22とを電気的に接続するための接続部である。チップ接続部23は、例えば、蒸着法、めっき法で作製されるバンプなどを用いる。なお、チップ接続部13は、画素チップ11に配置された電極(第1の電極)と画素信号処理チップ12に配置された電極(第2の電極)とを接続する構成にしてもよい。また、画素チップ21と画素信号処理チップ22との間に存在する空間には、接着剤などの絶縁部材充填させてもよい。画素チップ21と画素信号処理チップ22とは、チップ接続部23を介して信号の送受信を行う。

0059

ここで、本第2の実施形態の固体撮像装置2の構成について、さらに詳細に説明する。図6は、本第2の実施形態の固体撮像装置2の概略構成を示したブロック図である。固体撮像装置2は、図6に示したように、複数の撮像用単位画素213およびAF用単位画素14で構成された画素アレイ部210、撮像画素用垂直走査回路211、AF画素用垂直走査回路12、画素チップ水平走査回路215から構成された画素チップ21と、複数の撮像用単位メモリ223で構成されたメモリアレイ部220、メモリ用垂直走査回路221、画素信号処理チップ水平走査回路225から構成された画素信号処理チップ22と、から構成される。本第2の実施形態の固体撮像装置2では、撮像用単位画素213と撮像用単位メモリ223とによって、被写体を撮像するための通常の画素を構成している。なお、以下の説明においては、画素アレイ部210の領域が、固体撮像装置2における有効画素の領域(有効画素エリア)であるものとして説明する。

0060

なお、本第2の実施形態の固体撮像装置2は、1つの固体撮像装置2を2つのチップ(画素チップ21および画素信号処理チップ22)で構成しているが、一部の構成要素は、第1の実施形態の固体撮像装置1と同様である。従って、本第2の実施形態の固体撮像装置2の構成要素において、第1の実施形態の固体撮像装置1と異なる構成要素のみを説明し、第1の実施形態の固体撮像装置1と同様の構成要素には、同一の符号を付加して詳細な説明は省略する。

0061

画素アレイ部210内のそれぞれの撮像用単位画素213は、第1の実施形態の固体撮像装置1に備えた画素アレイ部10内の撮像用単位画素13と同様に、入射した被写体光を電気信号に変換する。そして、撮像用単位画素213は、撮像画素用垂直走査回路211から入力された制御信号に応じて、入射した被写体光の受光量(光線量)に応じた撮像用画素信号を、チップ接続部23を介して、画素信号処理チップ22のメモリアレイ部220内の対応する撮像用単位メモリ223に出力する。なお、撮像用単位画素213に関する詳細な説明は、後述する。

0062

また、画素アレイ部210内のそれぞれのAF用単位画素14は、第1の実施形態の固体撮像装置1と同様に、遮光されていない側から入射した一部の被写体光の受光量(光線量)に応じたAF用画素信号を、AF画素用垂直走査回路12から入力された制御信号に応じて画素チップ水平走査回路215に出力する。

0063

撮像画素用垂直走査回路211は、画素信号処理チップ22内の画素信号処理チップ水平走査回路225から入力された制御信号に応じて、画素アレイ部210内のそれぞれの撮像用単位画素213を制御し、各撮像用単位画素213からの撮像用画素信号を、対応する撮像用単位メモリ223に出力させる。撮像画素用垂直走査回路211は、撮像用単位画素213がグローバル露光の動作を行うように制御するための制御信号を、画素アレイ部210に備えた撮像用単位画素213に出力する。

0064

画素チップ水平走査回路215は、画素アレイ部210の各列のAF用単位画素14からそれぞれ入力されたAF用画素信号を、AF用信号として固体撮像装置2の外部に順次出力する。

0065

メモリアレイ部220内のそれぞれの撮像用単位メモリ223は、画素チップ21の画素アレイ部210内の対応する撮像用単位画素213からチップ接続部23を介して入力された撮像用画素信号を保持する。そして、撮像用単位メモリ223は、メモリ用垂直走査回路221から入力された制御信号に応じて、保持した撮像用画素信号を撮像用メモリ信号として、画素信号処理チップ水平走査回路225に出力する。なお、撮像用単位メモリ223に関する詳細な説明は、後述する。

0066

メモリ用垂直走査回路221は、メモリアレイ部220内のそれぞれの撮像用単位メモリ223を制御し、各撮像用単位メモリ223に保持した撮像用画素信号(撮像用メモリ信号)を、画素信号処理チップ水平走査回路225に出力させる。メモリ用垂直走査回路221は、撮像用単位メモリ223がグローバル露光の動作を行うように制御するための制御信号を、メモリアレイ部220に備えた撮像用単位メモリ223に出力する。

0067

画素信号処理チップ水平走査回路225は、メモリアレイ部220の各列の撮像用単位メモリ223からそれぞれ入力された撮像用メモリ信号を、固体撮像装置2が被写体を撮像した画像信号として、固体撮像装置2の外部に順次出力する。

0068

次に、本第2の実施形態の固体撮像装置2において被写体を撮像するための通常の画素、すなわち、画素チップ21内の画素アレイ部210に備えた撮像用単位画素213、および画素信号処理チップ22内のメモリアレイ部220に備えた撮像用単位メモリ223について説明する。図7は、本第2の実施形態の固体撮像装置2に備えた画素チップ21内の撮像用単位画素213の概略構成を示した回路図である。また、図8は、本第2の実施形態の固体撮像装置2に備えた画素信号処理チップ22内の撮像用単位メモリ223の概略構成を示した回路図である。

0069

まず、撮像用単位画素213について説明する。撮像用単位画素213は、第1の実施形態の固体撮像装置1の撮像用単位画素13と同様に、入射した光を電気信号に変換した撮像用画素信号を、撮像用画素垂直信号線2134に出力する回路である。撮像用画素垂直信号線2134は、一方がチップ接続部23に接続されており、撮像用単位画素213から出力された撮像用画素信号を、対応する撮像用単位メモリ223に送信(転送)する。

0070

なお、撮像用単位画素213は、撮像画素用垂直走査回路211から入力された制御信号によってそれぞれの構成要素の駆動が制御されるが、撮像用単位画素213の構成と、図2に示した撮像用単位画素13の構成との違いは、撮像用単位画素13の撮像用画素垂直信号線134が撮像用画素垂直信号線2134に代わり、撮像用画素垂直信号線2134がチップ接続部23に接続されていることのみである。従って、撮像用単位画素213の構成要素には、図2に示した撮像用単位画素13と同様の構成要素および信号線名に同一の符号を付加し、詳細な説明は省略する。

0071

続いて、撮像用単位メモリ223について説明する。撮像用単位メモリ223は、チップ接続部23を介して入力された撮像用画素信号を保持し、保持した撮像用画素信号を撮像用メモリ信号として撮像用メモリ垂直信号線2235に出力する回路である。撮像用単位メモリ223は、それぞれ、撮像用単位メモリ結合容量CC、メモリ電荷蓄積部MC、メモリ転送トランジスタMM1、メモリリセットトランジスタMM2、メモリ増幅トランジスタMM3、メモリ選択トランジスタMM4、撮像用単位メモリ電流負荷CSから構成される。

0072

撮像用単位メモリ結合容量CCは、一方がチップ接続部23に接続され、もう一方がメモリ転送トランジスタMM1のソース端子に接続される結合容量である。
メモリ電荷蓄積部MCは、信号電荷を蓄積する容量である。メモリ電荷蓄積部MCは、撮像用単位画素213内のフォトダイオードPDに対応した信号電荷、すなわち、撮像用画素信号を蓄積する。

0073

メモリ転送トランジスタMM1は、メモリ用垂直走査回路221から撮像用メモリ転送線2212を介して入力されるメモリ転送パルスΦMT1に基づいて、撮像用単位メモリ結合容量CCの一方に発生した信号電荷を、メモリ増幅トランジスタMM3のゲート端子に接続されたメモリ電荷蓄積部MCに転送する。メモリ転送トランジスタMM1によって転送された信号電荷は、メモリ電荷蓄積部MCに蓄積される。
メモリ増幅トランジスタMM3は、メモリ電荷蓄積部MCに蓄積された信号電荷に応じた電圧を出力する。

0074

メモリリセットトランジスタMM2は、メモリ用垂直走査回路221から撮像用メモリリセット線2211を介して入力されるメモリリセットパルスΦMR1に基づいて、メモリ電荷蓄積部MCを電源電位VDDMにリセットする。
メモリ選択トランジスタMM4は、メモリ用垂直走査回路221から撮像用メモリ選択線2213を介して入力されるメモリ選択パルスΦMS1に基づいて、メモリ増幅トランジスタMM3が出力した電圧を、撮像用単位メモリ223が出力する撮像用メモリ信号として撮像用メモリ垂直信号線2235に出力する。
撮像用メモリ垂直信号線2235に出力された撮像用メモリ信号は、画素信号処理チップ水平走査回路225に入力される。

0075

撮像用単位メモリ電流負荷CSは、一方が撮像用画素メモリ信号線2234に接続され、もう一方が画素信号処理チップ32のグラウンドに接続される。撮像用単位メモリ電流負荷CSは、チップ接続部23に接続された信号線を一定の電流で駆動する。なお、撮像用単位メモリ電流負荷CSは、一方が画素チップ21の撮像用画素垂直信号線2134に接続され、もう一方が画素チップ21のグラウンドに接続される構成であってもよい。
撮像用画素メモリ信号線2234は、チップ接続部23に接続される。

0076

このような構成によって、本第2の実施形態の固体撮像装置2では、撮像用単位メモリ223が出力した撮像用メモリ信号を、画素信号処理チップ水平走査回路225が画像信号として固体撮像装置2の外部に出力し、AF用単位画素14が出力したAF用画素信号を、画素チップ水平走査回路215がAF用信号として固体撮像装置2の外部に出力する。

0077

<第1の動作シーケンス>
次に、本第2の実施形態の固体撮像装置2にけるグローバル露光の第1の動作シーケンスについて説明する。図9は、本第2の実施形態の固体撮像装置2においてAF用単位画素14の読み出しとグローバル露光の動作とを行う際の第1の動作シーケンスの概略を示したシーケンス図である。図9に示したグローバル露光の第1の動作シーケンス図には、撮像用単位画素213をリセットするリセットパルス、より具体的には、撮像画素用垂直走査回路211から画素リセットトランジスタPM2に入力される画素リセットパルスΦPR1を併せて示している。

0078

図9において、横軸は時間を示し、縦軸は固体撮像装置2の行を示している。そして、シーケンス201は撮像用画素リセット動作を示し、シーケンス202は撮像用画素転送動作を示し、シーケンス203は画像信号読み出し動作を示している。また、シーケンス204は、AF用信号読み出し動作を示している。また、蓄積時間205は、撮像用画素リセット動作から撮像用画素転送動作までの1回の露光期間を示している。

0079

固体撮像装置2にけるグローバル露光の第1の動作シーケンスでは、まず、時刻t1において、シーケンス201に示した撮像用画素リセット動作を行う。シーケンス201の撮像用画素リセット動作では、画素アレイ部210に備えた全ての撮像用単位画素213内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDに蓄積された信号電荷と、メモリアレイ部220に備えた全ての撮像用単位メモリ223内の撮像用単位メモリ結合容量CCおよびメモリ電荷蓄積部MCに蓄積された信号電荷とを同時にリセットする。

0080

より具体的には、撮像画素用垂直走査回路211が、画素アレイ部210の全ての行の画素リセットパルスΦPR1および画素転送パルスΦPT1を、例えば、“High”レベルにすることによって、画素アレイ部210に備えた全ての撮像用単位画素213内の画素リセットトランジスタPM2と画素転送トランジスタPM1とをON状態にし、全ての撮像用単位画素213内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDをリセットする。また、メモリ用垂直走査回路221が、メモリアレイ部220の全ての行のメモリリセットパルスΦMR1およびメモリ転送パルスΦMT1を、例えば、“High”レベルにすることによって、メモリアレイ部220に備えた全ての撮像用単位メモリ223内のメモリリセットトランジスタMM2とメモリ転送トランジスタMM1とをON状態にし、全ての撮像用単位メモリ223内の撮像用単位メモリ結合容量CCおよびメモリ電荷蓄積部MCをリセットする。その後、撮像画素用垂直走査回路211は、画素アレイ部210の全ての行の画素リセットパルスΦPR1および画素転送パルスΦPT1を、例えば、“Low”レベルにすることによって、画素アレイ部210に備えた全ての撮像用単位画素213内の画素リセットトランジスタPM2と画素転送トランジスタPM1とをOFF状態にし、全ての撮像用単位画素213内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDのリセットを終了する。また、メモリ用垂直走査回路221は、メモリアレイ部220の全ての行のメモリリセットパルスΦMR1およびメモリ転送パルスΦMT1を、例えば、“Low”レベルにすることによって、メモリアレイ部220に備えた全ての撮像用単位メモリ223内のメモリリセットトランジスタMM2と画素転送トランジスタPM1とをOFF状態にし、全ての撮像用単位メモリ223内の撮像用単位メモリ結合容量CCおよびメモリ電荷蓄積部MCのリセットを終了する。

0081

続いて、予め定めた蓄積時間205が経過した時刻t2のときに、シーケンス202に示した撮像用画素転送動作を行う。シーケンス202の撮像用画素転送動作では、画素アレイ部210に備えた全ての撮像用単位画素213内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷を、それぞれの撮像用単位画素213内の画素電荷蓄積部FDに同時に転送することによって、それぞれの撮像用単位画素213が出力する撮像用画素信号を、対応する撮像用単位メモリ223に同時に送信(転送)する。

0082

より具体的には、撮像画素用垂直走査回路211が、画素アレイ部210に備えた全ての撮像用単位画素213に、例えば、“High”レベルの画素転送パルスΦPT1を入力することによって、全ての撮像用単位画素213内の画素転送トランジスタPM1をON状態にする。これにより、それぞれの撮像用単位画素213内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷が、それぞれの撮像用単位画素213内の画素電荷蓄積部FDに転送され、保持される。そして、撮像画素用垂直走査回路211は、画素アレイ部210に備えた全ての撮像用単位画素213に、例えば、“Low”レベルの画素転送パルスΦPT1を入力することによって、全ての撮像用単位画素213内の画素転送トランジスタPM1をOFF状態にし、それぞれの撮像用単位画素213内の画素電荷蓄積部FDへの信号電荷の転送を終了する。その後、撮像画素用垂直走査回路211は、画素アレイ部210に備えた全ての撮像用単位画素213に、例えば、“High”レベルの画素選択パルスΦPS1を入力することによって、全ての撮像用単位画素213内の画素選択トランジスタPM4をON状態にする。これにより、それぞれの撮像用単位画素213内の画素増幅トランジスタPM3が出力する画素電荷蓄積部FDに蓄積された信号電荷に応じた電圧が、撮像用画素信号として撮像用画素垂直信号線2134に出力され、チップ接続部23を介して撮像用画素メモリ信号線2234に送信される。そして、メモリ用垂直走査回路221は、メモリアレイ部220の全ての撮像用単位メモリ223に、例えば、“High”レベルのメモリ転送パルスΦMT1を入力することによって、全ての撮像用単位メモリ223内のメモリ転送トランジスタMM1をON状態にする。これにより、それぞれの撮像用単位メモリ223内の撮像用単位メモリ結合容量CCの一方に発生した信号電荷、すなわち、撮像用画素メモリ信号線2234に送信された撮像用画素信号に応じた電圧が、メモリ電荷蓄積部MCに転送され、保持される。

0083

その後、シーケンス203に示した画像信号読み出し動作を行う。シーケンス203の画像信号読み出し動作では、シーケンス202によってそれぞれの撮像用単位メモリ223内のメモリ電荷蓄積部MCに保持された信号電荷を、撮像用メモリ信号として画素信号処理チップ水平走査回路225に順次出力する。そして、画素信号処理チップ水平走査回路225は、撮像用単位メモリ223から順次入力された撮像用メモリ信号を、固体撮像装置1が出力する画像信号として順次外部に出力する。

0084

より具体的には、撮像画素用垂直走査回路211が、メモリアレイ部220に備えた撮像用単位メモリ223の行毎に、メモリ選択パルスΦMS1を、例えば、“High”レベルにすることによって、撮像用メモリ信号を出力する撮像用単位メモリ223内のメモリ選択トランジスタMM4を順次ON状態にする。これにより、それぞれの撮像用単位メモリ223内のメモリ電荷蓄積部MCに保持された信号電荷が、メモリアレイ部220のそれぞれの列の撮像用メモリ垂直信号線2235を介して、メモリアレイ部220の行毎に画素信号処理チップ水平走査回路225に順次出力される。そして、画素信号処理チップ水平走査回路225は、それぞれの列の撮像用単位メモリ223から行毎に入力されたそれぞれの撮像用メモリ信号を、固体撮像装置2が出力する画像信号として列毎に順次外部に出力する。

0085

また、シーケンス202の撮像用画素転送動作が完了した後の時刻t3のときから、シーケンス204に示したAF用信号読み出し動作を行う。シーケンス204のAF用信号読み出し動作では、第1の実施形態の固体撮像装置1における動作シーケンスと同様に、AF用単位画素14をライン露光の動作で制御して、AF用単位画素14を備えた画素アレイ部210の行毎に、AF用画素信号を画素チップ水平走査回路215に順次出力する。

0086

シーケンス204のAF用信号読み出し動作では、まず、図4に示した第1の実施形態の固体撮像装置1におけるAF用信号読み出し動作(シーケンス104)と同様に、AF用画素信号を出力する画素アレイ部210の行に備えた全てのAF用単位画素14内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDに蓄積された信号電荷を同時にリセットする。

0087

より具体的には、AF画素用垂直走査回路12が、AF用画素信号を出力する画素アレイ部210の行の画素リセットパルスΦPR2および画素転送パルスΦPT2を、例えば、“High”レベルにすることによって、その行の全てのAF用単位画素14内の画素リセットトランジスタPM2と画素転送トランジスタPM1とをON状態にする。これにより、その行の全てのAF用単位画素14内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDをリセットする。その後、AF画素用垂直走査回路12は、AF用画素信号を出力する画素アレイ部210の行の画素リセットパルスΦPR2および画素転送パルスΦPT2を、例えば、“Low”レベルにすることによって、その行の全てのAF用単位画素14内の画素リセットトランジスタPM2と画素転送トランジスタPM1とをOFF状態にし、全てのAF用単位画素14内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDのリセットを終了する。これにより、AF用画素信号を出力する画素アレイ部210の行の全てのAF用単位画素14が同時に被写体光の露光を開始する。

0088

その後、予め定めた蓄積時間が経過したときに、図4に示した第1の実施形態の固体撮像装置1におけるAF用信号読み出し動作(シーケンス104)と同様に、AF用画素信号を出力する画素アレイ部210の行に備えた全てのAF用単位画素14内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷を、それぞれのAF用単位画素14内の画素電荷蓄積部FDに同時に転送する。

0089

より具体的には、AF画素用垂直走査回路12が、AF用画素信号を出力する画素アレイ部210の行の画素転送パルスΦPT2を、例えば、“High”レベルにすることによって、その行の全てのAF用単位画素14内の画素転送トランジスタPM1をON状態にする。これにより、その行のそれぞれのAF用単位画素14内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷が、それぞれのAF用単位画素14内の画素電荷蓄積部FDに転送され、保持される。そして、AF画素用垂直走査回路12は、AF用画素信号を出力する画素アレイ部210の行の画素転送パルスΦPT2を、例えば、“Low”レベルにすることによって、その行の全てのAF用単位画素14内の画素転送トランジスタPM1をOFF状態にし、その行のそれぞれのAF用単位画素14内の画素電荷蓄積部FDへの信号電荷の転送を終了する。

0090

その後、AF用画素信号を出力する画素アレイ部210の行に備えた全てのAF用単位画素14内の画素電荷蓄積部FDに保持された信号電荷を、AF用画素信号として画素チップ水平走査回路215に順次出力する。

0091

より具体的には、AF画素用垂直走査回路12が、AF用画素信号を出力する画素アレイ部210の行の画素選択パルスΦPS2を、例えば、“High”レベルにすることによって、その行の全てのAF用単位画素14内の画素選択トランジスタPM4を順次ON状態にする。これにより、その行のそれぞれのAF用単位画素14内の画素電荷蓄積部FDに保持された信号電荷が、画素アレイ部210のそれぞれの列のAF用画素垂直信号線144を介して、画素チップ水平走査回路215に出力される。そして、画素チップ水平走査回路215は、それぞれの列のAF用単位画素14から入力されたそれぞれのAF用画素信号を、固体撮像装置2が出力するAF用信号として列毎に順次外部に出力する。

0092

このような、AF用単位画素14に対するライン露光の動作の制御を、画素アレイ部210においてAF用単位画素14が配置されている行毎に繰り返すことによって、画素アレイ部210に備えた全てのAF用単位画素14からのAF用画素信号を、固体撮像装置1が出力するAF用信号として順次外部に出力する。

0093

なお、シーケンス204のAF用信号読み出し動作は、AF用単位画素14の数が、画素アレイ部210内に備えた撮像用単位画素213および撮像用単位メモリ223の数よりも少ないため、シーケンス203の画像信号読み出し動作によって全ての画像信号の出力が完了するよりも前の、例えば、時刻t4のときにAF用信号の出力を完了する。

0094

その後、固体撮像装置2では、シーケンス204のAF用信号読み出し動作が完了した時刻t4以降、次の画像を取得するためのグローバル露光の第1の動作シーケンスを開始することができる。これは、固体撮像装置2では、撮像用単位画素213内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷を、対応する撮像用単位メモリ223内のメモリ電荷蓄積部MCに保持しているからである。より具体的には、第1の実施形態の固体撮像装置1では、画素アレイ部10に備えた撮像用単位画素13内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷を、それぞれの撮像用単位画素13内の画素電荷蓄積部FDに保持している。これに対して、固体撮像装置2では、シーケンス202の撮像用画素転送動作によって、画素アレイ部210に備えた撮像用単位画素213内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷を、それぞれの撮像用単位画素213内の画素電荷蓄積部FDに転送し、さらに、対応する撮像用単位メモリ223に送信(転送)して、それぞれの撮像用単位メモリ223内のメモリ電荷蓄積部MCに保持している。これにより、固体撮像装置2では、撮像用単位メモリ223内のメモリ電荷蓄積部MCに保持している撮像用メモリ信号の画素信号処理チップ水平走査回路225への出力が終了していない状態であっても、次の画像を取得するためのグローバル露光の第1の動作シーケンスを開始することができる。図9に示したグローバル露光の第1の動作シーケンス図では、シーケンス203の画像信号読み出し動作が完了してない時刻t5のときから、次の画像を取得するグローバル露光の第1の動作シーケンスを開始し、連続して複数の画像を取得する場合を示している。

0095

このように、本第2の実施形態の固体撮像装置2における第1の動作シーケンスでは、第1の実施形態の固体撮像装置1におけるグローバル露光の動作シーケンスと同様に、グローバル露光方式の露光動作を行いながら、効率良く位相差AF用の信号を取得することができる。このとき、第1の動作シーケンスでは、図4に示した第1の実施形態の固体撮像装置1におけるグローバル露光の動作シーケンスと同様に、固体撮像装置2のグローバル露光の動作に影響を及ぼさないタイミングで、AF用単位画素14を駆動することによって、AF用信号の読み出しを行う。より具体的には、撮像用単位画素213内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷を画素電荷蓄積部FDに転送し、さらに、対応するメモリ電荷蓄積部MCに送信(転送)する撮像用画素転送動作(シーケンス202)の期間や、フォトダイオードPDが被写体光を露光している期間(蓄積時間205)中に、AF用信号読み出し動作(シーケンス204)を行わない。これにより、本第2の実施形態の固体撮像装置2でも、第1の実施形態の固体撮像装置1と同様に、信号線のカップリングノイズや、電源およびグラウンドのノイズなどの回路ノイズによる撮像用単位画素213および撮像用単位メモリ223に対する影響を低減し、グローバル露光方式の露光動作によって良好な画質の画像を取得することができる。

0096

<第2の動作シーケンス>
次に、本第2の実施形態の固体撮像装置2にけるグローバル露光の第2の動作シーケンスについて説明する。図10は、本第2の実施形態の固体撮像装置2においてAF用単位画素14の読み出しとグローバル露光の動作とを行う際の第2の動作シーケンスの概略を示したシーケンス図である。図10に示したグローバル露光の第2の動作シーケンス図には、図9に示したグローバル露光の第1の動作シーケンス図と同様に、撮像用単位画素213をリセットする画素リセットパルスΦPR1を併せて示している。

0097

図10においても、図9に示したグローバル露光の第1の動作シーケンス図と同様に、横軸に時間を示し、縦軸に固体撮像装置2の行を示している。そして、シーケンス201は撮像用画素リセット動作を示し、シーケンス202は撮像用画素転送動作を示し、シーケンス203は画像信号読み出し動作を示し、シーケンス204は、AF用信号読み出し動作を示し、蓄積時間205は、撮像用画素リセット動作から撮像用画素転送動作までの1回の露光期間を示している。

0098

図10に示したグローバル露光の第2の動作シーケンスは、撮像画素用垂直走査回路211が画素リセットトランジスタPM2に入力する画素リセットパルスΦPR1のタイミング以外は、図9に示したグローバル露光の第1の動作シーケンスと同様である。従って、図10に示したグローバル露光の第2の動作シーケンスの説明においては、図9に示したグローバル露光の第1の動作シーケンスと異なる動作のみを説明する。

0099

固体撮像装置2にけるグローバル露光の第2の動作シーケンスでは、まず、時刻t1において、第1の動作シーケンスと同様のシーケンス201の撮像用画素リセット動作によって、画素アレイ部210に備えた全ての撮像用単位画素213内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDに蓄積された信号電荷を同時にリセットする。また、メモリアレイ部220に備えた全ての撮像用単位メモリ223内の撮像用単位メモリ結合容量CCおよびメモリ電荷蓄積部MCに蓄積された信号電荷を同時にリセットする。

0100

続いて、予め定めた蓄積時間205が経過した時刻t2のときに、第1の動作シーケンスと同様のシーケンス202の撮像用画素転送動作によって、画素アレイ部210に備えた全ての撮像用単位画素213内のフォトダイオードPDが発生した信号電荷を、それぞれの撮像用単位画素213およびAF用単位画素14内の画素電荷蓄積部FDに同時に転送する。さらに、それぞれの撮像用単位画素213が出力する撮像用画素信号を、対応する撮像用単位メモリ223に同時に送信(転送)して、それぞれの撮像用単位メモリ223内のメモリ電荷蓄積部MCに保持させる。

0101

その後、第1の動作シーケンスと同様のシーケンス203の画像信号読み出し動作によって、メモリアレイ部220に備えた撮像用単位メモリ223の行毎に撮像用メモリ信号を画素信号処理チップ水平走査回路225に順次出力する。これにより、画素信号処理チップ水平走査回路225は、それぞれの列の撮像用単位メモリ223から行毎に入力されたそれぞれの撮像用メモリ信号を、固体撮像装置2が出力する画像信号として列毎に順次外部に出力する。

0102

また、シーケンス202の撮像用画素転送動作が完了した後の時刻t3のときから、第1の動作シーケンスと同様のシーケンス204のAF用信号読み出し動作によって、画素アレイ部210においてAF用単位画素14が配置されている行毎にAF用画素信号を画素チップ水平走査回路215に順次出力する。これにより、画素チップ水平走査回路215は、それぞれの列のAF用単位画素14から行毎に入力されたそれぞれのAF用画素信号を、固体撮像装置2が出力するAF用信号として列毎に順次外部に出力する。

0103

なお、固体撮像装置2にけるグローバル露光の第2の動作シーケンスでは、シーケンス204のAF用信号読み出し動作の期間中に、画素アレイ部210に備えた全ての撮像用単位画素213内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDをリセットしている状態にする。

0104

より具体的には、撮像画素用垂直走査回路211が、画素アレイ部210の全ての行の画素リセットパルスΦPR1および画素転送パルスΦPT1を、例えば、“High”レベルにすることによって、画素アレイ部210に備えた全ての撮像用単位画素213内の画素リセットトランジスタPM2と画素転送トランジスタPM1とをON状態にし、全ての撮像用単位画素213内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDをリセットする。

0105

その後、シーケンス204のAF用信号読み出し動作が完了した時刻t4以降、第1の動作シーケンスと同様に、次の画像を取得するためのグローバル露光の第2の動作シーケンスを開始する。

0106

このように、本第2の実施形態の固体撮像装置2における第2の動作シーケンスでも、固体撮像装置2におけるグローバル露光の第1の動作シーケンスと同様に、固体撮像装置2のグローバル露光の動作に影響を及ぼさないタイミングで、AF用単位画素14を駆動することによって、グローバル露光方式の露光動作を行いながら、効率良く位相差AF用の信号を取得することができる。

0107

また、第2の動作シーケンスでは、AF用単位画素14からAF用画素信号を読み出している期間中に、撮像用単位画素213内のフォトダイオードPDおよび画素電荷蓄積部FDをリセットしている状態、つまり、撮像用単位画素213が被写体の撮像を行わない状態にする。これにより、本第2の実施形態の固体撮像装置2における第2の動作シーケンスでは、第1の実施形態の固体撮像装置1におけるグローバル露光の動作シーケンスや、固体撮像装置2におけるグローバル露光の第1の動作シーケンスと同様に、回路ノイズによる画質への影響を低減すると共に、ブルーミングなどの電荷のノイズによる画質への影響を低減し、グローバル露光方式の露光動作によってさらに良好な画質の画像を取得することができる。

0108

なお、第1の動作シーケンスおよび第1の動作シーケンスでも、AF用単位画素14からのAF用信号読み出し動作(シーケンス204)を、撮像用単位画素213と撮像用単位メモリ223との撮像用画素転送動作(シーケンス202)から次の撮像用画素リセット動作(シーケンス201)の間に1回行う場合について説明した。しかし、AF用単位画素14からのAF用信号読み出し動作の回数は、図9に示した第1の動作シーケンスの回数や図10に示した第2の動作シーケンスの回数に限定されるものではなく、図4に示した第1の実施形態の固体撮像装置1におけるグローバル露光の動作シーケンスと同様の考え方に基づいて制御を行うことができる。例えば、撮像用単位メモリ223の画像信号読み出し動作(シーケンス203)の期間中に、AF用単位画素14によるAF用信号の取得動作、すなわち、AF用単位画素14の撮像用画素リセット動作、撮像用画素転送動作、およびAF用信号読み出し動作(シーケンス204)を行うことができる時間がある場合には、AF画素用垂直走査回路12が、次のAF用信号の取得動作を行うようにAF用単位画素14を駆動する制御を行うこともできる。

0109

なお、図6に示した本第2の実施形態の固体撮像装置2の構成では、画素アレイ部210においてAF用単位画素14が配置されている位置に対応するメモリアレイ部220の位置には、何も配置されていない構成について説明した。しかし、例えば、撮像用単位画素213に対応した撮像用単位メモリ223のように、対応するAF用単位画素14から送信(転送)されてきたAF用画素信号の一時的な記憶(保持)などを行う構成要素を配置した構成にすることもできる。この構成にすることによって、例えば、AF用画素信号の画素信号処理チップ水平走査回路225への出力が終了していない状態であっても、AF画素用垂直走査回路12が、次のAF用信号の取得動作を行うようにAF用単位画素14を駆動する制御を行うことができる。

0110

なお、図6に示した本第2の実施形態の固体撮像装置2の構成では、画素アレイ部210のAF用単位画素14が配置されている位置には、撮像用単位画素213を配置することができず、固体撮像装置2は画像信号を取得することができない。このため、画素アレイ部210を、画像を取得するための通常の画素アレイとして考えると、AF用単位画素14が配置された位置に画素欠けが発生しているのと同様の状態になる。これにより、固体撮像装置2を搭載した撮像装置では、AF用単位画素14が配置されている位置の画像信号を欠陥画素と同様に扱って、AF用単位画素14が配置された位置の画素を補完する処理が必要となる。撮像装置におけるオートフォーカス制御では、AF動作の性能を確保するために、ある程度の数のAF用単位画素14を画素アレイ部210内に配置しなければならない。画素アレイ部210内に配置するAF用単位画素14の数を多くすると、画像を取得するための通常の画素アレイには多数の欠陥画素を有してしまうことになり、その結果、欠陥画素の補完処理を行ったとしても、撮像装置としては良好な画質の画像を得ることが困難になってしまうことが懸念される。そこで、図6に示した本第2の実施形態の固体撮像装置2の構成では何も配置されていない、画素アレイ部210においてAF用単位画素14が配置されている位置に対応するメモリアレイ部220内の位置に、画像信号を取得することができる構成要素を配置する構成の固体撮像装置が考えられる。

0111

<第3の実施形態>
次に、第3の実施形態の固体撮像装置について説明する。本第3の実施形態の固体撮像装置も、第2の実施形態の固体撮像装置2と同様に、被写体を撮像するための撮像用単位画素が2次元の行列状に配列され、入射した被写体光の受光量(光線量)に応じた電気信号を出力する、2つのチップで構成されたMOS型固体撮像装置である。また、本第3の実施形態の固体撮像装置にも、第2の実施形態の固体撮像装置2と同様に、撮像用単位画素以外にAF用単位画素が任意の間隔で配置されている。

0112

図11は、本第3の実施形態の固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。図11において、固体撮像装置3は、複数の撮像用単位画素213およびAF用単位画素14で構成された画素アレイ部210、撮像画素用垂直走査回路211、AF画素用垂直走査回路12、画素チップ水平走査回路215から構成された画素チップ21と、複数の撮像用単位メモリ223および補正用単位画素323で構成されたメモリアレイ部320、メモリ用垂直走査回路321、画素信号処理チップ水平走査回路325から構成された画素信号処理チップ32と、から構成される。本第3の実施形態の固体撮像装置3では、撮像用単位画素213と撮像用単位メモリ223とによって、被写体を撮像するための通常の画素を構成し、さらに、補正用単位画素323も通常の画素として構成されている。なお、以下の説明においては、画素アレイ部210の領域が、固体撮像装置3における有効画素の領域(有効画素エリア)であるものとして説明する。

0113

なお、本第3の実施形態の固体撮像装置3も、第2の実施形態の固体撮像装置2と同様に、1つの固体撮像装置3を2つのチップ(画素チップ21および画素信号処理チップ32)で構成しているが、一部の構成要素は、第2の実施形態の固体撮像装置2と同様である。より具体的には、画素信号処理チップ32に備えた構成要素のみが、第2の実施形態の固体撮像装置2の画素信号処理チップ22に備えた構成要素と異なる。従って、本第3の実施形態の固体撮像装置3の構成要素において、第2の実施形態の固体撮像装置2と異なる構成要素のみを説明し、第2の実施形態の固体撮像装置2と同様の構成要素には、同一の符号を付加して詳細な説明は省略する。

0114

メモリアレイ部320内のそれぞれの補正用単位画素323は、画素チップ21の画素アレイ部210内に配置されたそれぞれのAF用単位画素14を透過して入射した被写体光を電気信号に変換し、メモリ用垂直走査回路321から入力された制御信号に応じて、入射した被写体光の受光量(光線量)に応じた電気信号を補正用画素信号として、画素信号処理チップ水平走査回路325に出力する。メモリアレイ部320内には、画素アレイ部210内に配置されたAF用単位画素14の位置に対応した位置に、それぞれの補正用単位画素323が配置されている。なお、補正用単位画素323に関する詳細な説明は、後述する。

0115

メモリ用垂直走査回路321は、第2の実施形態の固体撮像装置2に備えたメモリ用垂直走査回路221と同様に、メモリアレイ部320内のそれぞれの撮像用単位メモリ223を制御し、各撮像用単位メモリ223に保持した撮像用画素信号(撮像用メモリ信号)を、画素信号処理チップ水平走査回路325に出力させる。さらに、メモリ用垂直走査回路321は、メモリアレイ部320内のそれぞれの補正用単位画素323を制御し、各補正用単位画素323からの補正用画素信号を、画素信号処理チップ水平走査回路325に出力させる。メモリ用垂直走査回路321は、撮像用単位メモリ223および補正用単位画素323がグローバル露光の動作を行うように制御するための制御信号を、メモリアレイ部320に備えた撮像用単位メモリ223および補正用単位画素323に出力する。

0116

画素信号処理チップ水平走査回路325は、メモリアレイ部320の各列の撮像用単位メモリ223からそれぞれ入力された撮像用メモリ信号と、補正用単位画素323からそれぞれ入力された補正用画素信号とを、固体撮像装置3が被写体を撮像した画像信号として、固体撮像装置3の外部に順次出力する。つまり、画素信号処理チップ水平走査回路325による画像信号の出力において、AF用単位画素14が配置された位置の画像信号を出力するタイミングのときに、補正用単位画素323から入力された補正用画素信号を画像信号として出力し、その他のタイミングのときに、撮像用単位メモリ223から入力された撮像用メモリ信号を画像信号として出力する。

0117

次に、本第3の実施形態の固体撮像装置3内のメモリアレイ部320に備えた補正用単位画素323について説明する。図12は、本第3の実施形態の固体撮像装置3に備えた画素信号処理チップ32内の補正用単位画素323の概略構成を示した回路図である。

0118

補正用単位画素323は、AF用単位画素14を透過して入射した被写体光を電気信号に変換した補正用画素信号を、補正用画素垂直信号線3235に出力する回路である。補正用単位画素323は、それぞれ、フォトダイオードPD、メモリ電荷蓄積部MC、メモリ転送トランジスタMM1、メモリリセットトランジスタMM2、メモリ増幅トランジスタMM3、メモリ選択トランジスタMM4から構成される。なお、補正用単位画素323は、画素信号処理チップ32のメモリアレイ部320内に配置された撮像用単位メモリ223が、チップ接続部23を介して入力された撮像用画素信号を保持する代わりに、補正用単位画素323内に備えたフォトダイオードPDが発生した信号電荷を保持する構成である。つまり、図12を見てわかるように、第1の実施形態の固体撮像装置1に備えた撮像用単位画素13や、第2の実施形態の固体撮像装置2に備えた撮像用単位画素213と同様の構成である。従って、補正用単位画素323の構成要素には、図2に示した撮像用単位画素13、図7に示した撮像用単位画素213、および図8に示した撮像用単位メモリ223と同様の構成要素に同一の符号を付加し、異なる動作のみを説明する。

0119

フォトダイオードPDは、AF用単位画素14を透過して入射した光を光電変換して信号電荷を発生する。
メモリ電荷蓄積部MCは、フォトダイオードPDが発生した信号電荷を蓄積する容量である。
メモリ転送トランジスタMM1は、メモリ用垂直走査回路321から補正用画素転送線3212を介して入力される補正画素転送パルスΦMT2に基づいて、フォトダイオードPDが発生した信号電荷を、メモリ増幅トランジスタMM3のゲート端子に接続されたメモリ電荷蓄積部MCに転送する。メモリ転送トランジスタMM1によって転送された信号電荷は、メモリ電荷蓄積部MCに蓄積される。
メモリ増幅トランジスタMM3は、メモリ電荷蓄積部MCに蓄積された信号電荷に応じた電圧を出力する。

0120

メモリリセットトランジスタMM2は、メモリ用垂直走査回路321から補正用画素リセット線3211を介して入力される補正画素リセットパルスΦMR2に基づいて、メモリ電荷蓄積部MCを電源電位VDDMにリセットする。
メモリ選択トランジスタMM4は、メモリ用垂直走査回路321から補正用画素選択線3213を介して入力される補正画素選択パルスΦMS2に基づいて、メモリ増幅トランジスタMM3が出力した電圧を、補正用単位画素323が出力する補正用画素信号として補正用画素垂直信号線3235に出力する。
補正用画素垂直信号線3235に出力された補正用画素信号は、画素信号処理チップ水平走査回路325に入力される。

0121

このような構成によって、本第3の実施形態の固体撮像装置3では、補正用単位画素323内のフォトダイオードPDによって、AF用単位画素14を透過した被写体光を受光し、受光量(光線量)に応じた補正用画素信号を、画素アレイ部210内にAF用単位画素14が配置された位置に対応した画像信号として、画素信号処理チップ水平走査回路325が固体撮像装置3の外部に出力する。

0122

なお、本第3の実施形態の固体撮像装置3にけるグローバル露光の動作シーケンスは、メモリ用垂直走査回路321がメモリアレイ部320内のそれぞれの撮像用単位メモリ223を制御するときに、同時に補正用単位画素323を制御することで、第1の実施形態の固体撮像装置1や第2の実施形態の固体撮像装置2にけるグローバル露光の動作シーケンスと同様に考えることができる。より具体的には、メモリ用垂直走査回路321が、メモリ転送パルスΦMT1、メモリリセットパルスΦMR1、およびメモリ選択パルスΦMS1を“High”レベルまたは“Low”レベルにするときに、補正画素転送パルスΦMT2、補正画素リセットパルスΦMR2、および補正画素選択パルスΦMS2を同じように制御する。従って、本第3の実施形態の固体撮像装置3にけるグローバル露光の動作シーケンスに関する詳細な説明は省略する。

0123

このように、本第3の実施形態の固体撮像装置3でも、第1の実施形態の固体撮像装置1や第2の実施形態の固体撮像装置2と同様に、グローバル露光方式の露光動作を行いながら、効率良く位相差AF用の信号を取得することができる。

0124

また、本第3の実施形態の固体撮像装置3では、補正用単位画素323が、AF用単位画素14を透過した被写体光を受光して、AF用単位画素14が配置された位置における補正用画素信号を出力する。そして、画素信号処理チップ水平走査回路325が、AF用単位画素14が配置された位置の画像信号を出力するタイミングのときに、補正用画素信号を、固体撮像装置3が被写体を撮像した画像信号として固体撮像装置3の外部に出力する。これにより、本第3の実施形態の固体撮像装置3では、AF用単位画素14が配置された位置での画素欠けの発生を防ぐことができ、固体撮像装置3を搭載した撮像装置において、さらに良好な画質の画像を取得することができる。

0125

上記に述べたように、本実施形態の固体撮像装置では、被写体を撮像するための通常の画素を制御する垂直走査回路と、オートフォーカス制御に用いられる位相差AF用の画素を制御する垂直走査回路とをそれぞれ備える。これにより、本実施形態の固体撮像装置によって被写体を撮像する際に、通常の画素と位相差AF用の画素とを分けて、それぞれの画素の駆動を制御することができる。このことにより、本実施形態の固体撮像装置を搭載した撮像装置では、固体撮像装置が出力したAF用信号に基づいた位相差AFセンサを用いた方式のオートフォーカス制御と同様の高速なオートフォーカス制御を行うことができ、グローバル露光方式の露光動作によって、良好な画質の画像を取得することができる。

0126

なお、本実施形態の固体撮像装置においては、AF用単位画素が、画素アレイ部内の特定の行に全て配置された、すなわち、1行分のAF用単位画素を備えた場合について説明した。しかし、固体撮像装置の画素アレイ部内に配置されるAF用単位画素の位置は、固体撮像装置を搭載した撮像装置において位相差AF用のオートフォーカス制御を行う際に必要な位置に配置されることが望ましい。

0127

<撮像装置>
次に、第1の実施形態〜第3の実施形態の固体撮像装置のいずれかを搭載した撮像装置について説明する。図13は、本発明の実施形態による固体撮像装置を搭載した撮像装置(例えば、ミラーレスデジタルカメラ)の概略構成を示したブロック図である。図13には、第3の実施形態の固体撮像装置3を搭載した撮像装置の一例を示している。ここに示した各構成要素は、ハードウェア的には、コンピュータのCPUやメモリをはじめとする素子で実現することができ、ソフトウェア的にはコンピュータプログラムなどによって実現されるものであるが、ここでは、これらの連携によって実現される機能ブロックとして示している。従って、これらの機能ブロックは、ハードウェア、ソフトウェアの組合せによって、様々な形式で実現できるということは、当業者には理解できるであろう。

0128

図13に示した撮像装置4は、レンズユニット部41、固体撮像装置3、発光装置42、メモリ43、記録装置44、表示装置45、画像信号処理回路46、レンズ制御装置47、イメージセンサ制御装置48、発光制御装置49、カメラ制御装置410から構成される。

0129

レンズユニット部41は、レンズ制御装置47によってズームフォーカス絞りなどが駆動制御され、被写体像を固体撮像装置3に結像させる。

0130

固体撮像装置3は、第3の実施形態の固体撮像装置3である。固体撮像装置3は、イメージセンサ制御装置48によって駆動、制御され、レンズユニット部41を介して固体撮像装置3に入射した被写体光の受光量に応じた画像信号を出力するMOS型固体撮像装置である。また、固体撮像装置3は、入射した被写体光の受光量に応じたAF用信号も出力する。

0131

発光装置42は、発光制御装置49によって駆動、制御され、発光装置42から発せられる光を被写体に当てることにより、被写体から反射する光を調節するストロボフラッシュなどの装置である。

0132

画像信号処理回路46は、固体撮像装置3から出力された画像信号に対して、信号の増幅、画像データへの変換および各種の補正、画像データの圧縮などの処理を行う。また、画像信号処理回路46は、固体撮像装置3から出力されたAF用信号に基づいて、位相差AFセンサを用いた方式のオートフォーカス制御と同様のオートフォーカス制御を行うための処理を行う。なお、画像信号処理回路46は、各処理における画像データや処理データの一時記憶手段としてメモリ43を利用する。

0133

記録装置44は、半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体であり、画像データや処理データの記録または読み出しを行う。
表示装置45は、固体撮像装置3に結像され、画像信号処理回路46によって処理された画像データ、または記録装置44から読み出された画像データに基づく画像を表示する液晶などの表示装置である。

0134

カメラ制御装置410は、撮像装置4の全体の制御を行う制御装置である。また、カメラ制御装置410は、固体撮像装置3にグローバル露光方式の露光動作を実行させるように、イメージセンサ制御装置48による固体撮像装置の駆動を制御する。また、カメラ制御装置410は、画像信号処理回路46による位相差AFセンサを用いた方式のオートフォーカス制御の処理結果に基づいて、レンズ制御装置47を制御することによって、レンズユニット部41によるフォーカス駆動を制御する。また、カメラ制御装置410は、イメージセンサ制御装置48と発光制御装置49とを制御することによって、固体撮像装置3と、発光装置42とを協調制御する。

0135

上記に述べたように、本実施形態の撮像装置4は、第1の実施形態〜第3の実施形態のいずれかの固体撮像装置を搭載する。そして、本実施形態の撮像装置4に備えたカメラ制御装置410は、グローバル露光方式の露光動作を行いながら、位相差AF用の信号を取得するように、固体撮像装置の駆動を制御する。これにより、本実施形態の撮像装置4に備えた画像信号処理回路46は、位相差AFセンサを用いた方式のオートフォーカス制御と同様のオートフォーカス制御を行うと共に、良好な画質の画像を生成することができる。

0136

上記に述べたように、本発明を実施するための形態によれば、固体撮像装置内に被写体を撮像するための通常の画素を制御する垂直走査回路の他に、オートフォーカス制御に用いられる位相差AF用の画素を制御する垂直走査回路を設ける。そして、通常の画素と位相差AF用の画素とを分けて、それぞれの画素の駆動を制御する。これにより、本発明を実施するための形態による固体撮像装置では、通常の画素をグローバル露光方式の露光動作で駆動することができ、通常の画素をグローバル露光方式で動作させている最中に、位相差AF用の画素をライン露光方式の露光動作で駆動させることができる。

0137

このことにより、本発明を実施するための形態による固体撮像装置を搭載した撮像装置では、移動する被写体を撮影する場合でも被写体が歪曲していない良好な画質の画像を取得することができると共に、固体撮像装置が出力した位相差AF用の信号に基づいて、位相差AFセンサを用いた方式のオートフォーカス制御と同様の高速なオートフォーカス制御を行うことができる。

0138

なお、本発明における回路構成および駆動方法の具体的な構成は、本発明を実施するための形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更をすることができる。例えば、撮像用単位画素、撮像用単位メモリ、補正用単位画素、またはAF用単位画素の構成要素や駆動方法が変わったことにより、固体撮像装置の制御方法や画素の駆動方法を変更した場合であっても、グローバル露光動作による撮影と位相差AF用の信号の取得とを両立する方法として、本発明の考え方を適用することができる。

0139

また、撮像用単位画素、撮像用単位メモリ、補正用単位画素、またはAF用単位画素の行方向および列方向の配置は、本発明を実施するための形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において撮像用単位画素、撮像用単位メモリ、補正用単位画素、またはAF用単位画素を配置する行方向および列方向の数を変更することができる。

0140

また、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、2枚の基板が接続部により接続されていてもよいし、3枚以上の基板が接続部で接続されていてもよい。3枚以上の基板が接続部で接続される固体撮像装置の場合、そのうちの2枚が請求項に係る第1の基板と第2の基板に相当する。

0141

以上、本発明の実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においての種々の変更も含まれる。

0142

1・・・固体撮像装置
10・・・画素アレイ部(画素,第1の画素,第2の画素)
11・・・撮像画素用垂直走査回路(第1の走査回路)
111・・・撮像用画素リセット線
112・・・撮像用画素転送線
113・・・撮像用画素選択線
12・・・AF画素用垂直走査回路(第2の走査回路)
121・・・AF用画素リセット線
122・・・AF用画素転送線
123・・・AF用画素選択線
13・・・撮像用単位画素(第1の画素)
PD・・・フォトダイオード(第1の光電変換手段,第2の光電変換手段)
FD・・・画素電荷蓄積部
PM1・・・画素転送トランジスタ
PM2・・・画素リセットトランジスタ(リセット手段
PM3・・・画素増幅トランジスタ
PM4・・・画素選択トランジスタ
134・・・撮像用画素垂直信号線
14・・・AF用単位画素(第2の画素)
144・・・AF用画素垂直信号線
15・・・水平走査回路
2・・・固体撮像装置
21・・・画素チップ(第1の基板)
210・・・画素アレイ部(画素,第1の画素,第2の画素)
211・・・撮像画素用垂直走査回路(第1の走査回路)
213・・・撮像用単位画素(第1の画素)
2134・・・撮像用画素垂直信号線
215・・・画素チップ水平走査回路
22・・・画素信号処理チップ(第2の基板)
220・・・メモリアレイ部(画素,第1の画素,第2の画素)
221・・・メモリ用垂直走査回路(第1の走査回路)
2211・・・撮像用メモリリセット線
2212・・・撮像用メモリ転送線
2213・・・撮像用メモリ選択線
223・・・撮像用単位メモリ(第1の画素)
CC・・・撮像用単位メモリ結合容量
MC・・・メモリ電荷蓄積部(電荷蓄積部)
MM1・・・メモリ転送トランジスタ
MM2・・・メモリリセットトランジスタ
MM3・・・メモリ増幅トランジスタ
MM4・・・メモリ選択トランジスタ
CS・・・撮像用単位メモリ電流負荷
2234・・・撮像用画素メモリ信号線
2235・・・撮像用メモリ垂直信号線
225・・・画素信号処理チップ水平走査回路
23・・・チップ接続部(接続部)
3・・・固体撮像装置
32・・・画素信号処理チップ(第2の基板)
320・・・メモリアレイ部(画素,第1の画素,第2の画素)
321・・・メモリ用垂直走査回路(第1の走査回路)
3211・・・補正用画素リセット線
3212・・・補正用画素転送線
3213・・・補正用画素選択線
323・・・補正用単位画素(第2の画素)
3235・・・補正用画素垂直信号線
325・・・画素信号処理チップ水平走査回路
4・・・撮像装置
41・・・レンズユニット部
42・・・発光装置
43・・・メモリ
44・・・記録装置
45・・・表示装置
46・・・画像信号処理回路
47・・・レンズ制御装置
48・・・イメージセンサ制御装置
49・・・発光制御装置
410・・・カメラ制御装置

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