JP2016092594A - Imaging device and driving method of solid state image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus and a method for driving a solid-state imaging element.
自動的に撮影レンズの焦点位置を調節するオートフォーカス(以下、AFと略す。)機能として、大きく分けて2つの方法が挙げられる。第1の方法はコントラスト方式などと呼ばれるもので、焦点位置を変えながら撮像した画像を基にコントラストが最も高くなる位置を探す。この第1の方法では、AF動作のためのセンサーを必要としないが、フォーカシング用レンズを駆動しながらコントラストピークを見つける動作を繰り返し行うので高速なAF動作に不向きである。 There are roughly two methods as an autofocus (hereinafter abbreviated as AF) function for automatically adjusting the focal position of the taking lens. The first method is called a contrast method or the like, and a position where the contrast becomes the highest is searched based on an image captured while changing the focal position. This first method does not require a sensor for AF operation, but is not suitable for high-speed AF operation because the operation of finding a contrast peak is repeatedly performed while driving a focusing lens.
第2の方法は位相差検出方式などと呼ばれるもので、例えばデジタル一眼レフカメラに専用の位相差検出用センサーが設けられ、クイックリターンミラーが一部の光束を導光させている。専用のセンサーやミラー等の部材がスペース上大きな割合を占めるが、AF動作に必要な焦点位置の移動量を直接求めることができるので繰り返し測定の必要が少なく高速なAF動作が可能となる。 The second method is called a phase difference detection method. For example, a digital single lens reflex camera is provided with a dedicated phase difference detection sensor, and a quick return mirror guides a part of the light flux. Although members such as dedicated sensors and mirrors occupy a large proportion in space, the amount of movement of the focal position necessary for the AF operation can be directly obtained, so that there is little need for repeated measurement and high-speed AF operation is possible.
最近では、専用の位相差検出用センサーを設ける代わりに、位相差検出兼用の固体撮像素子が導入されつつある。位相差検出兼用の固体撮像素子は、マイクロレンズの光軸に対して感光領域を偏心させた受光画素が、撮像用画素の中に所定間隔で配置されている。これにより、低コスト及び省スペースでありながら、従来のデジタル一眼レフカメラと同様の高速なAF動作を実現することができるようになってきた。 In recent years, instead of providing a dedicated phase difference detection sensor, a solid-state imaging device that is also used for phase difference detection is being introduced. In the solid-state imaging device also used for phase difference detection, light receiving pixels in which the photosensitive region is decentered with respect to the optical axis of the microlens are arranged at predetermined intervals in the imaging pixels. As a result, it has become possible to realize a high-speed AF operation similar to that of a conventional digital single-lens reflex camera while being low-cost and space-saving.
位相差検出用の受光画素の固体撮像素子内における配置には、様々な方式が提案されている。例えば特許文献1に記載の方式では、水平1ライン状に配置されており、2像相関を求める際のラインずれの影響を補正する余地がなく正確なAF動作が可能となる。しかしながら、静止画像等のすべての画素の情報を使用するときには、位相差検出用の画素のラインについて周囲画素からの補間等を行う必要性が考えられる。したがって、その画像部位に高周波成分を伴う被写体が写った場合には、補間ミス等の画像劣化を引き起こすことが考えられる。
Various methods have been proposed for arranging the light receiving pixels for phase difference detection in the solid-state imaging device. For example, the method described in
また、特許文献2には、いわゆるベイヤー配列において、人間の画像認識特性に基づいて、輝度情報の多いG(緑)画素を撮像用画素として残し、R(赤)画素やB(青)画素の一部を焦点検出用の画素として置き換える構成が示されている。このような構成で通常のCMOSセンサー信号の読み出しを考える場合、少なくとも水平2ラインにまたがって焦点検出用の画素から信号が読み出されるのでアクセスが遅くなるという課題がある。しかも、当該水平2ラインにはAF動作には不要なG画素が含まれるという側面もある。
Further, in
ベイヤー配列におけるR画素やB画素等の千鳥状に配置された位相差検出用の画素から信号を読み出す場合、従来の手法では2行分の水平走査期間が必要であるうえにAF動作には不要なG画素まで信号を読み出しているため、高速なAF動作を妨げていた。本発明の目的は、千鳥状に配置された位相差検出用の画素からの信号のみを固体撮像素子の外部に出力することで、AF動作に必要な信号を高速に取得することができる撮像装置を提供することである。 When signals are read from the phase difference detection pixels arranged in a staggered pattern such as R pixels and B pixels in the Bayer array, the conventional method requires a horizontal scanning period of two rows and is not necessary for the AF operation. Since signals are read up to the G pixel, high-speed AF operation is hindered. An object of the present invention is to output only signals from pixels for phase difference detection arranged in a staggered manner to the outside of a solid-state image sensor, thereby acquiring an image necessary for AF operation at high speed. Is to provide.
本発明に係る撮像装置は、撮像用画素及びマイクロレンズの光軸に対して感光領域が偏心した位相差検出用の画素を有し、第1の位相差検出用の画素が第1の画素行に配置され、前記第1の位相差検出用の画素と組となる第2の位相差検出用の画素が前記第1の画素行に隣接する第2の画素行に配置されている画素領域と、第1の保持手段及び第2の保持手段を列毎に有し、前記画素領域に配置されている画素からの信号が垂直出力線を介して伝達され該信号を前記第1の保持手段及び前記第2の保持手段に保持する列回路と、前記列回路の前記第1の保持手段に保持された信号と前記第2の保持手段に保持された信号との差分信号を出力する出力回路とを有する固体撮像素子と、1つの水平走査期間に、前記固体撮像素子の隣接する2つの画素行に配置された、組となる前記第1の位相差検出用の画素及び前記第2の位相差検出用の画素から信号が読み出されるよう前記固体撮像素子を駆動する駆動回路とを有する。 The imaging apparatus according to the present invention includes imaging pixels and phase difference detection pixels in which the photosensitive region is decentered with respect to the optical axis of the microlens, and the first phase difference detection pixels are in the first pixel row. A pixel region in which a second phase difference detection pixel paired with the first phase difference detection pixel is disposed in a second pixel row adjacent to the first pixel row; The first holding means and the second holding means are provided for each column, and a signal from a pixel arranged in the pixel region is transmitted via a vertical output line, and the signal is transmitted to the first holding means and A column circuit held in the second holding means; and an output circuit for outputting a differential signal between a signal held in the first holding means of the column circuit and a signal held in the second holding means; And two adjacent solid-state image sensors in one horizontal scanning period. Arranged in behavior, and a driving circuit for driving the solid-state imaging device such that the first pixel and the signal from the second pixel for phase difference detection in the phase difference detection to be set is read.
本発明によれば、1つの水平走査期間において、2行分の位相差検出用の画素からの信号を読み出して固体撮像素子の外部に出力することができ、AF動作に必要な信号を高速に取得することが可能となる。 According to the present invention, in one horizontal scanning period, signals from two rows of phase difference detection pixels can be read and output to the outside of the solid-state imaging device, and signals necessary for AF operation can be output at high speed. It can be acquired.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、本発明の一実施形態における撮像装置の全体構成について説明する。図1は、本実施形態における撮像装置の構成例を示すブロック図である。図1において、撮影光学系1は、絞りやメカニカルシャッター及びフォーカシング用レンズ等を有する。固体撮像素子2は、撮影光学系1によって結像された被写体像を光電変換し電気信号として取り出す。固体撮像素子2の詳細については後述する。
First, the overall configuration of an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of an imaging apparatus according to the present embodiment. In FIG. 1, a photographic
A/D変換部(アナログ−デジタル変換部)3は、固体撮像素子2から出力されたアナログ画像信号をデジタル画像信号に変換する。なお、A/D変換部3は、固体撮像素子2にオンチップ化されていてもよい。A/D変換部3によってデジタル化された画像信号は、画像メモリ7に記憶され、信号処理回路6により、ホワイトバランス補正やガンマ補正等の各種の信号処理が施される。また、信号処理回路6は、固体撮像素子2が有する位相差検出用の画素からの画素信号に基づいて焦点位置の移動量等を算出するAF処理を行う。
The A / D conversion unit (analog-digital conversion unit) 3 converts the analog image signal output from the solid-
信号処理回路6により信号処理が施された画像信号は、例えばインターフェイス回路である記録回路8を介して記録媒体9に記録される。また、例えば信号処理が施された画像信号は、インターフェイス回路である表示回路10を通して、液晶ディスプレイ等の表示装置11に直接表示することもできる。また、表示装置11は、これから撮像しようとする画像を連続的にライブで表示するライブビュー表示や、記録した動画の再生表示も可能である。
The image signal subjected to the signal processing by the signal processing circuit 6 is recorded on the recording medium 9 via the recording circuit 8 which is an interface circuit, for example. For example, an image signal subjected to signal processing can be directly displayed on a display device 11 such as a liquid crystal display through a
タイミング発生回路4は、駆動回路5を通して撮影光学系1や固体撮像素子2等の撮像系を駆動する。また、タイミング発生回路4は、撮像系の駆動ひいては固体撮像素子2の出力信号に同期してA/D変換部3を駆動制御する。システム制御部12は、撮像装置全体を制御する。システム制御部12は、例えば揮発性メモリ(ROM:Read Only Memory)13に一時記憶されたプログラムを読み出して実行することにより各種の制御を行う。不揮発性メモリ(RAM:Random Access Memory)14は、撮像装置での処理実行時に転送されるべきプログラムや各種データを格納している。
The
本実施形態では、図2に示すように、被写体像に応じた画像信号を取得する撮像期間とオートフォーカス(AF)動作を行うAF期間とが時間的に独立に存在していることを想定している。撮像期間における撮影光学系1の焦点調節状態は、それ以前のAF期間の焦点調節結果がフィードバックされた状態で撮影が行われる。また、以下に説明する各実施形態は、AF期間における固体撮像素子2の読み出し方法を規定するものであって、撮像期間における読み出し方法を何ら限定するものではない。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, it is assumed that an imaging period for acquiring an image signal corresponding to a subject image and an AF period for performing an autofocus (AF) operation exist independently in time. ing. In the focus adjustment state of the imaging
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について説明する。図3は、第1の実施形態における固体撮像素子2の構成例を示す図である。固体撮像素子2は、図3に示すように、撮影光学系1によって被写体像が結像される画素領域20を有する。画素領域20には、光電変換部や転送手段及びリセット手段等をそれぞれ有する複数の画素が、水平方向及び垂直方向に等間隔で2次元状に配置されている。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the solid-
また、固体撮像素子2は、基本的には赤(R)、緑(G)、青(B)のカラーフィルターが配された画素が、ベイヤー配列で配置されている。位相差検出用(焦点検出用)の画素は、図3に示す例では、8ライン毎に2ラインずつR画素及びB画素を置き換える形式で千鳥状に配置されている。すなわち、ある1つの画素行のR画素の位置に位相差検出用の画素が配置され、それに隣接する1つの画素行のG画素の位置に位相差検出用の画素が配置されるようにして、それが8つの画素行毎に繰り返されている。本実施形態では、位相差検出用の画素として、R画素に相当する位置に光電変換部の一部を遮光したSHA画素が配置され、B画素に相当する位置にSHA画素とは線対称に光電変換部の一部を遮光したSHB画素が配置されている。SHA画素とSHB画素とが組となってそれらの信号を基に位相差検出用の画像が生成される。
Further, in the solid-
図4(A)に、図3に示した固体撮像素子2の第1行及び第2行の画素を示す。図4(A)において、200は、G画素、R画素及びB画素の撮像用画素や位相差検出用の画素(SHA画素及びSHB画素)の光電変換部をその径内に含むマイクロレンズである。なお、位相差検出用のSHA画素及びSHB画素は、このマイクロレンズ200の光軸に対してそれぞれ左右に感光領域が偏心していることとなる。
FIG. 4A shows the pixels in the first and second rows of the solid-
光電変換部201(201a、201b)は、光電変換により光信号を電気信号に変換する。光電変換部201(201a、201b)は、N型の半導体領域を含み、電荷蓄積部としての機能も兼ねる。光電変換部201aで発生した信号電荷は、転送トランジスタ203aを介して電荷電圧変換部202に転送される。また、光電変換部201bで発生した信号電荷は、転送トランジスタ203bを介して電荷電圧変換部202に転送される。
The photoelectric conversion unit 201 (201a, 201b) converts an optical signal into an electric signal by photoelectric conversion. The photoelectric conversion unit 201 (201a, 201b) includes an N-type semiconductor region and also functions as a charge storage unit. The signal charge generated in the
電荷電圧変換部202は、垂直方向の2画素で共有されている。電荷電圧変換部202は、各々の転送トランジスタの制御線Txa及びTxbにより転送トランジスタ203a及び203bを制御することで、光電変換部201a及び201bからの信号電荷を個別に転送可能となっている。図3においては、転送トランジスタの制御線は第1行(Txa(1))及び第2行(Txb(1)についてのみ示しており、他の行については図示を省略している。
The charge-
転送トランジスタ203(203a、203b)は、転送トランジスタの制御線を介して供給される信号がハイレベルであるときにオンとされ、ローレベルであるときにオフとされる。転送トランジスタの制御線は、水平方向に複数配置された光電変換部に対し共通に与えられている。電荷電圧変換部202もN型の半導体領域を含み、光電変換部と同様電荷蓄積部としての機能も兼ねる。電荷蓄積部としての機能の使い分けは、光電変換部201から電荷電圧変換部202への信号電荷の転送の前後に対応するにすぎない。
The transfer transistor 203 (203a, 203b) is turned on when a signal supplied via the control line of the transfer transistor is at a high level, and is turned off when the signal is at a low level. A plurality of transfer transistor control lines are provided in common to the photoelectric conversion units arranged in the horizontal direction. The charge-
電荷電圧変換部202は、さらに制御線Rxを介して供給される信号により制御されるリセットトランジスタ204を介して、電源電圧VDDにリセットすることが可能となっている。制御線Rxにハイレベルの信号を与えることにより、リセットトランジスタ204がオン状態となって、電荷電圧変換部202のリセットが行われる。
The charge-
このリセットの後にリセットトランジスタ204はオフとされるので、電荷電圧変換部202は電気的に浮遊(フローティング)状態となる。その後、電荷電圧変換部202は、光電変換部201より信号電荷が転送されると、転送された信号電荷に対応する分だけ電位が電源電圧VDDよりも降下し、これを信号として読み取ることでアナログ電気信号を出力する。
Since the
なお、信号電荷に対応する電位とは、信号電荷量を、電荷電圧変換部202の持つ容量で除算し、後述するソースフォロワ回路の電圧増幅率を乗じた電位である。また、図3においては、リセットトランジスタの制御線Rx及び電源電圧VDDも、第1行及び第2行で共有する電荷電圧変換部に対するもののみ示しており、他の電荷電圧変換部に対するものについては図示を省略している。
Note that the potential corresponding to the signal charge is a potential obtained by dividing the signal charge amount by the capacitance of the charge-
また、電荷電圧変換部202は、増幅トランジスタ205のゲートに接続されている。増幅トランジスタ205は、制御線Sxより供給される信号によって制御される選択トランジスタ206のオン動作により、m列目の垂直出力線(列出力線)Vmに接続された不図示の定電流源とソースフォロワ回路を構成し、信号電荷に対応する電位を伝達する。図3においては、選択トランジスタ206の制御線Sxも、第1行及び第2行で共有する電荷電圧変換部に対するもののみ示しており、他の電荷電圧変換部に対するものについては図示を省略している。
Further, the charge-
垂直出力線Vmは、画素領域20における垂直方向に関して複数の画素で共通に接続される一方、水平方向に複数配置された電荷電圧変換部202に関しては列毎に1対1に対応して存在している。以上のような画素からの画素信号の読み出しに係る信号電荷から電圧への変換、及び信号増幅等の取り扱いにおける各要素は、従来から知られたものである。
The vertical output lines Vm are commonly connected to a plurality of pixels in the vertical direction in the
図3においては、撮像用画素及び位相差検出用画素を兼ねて、垂直方向及び水平方向に等間隔で16行×8列分の画素を配列した固体撮像素子2を一例として示している。16行×8列という画素領域20内の画素数は、単純化のために設定したのであって、実用的には数百万から数千万画素程度のものが用いられている。ここで、画素に関わる制御線Rx、Txa、Txb、Sxについては、垂直走査回路21による垂直行指定に連動して制御される。
In FIG. 3, a solid-
図3に示す例では、垂直出力線Vmは、垂直方向に関して8つの電荷電圧変換部202で共通に接続されている一方、水平方向に列毎に配置された8つの電荷電圧変換部202に関して1対1に対応して計8本存在している。そして、8本の垂直出力線Vmは、図4(B)に構成を示す列回路部24の第1信号蓄積部に接続されている。
In the example shown in FIG. 3, the vertical output line Vm is commonly connected by the eight charge
ここで、mの値が奇数である場合には、第1信号蓄積部は容量C1mN及びC1mSを有し、mの値が偶数である場合には、第1信号蓄積部は容量C1mM及びC1mPを有する。また、容量C1mN及びC1mSを有する第1の信号蓄積部への書き込み用トランジスタには、制御線としてそれぞれP1_N及びP1_Sが接続されている。容量C1mM及びC1mPを有する第1の信号蓄積部への書き込み用トランジスタには、制御線としてそれぞれP1_M及びP1_Pが接続されている。このように本実施形態では、mの値が奇数である場合と偶数である場合とに分けて異なる制御線で垂直出力線Vmの電位を列回路24内の第1信号蓄積部に書き込んで保持する。
Here, when the value of m is an odd number, the first signal storage unit has capacitors C1mN and C1mS. When the value of m is an even number, the first signal storage unit has capacitors C1mM and C1mP. Have. Further, P1_N and P1_S are connected as control lines to the transistors for writing to the first signal storage portion having the capacitors C1mN and C1mS, respectively. P1_M and P1_P are connected as control lines to the transistors for writing to the first signal storage unit having the capacitors C1mM and C1mP, respectively. As described above, in the present embodiment, the potential of the vertical output line Vm is written and held in the first signal storage unit in the
列回路24の第1信号蓄積部の後段には、第2信号蓄積部が設けられている。mの値が奇数である場合には、第2信号蓄積部は容量C2mN及びC2mSを有し、mの値が偶数である場合には、第2信号蓄積部は容量C2mM及びC2mPを有する。第2信号蓄積部としての容量C2mN、C2mS、C2mM、及びC2mPは、第1信号蓄積部の容量C1mN、C1mS、C1mM、及びC1mPの電位をさらに信号として転送する1行分のメモリとしての機能を実現する。
A second signal storage unit is provided following the first signal storage unit of the
第1信号蓄積部の容量C1mNと第2信号蓄積部の容量C2mNとが転送トランジスタを介して接続され、第1信号蓄積部の容量C1mSと第2信号蓄積部の容量C2mSとが転送トランジスタを介して接続されている。また、第1信号蓄積部の容量C1mMと第2信号蓄積部の容量C2mMとが転送トランジスタを介して接続され、第1信号蓄積部の容量C1mPと第2信号蓄積部の容量C2mPとが転送トランジスタを介して接続されている。第1信号蓄積部の容量と第2信号蓄積部の容量との間の転送トランジスタは、制御線P2に共通接続されている。 The capacitor C1mN of the first signal storage unit and the capacitor C2mN of the second signal storage unit are connected via a transfer transistor, and the capacitor C1mS of the first signal storage unit and the capacitor C2mS of the second signal storage unit are connected via a transfer transistor. Connected. The capacitor C1mM of the first signal storage unit and the capacitor C2mM of the second signal storage unit are connected via a transfer transistor, and the capacitor C1mP of the first signal storage unit and the capacitor C2mP of the second signal storage unit are connected to the transfer transistor. Connected through. The transfer transistors between the capacitor of the first signal storage unit and the capacitor of the second signal storage unit are commonly connected to the control line P2.
なお、列回路24の第1信号蓄積部の前段に、信号電圧を増幅する増幅回路を設けてもよい。増幅回路は、高い撮影感度(高ISO感度)での撮影時における暗部のノイズを低減する手段として有用であるため広く用いられているが、本発明にとって必須の構成ではないため、図3では省略している。また、列回路24の第2信号蓄積部の直前に、バッファとしていわゆるボルテージフォロワ回路を設けていてもよい。ボルテージフォロワ回路は、第2信号蓄積部の持つ容量負荷を十分に早い時間で駆動するとともに、第1信号蓄積部に蓄積された電位と等しい電位を第2信号蓄積部に伝達する機能がある。
Note that an amplifier circuit that amplifies the signal voltage may be provided before the first signal storage unit of the
垂直走査回路21は、画素が有する転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び選択トランジスタを、後述するようなタイミングに従って、垂直方向に順次オンするよう垂直行指定を行う。水平走査回路22は、列回路24の第2信号蓄積部としての容量C2mN、C2mS、C2mM、及びC2mPに蓄積された電位を、出力回路23に出力するよう水平方向に関して選択的に順次走査する。
The
出力回路23は、電荷電圧変換部202のリセット後に浮遊状態となったときの電位と光電変換部201からの信号電荷を転送した後のS信号電位との差分信号を出力する。出力回路23は、例えば信号電荷転送後の電位と信号電荷転送前の電位を差し引きして出力する差動回路構成となっている。これにより、ノイズ除去済みのいわゆるS−N信号を得ることができる。
The output circuit 23 outputs a difference signal between the potential when the charge-
なお、出力回路23に接続された信号線を水平出力線と称することもある。また、水平走査や差分信号の出力を合わせて、水平転送と称することもある。また、列回路24の第2信号蓄積部から水平出力線への電位転送時には、第2信号蓄積部の容量(容量値C2とする)と水平出力線の容量(容量CHとする)との間で容量分割比C2/(C2+CH)倍に信号が低下する。したがって、この低下した電位どうしの差分を出力回路23から出力することとなる。
The signal line connected to the output circuit 23 may be referred to as a horizontal output line. Further, the horizontal scanning and the output of the difference signal may be collectively referred to as horizontal transfer. Further, during potential transfer from the second signal storage unit of the
図5は、第1の実施形態における固体撮像素子の駆動例を示すタイミングチャートである。図5には、第1の実施形態における固体撮像素子での位相差検出用の画素からの信号読み出し動作を示している。図5に示す駆動は、タイミング発生回路5によって実現される。以下、図5に示すタイミングチャートを参照して、固体撮像素子2の動作を説明する。
FIG. 5 is a timing chart showing an example of driving the solid-state imaging device in the first embodiment. FIG. 5 shows a signal readout operation from the phase difference detection pixel in the solid-state imaging device according to the first embodiment. The driving shown in FIG. 5 is realized by the
図5は、水平同期信号が表している通り、垂直走査回路21が位相差検出用の画素の存在する第1行及び第2行目を同時に選択したうえでの、各制御線の値を時刻毎に示している。したがって、図5に示した動作が完了すれば、垂直走査回路21は第9行及び第10行を選択し、図5と同様の動作を繰り返す。以下このような繰り返しは、位相差検出用の画素の存在する選択可能な行がなくなるまで継続される。
In FIG. 5, as indicated by the horizontal synchronization signal, the
図5に示す時刻t1において、水平同期信号の立ち上がりとともに、選択された画素行(第1行及び第2行)の選択トランジスタ206の制御線Sx(1)の信号レベルをハイレベルにする。これにより、選択された画素行に存在する画素の電荷電圧変換部202はすべて垂直出力線Vmと接続される。
At time t1 shown in FIG. 5, with the rise of the horizontal synchronization signal, the signal level of the control line Sx (1) of the
時刻t2において、リセットトランジスタ204の制御線Rx(1)の信号レベルがハイレベルになり、第1行及び第2行で共有する電荷電圧変換部202はすべて電源電圧VDDにリセットされる。こうして電荷電圧変換部202の電位は略VDDとなる。この電位状態は、時刻t3において、制御線Rx(0)の信号レベルがローレベルになり、リセットトランジスタ204がオフ状態になりリセットが解除された時点ではほとんど変化しない。なお、時刻t2の前に、水平同期信号が立ち下がっているが、これは同期信号が持つ情報として十分な期間だけハイ期間が維持されていればよいので、立ち下がり時刻は限定されるものではない。
At time t2, the signal level of the control line Rx (1) of the
時刻t3において、リセットトランジスタ204がオフ状態となったので、電荷電圧変換部202は浮遊(フローティング)状態となっている。時刻t4において、このような浮遊(フローティング)状態での奇数列の電荷電圧変換部202の電位を、列回路24の容量C1mNに信号として転送するため、制御線P1_Nの信号レベルをハイレベルにする。時刻t5にて、制御線P1_Nの信号レベルをローレベルにする。
At time t3, the
次に、時刻t6において、転送トランジスタ203aの制御線Txa(1)の信号レベルがハイレベルになり、第1行に存在する画素の光電変換部201aに光電変換・蓄積されていた信号電荷のすべてが、電荷電圧変換部202に転送される。時刻t6から信号電荷の転送に十分な期間が経過した時刻t7において、制御線Txa(1)の信号レベルがローレベルになる。
Next, at time t6, the signal level of the control line Txa (1) of the
次いで、時刻t8において、制御線P1_Sの信号レベルをハイレベルにする。これにより、奇数列の電荷電圧変換部202の電位が、列回路24の第1信号蓄積部としての容量C1mSに信号として転送され、保持される。このときの奇数列の電荷電圧変換部202の電位は、前述した浮遊(フローティング)状態の電位に、位相差検出用のSHA画素の光電変換部201の信号電荷に対応する電位を加えた電位である。時刻t9において、制御線P1_Sの信号レベルがローレベルになる。
Next, at time t8, the signal level of the control line P1_S is set to a high level. As a result, the potential of the charge-
また、制御線P1_Sと同じタイミングで制御線P1_Mをパルス状にハイレベルにし、偶数列の電荷電圧変換部202の電位を、列回路24の第1信号蓄積部としての容量C1mMに信号として転送され、保持される。このときの偶数列の電荷電圧変換部202の電位は、浮遊(フローティング)状態の電位に、G画素の光電変換部201の信号電荷に対応する電位を加えた電位である。
In addition, the control line P1_M is pulsed to the high level at the same timing as the control line P1_S, and the potential of the charge-
時刻t10において、転送トランジスタ203bの制御線Txb(1)の信号レベルがハイレベルになり、第2行に存在する画素の光電変換部201bに光電変換・蓄積されていた信号電荷のすべてが、電荷電圧変換部202に転送される。時刻t10から信号電荷の転送に十分な期間が経過した時刻t11において、制御線Txb(1)の信号レベルがローレベルになる。
At time t10, the signal level of the control line Txb (1) of the
次いで、時刻t12において、制御線P1_Pの信号レベルをハイレベルにする。これにより、偶数列の電荷電圧変換部202の電位が、列回路24の第1信号蓄積部としての容量C1mPに信号として転送され、保持される。このときの偶数列の電荷電圧変換部202の電位は、前述した浮遊(フローティング)状態の電位に、第1行に存在するG画素及び第2行に存在する位相差検出用のSHB画素の光電変換部201の信号電荷に対応する電位を加えた電位である。時刻t13において、制御線P1_Pの信号レベルがローレベルになる。また、時刻t13において、制御線Sx(0)の信号レベルがローレベルになり、位相差検出用の画素の存在する第1行及び第2行の画素の選択を終える。
Next, at time t12, the signal level of the control line P1_P is set to a high level. As a result, the potential of the charge-
以上が、第1の実施形態における固体撮像素子2の駆動タイミングのうち、いわゆる第1の水平ブランキング期間に相当する期間である。水平転送期間は、図5のタイミングチャートにおいて、水平走査信号が示す通り第1の水平ブランキング期間と時間的にオーバーラップしている。これは、第2の水平ブランキング期間である時刻t14〜時刻t15において制御線P2の信号レベルがパルス状にハイレベルになり、位相検出用のSHA画素及びSHB画素についての信号が、列回路24の第2信号蓄積部に転送されているからである。
The above is a period corresponding to a so-called first horizontal blanking period in the driving timing of the solid-
具体的には、第1行に存在するSHA画素については、第2信号蓄積部の容量C2mS及びC2mNにSHA画素の信号電位及び浮遊状態電位として転送されている。また、第2行に存在するSHB画素については、第2信号蓄積部の容量C2mP及びC2mMに(SHB画素の信号電位+G画素の信号電位)及びG画素の信号電位として転送されている。 Specifically, the SHA pixels existing in the first row are transferred to the capacitors C2mS and C2mN of the second signal storage unit as the signal potential and floating state potential of the SHA pixel. Further, the SHB pixels existing in the second row are transferred to the capacitors C2mP and C2mM of the second signal storage unit as (the signal potential of the SHB pixel + the signal potential of the G pixel) and the signal potential of the G pixel.
そのため、水平走査回路22が選択的にこれらの差分信号を出力するよう駆動すれば、SHA画素からの画素信号は、容量C2mSに蓄えられた信号と容量C2mNに蓄えられた信号との差分として得ることができる。また、SHB画素からの画素信号は、容量C2mPに蓄えられた信号と容量C2mMに蓄えられた信号との差分として得ることができる。いわば、偶数列目にあるSHB画素の信号は電荷電圧変換部202を共有する第1行のG画素の信号を基準として差分読み出しできることとなる。なお、その間、第1の水平ブランキング期間は次行に対して駆動することができる。
Therefore, if the
この結果、千鳥状に配置された位相検出用のSHA画素とSHB画素とを有する固体撮像素子であっても、1つの水平走査期間において、水平出力線及び出力端子23より直にSHA画素及びSHB画素の信号を読み出すことができる。また、位相検出用のSHA画素及びSHB画素と同じ画素行に配置された、AF動作には不要なG画素の信号を外部に読み出すことがない。本実施形態によれば、AF動作に必要な信号の読み出し時間を、従来と比較して1つの水平走査期間分の読み出し時間を短縮することができ、AF動作に必要な信号を高速に取得することが可能となる。 As a result, even in a solid-state imaging device having phase detection SHA pixels and SHB pixels arranged in a staggered pattern, the SHA pixels and SHBs are directly connected to the horizontal output line and the output terminal 23 in one horizontal scanning period. Pixel signals can be read out. In addition, signals of G pixels that are arranged in the same pixel row as the SHA pixels and SHB pixels for phase detection and are unnecessary for the AF operation are not read out to the outside. According to the present embodiment, the signal readout time required for the AF operation can be shortened by one horizontal scanning period as compared with the conventional case, and the signal necessary for the AF operation is acquired at high speed. It becomes possible.
なお、撮像用画素が存在する行の画素から信号を読み出す場合には、mの値で区別せずに1水平走査期間目で制御線Txaのみをハイレベルにするように駆動する。これにより、R画素及びG画素よりなる画素信号電位と、制御線P1_N及びP1_Mを同じ期間で立ち上げることにより得られる電荷電圧変換部202の浮遊状態電位を差し引きすれば、通常通りS−N済みの撮像用画素信号を1行ずつ得ることができる。そして、2水平走査期間目では制御線Txbのみをハイレベルにするように駆動し、同様にS−N済みのG画素及びB画素よりなる撮像用画素行からの信号を読み出すことが可能である。
Note that when signals are read out from the pixels in the row in which the imaging pixels are present, driving is performed so that only the control line Txa is set to the high level in the first horizontal scanning period without being distinguished by the value of m. As a result, if the pixel signal potential composed of the R pixel and the G pixel and the floating state potential of the charge-
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。第1の実施形態と同様の固体撮像素子2の構成(図3)において、図5とは異なる駆動を行っても、1つの水平走査期間において、SHA画素及びSHB画素の信号を読み出すことができる。以下に説明する第2の実施形態は、固体撮像素子での位相差検出用の画素からの信号読み出し動作が第1の実施形態とは異なり、その他は同様であるのでその説明は省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the configuration of the solid-
図6は、第2の実施形態における固体撮像素子の駆動例を示すタイミングチャートである。時刻t21〜時刻t27における動作は、図5に示した第1の実施形態での時刻t1〜t7における動作と同様である。 FIG. 6 is a timing chart illustrating a driving example of the solid-state imaging device according to the second embodiment. The operation from time t21 to time t27 is the same as the operation from time t1 to t7 in the first embodiment shown in FIG.
時刻t28において、制御線P1_Sの信号レベルをハイレベルにする。これにより、奇数列の電荷電圧変換部202の電位が、列回路24の第1信号蓄積部としての容量C1mSに信号として転送される。このときの奇数列の電荷電圧変換部202の電位は、前述した浮遊(フローティング)状態の電位に、位相差検出用のSHA画素の光電変換部201の信号電荷に対応する電位を加えた電位である。時刻t29において、制御線P1_Sの信号レベルがローレベルになる。なお、この時刻t28〜時刻t29において、第2の実施形態では、第1の実施形態とは異なり制御線P1_Mによる第1行のG画素信号の第1信号蓄積部への転送を行わない。
At time t28, the signal level of the control line P1_S is set to a high level. As a result, the potential of the charge-
時刻t30において、リセットトランジスタ204の制御線Rx(1)の信号レベルがハイレベルになり、第1行及び第2行で共有する電荷電圧変換部202はすべて電源電圧VDDにリセットされる。時刻t31において、リセットトランジスタ204がオフ状態となったので、電荷電圧変換部202は浮遊(フローティング)状態となっている。時刻t32において、このような浮遊(フローティング)状態での偶数列の電荷電圧変換部202の電位を、列回路24の容量C1mMに信号として転送するため、制御線P1_Mの信号レベルをハイレベルにする。時刻t33にて、制御線P1_Mの信号レベルをローレベルにする。
At time t30, the signal level of the control line Rx (1) of the
時刻t34において、転送トランジスタ203bの制御線Txb(1)の信号レベルがハイレベルになり、第2行に存在する画素の光電変換部201bに光電変換・蓄積されていた信号電荷のすべてが、電荷電圧変換部202に転送される。時刻t34から信号電荷の転送に十分な期間が経過した時刻t35において、制御線Txb(1)の信号レベルがローレベルになる。
At time t34, the signal level of the control line Txb (1) of the
次いで、時刻t36において、制御線P1_Pの信号レベルをハイレベルにする。これにより、偶数列の電荷電圧変換部202の電位が、列回路24の第1信号蓄積部としての容量C1mPに信号として転送される。このときの偶数列の電荷電圧変換部202の電位は、前述した浮遊(フローティング)状態の電位に、第2行に存在する位相差検出用のSHB画素の光電変換部201の信号電荷に対応する電位を加えた電位である。時刻t37において、制御線P1_Pの信号レベルがローレベルになる。また、時刻t37において、制御線Sx(0)の信号レベルがローレベルになり、位相差検出用の画素の存在する第1行及び第2行の画素の選択を終える。時刻t38以降は、図5に示した第1の実施形態における時刻t14以降と同様である。
Next, at time t36, the signal level of the control line P1_P is set to a high level. As a result, the potential of the charge-
図4との比較でわかるように、第2の実施形態では、電荷電圧変換部202のリセットが2回必要となるため、第1の実施形態よりも第1の水平ブランキング期間は長くなる。しかし、固体撮像素子2の構成を変更せずに、1つの水平走査期間において、SHA画素及びSHB画素の信号のみを固体撮像素子2の外部に取り出すことが可能であり、AF動作に必要な信号を高速に取得することが可能となる。
As can be seen from comparison with FIG. 4, in the second embodiment, the charge-
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。第1の実施形態及び第2の実施形態では、固体撮像素子2の構成として、電荷電圧変換部202を垂直方向の2画素で共有する例を示したが、これに限定されるものではなく、図7に示すように電荷電圧変換部202を各画素が有するように構成しても良い。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment and the second embodiment, an example in which the charge-
図7は、第3の実施形態における固体撮像層素子の構成例を示す図である。図7において、図4(A)に示した構成要素と同様の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図7に示すように構成しても、第1の実施形態と同様に、偶数列及び奇数列で異なるタイミングに第1信号蓄積部への書き込み用トランジスタを制御できる制御線を設けているので、図5又は図6に示したタイミングチャートを変形して適用することができる。 FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of the solid-state imaging layer element according to the third embodiment. In FIG. 7, the same components as those shown in FIG. 4A are denoted by the same reference numerals, and a duplicate description is omitted. Even when configured as shown in FIG. 7, as in the first embodiment, the control lines that can control the write transistors to the first signal storage unit are provided at different timings in the even columns and the odd columns. The timing chart shown in FIG. 5 or 6 can be modified and applied.
図8は、第3の実施形態における固体撮像素子の駆動例を示すタイミングチャートである。図7には、第3の実施形態における固体撮像素子2の構成において、第2の実施形態と同様の考え方に則った駆動例を示している。第2の実施形態で示した図6に示す駆動例との主な差分は以下の通りである。
FIG. 8 is a timing chart showing an example of driving the solid-state imaging device in the third embodiment. FIG. 7 shows a driving example based on the same concept as in the second embodiment in the configuration of the solid-
まず、時刻t49から第2行の選択トランジスタの制御線Sx(2)がハイレベルになり、制御線Sx(1)がローレベルになり、すなわち第1行に代わって第2行を選択する。時刻t50〜時刻t51において、第2行のリセットトランジスタの制御線Rx(2)の信号レベルがハイレベルになり、第2行の電荷電圧変換部202のリセットが行われる。時刻t52〜時刻t53において、制御線P1_Mの信号レベルがハイレベルになり、電荷電圧変換部202の浮遊状態の電位蓄積が行われる。時刻t54〜時刻t55において、制御線Tx(2)により転送される第1行の信号電荷転送が行われる。時刻t56〜時刻t57において、制御線P1_PによるSHB画素信号に対応する電位の第1信号蓄積部への転送が行われる。
First, from time t49, the control line Sx (2) of the selection transistor in the second row becomes high level, and the control line Sx (1) becomes low level, that is, the second row is selected instead of the first row. From time t50 to time t51, the signal level of the control line Rx (2) of the reset transistor in the second row becomes a high level, and the charge
以上のように、固体撮像素子2の電荷電圧変換部202の共有構成に拘わらず、1つの水平走査期間において、SHA画素及びSHB画素の信号のみを固体撮像素子2の外部に取り出すことができ、AF動作に必要な信号を高速に取得することが可能となる。
As described above, regardless of the shared configuration of the charge-
(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。第4の実施形態では、画素部の転送トランジスタの制御線の構成を変更することで、前述した各実施形態より簡略で効果の高い読み出し方法を実現する。第4の実施形態では、図9に示すように、位相検出用のSHB画素とG画素との電荷電圧変換部202の共有列(すなわちmが偶数の列)において、転送トランジスタの制御線TxaとTxbを交差させる。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment, by changing the configuration of the control line of the transfer transistor in the pixel portion, a reading method that is simpler and more effective than the above-described embodiments is realized. In the fourth embodiment, as shown in FIG. 9, the transfer transistor control line Txa in the shared column (that is, m is an even column) of the charge-
図9は、第4の実施形態における固体撮像層素子の構成例を示す図である。図9において、図4(A)に示した構成要素と同様の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。第4の実施形態では、制御線TxbはG画素の信号電荷の転送を制御し、制御線TxaはSHA画素及びSHB画素の信号電荷の転送を制御する。なお、このようなTx配線の交差構造は、位相差検出用の画素の存在する行に対してのみ適用してもよいし、撮像用画素の存在する行に適用してもよい。後者の場合には、制御線Txbにより撮像用画素G信号の電荷転送が制御され、制御線Txaにより撮像用画素R信号及びB信号の電荷転送が制御されることとなる。 FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of the solid-state imaging layer element according to the fourth embodiment. In FIG. 9, the same components as those shown in FIG. 4A are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In the fourth embodiment, the control line Txb controls the transfer of signal charges of the G pixel, and the control line Txa controls the transfer of signal charges of the SHA pixel and the SHB pixel. Note that such a cross structure of Tx wirings may be applied only to a row where pixels for phase difference detection exist, or may be applied to a row where pixels for imaging exist. In the latter case, the charge transfer of the imaging pixel G signal is controlled by the control line Txb, and the charge transfer of the imaging pixel R signal and the B signal is controlled by the control line Txa.
第4の実施形態では、詳細なタイミングチャートは図10に示すが、AF動作に必要な信号を得ようとする場合には、制御線Txaの信号レベルのみをハイレベルにすれば良い。第1の実施形態と比較すると、SHB画素とG画素の重ね合わせ電荷を読み出す必要がないため、時刻t61〜時刻t69までの簡易な駆動でSHA画素及びSHB画素の信号を得ることができる。また、制御線P1_N及びP1_Mと、制御線P1_S及びP1_Pとは、共通して図示しているように列番号mの値に拘わらず同様の動作を行えばよいので、駆動が容易になる。 In the fourth embodiment, a detailed timing chart is shown in FIG. 10, but in order to obtain a signal necessary for the AF operation, only the signal level of the control line Txa needs to be set to the high level. Compared with the first embodiment, since it is not necessary to read the superimposed charge of the SHB pixel and the G pixel, signals of the SHA pixel and the SHB pixel can be obtained by simple driving from time t61 to time t69. Further, since the control lines P1_N and P1_M and the control lines P1_S and P1_P need only perform the same operation regardless of the value of the column number m as shown in the figure, the drive becomes easy.
第4の実施形態においても、AF動作に必要な信号の読み出しを1つの水平走査期間で行うことができ、AF動作に必要な信号を高速に取得することが可能となる。また、位相検出用のSHA画素及びSHB画素と同じ画素行に配置された、AF動作には不要なG画素の信号を外部に読み出すこともない。 Also in the fourth embodiment, signals necessary for the AF operation can be read out in one horizontal scanning period, and signals necessary for the AF operation can be acquired at high speed. In addition, signals of G pixels that are arranged in the same pixel row as the SHA pixels and SHB pixels for phase detection and are unnecessary for the AF operation are not read out to the outside.
なお、前記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一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。 The above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed as being limited thereto. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
2:固体撮像素子 4:タイミング発生回路 5:駆動回路 6:信号処理回路 7:画像メモリ 12:システム制御部 20:画素領域 21:垂直走査回路 22水平走査回路 23:出力回路 24:列回路 200:マイクロレンズ 201:光電変換部 202:電荷電圧変換部 203:転送トランジスタ 204:リセットトランジスタ 205:増幅トランジスタ 206:選択トランジスタ Vm:垂直出力線(列出力線)
2: Solid-state imaging device 4: Timing generation circuit 5: Drive circuit 6: Signal processing circuit 7: Image memory 12: System control unit 20: Pixel area 21:
Claims (5)
1つの水平走査期間に、前記固体撮像素子の隣接する2つの画素行に配置された、組となる前記第1の位相差検出用の画素及び前記第2の位相差検出用の画素から信号が読み出されるよう前記固体撮像素子を駆動する駆動回路とを有することを特徴とする撮像装置。 A pixel for detecting a phase difference in which a photosensitive region is decentered with respect to an optical axis of the imaging pixel and the microlens; the first phase difference detecting pixel is disposed in a first pixel row; A pixel region in which a second phase difference detection pixel paired with a phase difference detection pixel is arranged in a second pixel row adjacent to the first pixel row; a first holding unit; 2 holding means for each column, a signal from a pixel arranged in the pixel region is transmitted via a vertical output line, and the signal is held in the first holding means and the second holding means. A solid-state imaging device, and a column circuit that outputs a differential signal between the signal held in the first holding unit and the signal held in the second holding unit of the column circuit;
In one horizontal scanning period, a signal is output from the first phase difference detection pixel and the second phase difference detection pixel that are arranged in two adjacent pixel rows of the solid-state imaging device. An image pickup apparatus comprising: a drive circuit that drives the solid-state image pickup device so as to be read out.
前記駆動回路は、組となる前記第1の位相差検出用の画素及び前記第2の位相差検出用の画素から信号を読み出すとき、前記電荷電圧変換部のリセットを解除した状態での電位に応じた信号を読み出して前記第1の位相差検出用の画素が配置された列の前記第1の保持手段に保持させ、前記第1の画素行の画素からの信号を前記電荷電圧変換部に転送した状態での電位に応じた信号を読み出して前記第1の位相差検出用の画素が配置された列の前記第2の保持手段及び前記第2の位相差検出用の画素が配置された列の前記第1の保持手段に保持させ、前記第1の画素行の画素からの信号及び前記第2の画素行の画素からの信号を前記電荷電圧変換部に転送した状態での電位に応じた信号を読み出して前記第2の位相差検出用の画素が配置された列の前記第2の保持手段に保持させることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 The solid-state imaging device includes the second phase difference detection paired with a pixel in a first pixel row in which the first phase difference detection pixel is arranged and the first phase difference detection pixel. Each pixel has a charge-to-voltage converter that is shared with the pixels in the second pixel row in which the pixels for pixels are arranged and to which signal charges from the pixels are transferred,
When the drive circuit reads a signal from the first phase difference detection pixel and the second phase difference detection pixel that form a pair, the drive circuit sets the potential in a state in which the reset of the charge voltage conversion unit is released. The corresponding signal is read out and held in the first holding unit in the column in which the first phase difference detection pixels are arranged, and the signal from the pixel in the first pixel row is sent to the charge voltage conversion unit. A signal corresponding to the potential in the transferred state is read out, and the second holding means and the second phase difference detection pixel in the column in which the first phase difference detection pixel is arranged are arranged. Depending on the potential in a state where the signal from the pixel in the first pixel row and the signal from the pixel in the second pixel row are transferred to the charge-voltage conversion unit. And the second phase difference detection pixel is arranged. Imaging device according to claim 1, characterized in that held in the second holding means columns.
前記組となる前記第1の位相差検出用の画素及び前記第2の位相差検出用の画素からの電荷電圧変換部への信号電荷の転送が同じ制御線を介して供給される信号に基づいて行われることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 The solid-state imaging device includes the second phase difference detection paired with a pixel in a first pixel row in which the first phase difference detection pixel is arranged and the first phase difference detection pixel. Each pixel has a charge-to-voltage converter that is shared with the pixels in the second pixel row in which the pixels for pixels are arranged and to which signal charges from the pixels are transferred,
Transfer of signal charges from the first phase difference detection pixel and the second phase difference detection pixel to the charge voltage conversion unit in the set is based on a signal supplied through the same control line. The imaging apparatus according to claim 1, wherein the imaging apparatus is performed.
1つの水平走査期間に、前記固体撮像素子の隣接する2つの画素行に配置された、組となる前記第1の位相差検出用の画素及び前記第2の位相差検出用の画素から信号が読み出されるよう前記固体撮像素子を駆動することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 A pixel for detecting a phase difference in which a photosensitive region is decentered with respect to an optical axis of the imaging pixel and the microlens; the first phase difference detecting pixel is disposed in a first pixel row; A pixel region in which a second phase difference detection pixel paired with a phase difference detection pixel is arranged in a second pixel row adjacent to the first pixel row; a first holding unit; 2 holding means for each column, a signal from a pixel arranged in the pixel region is transmitted via a vertical output line, and the signal is held in the first holding means and the second holding means. For driving a solid-state imaging device, and an output circuit that outputs a difference signal between a signal held in the first holding unit and a signal held in the second holding unit of the column circuit And arranged in two adjacent pixel rows of the solid-state image sensor in one horizontal scanning period. A solid-state imaging device, wherein the solid-state imaging device is driven so that a signal is read out from the first phase-difference detection pixel and the second phase-difference detection pixel that are set. Driving method.
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