JP2016052055A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】種々の被写体までの距離を得ることができる撮像装置を提供することを課題とする。
【解決手段】撮像装置は、複数の単位画素を有し、複数の単位画素の各々は、光を電荷に変換する第１〜第３の光電変換部（１０１〜１０３）と、電荷を保持する第１のフローティングディフュージョン（１０６）と、電荷を保持する第２のフローティングディフュージョン（１１２）と、第１の光電変換部の電荷を第１のフローティングディフュージョンに転送する第１の転送トランジスタ（１０４）と、第２の光電変換部の電荷を第１のフローティングディフュージョンに転送する第２の転送トランジスタ（１０５）と、第２の光電変換部の電荷を第２のフローティングディフュージョンに転送する第３の転送トランジスタ（１１１）と、第３の光電変換部の電荷を第２のフローティングディフュージョンに転送する第４の転送トランジスタ（１１０）とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、撮像装置に関する。

撮像装置に用いられる撮像素子については、撮像素子の主用途である画像撮影に加え、焦点検出や距離に関する情報を得られるものが知られている。例えば、焦点検出の方式として瞳分割位相差方式がある。特許文献１においては、１つの画素中の１つのマイクロレンズに対して、集光される受光素子（フォトダイオード）を分割して構成する。撮像レンズの異なる瞳面の光を、分割した各フォトダイオードで受光させることで、得られる各出力値から像ずれ量を演算（相関演算）することによって、撮像レンズでの焦点検出を行う。

また、撮像素子を用いて距離情報を得る方式として、測距対象までの光の往復時間を測定することで距離を算出するＴＯＦ（Time Of Flight）と呼ばれる距離検出方式が知られている。特許文献２においては、１画素に少なくとも２つの転送スイッチとそれに対応する２つの電荷蓄積部を備える。特許文献２は、反射パルス光により発生した電荷を２つの転送スイッチによってそれぞれの電荷蓄積部に振り分け、２つの電荷蓄積部の電荷量の比を求めることにより、画素毎の距離情報を得る。

特開２００１−０８３４０７号公報 特開２００４−２９４４２０号公報

しかし、上記何れの技術においても、それぞれに苦手被写体があり、的確な測距情報を得られない場合がある。特許文献１においては、得られた出力信号の位相差より焦点検出を行う位相差方式であり、被写体から得られる出力信号に位相差が発生しない壁等の苦手な被写体が存在する。また、特許文献２においては、反射光を受光することで初めて距離情報を得ることができるため、反射率が低い被写体や投射光が届かない遠距離の被写体については正確な距離情報が得られない等、苦手な被写体が存在する。

本発明の目的は、種々の被写体までの距離を得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、複数の単位画素を有し、前記複数の単位画素の各々は、光を電荷に変換する第１の光電変換部と、光を電荷に変換する第２の光電変換部と、光を電荷に変換する第３の光電変換部と、電荷を保持する第１のフローティングディフュージョンと、電荷を保持する第２のフローティングディフュージョンと、前記第１の光電変換部の電荷を前記第１のフローティングディフュージョンに転送する第１の転送トランジスタと、前記第２の光電変換部の電荷を前記第１のフローティングディフュージョンに転送する第２の転送トランジスタと、前記第２の光電変換部の電荷を前記第２のフローティングディフュージョンに転送する第３の転送トランジスタと、前記第３の光電変換部の電荷を前記第２のフローティングディフュージョンに転送する第４の転送トランジスタとを有することを特徴とする。

本発明によれば、測距に関して苦手な被写体を無くし、種々の被写体までの距離を得ることができる。

撮像装置の構成例を示すブロック図である。 第１の実施形態における単位画素の構成例を示す図である。 第１の実施形態における単位画素配置図である。 第１の実施形態における単位画素の構成例を示す図である。 第１の実施形態における単位画素における光束を示す図である。 第１の実施形態における撮像素子の構成例を示す図である。 位相差検出時の駆動タイミングチャートである。 ＴＯＦ方式による駆動タイミングチャートである。 撮影画像取得時の駆動タイミングチャートである。 ＴＯＦ方式による駆動タイミングチャートの一部を示す図である。 撮像装置の駆動方法を示すフローチャートである。 第２の実施形態における単位画素の構成例を示す図である。

（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１２の構成例を示すブロック図である。撮像素子１は、ＣＭＯＳ撮像素子であり、行列状の複数の単位画素を有し、撮影レンズで結像された被写体像を光電変換するとともに、焦点検出のための位相差検出及びＴＯＦ方式における距離情報となる画素信号の出力を行う。各単位画素は、１個のマイクロレンズ及び３個のフォトダイオードを有する。ＡＦＥ２は、アナログフロントエンド（Ａｎａｌｏｇ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ）であり、撮像素子１からの信号の増幅や黒レベルの調整（ＯＢクランプ）などを行う信号処理回路である。ＡＦＥ２は、タイミング発生回路１０からＯＢクランプタイミングやＯＢクランプ目標レベルなどを入力し、それに従って処理を行う。そして、ＡＦＥ２は、上記処理を行ったアナログ信号をデジタル信号に変換する。ＤＦＥ３は、デジタルフロントエンド（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ）であり、ＡＦＥ２で変換された各画素のデジタル信号を入力し、画像信号の補正や画素の並び替え等のデジタル処理を行う。画像処理装置５は、現像処理を行って表示回路８に画像を表示し、制御回路６を介して画像を記録媒体９に記録する等の処理を行う。更に、画像処理装置５は、焦点検出のための相関演算及びＴＯＦ方式による画素信号から距離演算処理を行う。制御回路６は、操作部７からの指示信号を入力し、タイミング発生回路１０に命令を出力し、ＴＯＦ方式時に駆動される投光回路１１などの制御を行う。記録媒体９には、メモリカードなどが用いられる。メモリ回路４は、画像処理装置５の現像段階での作業用メモリに使用される。また、メモリ回路４は、撮像が続いて行われて現像処理が間に合わないときのバッファメモリとしても使用される。操作部７は、デジタルカメラを起動させるための電源スイッチを有する。さらに、操作部７は、測光処理、測距処理等の撮影準備動作開始やミラー、シャッターを駆動して撮像素子１から読み出した信号を処理して記録媒体９に書き込む一連の撮像動作の開始を指示するシャッタースイッチ等を有する。投光回路１１は、制御回路６からの制御信号Ｐｌｉｇｈｔ（図８）に応じて、ＴＯＦ方式による測距時に被写体に向けて投光される光源の点灯／消灯を行う。

図３は、図１の撮像素子１の構成例を示す図である。撮像素子１は、２次元行列状に配列された複数の単位画素４００を有し、一例として３行×３列の単位画素４００のみを示したものであり、実際には数千行、数千列で構成される。各単位画素４００は、マイクロレンズ４０４と、３個のフォトダイオード１０１，１０２，１０３とを有する。フォトダイオード１０１，１０２，１０３の各々には、撮影レンズより各フォトダイオードに対する射出瞳を透過した光束が入射される。

図２は、図３の単位画素４００の構成例を示す回路図である。フォトダイオード１０１、１０２、１０３は、この例ではアノードが接地されている。フォトダイオード１０１は、光を電荷に変換する第１の光電変換部である。フォトダイオード１０２は、光を電荷に変換する第２の光電変換部である。フォトダイオード１０３は、光を電荷に変換する第３の光電変換部である。フローティングディフュージョン１０６は、電荷を保持する第１のフローティングディフュージョンである。フローティングディフュージョン１１２は、電荷を保持する第２のフローティングディフュージョンである。

フォトダイオード１０１は、第１の転送トランジスタ１０４を介して、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１０６に接続されている。フォトダイオード１０２は、第２の転送トランジスタ１０５を介してＦＤ１０６に接続され、第３の転送トランジスタ１１１を介してＦＤ１１２に接続されている。フォトダイオード１０３は、第４の転送トランジスタ１１０を介して、ＦＤ１１２に接続されている。

フォトダイオード１０２は、２つの転送トランジスタ１０５及び１１１を介して、２つのＦＤ１０６及び１１２と接続可能である。フォトダイオード１０２で発生した電荷は、ＦＤ１０６及び１１２の何れか、若しくは双方のＦＤ１０６及び１１２の両方に読み出すことができる。この構成により、時系列的な出力の読み出しを容易に行うことが可能となっている。また、ＦＤ１０６及び１１２を複数のフォトダイオードで共有するため面積を大きくすることなく、上記構成とすることができる。

ＦＤ１０６及びＦＤ１１２は、電荷を保持し、電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部である。第１の増幅トランジスタ１０８のゲートは、ＦＤ１０６に接続される。第２の増幅トランジスタ１１４のゲートは、ＦＤ１１２に接続される。第１のリセットトランジスタ１０７は、ＦＤ１０６及び電源電圧ノード（リセット電圧ノード）ＶＤＤの間に接続される。第２のリセットトランジスタ１１３は、ＦＤ１１２及び電源電圧ノード（リセット電圧ノード）ＶＤＤの間に接続される。リセットトランジスタ１０７、１１３のドレイン、増幅トランジスタ１０８、１１４のドレインには電源電圧ノードＶＤＤが接続されている。増幅トランジスタ１０８、１１４ソースには夫々選択トランジスタ１０９、１１５が接続されている。

転送トランジスタ１０４、１０５、１１０、１１１は、それぞれ、ゲート端子へ入力される信号ＰｔｘＡ、信号ＰｔｘＣ１、信号ＰｔｘＢ、信号ＰｔｘＣ２により駆動される。転送トランジスタ１０４は、フォトダイオード１０１の電荷をＦＤ１０６に転送する。転送トランジスタ１０５は、フォトダイオード１０２の電荷をＦＤ１０６に転送する。転送トランジスタ１１１は、フォトダイオード１０２の電荷をＦＤ１１２に転送する。転送トランジスタ１１０は、フォトダイオード１０３の電荷をＦＤ１１２に転送する。

リセットトランジスタ１０７、１１３は、それぞれ、信号ＰｒｅｓＡ、信号ＰｒｅｓＢにより駆動され、ＦＤ１０６、１１２及びフォトダイオード１０１、１０２、１０３をリセットする。このリセット後に読み出される出力信号がノイズ信号として読み出されることになる。

選択トランジスタ１０９、１１５は、それぞれ、信号ＰｓｅｌＡ、信号ＰｓｅｌＢにより駆動され、接続される各増幅トランジスタ１０８、１１４によって増幅された電圧信号を端子ＶｏｕｔＡ、ＶｏｕｔＢへ出力する。端子ＶｏｕｔＡ、ＶｏｕｔＢは、同一列の単位画素４００において、後述の図６の各々の垂直出力線ｖｌａ、ｖｌｂに接続される。端子ＶｏｕｔＡは、増幅トランジスタ１０８は、選択トランジスタ１０９を介して、端子ＶｏｕｔＡ及び垂直出力線ｖｌａの負荷に接続される。増幅トランジスタ１１４は、選択トランジスタ１１５を介して、ＶｏｕｔＢ端子及び垂直出力線ｖｌｂの負荷に接続される。これにより、増幅トランジスタ１０８及び１１４は、それぞれ、ソースフォロワアンプとして機能し、ＦＤ１０６、１１２の電圧を増幅して出力する。第１の選択トランジスタ１０９は、増幅トランジスタ１０８及び第１の垂直出力線ｖｌａの間に接続される。第２の選択トランジスタ１１５は、増幅トランジスタ１１４及び第２の垂直出力線ｖｌｂの間に接続される。

図４は、単位画素４００のレイアウト図である。転送トランジスタ１０４は、フォトダイオード５０１の電荷をＦＤ１０６に転送することができる。転送トランジスタ１０５は、フォトダイオード１０２の電荷をＦＤ１０６に転送することができる。転送トランジスタ１１１は、フォトダイオード１０２の電荷をＦＤ１１２に転送することができる。転送トランジスタ１１０は、フォトダイオード１０３の電荷をＦＤ１１２に転送することができる。３つのフォトダイオード１０１、１０２、１０３に対して１つのマイクロレンズ４０４が配される。３つのフォトダイオード１０１、１０２、１０３に対して２つのＦＤ１０６、１１２が設けられる。

図５は、撮像素子１の構成例を示す図であり、撮影レンズの射出瞳６０５及び光束と各フォトダイオード１０１〜１０３の対応を示す。フォトダイオード１０１は、位相差検出のＡ像用フォトダイオードである。フォトダイオード１０２は、ＴＯＦ用フォトダイオードである。フォトダイオード１０３は、位相差検出のＢ像用フォトダイオードである。フォトダイオード１０１は、撮影レンズの射出瞳６０５のＡ像用瞳６０８で示される光束を受光する。フォトダイオード１０２は、撮影レンズの射出瞳６０５のＴＯＦ用瞳６０７で示される光束を受光する。フォトダイオード１０３は、撮影レンズの射出瞳６０５のＢ像用瞳６０６で示される光束を受光する。Ａ像用フォトダイオード１０１とＢ像用フォトダイオード１０３からの出力信号のズレ量（位相差）、つまり像ズレ量を求め、その位相差を基に、瞳分割位相差方式で被写体までの距離を演算し、焦点検出を行う。

図６は、撮像素子１の構成例を示すブロック図である。画素領域３００は、図３に示したように、２次元行列状の複数の単位画素４００を有するものであるが、ここでは１個の単位画素４００のみを図示している。画素部３００は、単位画素４００が水平・垂直方向に所定数繰り返し配置される。

垂直シフトレジスタ３０１は、各制御信号ＰｒｅｓＡ、ＰｒｅｓＢ、ＰｔｘＡ、ＰｔｘＢ、ＰｔｘＣ１、ＰｔｘＣ２、Ｐｓｅｌを画素領域３００に出力する。信号Ｐｓｅｌは、単位画素４００内の信号ＰｓｅｌＡ、ＰｓｅｌＢに端子に共通に供給される。また、上述の各制御信号は、同行に配列された各単位画素４００に共通に供給されている。つまり同一行においては、単位画素４００は同一に選択されることになる。

垂直出力線ｖｌａ及びｖｌｂは、それぞれ、各々の負荷である定電流源３０４ａ及び３０４ｂに接続されている。各単位画素４００からの画素信号、ノイズ信号は、各垂直出力線ｖｌａ及びｖｌｂを介して、読み出し回路部３１７により読み出される。なお、読み出し回路３１７は、同図においては、１列分のみを示したものであり、水平方向の単位画素４００の数分同回路を有するものである。

次に、読み出し回路３１７について説明を行う。単位画素４００の端子ＶｏｕｔＡからの出力信号は、垂直出力線ｖｌａを介して、容量３０５ａに入力されクランプされる。オペアンプ３０６ａは、容量３０５ａと帰還容量３０８ａにより反転増幅アンプを構成しており、基準電圧ＶＣ０と単位画素４００から読み出された画素信号及びノイズ信号との差分を増幅して出力する。クランプトランジスタ３０７ａは、信号Ｐｃ０ｒで制御され、帰還容量３０８ａの両端をショートすることにより、帰還容量３０８ａのリセット及び後段の保持容量３１０ａ、３１３ａのリセットを行う。オペアンプ３０６ａの出力信号は、信号Ｐｃｔｎ、Ｐｃｔｓで駆動される転送トランジスタ３０９ａ、３１２ａを介して、夫々保持容量３１０ａ、３１３ａに保持される。なお、単位画素４００のＦＤ１０６をリセットした直後のノイズ信号は保持容量３１３ａに保持され、その後、ＦＤ１０６に転送された画素信号は保持容量３１０ａに保持される。

単位画素４００の端子ＶｏｕｔＢからの出力信号は、垂直出力線ｖｌｂを介して、容量３０５ｂに入力されクランプされる。オペアンプ３０６ｂは、容量３０５ｂと帰還容量３０８ｂにより反転増幅アンプを構成しており、基準電圧ＶＣ０と単位画素４００から読み出された画素信号及びノイズ信号との差分を増幅して出力する。クランプトランジスタ３０７ｂは、信号Ｐｃ０ｒで制御され、帰還容量３０８ｂの両端をショートすることにより、帰還容量３０８ｂのリセット及び後段の保持容量３１０ｂ、３１３ｂのリセットを行う。オペアンプ３０６ｂの出力信号は、信号Ｐｃｔｎ、Ｐｃｔｓで駆動される転送トランジスタ３０９ｂ、３１２ｂを介して、夫々保持容量３１０ｂ、３１３ｂに保持される。なお、単位画素４００のＦＤ１０６をリセットした直後のノイズ信号は保持容量３１３ｂに保持され、その後、ＦＤ１０６に転送された画素信号は保持容量３１０ｂに保持される。

トランジスタ３１５、３１６は、信号Ｐａｄｄにより制御される。トランジスタ３１５は、保持容量３１０ａ及び３１０ｂを接続する。トランジスタ３１６は、保持容量３１３ａ及び３１３ｂを接続する。より具体的には、垂直出力線ｖｌａ及びｖｌｂを介して出力される単位画素４００単位での画素信号及びノイズ信号を保持容量にて加算平均化処理するものであり、単位画素４００単位の出力信号として容易に扱うことができる。

水平転送トランジスタ３１１ａは、水平シフトレジスタ３０３からの信号ｐ１１に応じて、保持容量３１０ａの画素信号を水平出力線Ｐｓに転送する。水平転送トランジスタ３１４ａは、水平シフトレジスタ３０３からの信号ｐ１１に応じて、保持容量３１３ａのノイズ信号を水平出力線Ｐｎに転送する。

水平転送トランジスタ３１１ｂは、水平シフトレジスタ３０３からの信号ｐ１２に応じて、保持容量３１０ｂの画素信号を水平出力線Ｐｓに転送する。水平転送トランジスタ３１４ｂは、水平シフトレジスタ３０３からの信号ｐ１２に応じて、保持容量３１３ｂのノイズ信号を水平出力線Ｐｎに転送する。

差動アンプ３０２は、水平出力線Ｐｓの画素信号と水平出力線Ｐｎのノイズ信号との差分を出力する。また、差動アンプ３０２は、最終段読み出し回路に相当する。水平シフトレジスタ３０３は、水平転送トランジスタ３１１ａ、３１１ｂ及び３１４ａ、３１４ｂを順次オン／オフ制御することで、画素信号及びノイズ信号を差動アンプ３０２へ順次転送する。これにより、最終出力として順次、画素信号が出力される。なお、水平転送トランジスタ３１１ａ、３１１ｂ及び３１４ａ、３１４ｂについても、撮像素子１が持つ各列の垂直出力線ｖｌａ、ｖｌｂの数分があり、水平シフトレジスタ３０３により制御される。

図７は、撮像装置１２の第１のモードの第１の駆動方法を示すタイミングチャートであり、瞳分割位相差方式により焦点検出を行う動作時のタイミングを示している。前述にて説明している通り、瞳分割位相差方式として、Ａ像はフォトダイオード１０１から読み出され、Ｂ像はフォトダイオード１０３から読み出される。また、説明を簡略化するため、すでに全単位画素４００のリセット及び全単位画素４００の電荷蓄積開始するタイミングは省略し、画素信号の読み出し動作時のタイミングのみを示している。フォトダイオード１０２については、位相差方式による焦点検出の駆動時には未使用となるが、他のフォトダイオード１０１及び１０３と同様にリセットされているものとする。なお、図中において、信号レベルが『ハイレベル』状態で駆動されるトランジスタ及びスイッチがオンし、『ローレベル』状態で駆動されるトランジスタ及びスイッチがオフするものとする。

まず、時刻ｔ０では、信号ＰｒｅｓＡ及びＰｒｅｓＢがハイレベルからローレベルになることで、信号ＰｒｅｓＡ、ＰｒｅｓＢが供給される行のリセットトランジスタ１０７及び１１３がオフする。すると、その行の単位画素４００のＦＤ１０６及びＦＤ１１２は、電源電圧ノードＶＤＤの電圧へのリセットが解除される。

その後、時刻ｔ１では、信号Ｐｓｅｌがローレベルからハイレベルになり、単位画素４００の信号ＰｓｅｌＡ及びＰｓｅｌＢが供給される選択トランジスタ１０９及び１１５がオンする。すると、増幅トランジスタ１０８及び１１４の出力が垂直出力線ｖｌａ及びｖｌｂに接続される。

次に、時刻ｔ２では、信号Ｐｃ０ｒがハイレベルになり、クランプトランジスタ３０７ａ及び３０７ｂがオンし、帰還容量３０８ａ及び３０８ｂの両端がショートする。時刻ｔ３では、信号Ｐｃｔｓ及びＰｃｔｎがハイレベルになり、トランジスタ３０９ａ、３０９ｂ、３１２ａ及び３１２ａがオンし、保持容量３１３ａ、３１３ｂ、３１０ａ、３１０ｂ、帰還容量３０８ａ、３０８ｂ、容量３０５ａ、３０５ｂがリセットされる。これにより、各容量のリセットが完了する。

その後、時刻ｔ４では、信号Ｐｃｔｎ及びＰｃｔｓがローレベルになり、トランジスタ３０９ａ、３０９ｂ、３１２ａ及び３１２ａがオフする。時刻ｔ５では、信号Ｐｃ０ｒがローレベルになり、クランプトランジスタ３０７ａ及び３０７ｂがオフする。これにより、上記の各容量のリセットが解除される。

時刻ｔ６では、信号Ｐｃｔｎがローレベルからハイレベルになり、転送トランジスタ３１２ａ及び３１２ｂがオンする。信号Ｐｓｅｌによって選択された行において、オペアンプ３０６ａの出力信号は、Ａ像のノイズ信号として保持容量３１３ａに書き込まれ、オペアンプ３０６ｂの出力信号は、Ｂ像のノイズ信号として保持容量３１３ｂに書き込まれる。

時刻ｔ７では、信号Ｐｃｔｎがローレベルになり、転送トランジスタ３１２ａ及び３１２ｂがオフし、保持容量３１３ａ及び３１３ｂへの書き込みが終了する。

次に、時刻ｔ９では、信号ＰｔｘＡ及びＰｔｘＢがローレベルからハイレベルになり、転送トランジスタ１０４及び１１０がオンし、フォトダイオード１０１の電荷はＦＤ１０６に転送され、フォトダイオード１０３の電荷はＦＤ１１２に転送される。時刻ｔ１１では、信号ＰｔｘＡ及びＰｔｘＢがローレベルになり、転送トランジスタ１０４及び１１０がオフし、フォトダイオード１０１からＦＤ１０６への電荷転送が終了し、フォトダイオード１０３からＦＤ１１２への電荷転送が終了する。増幅トランジスタ１０８は、ＦＤ１０６の電荷に基づく電圧を垂直出力線ｖｌａに出力する。増幅トランジスタ１１４は、ＦＤ１１２の電荷に基づく電圧を垂直出力線ｖｌｂに出力する。

時刻ｔ１２では、信号Ｐｃｔｓがローレベルからハイレベルになり、転送トランジスタ３０９ａ及び３０９ｂがオンする。信号Ｐｓｅｌによって選択された行において、オペアンプ３０６ａの出力信号は、Ａ像の画素信号として保持容量３１０ａに書き込まれ、オペアンプ３０６ｂの出力信号は、Ｂ像の画素信号として保持容量３１０ｂに書き込まれる。

時刻ｔ１３では、信号Ｐｃｔｓがローレベルになり、転送トランジスタ３０９ａ及び３０９ｂがオフし、保持容量３１０ａ及び３１０ｂへの書き込みが終了する。

その後、時刻ｔ１４では、信号Ｐｓｅｌがローレベルになり、選択トランジスタ１０９及び１１５がオフする。時刻ｔ１５では、信号ＰｒｅｓＡ及びＰｒｅｓＢがハイレベルになり、リセットトランジスタ１０７及び１１３がオンすることで、選択行のＦＤ１０６及び１１２がリセットされる。

その後、水平シフトレジスタ３０３により、信号ｐ１１がハイレベルパルスになり、転送トランジスタ３１１ａ及び３１４ａがオンする。すると、保持容量３１０ａのＡ像の画素信号は水平出力線Ｐｓに転送され、保持容量３１３ａのＡ像のノイズ信号は水平出力線Ｐｎに転送される。差分アンプ３０２は、水平出力線ＰｓのＡ像の画素信号と水平出力線ＰｎのＡ像のノイズ信号との差分信号をＡ像信号として出力する。

その後、水平シフトレジスタ３０３により、信号ｐ１２がハイレベルパルスになり、転送トランジスタ３１１ｂ及び３１４ｂがオンする。すると、保持容量３１０ｂのＢ像の画素信号は水平出力線Ｐｓに転送され、保持容量３１３ｂのＢ像のノイズ信号は水平出力線Ｐｎに転送される。差分アンプ３０２は、水平出力線ＰｓのＢ像の画素信号と水平出力線ＰｎのＢ像のノイズ信号との差分信号をＢ像信号として出力する。

その後、同様に、同一列の単位画素４００のＡ像の差分信号及びＢ像の差分信号を列毎に順次出力する。

画像処理装置５は、ＦＤ１０６の電荷に基づくＡ像信号とＦＤ１１２の電荷に基づくＢ像信号とのズレ量（位相差）を、相関演算等を用いて演算し、その位相差を基に、瞳分割位相差方式で被写体までの距離を演算する。制御回路６は、被写体までの距離を基に、焦点検出のために撮影レンズを駆動する。

図８は、撮像装置１２の第２のモードの第２の駆動方法を示すタイミングチャートであり、ＴＯＦ方式による距離情報検出動作時におけるタイミングを示す。ＴＯＦ方式は、投光回路１１により点灯制御される光源を用い、投光された光に対する被写体からの反射光を受光し、フォトダイオード１０２にて発生する電荷を時系列で２つのＦＤ１０６及び１１２に転送し、別途の出力信号とする。これにより、時刻差での出力信号を生成し、距離情報を得る。

ここで示すタイミングは、説明を簡略化するため、画素信号の読み出し動作時のタイミングのみを示している。なお、ＴＯＦ方式では未使用となるフォトダイオード１０１及び１０３についても、リセットが行われているものとする。

時刻ｔ１００以前では、信号ＰｒｅｓＡ及びＰｒｅｓＢがハイレベルであり、リセットトランジスタ１０７及び１１３はオンしている。また、信号ＰｔｘＡ、ＰｔｘＢ、ＰｔｘＣ１、ＰｔｘＣ２がハイレベルであり、転送トランジスタ１０４、１１０、１０５、１１１がオンしている。これにより、フォトダイオード１０１、１０２、１０３及びＦＤ１０６、１１２が電源電圧ノードＶＤＤの電圧にリセットされている。このように、フォトダイオード１０１〜１０３のリセットを行うことで、駆動以前に蓄積された光学像や暗電流による電荷がリセットされる。

時刻ｔ１００〜ｔ１０７では、前述にて説明を行った図７の時刻ｔ０〜ｔ７と同じ駆動を行う。

次に、時刻ｔ１０８では、信号ＰｔｘＣ１がローレベルからハイレベルになり、転送トランジスタ１０５がオンし、フォトダイオード１０２の電荷は、ＦＤ１０６に転送される。

次に、時刻ｔ１０９では、信号Ｐｌｉｇｈｔがハイレベルになり、投光回路１１は、被写体に対してパルス光の投射を開始する。

次に、時刻ｔ１１０では、信号ＰｔｘＣ１がローレベルになり、信号ＰｔｘＣ２がハイレベルになる。転送トランジスタ１０５がオフし、フォトダイオード１０２からＦＤ１０６への電荷転送が終了する。転送トランジスタ１１１がオンし、フォトダイオード１０２からＦＤ１１２への電荷転送が開始する。

次に、時刻ｔ１１１では、信号Ｐｌｉｇｈｔがローレベルになり、投光回路１１は、被写体に対してパルス光の投射を終了する。

次に、時刻ｔ１１２では、信号ＰｔｘＣ２がローレベルになり、転送トランジスタ１１１がオフし、フォトダイオード１０２からＦＤ１１２への電荷転送が終了する。

時刻ｔ１０９〜ｔ１１１では、信号Ｐｌｉｇｈｔがハイレベルであり、投光回路１１は、被写体に向けて投光を行う。この間、被写体から反射光がある場合、フォトダイオード１０２は反射光を受光することになり、被写体までの距離Ｌは、光速Ｃ及び反射光として得られるまで時間Ｔｄを基に、次式のように表すことができる。
Ｌ＝Ｔｄ×Ｃ／２

増幅トランジスタ１０８は、ＦＤ１０６の電荷に基づく電圧を垂直出力線ｖｌａに出力する。増幅トランジスタ１１４は、ＦＤ１１２の電荷に基づく電圧を垂直出力線ｖｌｂに出力する。

時刻ｔ１１３では、信号Ｐｃｔｓがローレベルからハイレベルになり、転送トランジスタ３０９ａ及び３０９ｂがオンする。信号Ｐｓｅｌによって選択された行において、オペアンプ３０６ａの出力信号は、ＦＤ１０６の画素信号として保持容量３１０ａに書き込まれ、オペアンプ３０６ｂの出力信号は、ＦＤ１１２の画素信号として保持容量３１０ｂに書き込まれる。

時刻ｔ１１４では、信号Ｐｃｔｓがローレベルになり、転送トランジスタ３０９ａ及び３０９ｂがオフし、保持容量３１０ａ及び３１０ｂへの書き込みが終了する。

その後、時刻ｔ１１５では、信号Ｐｓｅｌがローレベルになり、選択トランジスタ１０９及び１１５がオフする。時刻ｔ１１６では、信号ＰｒｅｓＡ及びＰｒｅｓＢがハイレベルになり、リセットトランジスタ１０７及び１１３がオンすることで、選択行のＦＤ１０６及び１１２がリセットされる。

その後、水平シフトレジスタ３０３により、信号ｐ１１がハイレベルパルスになり、転送トランジスタ３１１ａ及び３１４ａがオンする。すると、保持容量３１０ａのＦＤ１０６の画素信号は水平出力線Ｐｓに転送され、保持容量３１３ａのＦＤ１０６のノイズ信号は水平出力線Ｐｎに転送される。差分アンプ３０２は、水平出力線ＰｓのＦＤ１０６の画素信号と水平出力線ＰｎのＦＤ１０６のノイズ信号との差分信号をＦＤ１０６の出力信号として出力する。

その後、水平シフトレジスタ３０３により、信号ｐ１２がハイレベルパルスになり、転送トランジスタ３１１ｂ及び３１４ｂがオンする。すると、保持容量３１０ｂのＦＤ１１２の画素信号は水平出力線Ｐｓに転送され、保持容量３１３ｂのＦＤ１１２のノイズ信号は水平出力線Ｐｎに転送される。差分アンプ３０２は、水平出力線ＰｓのＦＤ１１２の画素信号と水平出力線ＰｎのＦＤ１１２のノイズ信号との差分信号をＦＤ１１２の出力信号として出力する。

その後、同様に、同一列の単位画素４００のＦＤ１０６の出力信号及びＦＤ１１２の出力信号を列毎に順次出力する。

その後、画像処理装置５は、ＦＤ１０６の電荷に基づく信号とＦＤ１１２の電荷に基づく信号の比を基に、投光回路１１の投射光に対する反射光の遅延時間Ｔｄを演算し、前述した距離Ｌと遅延時間Ｔｄの関係式から、被写体までの距離Ｌを演算する。制御回路６は、被写体までの距離Ｌを基に、焦点検出のために撮影レンズを駆動する。

図１０は、図８のタイミングチャートの一部を示す図であり、ＴＯＦ方式の測距の原理を説明する図である。時刻ｔ１０８では、信号ＰｔｘＣ１がローレベルからハイレベルになり、転送トランジスタ１０５がオンし、フォトダイオード１０２の電荷は、ＦＤ１０６に転送される。次に、時刻ｔ１０９では、信号Ｐｌｉｇｈｔがハイレベルになり、投光回路１１は、被写体に対してパルス光の投射を開始する。次に、時刻ｔ１１０では、信号ＰｔｘＣ１がローレベルになり、信号ＰｔｘＣ２がハイレベルになる。転送トランジスタ１０５がオフし、フォトダイオード１０２からＦＤ１０６への電荷転送が終了する。転送トランジスタ１１１がオンし、フォトダイオード１０２からＦＤ１１２への電荷転送が開始する。次に、時刻ｔ１１１では、信号Ｐｌｉｇｈｔがローレベルになり、投光回路１１は、被写体に対してパルス光の投射を終了する。次に、時刻ｔ１１２では、信号ＰｔｘＣ２がローレベルになり、転送トランジスタ１１１がオフし、フォトダイオード１０２からＦＤ１１２への電荷転送が終了する。

撮像装置１２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による投射光と同じタイミングで受光され、信号ＰｔｘＣ１によるＦＤ１０６の出力信号と信号ＰｔｘＣ２によるＦＤ１１２の出力信号は同じになる。しかし、被写体までの距離がゼロでない場合、図１０のように、反射光は、投射光に対して（ｔ１０９ａ−ｔ１０９）分だけ遅れて受光される。その結果、信号ＰｔｘＣ１によるＦＤ１０６の出力信号は、（ｔ１１０−ｔ１０９ａ）の期間の反射光に応じた信号になる。信号ＰｔｘＣ２によるＦＤ１１２の出力信号は、（ｔ１１１ａ−ｔ１１０）の期間の反射光に応じた信号になる。ＦＤ１０６の出力信号とＦＤ１１２の出力信号は、偏りが生じる。画像処理装置５は、ＦＤ１０６及び１１２の出力信号の比を基に、反射光の投射光に対する遅延時間Ｔｄを演算し、その遅延時間Ｔｄと光速Ｃとの積から被写体までの距離Ｌを演算することができる。

図９は、撮像装置１２の第３のモードの第３の駆動方法を示すタイミングチャートであり、通常の画像撮影時のタイミングを示す。ここで示すタイミングは、説明を簡略化するため、すでに全単位画素４００のリセット及び全単位画素４００の電荷蓄積開始するタイミングは省略し、画素信号の読み出し動作時のタイミングのみを示している。

時刻ｔ２００〜ｔ２０７では、前述にて説明を行った図７のｔ０〜ｔ７と同じ駆動を行う。

次に、時刻ｔ２０８では、信号ＰｔｘＡ、ＰｔｘＢ、ＰｔｘＣ１及びＰｔｘＣ２がローレベルからハイレベルになり、転送トランジスタ１０４、１１０、１０５及び１１１がオンする。フォトダイオード１０１の電荷はＦＤ１０６に転送され、フォトダイオード１０２の電荷はＦＤ１０６及び１１２に転送され、フォトダイオード１０３の電荷はＦＤ１１２に転送される。ＦＤ１０６にはフォトダイオード１０１及び１０２の電荷が転送され、ＦＤ１１２にはフォトダイオード１０３及び１０２の電荷が転送される。ここで、フォトダイオード１０２の電荷は、ＦＤ１０６及び１１２に転送されるが、ＦＤ１０６の信号及びＦＤ１１２の信号は、後に、トランジスタ３１５により加算される。

次に、時刻ｔ２１０では、信号ＰｔｘＡ、ＰｔｘＢ、ＰｔｘＣ１及びＰｔｘＣ２がローレベルになり、転送トランジスタ１０４、１１０、１０５及び１１１がオフし、上記の電荷転送が終了する。

次に、時刻ｔ２１１では、信号Ｐｃｔｓがローレベルからハイレベルになり、転送トランジスタ３０９ａ及び３０９ｂがオンする。信号Ｐｓｅｌによって選択された行において、オペアンプ３０６ａの出力信号は、ＦＤ１０６の画素信号として保持容量３１０ａに書き込まれ、オペアンプ３０６ｂの出力信号は、ＦＤ１１２の画素信号として保持容量３１０ｂに書き込まれる。

次に、時刻ｔ２１３では、信号Ｐｃｔｓがローレベルになり、転送トランジスタ３０９ａ及び３０９ｂがオフし、保持容量３１０ａ及び３１０ｂへの書き込みが終了する。

次に、時刻ｔ２１４では、信号Ｐａｄｄがローレベルからハイレベルになり、トランジスタ３１５及び３１６がオンし、保持容量３１０ａ及び３１０ｂが相互に接続され、保持容量３１３ａ及び３１３ｂが相互に接続される。すると、保持容量３１０ａのＦＤ１０６の画素信号と保持容量３１０ｂのＦＤ１１２の画素信号が加算平均化され、保持容量３１３ａのＦＤ１０６のノイズ信号と保持容量３１３ｂのＦＤ１１２のノイズ信号が加算平均化される。次に、時刻ｔ２１５では、信号Ｐａｄｄがローレベルになり、トランジスタ３１５及び３１６がオフする。

その後、時刻ｔ２１６では、信号Ｐｓｅｌがローレベルになり、選択トランジスタ１０９及び１１５がオフする。時刻ｔ２１７では、信号ＰｒｅｓＡ及びＰｒｅｓＢがハイレベルになり、リセットトランジスタ１０７及び１１３がオンすることで、選択行のＦＤ１０６及び１１２がリセットされる。

その後、水平シフトレジスタ３０３により、信号ｐ１１がハイレベルパルスになり、転送トランジスタ３１１ａ及び３１４ａがオンする。すると、保持容量３１０ａのＦＤ１０６及び１１２の加算平均画素信号は水平出力線Ｐｓに転送され、保持容量３１３ａのＦＤ１０６及び１１２の加算平均ノイズ信号は水平出力線Ｐｎに転送される。差分アンプ３０２は、水平出力線Ｐｓの加算平均画素信号と水平出力線Ｐｎの加算平均ノイズ信号との差分信号を出力信号として出力する。

その後、水平シフトレジスタ３０３により、信号ｐ１２がハイレベルパルスになり、転送トランジスタ３１１ｂ及び３１４ｂがオンする。すると、保持容量３１０ｂのＦＤ１０６及び１１２の加算平均画素信号は水平出力線Ｐｓに転送され、保持容量３１３ｂのＦＤ１０６及び１１２の加算平均ノイズ信号は水平出力線Ｐｎに転送される。差分アンプ３０２は、水平出力線Ｐｓの加算平均画素信号と水平出力線Ｐｎの加算平均ノイズ信号との差分信号を出力信号として出力する。

その後、同様に、同一列の単位画素４００の出力信号を列毎に順次出力する。なお、上記の信号ｐ１１により転送する信号と、信号ｐ１２により転送する信号は、加算平均された同じ信号であるので、信号ｐ１１及びｐ１２のいずれか一方のみにより転送するようにしてもよい。上記の駆動により得られた出力信号は、通常の撮影動作による撮影画像となる。

図１１は、撮像装置１２の駆動方法を示すフローチャートである。ステップＳ１０１では、制御回路６は、撮像装置１２の動作モードの判断を行い、測距を行うモードか、画像撮影モードの何れかに設定されているかの判断を行う。測距を行うモードである場合にはステップＳ１０２へ進み、画像撮影モードである場合にはステップＳ１０７へ進む。

ステップＳ１０２では、制御回路６は、瞳分割位相差方式による焦点検出を行うか否かの判断を行う。具体的には、制御回路６は、測光手段によって、被写体の輝度が閾値より低い場合には、測距精度が得られない暗中条件であるとしてステップＳ１０５へ進み、被写体の輝度が閾値より高い場合には、ステップＳ１０３に進む。また、制御回路６は、操作部７のユーザー設定により、ＴＯＦ方式が選択されていればステップＳ１０５へ進み、瞳分割位相差方式が選択されていればステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０３では、撮像装置１２は、図７の第１の駆動方法により駆動し、瞳分割位相差方式により被写体までの距離を演算する。瞳分割位相差方式では、投光回路１１は被写体に対して投光せず、画像処理装置５はＡ像信号とＢ像信号とのズレ量（位相差）を基に被写体までの距離を演算する。その後、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、制御回路６は、ステップＳ１０３の駆動を基に瞳分割位相差方式の信頼性の判定を行う。撮像素子１の出力信号から像ズレが検出できない場合や、Ａ像及びＢ像の一致度等により、瞳分割位相差方式の信頼性がないと判断された場合には、ステップＳ１０５へ進む。瞳分割位相差方式の信頼性があると判断された場合には、ステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０５では、撮像装置１２は、図８の第２の駆動方法により駆動し、ＴＯＦ方式により被写体までの距離を演算する。ＴＯＦ方式では、投光回路１１は被写体に対して投光し、画像処理装置５は反射光の遅延時間Ｔｄを基に被写体までの距離Ｌを演算する。その後、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、制御回路６は、ステップＳ１０３又はＳ１０５で演算された距離を基に、撮影レンズのフォーカス駆動を行い焦点を合わせる。

ステップＳ１０７では、撮像装置１２は、図９の第３の駆動方法により駆動し、撮影画像を生成する。

以上のように、本実施形態によれば、瞳分割位相差方式による焦点検出が困難な場合でも、ＴＯＦ方式により焦点検出が可能になり、合焦した画像を取得することができる。

（第２の実施形態）
図１２は、本発明の第２の実施形態による単位画素４００の構成例を示す回路図である。本実施形態（図１２）は、第１の実施形態（図２）に対して、オーバーフロードレイン構造のための電荷排出トランジスタ１１６〜１１８を追加したものである。以下、本実施形態が第１の実施形態と異なる点を説明する。第１の電荷排出トランジスタ１１６は、フォトダイオード１０１及びオーバーフロードレイン領域ＯＦＤの間に接続される。第２の電荷排出トランジスタ１１７は、フォトダイオード１０２及びオーバーフロードレイン領域ＯＦＤの間に接続される。第３の電荷排出トランジスタ１１８は、フォトダイオード１０３及びオーバーフロードレイン領域ＯＦＤの間に接続される。

電荷排出トランジスタ１１６は、信号Ｐｏｆｄ１に応じて、フォトダイオード１０１の電荷をオーバーフロードレイン領域ＯＦＤに排出する。電荷排出トランジスタ１１７は、信号Ｐｏｆｄ２に応じて、フォトダイオード１０２の電荷をオーバーフロードレイン領域ＯＦＤに排出する。電荷排出トランジスタ１１８は、信号Ｐｏｆｄ３に応じて、フォトダイオード１０３の電荷をオーバーフロードレイン領域ＯＦＤに排出する。

電荷排出トランジスタ１１６〜１１８は、それぞれ、ＦＤ１０６及び１１２で電荷を保持する期間において、フォトダイオード１０１〜１０３で新たな電荷が生成されても、その電荷をオーバーフロードレイン領域ＯＦＤに排出する。これにより、不要電荷を低減させることができる。

オーバーフロードレイン領域ＯＦＤは、フォトダイオード１０１及びフォトダイオード１０３では横型構造、フォトダイオード１０２では縦型構造を用いることで、その構成上、効率的な構造となる。

なお、オーバーフロードレイン領域ＯＦＤへの排出駆動は、図７の第１の駆動方法では未使用となるフォトダイオード１０２の電荷が排出され、図８の第２の駆動方法では未使用となるフォトダイオード１０１及び１０３の電荷が排出される。これにより、各駆動時に不要となる電荷の影響を受けず、精度よい測距動作を行うことが可能となる。

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。

１２ 撮像装置、１０１，１０２，１０３ フォトダイオード、１０６，１１２ フローティングディフュージョン、１０４，１０５，１１０，１１１ 転送トランジスタ、４００ 単位画素

Claims (11)

1. 複数の単位画素を有し、
   前記複数の単位画素の各々は、
   光を電荷に変換する第１の光電変換部と、
   光を電荷に変換する第２の光電変換部と、
   光を電荷に変換する第３の光電変換部と、
   電荷を保持する第１のフローティングディフュージョンと、
   電荷を保持する第２のフローティングディフュージョンと、
   前記第１の光電変換部の電荷を前記第１のフローティングディフュージョンに転送する第１の転送トランジスタと、
   前記第２の光電変換部の電荷を前記第１のフローティングディフュージョンに転送する第２の転送トランジスタと、
   前記第２の光電変換部の電荷を前記第２のフローティングディフュージョンに転送する第３の転送トランジスタと、
   前記第３の光電変換部の電荷を前記第２のフローティングディフュージョンに転送する第４の転送トランジスタとを有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記複数の単位画素の各々は、
   ゲートが前記第１のフローティングディフュージョンに接続される第１の増幅トランジスタと、
   ゲートが前記第２のフローティングディフュージョンに接続される第２の増幅トランジスタとを有することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記複数の単位画素の各々は、
   前記第１の増幅トランジスタ及び第１の出力線の間に接続される第１の選択トランジスタと、
   前記第２の増幅トランジスタ及び第２の出力線の間に接続される第２の選択トランジスタとを有することを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
4. 前記複数の単位画素の各々は、
   前記第１のフローティングディフュージョン及びリセット電圧ノードの間に接続される第１のリセットトランジスタと、
   前記第２のフローティングディフュージョン及びリセット電圧ノードの間に接続される第２のリセットトランジスタとを有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. 前記複数の単位画素の各々は、
   前記第１の光電変換部及びオーバーフロードレイン領域の間に接続される第１の電荷排出トランジスタと、
   前記第２の光電変換部及びオーバーフロードレイン領域の間に接続される第２の電荷排出トランジスタと、
   前記第３の光電変換部及びオーバーフロードレイン領域の間に接続される第３の電荷排出トランジスタとを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 第１のモードでは、
   前記第１の転送トランジスタが前記第１の光電変換部の電荷を前記第１のフローティングディフュージョンに転送し、
   前記第４の転送トランジスタが前記第３の光電変換部の電荷を前記第２のフローティングディフュージョンに転送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. さらに、光を投射する投光回路を有し、
   第２のモードでは、
   前記投光回路が光を投射し、
   前記第２の転送トランジスタが前記第２の光電変換部の電荷を前記第１のフローティングディフュージョンに転送し、
   その後、前記第３の転送トランジスタが前記第２の光電変換部の電荷を前記第２のフローティングディフュージョンに転送する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. 第３のモードでは、
   前記第１の転送トランジスタが前記第１の光電変換部の電荷を前記第１のフローティングディフュージョンに転送し、
   前記第２の転送トランジスタが前記第２の光電変換部の電荷を前記第１のフローティングディフュージョンに転送し、
   前記第３の転送トランジスタが前記第２の光電変換部の電荷を前記第２のフローティングディフュージョンに転送し、
   前記第４の転送トランジスタが前記第３の光電変換部の電荷を前記第２のフローティングディフュージョンに転送することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. さらに、前記第１のフローティングディフュージョンの電荷及び前記第２のフローティングディフュージョンの電荷を基に被写体までの距離を演算する画像処理装置を有することを特徴とする請求項６又は７記載の撮像装置。
10. さらに、前記第１のモードでは、前記第１のフローティングディフュージョンの電荷に基づく像信号及び前記第２のフローティングディフュージョンの電荷に基づく像信号の位相差を演算し、前記位相差を基に被写体までの距離を演算する画像処理装置を有することを特徴とする請求項６記載の撮像装置。
11. さらに、前記第２のモードでは、前記第１のフローティングディフュージョンの電荷及び前記第２のフローティングディフュージョンの電荷を基に、前記投光回路の投射光に対する反射光の遅延時間を演算し、前記遅延時間を基に被写体までの距離を演算する画像処理装置を有することを特徴とする請求項７記載の撮像装置。

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