JP2014222863A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像面に焦点検出機能を持つ撮像素子を用いて撮像した撮像信号の品質を向上させる。【解決手段】第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子を含む複数の画素が行方向及び列方向に配された画素部と、画素部の信号を処理する処理部と、処理部から信号を出力する水平出力線とを有し、処理部が、第１撮像モードでは、前記第１の光電変換素子の信号と、前記第１の光電変換素子の信号と前記第２の光電変換素子の信号とを加算した加算信号を水平出力線へ出力し、第２撮像モードでは、前記加算信号を水平出力線へ出力する。【選択図】 図1

Description

本発明は撮像装置に関し、特に撮像信号の検出と焦点情報信号の検出ができる撮像装置に関する。

CMOSイメージセンサをはじめ撮像装置には撮像信号の検出だけでなく、撮像面で焦点情報信号の検出もできるオートフォーカス用の焦点検出機能が求められつつある。特許文献1には撮像面に焦点検出機能を持つCMOSイメージセンサが開示されている。特許文献1のCMOSイメージセンサは、画素部の中に位相差オートフォーカスをするための焦点情報信号の検出用画素を配置した撮像素子を開示している。

特開２００８−２６３３５２号公報

しかしながら従来の撮像面に焦点検出機能を持つCMOSイメージセンサは、一部の画素を焦点情報信号の検出の専用とするので、その画素からの信号は撮像信号として使えない。このため、その画素部分の撮像信号は周辺画素の撮像信号から補完する。この補完は、撮像信号の劣化を招く。本発明は、撮像面に焦点検出機能を持つ撮像素子を用いて撮像した撮像信号の品質を向上させることを目的とする。

本発明の撮像装置は、第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、電荷電圧変換部と、光電変換素子によって発生した電荷を前記電荷電圧変換部に転送する転送部と、前記電荷電圧変換部の電圧をリセットするリセット部とを含む複数の画素が行方向及び列方向に配された画素部と、画素部の信号を処理する処理部と、処理部の信号を出力する水平出力線とを有し、前記処理部は第１撮像モードでは、前記第１の光電変換素子の信号と、前記第１の光電変換素子の信号と前記第２の光電変換素子の信号とを加算した撮像信号を水平出力線へ出力し、第２撮像モードでは、前記加算した撮像信号を水平出力線へ出力することを特徴とする。

本発明によれば、撮像面に焦点検出機能を持つ撮像素子を用いて撮像した撮像信号の品質を向上させることができる。

本発明の撮像装置のブロック図 実施形態1の画素部の回路図 実施形態1の列読み出し回路の回路図 実施形態1の列読み出し回路のレイアウト図 撮像面で焦点検出するモードのタイミングチャート 撮像面で焦点検出しないモードでのタイミングチャート 実施形態2の列読み出し回路の回路図 撮像面で焦点検出するモードのタイミングチャート 撮像面で焦点検出しないモードのタイミングチャート 実施形態3の列読み出し回路の回路図 撮像面で焦点検出するモードのタイミングチャート 撮像面で焦点検出しないモードのタイミングチャート 実施形態4の列読み出し回路の回路図

本発明の撮像装置について図１のブロック図により説明する。撮像装置は画素が行方向と列方向に配置された画素部10、垂直走査回路11、処理部12、列読み出し回路13、出力回路16、列信号線17などを備える。垂直走査回路11は画素部の1行または複数行ごとの走査をおこなう。列信号線17は画素部10の、典型的には1列分の信号を列読み出し回路13に伝達する役割がある。垂直走査回路11が1行ごとの走査をするとき、１行分の画素部10からの信号は列ごとに設けられた列信号線17に出力される。処理部12は、全列分の列読み出し回路13と水平出力線を介して出力回路へ信号を転送する水平転送部を少なくとも含む。出力回路16は、信号を出力する回路である。列読み出し回路13は、アナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換回路を含む場合もある。列読み出し回路13は、撮像モードによって焦点情報信号あるいは撮像信号の読み出しに利用する共用読み出し回路14と撮像信号用読み出し回路15を含む。共用読み出し回路14は撮像素子から焦点情報信号と撮像用信号の両方を読み出す第１撮像モードと、撮像信号を読み出す第２撮像モードとで利用する。第１撮像モードでは、共用読み出し回路14は焦点情報信号の読み出し用の回路として利用し、撮像信号用読み出し回路15は、撮像信号を読み出すための回路として利用する。第２撮像モードでは、共用読み出し回路14は、撮像信号用読み出し回路15とともに撮像信号の読み出し用としても利用される。以下に実施例を説明する。

［実施形態１］
本実施形態では、撮像信号と焦点情報信号をアナログ信号のまま出力するものとして説明する。図2は、画素部10の4行2列分の画素を表している詳細回路図である。実際には、画素部10には行方向、列方向に4000行×6000列など多数の画素がある。本実施形態の画素部10は、各画素には、光を電気信号に変換する光電変換素子がある。各画素には第１の光電変換素子と第２の光電変換素子が配置されている。光電変換素子は例えばフォトダイオードであり、第１の光電変換素子としてA焦点情報信号のフォトダイオードDa11〜Da42、第２の光電変換素子としてB焦点情報信号のフォトダイオードDb11〜Db42が配置されている。各画素は、A焦点情報信号のフォトダイオードとB焦点情報信号のフォトダイオードとの上にひとつのマイクロレンズを有している。つまり、各画素において、ひとつのマイクロレンズの下部には、左右に分かれた第１の光電変換素子と第２の光電変換素子が配置されている。第１の光電変換素子と第２の光電変換素子は、A焦点情報信号とB焦点情報信号の検出に用いる。したがって第１の光電変換素子と第２の光電変換素子は焦点信号を検出するために対の構造にできる。また、両者の信号を加算して撮像信号としても用いる。焦点情報信号の検出用の画素と撮像信号の検出用の画素の構造を同じにできるので画素の構造の違いによる撮像信号の劣化が少ない。光電変換素子の電子を電荷電圧変換部へ転送する転送部として、転送トランジスタMa11〜Mb42が設けられている。画素部には電荷電圧変換部等をリセットするリセット部としてリセットトランジスタM211〜M232がある。光電変換素子からの電子は電荷電圧変換部で電気信号に変換され、増幅トランジスタM311〜M332で増幅される。選択トランジスタM411〜M432がオンになると増幅トランジスタM311〜M332の出力は列信号線17に出力される。画素部10と処理部12を制御するφSEL1、φRES1、φTXa1、φTXb1、φTXa2、φTXb2、φSEL3、φRES3、φTXa3、φTXb3、φTXa4、φTXb4の各パルス信号は、垂直走査回路11から出力される。

図２の例では、画素1は第1行第1列の画素である。画素2は第2行第1列の画素である。縦に並んだ画素1と画素2はリセットトランジスタM211、増幅トランジスタM311、選択トランジスタM411を共有する。また、φSEL1は選択線を介して第1行と第2行の画素部の情報信号を増幅する増幅トランジスタの出力を選択し、φRES1はリセット線を介してリセットトランジスタに入力されて第1行と第2行の画素部のリセットをする。また、φTXa1は第1行のA焦点情報信号の転送トランジスタMa11、Ma12のゲート電極に入力されてA焦点情報信号の転送を制御する。φTXb1は第1行のB焦点情報信号の転送トランジスタMb11、Mb12のゲート電極に入力されてB焦点情報信号の転送を制御する。同様に、φTXa2は第２行のA焦点情報信号の転送トランジスタMa21、Ma22のゲート電極に入力されて焦点情報信号の転送を制御する。φTXb2は第２行のB焦点情報信号の転送トランジスタMb21、Mb22のゲート電極に入力されてB焦点情報信号の転送を制御する。また、φSEL3は第3行と第4行の増幅トランジスタの出力を選択し、φRES3は第3行と第4行の画素をリセットする。φTXa3は第3行のA焦点情報信号の転送を制御し、φTXb3は第３行のB焦点情報信号の転送を制御する。同様に、φTXa4は第４行のA焦点情報信号の転送を制御し、φTXb4は第4行のB焦点情報信号の転送を制御する。

フォトダイオードDa11のA焦点情報信号とフォトダイオードDb11のB焦点情報信号とは電荷電圧変換部で加算されて画素1の撮像信号となる。一方、画素部10のA焦点情報信号群とB焦点情報信号群の強度ピークのずれは、カメラレンズの焦点がどれだけずれているかの指標になる。つまり、A焦点情報信号群とB焦点情報信号群の強度ピークの位置が一致していれば、合焦である。また、例えば、A焦点情報信号群の強度ピークが画面上左、B焦点情報信号群の強度ピークが画面上右にあれば、カメラレンズはエリアセンサより前側に焦点がくる前ピン状態と判定できる。また、A焦点情報信号群の強度ピークが画面上右、B焦点情報信号群の強度ピークが画面上左にあれば、カメラレンズはエリアセンサより後ろ側に焦点がくる後ピン状態と判定できる。

カメラはA焦点情報信号とB焦点情報信号のピーク位置の違いからフォーカスするためのカメラレンズの移動量を算出することができるため、オートフォーカスが可能になる。

図3は、実施形態1の処理部12の第1画素列からの画素信号の列読み出し回路13と、出力アンプmaを示す。図中、出力アンプmaは図1の出力回路16に相当する。第1画素列の列読み出し回路13について図３により説明する。列読み出し回路13には、列信号線１７に接続された列電流源Ib1、ゲインアンプga1、ゲインアンプの入力容量とフィードバック容量Ci1とCf1がある。さらに列読み出し回路13は画素部から読み出した信号を保持する、第１の容量、第２の容量、第３の容量、第４の容量を有する。本実施形態では、第１〜４の容量をリセット信号用のアナログメモリCTN11、第１アナログメモリCTSa11、第２アナログメモリCTSa21、輝度信号用のアナログメモリCTSab11と呼ぶ。さらに、リセット信号転送用バッファVFN1、焦点情報信号転送用バッファVFSa1、輝度信号転送用バッファVFSab1が配置される。また、アナログメモリCTN21、アナログメモリCTSab21、アナログスイッチSGA1〜SHS1が配置されている。

ここで、第１アナログメモリCTSa11、第２アナログメモリCTSa21、焦点情報信号転送用バッファVFSa1は、共用読み出し回路14に属する回路である。また、リセット信号用のアナログメモリCTN11、輝度信号用のアナログメモリCTSab11、リセット信号転送用バッファVFN1、輝度信号転送用バッファVFSab1は、撮像信号用読み出し回路15に属する回路である。

先に述べたように、第１撮像モードでは共用読み出し回路14を焦点情報信号の読み出し専用に、撮像信号用読み出し回路15を撮像信号の読み出し専用に使う。一方、第２撮像モードでは共用読み出し回路14の一部を撮像信号用に使う。本実施形態では、第２撮像モードである撮像信号のみを読み出すとき、第１アナログメモリCTSa11はリセット信号用のアナログメモリCTN11に並列接続して付加容量とする。また、第２アナログメモリCTSa21を輝度信号用のアナログメモリCTSab11に並列接続して付加容量とする。並列接続により合成容量を大きくできるので結果的に信号の転送ゲインが大きくなり、ノイズの影響を小さく出来る。水平走査期間内で撮像信号のみを読み出す動作をフレームにわたって行うことにより、静止画などのS/N向上に役立つ。この場合、撮像面でオートフォーカスをしないことになるため、別に設けたフォーカスシステムを使って撮影を行う。

ここで、リセット信号用のアナログメモリCTN11と輝度信号用のアナログメモリCTSab11の容量は、信号経路の転送ゲインを同じにするために、寄生容量を含めて同じ容量値が望ましい。また、第1アナログメモリCTSa11と第２アナログメモリCTSa21を第２撮像モードで利用する時の転送ゲインを同じにするために同一容量とする。２つの容量の合計容量は、焦点信号と撮像信号の転送ゲインを同じにするために輝度信号用アナログメモリCTSab11と同一の容量値が望ましい。

図4は、図3の回路図に対応するレイアウト図である。図中、前述の符号は同じ部品を表す。図4に示すように、リセット信号読み出し系(CTN11、VFN1)と輝度信号読み出し系(CTSab11、VFS1)は、相似または同一な電極形状に形成されて配置されたレイアウトとなっている。このため、リセット信号読み出し系(CTN11、VFN1)と輝度信号読み出し系(CTSab11、VFS1)は、同じ外乱ノイズが重畳すると考えて良い。よって、後段の出力アンプmaで、リセット信号読み出し系の信号を輝度信号読み出し系(CTSab11、VFS1)の信号から減算すれば外乱ノイズの除去できる。一方、焦点信号読み出し系(CTSa21、 CTSa11、VFSa1)は、リセット信号読み出し系(CTN11、VFN1)や輝度信号読み出し系(CTSab11、VFS1)と同一形状ではないレイアウトとなっており、外乱ノイズが重畳し易い。このレイアウト配置は、焦点情報信号のS/Nより、撮像信号のS/Nを重視しているためである。

1水平走査期間内で撮像信号と焦点情報信号を読み出すとき、つまり撮像面で焦点を検出する第１撮像モードでの動作について図５に示すタイミングチャートにより説明する。このモードでは、リセット信号転送用バッファVFN1、輝度信号転送用バッファVFSab1に接続されたスイッチSBN1とSBSab1はパルスφSBN、 φSBSabが常時ローとなっており、非導通状態である。一方、スイッチSBSa1はパルスφSBSaが常時ハイで、導通状態であり、第1アナログメモリCTSa11と第２アナログメモリCTSa21はスイッチSBSa1により並列接続されている。まず、時刻t0で、垂直走査回路11からφSEL1とφRES1がハイとなる信号が出力され、選択トランジスタM411、M412がオンし、画素部10の1行目が選択され、リセットトランジスタ211、212もオンして画素がリセットされる。このとき、拡散容量ノードの電圧もリセットされる。拡散容量ノードとは、増幅トランジスタM311、M312のゲート電極とリセットトランジスタM211、M212のソース電極が接続されたノードである。拡散容量ノードは光電変換部のフォトダイオードから出力された電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部であり、例えばフローティングディフージョンである。同時刻には、垂直走査回路11からφSGAがハイとなる信号が出力されており、ゲインアンプga1が参照電圧Vrefに対するボルテージフォロア状態になる。また、φSCN1、φSCSa11、φSCSa12、φSCSab1がハイにされるのでスイッチSCN11、 SCSa111、 SCSa121、SCSab11がオンする。結果、アナログメモリCTN11、CTSa11、 CTSa21、 CTSab11に参照電圧Vrefが書き込まれてリセットされる。

時刻t1で垂直走査回路11からφRES1がローとなる信号が出力されリセットトランジスタM211、M212がオフし、拡散容量ノードがフローティング状態となり、拡散容量ノードからリセット信号Nを読み出せる状態になる。拡散容量ノードの電圧は、時刻t0でφRES1によりリセットトランジスタがオンされた時に、リセット電圧になっている。この状態で、列電流源Ib1により駆動された増幅トランジスタM311、M312により増幅された拡散容量ノードのリセット信号Nが、各列信号線17に出力される。列信号線を介してゲインアンプga1に拡散容量ノードからのリセット信号Nが提供される。同時刻に、φSGAがローとなっており、ゲインアンプga1が増幅率Ci1/Cf1となる増幅モードとなる。また同時に、φSCN1、 φSCSa11、φSCSa12、φSCSab1がローに変化することよりスイッチSCN11、 SCSa111、 SCSa121、SCSab11がオフする。結果、アナログメモリCTN11、CNSa11、 CNSa21、 CNSab11のリセットは終了する。

次に、時刻t2では、φSCN1がハイとなりスイッチSCN11がオンし、列ごとにあるゲインアンプga1の出力が、アナログメモリCTN11に書き込まれる。このときアナログメモリCTN11に書き込まれるのは、ゲインアンプga1をリセットしたことによる信号であって、主にゲインアンプga1をリセットしたことによって生じるオフセット成分を含む。次に、時刻t3で垂直走査回路11からφTXa1がハイとなる信号が出力され転送トランジスタMa11、Ma12がオンし、A焦点情報信号を検出するフォトダイオードDa11、Da12に蓄積されていた電子が、拡散容量ノードに転送される。そして、拡散容量ノードの電圧が下がり、列信号線17にA焦点情報信号Saが出力され、列信号線を介してゲインアンプga1にA焦点情報が提供される。時刻t4では、φSCSa11、φSCSa12がハイとなり、ゲインアンプga1を通じて増幅されたA焦点情報信号Saが、並列接続されているアナログメモリCTSa11とCTSa21に書き込まれる。

時刻t5では、φSCN2がハイとなり、スイッチSCN21がオンとなりリセット信号NがアナログメモリCTN11からバッファVFN1を通じてアナログメモリCTN21に書き込まれる。時刻t5では同時に、φSCSa2もハイとなり、スイッチSCS2a1がオンとなりA焦点情報信号SaがアナログメモリCTSa11、 CTSa21からバッファVFSa1を介してアナログメモリCTSab21に書き込まれる。以上の読み出し動作により１行目の各列のリセット信号N及びA焦点情報信号Saが各列のアナログメモリに記憶される。

時刻t6で、φSHN1とφSHS1がハイとなりスイッチSHN1とSHS1とがオンとなりアナログメモリCTN21のリセット信号Nと、アナログメモリCTSab21のA焦点情報信号Saがそれぞれ、水平出力線７、８へ出力される。水平出力線７、８はリセット信号用水平信号線7と輝度信号用水平信号線8を含む。出力アンプmaにおいてA焦点情報信号Saからリセット信号Nが減算され、端子OUTNとOUTSを通じて撮像素子から1行1列目の信号経路で発生したオフセット電圧が補正されたＡ焦点情報信号(Sa-N)が出力される。また、時刻t7では２列目の転送を制御するφSHN2とφSHS2がハイとなり、１列目と同様に２列目のスイッチを制御して２列目のリセット信号NとA焦点情報信号Saとをそれぞれ、リセット信号用水平信号線7と輝度信号用水平信号線8に転送する。出力アンプmaでA焦点情報信号Saからリセット信号Nが減算され、端子OUTNとOUTSを通じて撮像素子から1行2列目のリセット信号Nが除去されたA焦点情報信号(Sa-N)が出力される。順次、次の列の信号の読み出しを行い、時刻t9までに2列目以降の水平出力線への転送も終わる。

次に輝度信号Sabの読み出しについて説明する。時刻t6で、垂直走査回路11からφTXa1、 φTXb1がハイとなる信号が出力され、転送トランジスタMa11、Ma12と転送トランジスタMb11、Mb12がオンにされる。結果、B焦点情報信号を検出するフォトダイオードDb11、Db12に蓄積されていた電子が、拡散容量ノードに転送され、拡散容量ノードに残留していたA焦点情報信号の電子とB焦点情報信号の電子が加算される。そして、拡散容量ノードの電圧が下がり、列信号線17にA焦点情報信号SaとB焦点情報信号Sbを加算した信号が輝度信号Sabとして現れる。加算された信号として輝度信号Sabを読み出すため、重畳するノイズが相対的に小さくなり、大きなS/Nが得られる。時刻t7では、φSCSab1がハイとなりスイッチSCSab11がオンにされ、列ごとにあるゲインアンプga1により増幅された輝度信号Sabが、アナログメモリCTSab11に書き込まれる。時刻t8では、φSCSab1がローとなりスイッチSCSab11がオフし、輝度信号SabのアナログメモリCTSab11への書き込みが終了する。時刻t9で、φSCN2がハイとなり、スイッチSCN21がオンとなりリセット信号NがアナログメモリCTN11からバッファVFN1を通じてアナログメモリCTN21に再び書き込まれる。時刻t9では同時に、φSCSab2もハイとなり、スイッチSCS2ab1がオンとなり輝度信号SabがアナログメモリCTSab11からバッファVFSab1を通じてアナログメモリCTSab21に書き込まれる。時刻t6〜t9の間は、各列のA焦点情報信号Saとリセット信号Nの水平出力線への転送をしながら、同時に各列のアナログメモリCTSab11への輝度信号Sabの書き込みをしている。このため、オートフォーカス情報を得ながらも、1水平走査期間を小さくすることができる。ひいては、フレームレートを速くすることができる。

時刻t10で、φSHN1とφSHS1がハイとなりスイッチSHN1とSHS1がオンとなる。この結果、アナログメモリCTN21のリセット信号Nと、アナログメモリCTSab21の輝度信号Sabがそれぞれ、リセット信号用水平信号線7と輝度信号用水平信号線8に転送される。出力アンプmaで輝度信号Sabからリセット信号Nが減算され、端子OUTNとOUTSを通じて撮像素子から1行1列目の信号経路で発生したオフセット電圧が補正された輝度信号(Sab-N)、つまり撮像信号が出力される。この時点で1行1列目の輝度信号(Sab-N)とA焦点情報信号(Sa-N)が得られる。さらに減算処理部を設けて、得られた輝度信号(Sab-N)とA焦点情報信号(Sa-N)を減算処理することによりB焦点情報信号Sbも得られる。

また、時刻t10では、φSEL1がハイとなっている間、選択トランジスタM411、M412がオンしつづけている。この間にTXa2をハイにしてMa21、Ma22をオンし、画素10の1行目と同様に2行目のA焦点情報信号を読み出し、続いて２行目の輝度信号を読み出す。また、時刻t11で、φSHN2とφSHS2がハイとなり２列目の画素の読み出し回路に設けられたスイッチSHN2とSHS2(図4に図示)がオンとなる。この結果、１行２列目の画素からの信号を記憶したアナログメモリからリセット信号Nと輝度信号Sabがそれぞれ、リセット信号用水平信号線7と輝度信号用水平信号線8に転送される。以後順次、次の列の信号を水平出力線へ読み出す。時刻t12では、2列目以降の転送も終わる。時刻t13では、垂直走査回路11からφSEL1がローとなる信号が送られ、選択トランジスタM411、M412がオフし、画素部10の2行目が非選択となり、2行目の読み出し動作が終わる。引き続きφSEL3を制御して３行目以降の読み出しを行う。以後、各行の読み出しを行う。

図6は、1水平走査期間内で撮像信号のみを読み出す、第2撮像モードでのタイミングチャートである。このモードでは、スイッチSBN1、 SBSab1のパルスφSBN、φSBSabが常時ハイとなっており、導通状態である。一方、スイッチSBSa1は、φSBSaが常時ローで、非導通状態である。この結果、輝度信号用のアナログメモリCTSab11にアナログメモリCTSa21が並列接続されるので合成容量が増大している。リセット信号用のアナログメモリCTN11にもアナログメモリCTSa11が並列接続されるので合成容量が増大している。以下、第１撮像モードと重複する部分は説明を省略する。

まず、時刻t0で、垂直走査回路11からφSEL1、φRES1がハイとなる信号が送られ、選択トランジスタM411、M412がオンし、画素部10の1行目が選択され、画素がリセットされる。時刻t1で垂直走査回路11からφRES1がローとなる信号が送られリセットトランジスタM211、M212がオフし、拡散容量ノードがフローティング状態となりリセット信号Nを読み出せる状態になる。この状態で、列電流源Ib1により駆動された増幅トランジスタM311、M312により増幅された拡散容量ノードのリセット信号Nが、列信号線17に現れる。同時刻に、φSGAがローとなり、ゲインアンプga1が増幅率Ci1/Cf1となる増幅モードとなる。

時刻t2では、φSCN1とφSCSa11がハイとなりスイッチSCN11、SCSa111がオンし、列ごとにあるゲインアンプga1により増幅されたリセット信号Nが、並列接続されたアナログメモリCTN11とCTSa11に書き込まれる。時刻t3ではφSCN1とφSCSa11がローとなっており、スイッチSCN11、SCSa111がオフする。垂直走査回路11からφTXa1、φTXb1がハイとなる信号が送られ転送トランジスタMa11、Ma12、Mb11、Mb12がオンし、フォトダイオードDa11、Da12、Db11、Db12に蓄積されていた電子が、拡散容量ノードに転送される。そして、これらの拡散容量ノードの電圧が下がり、列信号線17に輝度信号Sabが現れる。時刻t4では、φSCSa12、φSCSab1、がハイとなり、ゲインアンプga1で増幅された輝度信号Sabが、並列接続されたアナログメモリCTSa21とCTSab11に書き込まれる。時刻t8では、φSCSa12、φSCSab1がローとなりスイッチSCSa121、SCSab11がオフし、輝度信号SabのアナログメモリCTSa21、CTSab11への書き込みが終了する。

時刻t9では、φSCN2がハイとなり、スイッチSCN21がオンとなりリセット信号NがアナログメモリCTN11、CTSa11からバッファVFN1を介してアナログメモリCTN21に書き込まれる。時刻t9では同時に、φSCSab2もハイとなり、スイッチSCS2ab1がオンとなり輝度信号SabがアナログメモリCTSa21、CTSab11からバッファVFSab1を通じてアナログメモリCTSab21に書き込まれる。

時刻t10で、φSHN1とφSHS1がハイとなりスイッチSHN1とSHS1がオンとなる。この結果、アナログメモリCTN21のリセット信号Nと、アナログメモリCTSab21の輝度信号Sabがそれぞれ、リセット信号用水平信号線7と輝度信号用水平信号線8に転送される。出力アンプmaで輝度信号Sabからリセット信号Nが減算され、端子OUTNとOUTSを通じて撮像素子から1行1列目の信号経路のオフセット電圧が補正された輝度信号(Sab-N)、つまり撮像信号が出力される。

また、時刻t10以降も、φSEL1をハイとなっている間、選択トランジスタM411、 M412がオンしつづけている。この間にφTXa2、φTXb2を制御して画素部10の2行目を選択して輝度信号の読み出しを行う。

時刻t11で、φSHN2とφSHS2がハイとなり２列目の画素の読み出し回路に設けられたスイッチSHN2とSHS23(図4に図示)がオンとなる。この結果、２列目のリセット信号Nと、輝度信号がそれぞれ、リセット信号用水平信号線7と輝度信号用水平信号線8に転送される。２列目以降のリセット信号Nと輝度信号の水平信号線への出力をしながら２行目の輝度信号の読み出しを行う。

時刻t13では、垂直走査回路11からφSEL1がローとなる信号が送られ、選択トランジスタM411、M412がオフし、画素部10の2行目が非選択となり、2行目の読み出し動作が終わる。以上のタイミングチャートの動作により、1水平走査期間内で撮像信号を撮像素子から出力する。

以上の動作により、焦点情報信号の検出ができる撮像用イメージセンサを、焦点情報信号の検出をせずに撮像に使ったときの撮像用イメージセンサのダイナミックレンジを拡大しS/Nを良くすることができる。実施形態1では、バッファVFN1、 VFSa1、 VFSab1はボルテージフォロア回路であるとして説明したが、ソースフォロア回路でも、2倍などのゲインを持つアンプ回路でも良い。スイッチSCN11、SCSab11などは、n型MOSトランジスタとp型MOSトランジスタが組み合わされたアナログスイッチが望ましいが、n型MOSトランジスタのみまたは、p型MOSトランジスタのみのスイッチでも良い。実施形態1においては列ごとに列アンプが設けられているが、これに限られるものではなく、複数の画素に共通に設けられた列アンプを複数有していれば本発明を適用可能である。

［実施形態２］
本実施形態は、実施形態1と同様に撮像信号と焦点情報信号をアナログ信号のまま、撮像素子から出力するが、列読み出し回路の構成が異なる。本実施形態の画素部10は実施形態1と同じである。実施形態2の列読み出し回路の動作について図７の回路図に基づいて説明する。共用読み出し回路14はアナログメモリCTNab21、CTSa21、スイッチSCNab21、SCSa21、SHNab21、SHSa21からなる。一方、撮像信号用読み出し回路15はアナログメモリCTNa21、CTSab21、スイッチSCNa21、 SCSab21、スイッチSHNa21、 SHSab21からなる。図8は、本実施形態の撮像面でオートフォーカスをするモード、つまり1水平走査期間内に撮像信号も焦点情報信号も読み出す第１撮像モードのタイミングチャートである。まず、時刻t0で、垂直走査回路11からφSEL1とφRES1がハイとなる信号が出力され、選択トランジスタM411、M412がオンし、画素部10の1行目が選択される。またリセットトランジスタM211、M212がオンして画素がリセットされる。このとき拡散容量ノードの電圧もリセットされる。

時刻t1で垂直走査回路11からφRES1がローとなる信号が送られリセットトランジスタM211、M212がオフされ、拡散容量ノードがフローティング状態となりリセット信号Nを読み出せる状態になる。この状態で、列電流源Ib1により駆動された増幅トランジスタM311、M312により増幅された拡散容量ノードのリセット信号Nが、列信号線17に現れる。同時刻に、φSGAがローとなり、ゲインアンプga1が列信号線17から見て増幅率Ci1/Cf1となる増幅モードとなる。

時刻t2では、φSCN1がハイとなりスイッチSCN11がオンし、列ごとにあるゲインアンプga1を通じて増幅されたリセット信号Nが、アナログメモリCTN11に書き込まれる。その後φSCN1がローに変化し、スイッチSCN11がオフする。次に、時刻t3で垂直走査回路11からφTXa1がハイとなる信号が出力され転送トランジスタMa11〜Ma12がオンし、フォトダイオードDa11、Da12に蓄積されていた電子が、拡散容量ノードに転送される。そして、拡散容量ノードの電圧が下がり、その電圧が列信号線17にA焦点情報信号Saとして現れる。時刻t4では、φSCS1がハイとなり、スイッチSCS11がオンし、ゲインアンプga1を通じて増幅されたA焦点情報信号Saが、アナログメモリCTS11に書き込まれる。

時刻t5では、φSCNa2がハイとなり、スイッチSCNa21がオンとなりリセット信号NがアナログメモリCTN11からバッファVFN1を通じてアナログメモリCTNa21に書き込まれる。時刻t5では同時に、φSCSa2もハイとなり、スイッチSCSa21がオンとなりA焦点情報信号SaがアナログメモリCTS11からバッファVFS1を通じてアナログメモリCTSa21に書き込まれる。

時刻t6で、φSHNa1とφSHSa1がハイに変化し、スイッチSHNa21とSHSa21とがオンとなる。スイッチSHNa21とSHSa21を介してアナログメモリCTNa21のリセット信号Nと、アナログメモリCTSa21のA焦点情報信号Saとがそれぞれ、リセット信号用水平信号線7と輝度信号用水平信号線8に転送される。出力アンプmaでA焦点情報信号Saからリセット信号Nが減算され、端子OUTNとOUTSを通じて撮像素子から1行1列目の信号経路のオフセット電圧が補正されたＡ焦点情報信号(Sa-N)が出力される。

また、時刻t6で、垂直走査回路11からφTXa1、 φTXb1がハイとなる信号が送られ、転送トランジスタMa11、Ma12と転送トランジスタMb11、Mb12をオンする。結果、フォトダイオードDb11、Db12に蓄積されていたB焦点情報信号電子が、拡散容量ノードに転送され、拡散容量ノードに蓄積されていたA焦点情報信号電子とB焦点情報信号電子が加算される。そして、拡散容量ノードの電圧が下がり、列信号線17にA焦点情報信号SaとB焦点情報信号Sbが加算された輝度信号Sabが現れる。時刻t7では、φSCS1がハイとなりスイッチSCS11がオンし、ゲインアンプga1により増幅された輝度信号Sabが、アナログメモリCTS11に書き込まれる。時刻t8では、φSCS1がローとなりスイッチSCS11がオフし、輝度信号SabのアナログメモリCTS11への書き込みが終了する。また、時刻t7で、φSHNa2とφSHSa2がハイとなり第１行第２列目の画素からのリセット信号NとA焦点情報信号Saとはそれぞれ、リセット信号用水平信号線7と輝度信号用水平信号線8に転送される。すると、出力アンプmaでA焦点情報信号Saからリセット信号Nが減算され、端子OUTNとOUTSを通じて撮像素子から1行2列目の、リセット信号を除いたA焦点情報信号(Sa-N)が出力される。

時刻t9までに、2列目以降のリセット信号NとA焦点情報信号Saの水平出力線への転送も終わる。また、時刻t9で、φSCNab2がハイとなり、スイッチSCNab21がオンとなりリセット信号NがアナログメモリCTN11からバッファVFN1を通じてアナログメモリCTNab21に再び書き込まれる。時刻t9では同時に、φSCSab2もハイとなり、スイッチSCSab21がオンとなり時刻t7で書き込まれた輝度信号SabがアナログメモリCTS11からバッファVFS1を通じてアナログメモリCTSab21に書き込まれる。時刻t6〜t9の間は、A焦点情報信号(Sa-N)の水平出力線への転送をしながら、アナログメモリCTSab21への輝度信号Sabの書き込みをしている。このため、焦点情報を得ながらも、1水平走査期間を小さくすることができる。ひいては、フレームレートを速くすることができる。

時刻t10で、φSHNab1とφSHSab1がハイとなりスイッチSHNab21とSHSab21がオンになる。アナログメモリCTNab21に書き込まれたリセット信号Nと、アナログメモリCTSab21に書き込まれた輝度信号Sabはそれぞれ、リセット信号用水平信号線7と輝度信号用水平信号線8に転送される。すると、出力アンプmaで輝度信号Sabからリセット信号Nが減算され、端子OUTNとOUTSを通じて撮像素子から輝度信号(Sab-N)つまり撮像信号が出力される。この時点で1行1列目の輝度信号(Sab-N)とA焦点情報信号(Sa-N)が得られるため、さらに減算処理部を設けて、両者を減算処理することでB焦点情報信号Sbも得られる。

また、時刻t10では、φSEL1がハイとなる信号が送られつづけ、選択トランジスタM411、 M412がオンしつづけており、画素部10の2行目も選択して読み出す。

また、時刻t11で、φSHNab2とφSHSab2がハイとなり第１行第２列目の読み出しスイッチがオンとなる。アナログメモリのリセット信号Nと、アナログメモリの輝度信号Sabはそれぞれ、リセット信号用水平信号線7と輝度信号用水平信号線8に転送される。

時刻t12までに、2列目以降のリセット信号Nと輝度信号Sabの水平出力線への転送も終わる。時刻t13では、垂直走査回路11からのφSEL1がローとなり、選択トランジスタM411、M412がオフし、画素部10の2行目が非選択となり、2行目の読み出し動作が終わる。

次に、1水平走査期間内で撮像信号のみを読み出す第２撮像モードについて図９により説明する。まず、時刻t0で、垂直走査回路11からφSEL1とφRES1がハイとなる信号が送られ、選択トランジスタM411、M412がオンし、画素部10の1行目が選択される。またリセットトランジスタM211、M212がオンして画素部がφRES1によりリセットされる。

時刻t1で垂直走査回路11からφRES1がローとなる信号が送られリセットトランジスタM211、M212がオフし、拡散容量ノードがフローティング状態となりリセット信号Nを読み出せる状態になる。この状態で、列電流源Ib1により駆動された増幅トランジスタM311、M312により増幅された拡散容量ノードのリセット信号Nが、列信号線17に現れる。同時刻に、φSGAがローとなり、ゲインアンプga1が列信号線17から見て増幅率Ci1/Cf1となる増幅モードとなる。。

時刻t2では、φSCN1がハイとなりスイッチSCN11がオンし、列ごとにあるゲインアンプga1を通じて増幅されたリセット信号Nが、アナログメモリCTN11に書き込まれる。その後φSCN1がローに変化し、スイッチSCN11がオフする。次に、時刻t3で垂直走査回路11からφTXa1、φTXb1がハイとなる信号が送られ転送トランジスタMa11、Ma12、Mb11、Mb12がオンする。フォトダイオードDa11、Da12、Db11、Db12に蓄積されていた電子は、拡散容量ノードに転送される。そして、これらの拡散容量ノードの電圧が下がり、列信号線17に輝度信号Sabが現れる。時刻t4では、φSCS11がハイとなり、ゲインアンプga1を通じて輝度信号Sabが、アナログメモリCTS11に書き込まれる。時刻t8では、φSCS1がローに変化し、スイッチSCS11がオフし、輝度信号SabのアナログメモリCTS11への書き込みが終了する。

時刻t9では、φSCNa2、 φSCNab2がハイとなり、スイッチSCNa21とスイッチSCNab21がオンとなりアナログメモリCTNa21、CTNab21が並列接続された状態になる。アナログメモリCTNa21とCTNab21の合成容量に対してリセット信号NがアナログメモリCTN11からバッファVFN1を通じて書き込まれる。時刻t9では同時に、φSCSa2、φSCSab2もハイとなり、スイッチSCSa21、SCSab21がオンとなる。この結果、輝度信号SabがアナログメモリCTS11からバッファVFS1を通じて並列接続された状態のアナログメモリCTSa21とCTSab21に書き込まれる。

時刻t10で、φSHNa1、φSHNab1がハイとなりスイッチSHNa21とSHNab21がオンとなりアナログメモリCTNa21とCTNab21に書き込まれたリセット信号Nがリセット信号用水平信号線7に転送される。同時に、φSHSa1、φSHSab1がハイとなりスイッチSHSa21とSHSab21がオンとなり、アナログメモリCTSa21とCTSab21に書き込まれた輝度信号Sabが輝度信号用水平信号線8に転送される。すると、出力アンプmaで輝度信号Sabからリセット信号Nが減算され、端子OUTNとOUTSを通じて撮像素子から1行1列目の信号経路のオフセット電圧が補正された輝度信号(Sab-N)つまり撮像信号が出力される。

また、時刻t10では、φSEL1がハイとなる信号が送られつづけ、選択トランジスタM411、 M412がオンしつづけており、画素部10の2行目も選択される。

また、時刻t11で、φSHNa2、φSHNab2がハイとなり画素の第１行第２列目の読み出しスイッチがオンとなりリセット信号Nがリセット信号用水平信号線7に転送される。同時に、φSHSa2、φSHSab2がハイとなり画素の第１行第２列目の読み出しスイッチがオンとなり、輝度信号Sabが輝度信号用水平信号線8に転送される。

時刻t13では、垂直走査回路11からφSEL1がローとなる信号が送られ、選択トランジスタM411〜M412がオフし、画素部10の2行目が非選択となり、2行目の読み出し動作が終わる。以上のタイミングチャートの動作により、1水平走査期間内で撮像信号を出力する。以上の動作により、焦点信号の検出ができる撮像素子を使って焦点信号の検出を行わないで撮像信号を出力する時の撮像装置のダイナミックレンジを向上することができる。本実施形態の回路は実施形態２のものよりもバッファアンプの数を減らすことができる。

［実施形態３］
本実施形態は、撮像信号と焦点情報信号を列信号線毎に設けたAD変換回路で信号をデジタル変換して出力する例である。本実施形態の画素部10は実施形態1と同じであり、列読み出し回路13が異なる。本実施形態の列読み出し回路について図10により説明する。AD変換回路はカウンタ型であり、第１のカウンタと第２のカウンタを備える。図中、NV1、 NV2は、それぞれ1列目、2列目の列信号線である。NP1、 NP2は、それぞれ1列目、2列目の入力容量Ci1、2に接続された入力ノードである。共用読み出し回路14は第１のカウンタであるSa信号用列カウンタとSa信号用水平転送レジスタからなる。一方、撮像信号用読み出し回路15は第２のカウンタであるSab信号用列カウンタとSab信号用水平転送レジスタからなる。

図11は、本実施形態の第１撮像モード、つまり1水平走査期間内に撮像信号と焦点情報信号とを読み出すモードのタイミングチャートである。ここで、V(NV1)などはノードNV1の電圧を表す。まず、時刻t0で、垂直走査回路11からφSEL1及びφRES1がハイとなる信号が出力され、選択トランジスタM411、M412がオンし、画素部10の1行目が選択される。リセットトランジスタM211、M212もオンし、画素がリセットされる。時刻t1で垂直走査回路11からφRES1がローとなる信号が送られリセットトランジスタM211、M212がオフし、拡散容量ノードがフローティング状態となりリセット信号Nを読み出せる状態になる。この状態で、列電流源Ib1により駆動された増幅トランジスタM311、M312により増幅された拡散容量ノードのリセット信号Nが、列信号線NV1、2に電圧V(NV1)、 V(NV2)として現れる。時刻t2では、φSCがハイになり、スイッチSC1、2がオンし、リセット信号Nに相当する列信号線の電圧V(NV1)、 V(NV2)が、ノードNP1、 NP2に電圧V(NP1)、V(NP2)として書き込まれる。同時に、φSGAがハイとなりゲインアンプga1、ga2がボルテージフォロワ状態となり、参照電圧VrefがノードNGA1、NGA2に書きこまれる。

時刻t3では、スイッチSC1、2がオフすると同時に、垂直走査回路11からφTXa1がハイとなる信号が送られ転送トランジスタMa11〜Ma12がオンし、フォトダイオードDa11〜Da12に蓄積されていた電子が、拡散容量ノードに転送される。そして、これらの拡散容量ノードの電圧が下がり、列信号線NV1、 NV2にA焦点情報信号Saが現れる。時刻t4では、転送トランジスタMa11〜Ma12がオフし、転送が終了する。

時刻t5で、スイッチSGA1、2がオフし、ゲインアンプga1、ga2が増幅モードになる。時刻t6で、スイッチSC1、2がオンし、列信号線NV1、NV2のA焦点情報信号Saが、ノードNP1、 NP2に電圧V(NP1)、 V(NP2)として書き込まれる。このとき、ゲインアンプga1、ga2は、それぞれ、Ci1/Cf1、Ci2/Cf2倍に増幅したA焦点情報信号SaをノードNGA1、NGA2に出力する。時刻t7で、ノードNGA1、NGA2のA焦点情報信号Sa相当の電圧が安定すると、ゲインアンプga1、ga2は増幅を終了する。ＡＤ変換回路はカウンタ型である。時刻t7でAD変換が開始されると、AD変換のための比較電圧Vrampの電圧が上昇を開始する。同時にSa信号用列カウンタがカウント動作を始める。コンパレータ1、2は、ノードNGA1、NGA2の電圧とVramp電圧を比較し、Vramp電圧がノードNGA1、NGA2の電圧を上回った時間にSa信号用列カウンタを止める信号を出す。この時のSa信号用列カウンタのカウント値がA焦点情報信号Saのデジタル信号値となる。時刻t7では、垂直走査回路11からφTXa1、 φTXb1がハイとなる信号が送られ、転送トランジスタMa11、Ma12と転送トランジスタMb11、Mb12をオンする。結果、フォトダイオードDb11、Db12に蓄積されていたB焦点情報信号電子が、拡散容量ノードに転送され、拡散容量ノードに蓄積されていたA焦点情報信号電子とB焦点情報信号電子とが加算される。そして、拡散容量ノードの電圧が下がり、列信号線NV1、NV2にA焦点情報信号SaとB焦点情報信号Sbが加算された輝度信号Sabが現れる。

時刻t8で、各列のA焦点情報信号SaのAD変換動作が終了する。また、スイッチSC1、2がオンし、列信号線NV1、NV2の輝度信号Sabが、ノードNP1、 NP2に電圧V(NP1)、V(NP2)として入力され、その増幅信号がノードNGA1、NGA2に出力される。時刻t9で、ノードNGA1、NGA2の輝度信号Sab相当の電圧が安定し、ゲインアンプga1、ga2による増幅が終了する。次にAD変換が開始する。AD変換のための比較電圧Vrampの電圧が上昇する。同時にSab信号用列カウンタのカウント動作を始める。コンパレータ1、2は、ノードNGA1、NGA2の電圧とVramp電圧を比較し、Vramp電圧がノードNGA1、NGA2の電圧を上回った時間にSab信号用列カウンタを止める信号を出す。この時のSab信号用列カウンタのカウント値が輝度信号Sabのデジタル信号値となる。

時刻t11で、第１行目の各列の輝度信号SabのAD変換動作が終了する。時刻t11で、スイッチφSCPがオンとなり、Sa信号用列カウンタに格納されていたA焦点情報信号Saのデジタル値と、Sab信号用列カウンタに格納されていた輝度信号Sabのデジタル値とが、水平転送用レジスタに転送される。

時刻t12で、水平転送用レジスタからデジタル信号プロセッサ（DSP）への１行目のA焦点情報信号Saと輝度信号Sabの転送が開始される。DSPでは、デジタル信号の補正や外部に出力するためのデータの並べ替えなどが行われる。DSPで処理されたデジタル信号は、LVDSなどの出力回路16を使って出力される。時刻t10は、画素部10の2行目の選択を開始する時間であり、φSEL1はハイのままで、選択トランジスタM411、 M412がオンしつづけている。２行目の画素の信号はφTXa2、φTXb2により１行目同様に読み出されて、１行目の信号をDSPへ転送している間にAD変換されるので読み出しの高速化が図れる。本実施形態の第１撮像モードでは、AD変換のビット幅を例えば、A焦点情報信号Saは6bit、輝度信号Sabは異なるビット幅、例えば8bitとすることができる。焦点情報信号には焦点動作を行うのに必要なビット幅を与え、輝度信号は画質等を考慮して広いビット幅にすることができる。

時刻t13で、画素部10の3行目の選択開始となる。時刻t14は、1行目のA焦点情報信号Saと輝度信号SabのDSPへの水平転送が終わる時間である。実施形態3では、スイッチSCを使って、画素部10の信号読み出しと、AD変換を同時に動作させている。このため、焦点情報信号も得ながらフレームレートを高めることができる。

本実施形態では、時刻t2でリセット信号NをCi1、Ci2に蓄積する。このため、時刻t7でA焦点情報信号SaがノードNP1、NP2に入力されると、ゲインアンプの入力信号はA焦点情報信号Saからリセット信号Nが引かれたものになる。しかし、この場合、ゲインアンプga1、ga2やコンパレータ1、2の持つオフセットが各列の出力に残る可能性もあるので、デジタル変換後、列の出力に対してオフセット補正をしてオフセットの影響をなくしてもよい。

図12は、1水平走査期間内で撮像信号のみを読み出す、つまり第２撮像モードでのタイミングチャートである。図中、前述の符号は同じノードの電圧または電圧パルスを表す。時刻t2では、φSCがハイに変化しているのでスイッチSC1、2がオンし、列信号線の電圧V(NV1)、 V(NV2)が、ノードNP1、 NP2に電圧V(NP1)、 V(NP2)として出力されるまでは第１撮像モードと同じなので説明を省略する。

時刻t3では、スイッチSC1、2がオフすると同時に、垂直走査回路11からφTXa1、φTXb1がハイとなる信号が出力さる。すると、転送トランジスタMa11、Ma12、Mb11、Mb12がオンし、フォトダイオードDa11、Da12と Db11、Db12に蓄積されていた電子が、拡散容量ノードに転送される。そして、列信号線NV1、 NV2それぞれにA焦点情報信号SaとB焦点情報信号Sbが加算された輝度信号Sabが現れる。時刻t4では、転送トランジスタMa11、Ma12、Mb11、Mb12がオフし、フォトダイオードDa11〜Da12、Db11〜Db12に蓄積されていた電子の拡散容量ノードへの転送が終了する。

時刻t6で、スイッチSC1、2がオンし、列信号線NV1、NV2の輝度信号Sabが、ノードNP1、 NP2に電圧V(NP1)、 V(NP2)として入力される。このとき、ゲインアンプga1、ga2は、増幅モードとなっており、それぞれ、Ci1/Cf1、Ci2/Cf2倍に増幅した輝度信号SabがノードNGA1、NGA2から出力される。時刻t7で、ノードNGA1、NGA2の出力電圧が安定するのでゲインアンプga1、ga2による増幅が終了し、AD変換のための比較電圧Vrampの電圧を上昇させ始める。同時にSa信号用列カウンタとSab信号用列カウンタを直列に接続し、両カウンタを連動させてビット幅を増やして動作をさせる。コンパレータ1、2は、ノードNGA1、NGA2の電圧と比較電圧Vrampを比較し、比較電圧VrampがノードNGA1、NGA2の電圧を上回った時に連動したカウンタを止める信号を出す。この信号が出力された時のカウンタのカウント値が輝度信号Sabのデジタル信号値となる。第２撮像モードでは、静止画などのダイナミックレンジを高めるため、6bitのSa信号用列カウンタと8bitのSab信号用列カウンタを連動させて14bitの連動カウンタとしてAD変換を行う。つまり、焦点情報信号用読み出し回路14の一部であるSa信号用列カウンタを、撮像信号のAD変換に使いカウンタのビット幅を増やしてダイナミックレンジを高めている。

時刻t9では、リセットトランジスタM211、M212がオンし、画素部10の拡散容量ノードに再びリセット信号Nが書き込まれる。時刻t11で、１行目の各列の輝度信号SabのAD変換が終わり、スイッチSCPのオンにより、Sa信号用列カウンタとSab信号用列カウンタの連動列カウンタから水平転送用レジスタに、デジタルの輝度信号Sabが転送される。水平転送レジスタも、Sa信号用レジスタと、Sab信号用レジスタを連動させてビット幅を増やした水平転送レジスタとして使うことにより撮像信号のダイナミックレンジを高める。

時刻t12から時刻t14の間で、連動する水平転送レジスタからDSPに14bitの輝度信号Sabが送られる。時刻12で、画素部10の2行目の読み出しが始まる。時刻t14までの期間に２行目のＡＤ変換も行われて読み出しの高速化を図っている。そして、出力回路16からデジタルの撮像信号が出力される。以上の動作により、撮像素子のダイナミックレンジを広くしてS/Nを良くすることができる。

［実施形態４］
本実施形態は、撮像信号と焦点情報信号を列信号線毎にあるAD変換回路でデジタル変換して出力する例であるが、カウンタとレジスタの使い方が実施形態3と異なる。図13は、本実施形態の列読み出し回路13付近の回路図である。共用読み出し回路14は列カウンタAとSa信号用水平転送レジスタからなる。一方、撮像信号用読み出し回路15は列カウンタBとSab信号用水平転送レジスタからなる。

本実施形態の第１の撮像モード、つまり1水平走査期間内に撮像信号も焦点情報信号も読み出すモードのタイミングチャートは、実施形態３のタイミングチャート図11と同じである。本実施形態の動作について図11により説明する。

本実施形態では、時刻t7からt8で画素部10の1行目のA焦点情報信号SaのAD変換時の列カウンタとして図13の列カウンタAをアップカウントして使う。時刻t8でA焦点情報信号SaのAD変換が終了後、列カウンタAに蓄積したデジタルのA焦点情報信号Saを列カウンタBにコピーする。このとき、列カウンタBをA焦点情報信号を記憶するレジスタとして使う。

時刻t9からt11に画素部10の1行目の輝度信号SabのAD変換が行われる。このときは、列カウンタAに蓄積されたA焦点情報信号Saから先ほどのアップカウントと逆方向にダウンカウントして輝度信号SabのAD変換をおこなう。このカウントにより、列カウンタAで、輝度信号Sab − A焦点情報信号Saの引き算が行われ、B焦点情報信号Sbが、列カウンタAに蓄積される。本実施形態では、列カウンタAも列カウンタBも例えば7bitとする。

時刻t11で、輝度信号SabのAD変換が終了後、A焦点情報信号Saが入った列カウンタBからSa信号用水平転送レジスタへ、B焦点情報信号Sbが入った列カウンタAからSb信号用水平レジスタへデジタル信号が転送される。

本実施形態の1水平走査期間内で撮像信号を読み出す、つまり第２撮像モードでのタイミングチャートは実施形態3の図12と同じである。時刻t7からt11の輝度信号SabのAD変換時に、7bitの列カウンタAと7bitの列カウンタBを連動させて14bitの列カウンタとして使用する。つまり、第２撮像モードでは撮像信号を読み出す場合に、共用読み出し回路14の一部である列カウンタBを、撮像信号のダイナミックレンジを高めるために列カウンタAとつなげて使用する。

また、時刻t12からt14の水平転送時には、7bitのSa用水平転送レジスタと7bitのSb用水平転送レジスタを連動し、14bitの外部信号Sab用の水平転送レジスタとして使う。つまり、共用読み出し回路14の一部であるSa用水平転送レジスタを、撮像信号のみ読み出す場合は、撮像信号のダイナミックレンジを高めるために使用する。

第１撮像モードでは、信号間の引き算をすることによって、扱う信号振幅を約半分にすることができる。同じbit幅のカウンタを使った場合はAD変換時の最小単位を小さくすることができ、量子化ノイズが抑えられ、S/Nを高めることができる。また、輝度信号Sabを加算したままAD変換して出力する場合よりもbit幅を抑えることができるのでデータ転送に有利である。また、第２撮像モードではカウンタを連動させて撮像信号のダイナミックレンジを高いまま扱うことができる。

Claims (9)

1. 第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、電荷電圧変換部と、光電変換素子によって発生した電荷を前記電荷電圧変換部に転送する転送部と、前記電荷電圧変換部の電圧をリセットするリセット部とを含む複数の画素が行方向及び列方向に配された画素部と、前記画素部の信号を処理する処理部と、前記処理部の信号を出力する水平出力線とを有し、
   前記処理部は、
   第１撮像モードでは、前記第１の光電変換素子の信号と、前記第１の光電変換素子の信号と前記第２の光電変換素子の信号とを加算した撮像信号を水平出力線へ出力し、
   第２撮像モードでは、前記加算した撮像信号を水平出力線へ出力すること
   を特徴とする撮像装置。
2. 前記電荷電圧変換部の信号を前記処理部に提供する列信号線が配され、
   前記処理部は、前記列信号線を介して提供された前記第１の光電変換素子の信号と前記第２の光電変換素子の信号とを加算した信号とを保持する第３の容量及び第４の容量を有し、
   前記第１撮像モードでは、前記加算した信号を前記第３および前記第４の容量のうち、前記第４の容量に保持し、
   前記第２撮像モードでは、前記加算した信号を、前記第３の容量と前記第４の容量とを並列接続させて合成容量に保持することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記処理部はさらに第１の容量及び第２の容量を有し、
   前記第１撮像モードでは、前記列信号線を介して提供された、リセットされた前記電荷電圧変換部の電圧を前記第１および前記第２の容量のうち、前記第１の容量に保持し、
   前記第２撮像モードでは、前記列信号線を介して提供された、リセットされた前記電荷電圧変換部の電圧を前記第１の容量と第２の容量とを並列接続させて合成容量に保持することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記第１の容量と前記第４の容量は、電極が同一形状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記処理部はさらに第１の容量及び第２の容量を有し、
   前記第１撮像モードでは、前記列信号線を介して提供された、リセットされた前記電荷電圧変換部の電圧を前記第１の容量又は前記第２の容量に保持し、
   前記第２撮像モードでは、前記列信号線を介して提供された、リセットされた前記電荷電圧変換部の電圧を前記第１の容量と第２の容量とを並列接続させて合成容量に保持することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
6. 前記電荷電圧変換部の信号を前記処理部に提供する列信号線が配され、
   前記処理部は第１のカウンタと第２のカウンタとを含むカウンタ型のＡＤ変換回路を有し、
   前記第１撮像モードでは、前記第１のカウンタにより前記列信号線を介して提供された第１の光電変換素子の信号をＡＤ変換し、前記第２のカウンタにより前記列信号線を介した提供された前記第１の光電変換素子の信号と前記第２の光電変換素子の信号とを加算した信号をＡＤ変換し、
   前記第２撮像モードでは、前記第１のカウンタと前記第２のカウンタとを直列に接続して構成したカウンタにより前記加算した信号をＡＤ変換することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
7. 前記処理部が出力する前記第１の光電変換素子の信号と前記撮像信号とを減算処理して前記第２の光電変換素子に基づいた信号を出力する減算処理部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記電荷電圧変換部の信号を前記処理部に提供する列信号線が配され、
   前記処理部は第１のカウンタと第２のカウンタとを含むカウンタ型のＡＤ変換回路を有し、
   前記第１撮像モードでは、前記第１のカウンタにより前記列信号線を介して提供された第１の光電変換素子の信号をカウントし、カウント値を第２のカウンタに記憶した後、前記列信号線を介して提供された前記第１の光電変換素子の信号と前記第２の光電変換素子の信号とを加算した信号を前記第１のカウンタにより前記カウント値から前記カウントと逆方向にカウントすることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
9. 前記第１の光電変換素子の信号と前記第２の光電変換素子の信号の加算は前記電荷電圧変換部で行われることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。

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