JP2016021606A - 固体撮像装置および固体撮像装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧信号の読み出し時間の短縮を図ることができる固体撮像装置および固体撮像装置の制御方法を提供すること。【解決手段】一つの実施形態によれば、固体撮像装置の制御方法が提供される。複数のフォトダイオードによって共用されるフローティングディフュージョンの電位をリセットする。電位がリセットされたフローティングディフュージョンへ、フォトダイオードによって光電変換された信号電荷をフォトダイオードに割り当てられた順番に順次転送して蓄積する。フォトダイオードからフローティングディフュージョンへ信号電荷の転送が完了する毎に、フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧信号をサンプリングする。連続してサンプリングされる２つの電圧信号の差分に基づいて、フローティングディフュージョンへ転送された信号電荷に応じた電圧信号をフォトダイオード毎に算出する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置および固体撮像装置の制御方法に関する。

従来、複数のフォトダイオード（以下、「ＰＤ」と記載する）によって１つのフローティングディフュージョン（以下、「ＦＤ」と記載する）を共用する固体撮像装置がある。かかる固体撮像装置によれば、ＰＤ毎にＦＤが設けられる固体撮像装置に比べ、ＦＤの占有面積を縮小することができるので、その分、各ＰＤの受光面積を拡張することができる。

また、かかる固体撮像装置では、ＦＤの電位をリセットしてから１つのＰＤに蓄積された信号電荷をＦＤへ転送し、ＦＤへ転送された信号電荷に応じた電圧信号を読み出すという一連の信号処理を全てのＰＤについて順次繰り返すことが一般的である。

しかしながら、各ＰＤからＦＤへ信号電荷を転送する場合に、毎回ＦＤの電位をリセットすると処理が嵩み、すべてのＰＤについて電圧信号の読み出しを終えるまでに長い時間を要する。

特開２００８−５４１３５号公報

一つの実施形態は、電圧信号の読み出し時間の短縮を図ることができる固体撮像装置および固体撮像装置の制御方法を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、固体撮像装置の制御方法が提供される。複数のフォトダイオードによって共用されるフローティングディフュージョンの電位をリセットする。電位がリセットされたフローティングディフュージョンへ、フォトダイオードによって光電変換された信号電荷をフォトダイオードに割り当てられた順番に順次転送して蓄積する。フォトダイオードからフローティングディフュージョンへ信号電荷の転送が完了する毎に、フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧信号をサンプリングする。連続してサンプリングされる２つの電圧信号の差分に基づいて、フローティングディフュージョンへ転送された信号電荷に応じた電圧信号をフォトダイオード毎に算出する。

図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す固体撮像装置が備える画素の上面視による説明図である。 図３は、第１の実施形態に係る画素の画素信号を読み出す読み出し方法の概要を示す模式図である。 図４は、第１の実施形態に係る固体撮像装置が備える画素の回路構成の一例を示す説明図である。 図５は、図４に示す画素における動作時の各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。 図６は、第１の実施形態に係る固体撮像装置が実行する処理手順を示すフローチャートである。 図７は、第２の実施形態に係る固体撮像装置が備える画素アレイにおけるフォトダイオードに蓄積された信号電荷の読み出し順を示す説明図である。 図８は、第３の実施形態に係る固体撮像装置が備える他の画素の構成例を示す説明図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態に係る固体撮像装置および固体撮像装置の制御方法について詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、固体撮像装置１０は、画素アレイ１と垂直走査回路２と負荷回路３とカラムＡＤＣ(Analog Digital Converter)回路４と水平走査回路５と基準電圧発生回路６とタイミング制御回路７と後段処理部８とを備える。

画素アレイ１には、入射光を光電変換して蓄積する画素ＰＣが水平方向（行方向）ＲＤおよび垂直方向（列方向）ＣＤへ２次元アレイ（行列）状に配置される。画素ＰＣは、画素アレイ１における撮像画像の１画素に相当する。なお、画素ＰＣの構造については、図２を参照して後述する。

また、画素アレイ１には、水平方向ＲＤに画素ＰＣの読み出し制御を行う水平制御線Ｈｌｉｎが設けられ、垂直方向ＣＤに画素ＰＣから読み出された電圧信号を伝送する垂直信号線Ｖｌｉｎが設けられる。

垂直走査回路２は、読み出し対象となる画素ＰＣを行単位で順次選択する。負荷回路３は、画素ＰＣから垂直信号線Ｖｌｉｎに列毎に電圧信号を読み出す。カラムＡＤＣ回路４は、各画素ＰＣの電圧信号をＣＤＳ(Correlated Double Sampling)にて列毎にサンプリングする。

水平走査回路５は、読み出し対象となる画素ＰＣを列単位で順次選択する。基準電圧発生回路６は、カラムＡＤＣ回路４に基準電圧ＶＲＥＦを出力する。この基準電圧ＶＲＥＦは、垂直信号線Ｖｌｉｎを介してカラムＡＤＣ回路４へ入力される電圧信号と比較するために用いられる。

タイミング制御回路７は、垂直走査回路２に対して各画素ＰＣの電圧信号の読み出しのタイミングを制御する。後段処理部８は、サンプリングされた電圧信号に基づいて画素信号を算出する。

かかる固体撮像装置１０では、垂直走査回路２によって垂直方向ＣＤに画素ＰＣが行毎に選択されるとともに、水平走査回路５によって水平方向ＲＤに画素ＰＣが列毎に選択される。そして、負荷回路３において、選択された画素ＰＣとの間でソースフォロア動作が行われることにより、画素ＰＣから読み出された電圧信号が垂直信号線Ｖｌｉｎを介してカラムＡＤＣ回路４に送られる。

次に、図２を参照して画素ＰＣの構造について説明する。本実施形態に係る画素ＰＣは、２つのフォトダイオードを備える。かかる画素ＰＣを備える固体撮像装置１０は、２つの電圧信号を個別にサンプリングすることで位相差出力を求めて像の焦点位置を検出する機能と、これら２つの画素信号を足し合わせることで撮像画像の各画素を出力する機能とを有する。

図２は、図１の固体撮像装置１０が備える画素ＰＣの上面視による説明図である。図２に示すように、画素ＰＣは、電気的に素子分離された２つのフォトダイオード（光電変換素子）ＰＤ１，ＰＤ２を備える。また、画素ＰＣは、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の間に１つのフローティングディフュージョンＦＤを備える。

各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２とフローティングディフュージョンＦＤとの間の半導体層上には、それぞれ、転送トランジスタＴＲＳ１，ＴＲＳ２の転送ゲートＴＧ１，ＴＧ２が配置される。

また、かかる半導体層上には、フローティングディフュージョンＦＤを挟んでフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２と反対側の領域にリセットトランジスタＲＳＴのゲートＲＧと増幅トランジスタＡＭＰのゲートＧとが配置される。

このように、画素ＰＣは、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２によって、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰを共用する構成を備える。

また、かかる画素ＰＣには、入射する光を各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２へ集光するマイクロレンズＭＬが設けられる。マイクロレンズＭＬは、フォトダイオードＰＤ１の受光面とフォトダイオードＰＤ２の受光面とを覆うように設けられる。

このような複数のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２によって１つのフローティングディフュージョンＦＤを共用する画素ＰＣでは、各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が光電変換した信号電荷に応じた電圧信号を、次のようにサンプリングする方法が一般的である。

まず、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットしたあと、フォトダイオードＰＤ１に蓄積された信号電荷Ｑ１をフローティングディフュージョンＦＤへ転送する。そして、固体撮像装置１０は、信号電荷Ｑ１が蓄積されたフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた電圧信号である画素信号Ｓ１をサンプリングする。

続いて、フォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷Ｑ２をフローティングディフュージョンＦＤへ転送する前に、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットする。その後、信号電荷Ｑ２を転送した後、信号電荷Ｑ２が蓄積されたフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた電圧信号である画素信号Ｓ２をサンプリングする。

しかしながら、フォトダイオードＰＤ１,ＰＤ２に蓄積された信号電荷Ｑ１，Ｑ２を転送する前に、毎回、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットすると、すべての画素ＰＣの画素信号Ｓ１，Ｓ２をサンプリングするのに要する時間が嵩む。

また、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットした場合、フローティングディフュージョンＦＤにリセットトランジスタＲＳＴのスイッチングノイズに起因したリセットノイズｎが入り込むことがある。

このため、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットした場合には、その都度リセットノイズｎに応じた電圧信号であるリセットノイズ信号Ｎをサンプリングしておき、後にサンプリングする画素信号Ｓ１，Ｓ２から差し引く必要が生じる。

したがって、かかるリセットノイズ信号Ｎのサンプリングおよび画素信号Ｓ１，Ｓ２からリセットノイズ信号Ｎを差し引く信号処理によっても、すべての画素ＰＣの画素信号Ｓ１，Ｓ２をサンプリングするのに要する時間が嵩む。その結果、画素信号Ｓ１，Ｓ２の読み出しに長い時間を要することになる。

そこで、本実施形態に係る固体撮像装置１０では、画素ＰＣにおける画素信号Ｓ１，Ｓ２の読み出し方法を工夫することで、画素ＰＣにおける画素信号Ｓ１，Ｓ２の読み出し時間を短縮させた。次に図３を参照して、本実施形態に係る画素ＰＣの画素信号Ｓ１，Ｓ２を読み出す読み出し方法の概要を説明する。

図３は、第１の実施形態に係る画素ＰＣの画素信号Ｓ１，Ｓ２を読み出す読み出し方法の概要を示す模式図である。図３（ａ）に示すように、固体撮像装置１０は、画素ＰＣに設けられたフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に光電変換された信号電荷Ｑ１，Ｑ２が蓄積された状態にある。

固体撮像装置１０は、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に信号電荷Ｑ１，Ｑ２が蓄積された状態でフローティングディフュージョンＦＤの電位を電源電圧の電位にリセットする。この際、フローティングディフュージョンＦＤには、リセットトランジスタＲＳＴのスイッチングによるノイズであるリセットノイズｎが入り込んで蓄積されて保持される。

ここで、固体撮像装置１０は、信号電荷Ｑ１をフローティングディフュージョンＦＤへ転送する前に、リセットノイズｎが蓄積されたフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた電圧信号であるリセットノイズ信号Ｎをサンプリングする。なお、フローティングディフュージョンＦＤの電位のリセットおよびリセットノイズ信号Ｎのサンプリングは、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に信号電荷Ｑ１，Ｑ２を蓄積する前に行ってもよい。

次に、図３（ｂ）に示すように、固体撮像装置１０は、フォトダイオードＰＤ１の信号電荷Ｑ１をリセットノイズｎが蓄積されたフローティングディフュージョンＦＤへ転送する。そして、固体撮像装置１０は、リセットノイズｎと信号電荷Ｑ１とが蓄積されたフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた電圧信号Ｎ＋Ｓ１をサンプリングする。かかる電圧信号Ｎ＋Ｓ１は、リセットノイズｎに対応するリセットノイズ信号Ｎと信号電荷Ｑ１に対応する画素信号Ｓ１との２つの信号成分を含む。

そして、固体撮像装置１０は、電圧信号Ｎ＋Ｓ１をサンプリングしたあと、電圧信号Ｎ＋Ｓ１とリセットノイズ信号Ｎとの差分を取ることによってリセットノイズｎ成分を含まない画素信号Ｓ１を算出する。

次に、図３（ｃ）に示すように、固体撮像装置１０は、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットすることなく、フォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷Ｑ２をフローティングディフュージョンＦＤへ転送する。これにより、フローティングディフュージョンＦＤには、リセットノイズｎと信号電荷Ｑ１と信号電荷Ｑ２とが蓄積されて保持される。

そして、固体撮像装置１０は、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積されたリセットノイズｎと信号電荷Ｑ１と信号電荷Ｑ２との総和に応じた電圧信号Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２をサンプリングする。かかる電圧信号Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２は、リセットノイズｎに対応するリセットノイズ信号Ｎと信号電荷Ｑ１に対応する画素信号Ｓ１と信号電荷Ｑ２に対応する画素信号Ｓ２との３つの信号成分を含む。

これにより、固体撮像装置１０は、電圧信号Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２をサンプリングしたあと、電圧信号Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２とリセットノイズ信号Ｎとの差分を取ることによってリセットノイズｎ成分を含まない画素信号Ｓ１＋Ｓ２を算出することができる。さらに、固体撮像装置１０は、画素信号Ｓ１＋Ｓ２を算出したあと、画素信号Ｓ１＋Ｓ２と画素信号Ｓ１との差分を取ることによって画素信号Ｓ２を算出することができる。

かかる固体撮像装置１０は、電圧信号Ｎ＋Ｓ１をサンプリングしたあと、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットすることなく、信号電荷Ｑ２をフローティングディフュージョンＦＤへ転送している。

このように、固体撮像装置１０は、電圧信号Ｎ＋Ｓ１をサンプリングしたあと、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットすることなく、信号電荷Ｑ２をフローティングディフュージョンＦＤへ転送する。このため、固体撮像装置１０は、信号電荷Ｑ２を転送する前に、リセットノイズ信号Ｎのサンプリングを行う必要がない。

したがって、固体撮像装置１０によれば、フローティングディフュージョンＦＤの電位のリセット回数およびリセットノイズ信号Ｎのサンプリング回数を抑えることができるため、画素アレイ１における画素ＰＣの画素信号Ｓ１，Ｓ２の読み出し時間を短縮することができる。

また、固体撮像装置１０では、画素信号Ｓ２を算出する前に、撮像画像の各画素に対応する画素信号Ｓ１＋Ｓ２を算出することができるため、撮像画像の出力を早めることができる。

なお、かかる固体撮像装置１０では、リセット動作によってフローティングディフュージョンＦＤに入るリセットノイズｎが画素信号Ｓ１，Ｓ２に影響を与えないほど小さい場合、リセットノイズ信号Ｎのサンプリングを省略することができる。

かかる場合においても、画素ＰＣにおけるサンプリングの処理をさらに抑えることができるため、画素アレイ１における画素ＰＣの画素信号Ｓ１，Ｓ２の読み出し時間を短縮することができる。

次に、図４および図５を参照して、本実施形態に係る画素ＰＣから画素信号Ｓ１，Ｓ２を読み出す具体的な読み出し方法の一例について説明する。図４は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０が備える画素ＰＣの回路構成の一例を示す説明図である。図５は、図４に示す画素ＰＣにおける動作時の各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。

図４に示すように、画素ＰＣは、２つとのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２、２つの転送トランジスタＴＲＳ１，ＴＲＳ２を備える。さらに、画素ＰＣは、フローティングディフュージョンＦＤ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＳＴ、アドレストランジスタＡＤＲを備える。なお、アドレストランジスタＡＤＲを除く、これらの物理的な配置の一例については、図２に示すとおりである。

各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、カソードがグランドに接続され、アノードが転送トランジスタＴＲＳ１，ＴＲＳ２のソースに接続される。２つの転送トランジスタＴＲＳ１，ＴＲＳ２の各ドレインは、１つのフローティングディフュージョンＦＤに接続される。

各転送トランジスタＴＲＳ１，ＴＲＳ２は、転送ゲートＴＧ１，ＴＧ２に転送信号ＲＥＡＤ１，ＲＥＡＤ２が入力されると、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２によって光電変換された信号電荷Ｑ１，Ｑ２をフローティングディフュージョンＦＤへ転送する。フローティングディフュージョンＦＤには、リセットトランジスタＲＳＴのソースが接続される。

また、リセットトランジスタＲＳＴのドレインは、電源電圧線ＶＤＤに接続される。かかるリセットトランジスタＲＳＴは、ゲートＲＧへリセット信号ＲＳＧが入力されると、フローティングディフュージョンＦＤの電位を電源電圧の電位にリセットする。

また、フローティングディフュージョンＦＤには、増幅トランジスタＡＭＰのゲートＧが接続される。かかる増幅トランジスタＡＭＰのソースは、垂直信号線Ｖｌｉｎに接続され、ドレインがアドレストランジスタＡＤＲのソースに接続される。垂直信号線Ｖｌｉｎは、電流源Ｔに接続される。また、アドレストランジスタＡＤＲのドレインは、電源電圧線ＶＤＤに接続される。

かかる画素ＰＣは、図５に示すタイミングチャートにしたがって動作する。ここでは、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に信号電荷Ｑ１，Ｑ２が蓄積された状態から説明する。また、ここでは、時刻ｔ１にリセットトランジスタＲＳＴがオンされた後、時刻ｔ３に転送トランジスタＴＲＳ１がオンされ、その後、時刻ｔ５に転送トランジスタＴＲＳ２がオンされるものとして、画素ＰＣの動作を説明する。時刻ｔ１，ｔ３，ｔ５は、所定のクロックに基づく既知の時刻である。

先ず、画素ＰＣでは、図５に示すように、時刻ｔ１にリセット信号ＲＳＧが立ち上がると、リセットトランジスタＲＳＴのゲートＲＧへリセット信号ＲＳＧが入力され、フローティングディフュージョンＦＤの電位が電源電位の電位にリセットされる。

そして、リセットした場合のフローティングディフュージョンＦＤの電圧が増幅トランジスタＡＭＰのゲートＧにかかり、ゲートＧにかかった電圧に応じた電圧信号ＶＳＩＧが垂直信号線Ｖｌｉｎを介してカラムＡＤＣ回路４へ入力される。

ここで、図５に示すように、リセットした場合における電圧信号ＶＳＩＧの電圧波形は、リセット信号ＲＳＧの立ち上がりと同時に上昇した後に安定する。ただし、安定した電圧信号ＶＳＩＧには、リセットトランジスタＲＳＴのスイッチングノイズに起因したリセットノイズｎが含まれる。

その後、カラムＡＤＣ回路４は、電圧信号ＶＳＩＧの電圧波形と基準電圧ＶＲＥＦの電圧波形とを比較する。ここで、基準電圧ＶＲＥＦの電圧波形は、リセットノイズ信号Ｎ、電圧信号Ｎ＋Ｓ１、電圧信号Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２をサンプリングするために各サンプリング動作の前後において最大振幅値と最小振幅値が予め設定された電圧波形である。

つまり、基準信号ＶＲＥＦは、時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間、時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間、および時刻ｔ３以降の期間において、信号レベルが電圧信号ＶＳＩＧよりも高い状態から、電圧信号ＶＳＩＧよりも低い状態へ推移するように生成される信号である。

そして、カラムＡＤＣ回路４は、時刻ｔ２に基準電圧ＶＲＥＦの電圧波形と電圧信号ＶＳＩＧの電圧波形とが交差した場合に、フローティングディフュージョンＦＤに保持されたリセットノイズｎに応じたリセットノイズ信号Ｎをサンプリングする。

このように、カラムＡＤＣ回路４は、フローティングディフュージョンＦＤの電位がリセットされた時刻ｔ１から、転送トランジスタＴＲＳ１がオンされるまでの期間に、リセットノイズＮのサンプリングを行う。そして、カラムＡＤＣ回路４は、サンプリングしたリセットノイズ信号Ｎを後段処理部８（図１参照）へ出力する。

次に、画素ＰＣでは、時刻ｔ３に転送信号ＲＥＡＤ１が立ち上がると、転送トランジスタＴＲＳ１の転送ゲートＴＧ１へ転送信号ＲＥＡＤ１が入力され、フォトダイオードＰＤ１の信号電荷Ｑ１がフローティングディフュージョンＦＤへ転送される。

そして、信号電荷Ｑ１を転送した場合のフローティングディフュージョンＦＤの電圧が増幅トランジスタＡＭＰのゲートＧにかかり、ゲートＧにかかった電圧に応じた電圧信号ＶＳＩＧが垂直信号線Ｖｌｉｎを介してカラムＡＤＣ回路４へ入力される。

そして、カラムＡＤＣ回路４は、信号電荷Ｑ１を転送した場合の電圧信号ＶＳＩＧの電圧波形と基準電圧ＶＲＥＦの電圧波形とを比較する。なお、図５に示すように、信号電荷Ｑ１を転送した場合における電圧信号ＶＳＩＧの電圧波形は、リセットノイズｎにより下降した電圧レベルからさらに信号電荷Ｑ１の電荷量の分だけ下降して安定する。

カラムＡＤＣ回路４は、時刻ｔ４に基準電圧ＶＲＥＦの電圧波形と電圧信号ＶＳＩＧの電圧波形とが交差した場合、フローティングディフュージョンＦＤに保持されたリセットノイズｎと信号電荷Ｑ１との総和に応じた電圧信号Ｎ＋Ｓ１をサンプリングする。

そして、カラムＡＤＣ回路４は、サンプリングした電圧信号Ｎ＋Ｓ１を後段処理部８へ出力する。これにより、後段処理部８は、電圧信号Ｎ＋Ｓ１とリセットノイズ信号Ｎとの差分を取ることによって、リセットノイズｎ成分を含まない画素信号Ｓ１を算出することができる。

次に、画素ＰＣでは、図５に示すように、時刻ｔ５で転送信号ＲＥＡＤ２が立ち上がると、転送トランジスタＴＲＳ２の転送ゲートＴＧ２へ転送信号ＲＥＡＤ２が入力され、フォトダイオードＰＤ２の信号電荷Ｑ２がフローティングディフュージョンＦＤへ転送される。

そして、信号電荷Ｑ２を転送した場合のフローティングディフュージョンＦＤの電圧が増幅トランジスタＡＭＰのゲートＧにかかり、ゲートＧにかかった電圧に応じた電圧信号ＶＳＩＧが垂直信号線Ｖｌｉｎを介してカラムＡＤＣ回路４へ入力される。

このように、画素ＰＣでは、リセットノイズｎおよび信号電荷Ｑ１を保持したフローティングディフュージョンＦＤをリセットすることなく、フローティングディフュージョンＦＤへ続けて信号電荷Ｑ２を転送する。

そして、カラムＡＤＣ回路４は、信号電荷Ｑ２を転送した場合の電圧信号ＶＳＩＧの電圧波形と基準電圧ＶＲＥＦの電圧波形を比較する。なお、図５に示すように、信号電荷Ｑ２を転送した場合における電圧信号ＶＳＩＧの電圧波形は、信号電荷Ｑ１により下降した電圧レベルからさらに信号電荷Ｑ２の電荷量の分だけ下降して安定する。

そして、カラムＡＤＣ４は、図５に示すように、時刻ｔ６に基準電圧ＶＲＥＦの電圧波形と電圧信号ＶＳＩＧとの電圧波形とが交差した場合に、フローティングディフュージョンＦＤに保持されたリセットノイズｎと信号電荷Ｑ１，Ｑ２の総和に応じた電圧信号Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２をサンプリングする。

そして、カラムＡＤＣ回路４は、サンプリングした電圧信号Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２を後段処理部８へ入力する。これにより、後段処理部８は、電圧信号Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２とリセットノイズ信号Ｎとの差分を取ることによって、リセットノイズｎ成分を含まない画素信号Ｓ１＋Ｓ２を算出することができる。さらに、後段処理部８は、算出した画素信号Ｓ１＋Ｓ２と先に算出した画素信号Ｓ１との差分を取ることによって、画素信号Ｓ２を算出することができる。

このように、固体撮像装置１０によれば、フローティングディフュージョンＦＤのリセットを１回しか行わないにもかかわらず、信号電荷Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１＋Ｑ２のそれぞれに応じた電圧信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ１＋Ｓ２を算出することができる。

なお、上述の実施形態では、基準電圧ＶＲＥＦの電圧波形と電圧信号ＶＳＩＧの電圧波形とを比較することで、リセットノイズ信号Ｎ、電圧信号Ｎ＋Ｓ１、電圧信号Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２のサンプリングのタイミングを図っているが、この方法に限られない。

サンプリングのタイミングを図る他の方法としては、例えば、次の方法がある。リセット信号ＲＳＧおよび転送信号ＲＥＡＤ１，ＲＥＡＤ２を立ち上げるタイミングは既知のため、これらのタイミングを示したチャートにサンプリングのタイミングを新たに追加設定する。

具体的には、上記のタイミングチャートにおいて転送信号ＲＥＡＤ１を立ち上げる直前にリセットノイズ信号Ｎのサンプリングを行うタイミングが設定され、転送信号ＲＥＡＤ２を立ち上げる直前に電圧信号Ｎ＋Ｓ１のサンプリングを行うタイミングが設定される。また、電圧信号Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２のサンプリングを行うタイミングは、次のリセット信号ＲＳＧを立ち上げる直前に設定される。なお、かかるタイミングチャートは、例えば、カラムＡＤＣ回路４が備えるメモリに格納される。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置１０が実行する処理手順について図６を参照して説明する。図６は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０が実行する処理手順を示すフローチャートである。

図６に示すように、固体撮像装置１０は、まず、リセットトランジスタＲＳＴのゲートＲＧに電圧を印加する（ステップＳ１０１）。次に、固体撮像装置１０は、リセットノイズｎを保持するフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じたリセットノイズ信号Ｎのサンプリングを行う（ステップＳ１０２）。

かかるサンプリングのあと、固体撮像装置１０は、転送トランジスタＴＲＳ１の転送ゲートＴＧ１に電圧を印加する（ステップＳ１０３）。次に、固体撮像装置１０は、リセットノイズｎと信号電荷Ｑ１とを保持するフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じたリセットノイズ信号Ｎと画素信号Ｓ１とを含む電圧信号Ｎ＋Ｓ１のサンプリングを行う（ステップＳ１０４）。

かかるサンプリングのあと、固体撮像装置１０は、電圧信号Ｎ＋Ｓ１とリセットノイズ信号Ｎとの差分を取ることによってリセットノイズｎ成分を含まない画素信号Ｓ１を算出する（ステップＳ１０５）。

かかる算出のあと、固体撮像装置１０は、転送トランジスタＴＲＳ２の転送ゲートＴＧ２に電圧を印加する（ステップＳ１０６）。次に、固体撮像装置１０は、リセットノイズｎと信号電荷Ｑ１と信号電荷Ｑ２とを保持するフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じたリセットノイズ信号Ｎと画素信号Ｓ１と画素信号Ｓ２とを含む電圧信号Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２のサンプリングを行う（ステップＳ１０７）。

かかるサンプリングのあと、固体撮像装置１０は、電圧信号Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２とリセットノイズ信号Ｎとの差分を取ることによってリセットノイズｎ成分を含まない画素信号Ｓ１＋Ｓ２を算出する（ステップＳ１０８）。

さらに、かかる算出のあと、固体撮像装置１０は、画素信号Ｓ１＋Ｓ２と画素信号Ｓ１との差分を取ることによって画素信号Ｓ２を算出し（ステップＳ１０９）、処理を終了する。

このように、固体撮像装置１０は、電圧信号Ｎ＋Ｓ１をサンプリングしたあと、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットすることなく、信号電荷Ｑ２をフローティングディフュージョンＦＤへ転送する。このため、固体撮像装置１０は、信号電荷Ｑ２を転送する前に、リセットノイズ信号Ｎのサンプリングを行う必要がない。

したがって、固体撮像装置１０によれば、フローティングディフュージョンＦＤの電位のリセット回数およびリセットノイズ信号Ｎのサンプリング回数を抑えることができるため、画素信号Ｓ１，Ｓ２の読み出し時間を短縮することができる。

また、固体撮像装置１０では、画素信号Ｓ２を算出する前に、撮像画像の各画素に対応する画素信号Ｓ１＋Ｓ２を算出することができるため、撮像画像の出力を早めることができる。

なお、かかる固体撮像装置１０では、リセット動作によってフローティングディフュージョンＦＤに入るリセットノイズｎが画素信号Ｓ１，Ｓ２に影響を与えないほど小さい場合、リセットノイズ信号Ｎのサンプリングを省略することができる。

かかる場合においても、フローティングディフュージョンＦＤの電位のリセット回数およびリセットノイズ信号Ｎのサンプリング回数をさらに抑えることができるため、画素アレイ１における画素ＰＣの画素信号Ｓ１，Ｓ２の読み出し時間を短縮することができる。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態について説明する。第１の実施形態に係る固体撮像装置１０では、フォトダイオードＰＤ１の信号電荷Ｑ１をフローティングディフュージョンＦＤへ転送したあと、フォトダイオードＰＤ２の信号電荷Ｑ２をフローティングディフュージョンＦＤへ転送している。

かかる固体撮像装置１０では、例えば、想定外の強い光がフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２へ入射した場合、信号電荷Ｑ１を保持したフローティングディフュージョンＦＤへ信号電荷Ｑ２を転送すると、フローティングディフュージョンＦＤが飽和状態になる恐れがある。

かかる例外的な状況の場合に、固体撮像装置１０では、信号電荷Ｑ２の一部がフローティングディフュージョンＦＤからオーバーフローするか、もしくは、転送されずにＰＤ２に残存する可能性があり、信頼性のある画素信号Ｓ２が得られないおそれがある。

そこで、第２の実施形態に係る固体撮像装置では、画素アレイ１においてフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に蓄積された信号電荷Ｑ１，Ｑ２の読み出し順を行毎に入れ替えて行うことで、信頼性のある画素信号Ｓ１，Ｓ２を選択して得ている。このような読み出し順について、図７を参照して説明する。

図７は、第２の実施形態に係る固体撮像装置が備える画素アレイ１におけるフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に蓄積された信号電荷Ｑ１，Ｑ２の読み出し順を示す説明図である。

図７に示すように、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、例えば、まず、１行目の画素ＰＣで先にフォトダイオードＰＤ１の信号電荷Ｑ１の読み出しを行い、次にフォトダイオードＰＤ２の信号電荷Ｑ２の読み出しを行う。

ここで、第２の実施形態に係る固体撮像装置では、図示しない検知部によって、フローティングディフュージョンＦＤが飽和状態にあるかどうかを判定する。具体的には、検知部は、基準電圧ＶＲＥＦの電圧波形が最小振幅値まで下降しても電圧信号ＶＳＩＧの電圧波形が反転しない場合に、フローティングディフュージョンＦＤが飽和状態にあると判定する。

そして、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、検知部よってフローティングディフュージョンＦＤが飽和状態にあると判定された場合、２行目の画素ＰＣでは、先にフォトダイオードＰＤ２の信号電荷Ｑ２の読み出しを行い、次にフォトダイオードＰＤ１の信号電荷Ｑ１の読み出しを行う。

このように、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、検知部の判定に基づいて、信号電荷Ｑ１，Ｑ２の読み出しを行うフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の順番を変更することによって、信頼性のある画素信号Ｓ１，Ｓ２を選択して読み出すことができる。

これにより、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、例えば、１行目の画素ＰＣから信頼性のある画素信号Ｓ１を読み出し、２行目の画素ＰＣから信頼性のある画素信号Ｓ２を読み出し、これら画素信号Ｓ１，Ｓ２の和から信頼性のある出力画素を算出可能である。

（第３の実施形態）
次に第３の実施形態について説明する。第１の実施形態に係る固体撮像装置１０では、平面視において１つのマイクロレンズＭＬの中に２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が配置された構成にあるが、この構成に限られない。他の画素の構成例については、図８を参照して説明する。

図８は、第３の実施形態に係る固体撮像装置が備える他の画素の構成例を示す説明図である。なお、図２に示す画素ＰＣと同様の機能を有する構成要素については、図２に示す符号と同一の符号を付すとともに、その他の構成要素については説明の便宜上省略している。

図８（ａ）に示す画素ＰＣａは、平面視において縦に２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が配置され、各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に対してマイクロレンズＭＬ１，ＭＬ２がそれぞれ設けられた構成である。また、画素ＰＣａは、縦に並ぶ２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の間に１つのフローティングディフュージョンＦＤを備える。フローティングディフュージョンＦＤは、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２によって共用される。

かかる画素ＰＣａは、フローティングディフュージョンＦＤを挟んで縦にフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が配置されるため、縦方向の位相差検出画素として用いられる。

かかる画素ＰＣａにおいても、第１の実施形態の固体撮像装置１０が実行する処理手順と同様の処理手順で、リセットノイズ信号Ｎのサンプリング、電圧信号Ｎ＋Ｓ１のサンプリング、電圧信号Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２のサンプリングが順番に行われる。

したがって、画素ＰＣａは、縦方向の位相差画素を読み出す場合においても、画素信号Ｓ１，Ｓ２の読み出し時間を短縮することができる。

また、図８（ｂ）に示す画素ＰＣｂは、平面視において横に２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２を配置し、各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に対してマイクロレンズＭＬ１，ＭＬ２がそれぞれ設けられた構成である。また、画素ＰＣｂは、横に並ぶ２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の上に１つのフローティングディフュージョンＦＤを備える。フローティングディフュージョンＦＤは、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２によって共用される。

かかる画素ＰＣｂの構造は、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２によって１つのフローティングディフュージョンＦＤを共有した２画素１セル構造である。かかる画素ＰＣｂにおいても、第１の実施形態の固体撮像装置１０が実行する処理手順と同様の処理手順で、リセットノイズ信号Ｎのサンプリング、電圧信号Ｎ＋Ｓ１のサンプリング、電圧信号Ｎ＋Ｓ１＋Ｓ２のサンプリングが順番に行われる。

したがって、画素ＰＣｂは、２画素１セル構造においても、画素信号Ｓ１，Ｓ２の読み出し時間を短縮することができる。

なお、画素ＰＣｂは、各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の受光面の半分を遮光膜で覆い隠した構成であってもよい。かかる画素ＰＣｂにおいても、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２によって受光される光の位相差を検出することができるとともに、画素信号Ｓ１，Ｓ２の読み出し時間を短縮することができる。

図８（ｃ）に示す画素ＰＣｃは、平面視において１つのフローティングディフュージョンＦＤを４つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４で周囲を囲む構成である。また、画素ＰＣｃでは、各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４に対してマイクロレンズＭＬ１，ＭＬ２，ＭＬ３，ＭＬ４がそれぞれ設けられる。

かかる画素ＰＣｃの構造は、４つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４で１つのフローティングディフュージョンＦＤ２を共有した４画素１セル構造である。

かかる画素ＰＣｃでは、リセットノイズ信号Ｎのサンプリングを行ったあと、フォトダイオードＰＤ１の信号電荷Ｑ１がフローティングディフュージョンＦＤへ転送される。そして、画素ＰＣｃでは、リセットノイズｎと信号電荷Ｑ１とを含むフローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた電圧信号Ｎ＋Ｓ１のサンプリングが行われる。

そして、画素ＰＣｃでは、各フォトダイオードＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４においても、信号電荷を転送する前にフローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットすることなく、同様にして信号電荷の転送および電圧信号のサンプリングが順番に行われる。

したがって、画素ＰＣｃは、４画素１セル構造においても、画素信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の読み出し時間を短縮することができる。

また、画素ＰＣｃは、４つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４で１つのフローティングディフュージョンＦＤを共有しているため、フォトダイオードの敷設領域を大きくすることができる。したがって、画素ＰＣｃは、各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４の受光面の面積を大きく設定することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 画素アレイ、 １０ 固体撮像装置、 ２ 垂直走査回路、 ３ 負荷回路、 ４ カラムＡＤＣ回路、 ５ 水平走査回路、 ６ 基準電圧発生回路、 ７ タイミング制御回路、 ８ 後段処理部、 ＰＣ，ＰＣａ，ＰＣｂ，ＰＣｃ 画素、 ＣＤ 垂直方向、 ＲＤ 水平方向、 Ｈｌｉｎ 水平制御線、 Ｖｌｉｎ 垂直信号線、 ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ３ フォトダイオード、 ＦＤ フローティングディフュージョン、 ＴＲＳ１，ＴＲＳ２ 転送トランジスタ、 ＴＧ１，ＴＧ２，ＴＧ３，ＴＧ４ 転送ゲート、 ＲＳＴ リセットトランジスタ、 ＲＧ ゲート、 ＡＭＰ 増幅トランジスタ、 Ｇ ゲート、 ＭＬ，ＭＬ１，ＭＬ２，ＭＬ３，ＭＬ４ マイクロレンズ、 ｎ リセットノイズ、 Ｎ リセットノイズ信号、 Ｑ１，Ｑ２ 信号電荷、 Ｓ１，Ｓ２ 画素信号

Claims (5)

1. 複数のフォトダイオードによって共用されるフローティングディフュージョンの電位をリセットする工程と、
   前記電位がリセットされた前記フローティングディフュージョンへ、前記フォトダイオードによって光電変換された信号電荷を前記フォトダイオードに割り当てられた順番に順次転送して蓄積する工程と、
   １つの前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョンへ前記信号電荷の転送が完了する毎に、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧信号をサンプリングする工程と、
   連続してサンプリングされる２つの前記電圧信号の差分に基づいて、前記フローティングディフュージョンへ転送された前記信号電荷に応じた前記電圧信号を前記フォトダイオード毎に算出する工程と
   を含むことを特徴とする固体撮像装置の制御方法。
2. 前記フローティングディフュージョンの電位がリセットされた場合に、前記電圧信号をサンプリングする工程
   をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の制御方法。
3. 前記フローティングディフュージョンを共用する全ての前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョンへ前記信号電荷が転送された場合に、前記フローティングディフュージョンの電位をリセットする工程
   をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置の制御方法。
4. 前記フローティングディフュージョンが前記信号電荷によって飽和する場合に、前記フローティングディフュージョンへ前記信号電荷を転送する前記フォトダイオードの順番を変更する工程
   をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の固体撮像装置の制御方法。
5. 複数のフォトダイオードによって共用されるフローティングディフュージョンの電位をリセットするリセット処理部と、
   前記電位がリセットされた前記フローティングディフュージョンへ、前記フォトダイオードによって光電変換された信号電荷を前記フォトダイオードに割り当てられた順番に順次転送して蓄積する転送処理部と、
   １つの前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョンへ前記信号電荷の転送が完了する毎に、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧信号をサンプリングするサンプリング処理部と、
   連続してサンプリングされる２つの前記電圧信号の差分に基づいて、前記フォトダイオード毎に前記フローティングディフュージョンへ転送された信号電荷に応じた電圧信号を算出する算出処理部と
   を備えることを特徴とする固体撮像装置。

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