JP2016144135A - 光電変換装置、撮像システム及び光電変換装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】余剰電荷の検出精度が向上された光電変換装置を提供すること。【解決手段】本発明の一側面に係る光電変換装置は、入射光に応じた電荷を生成する光電変換部と、光電変換部に蓄積された電荷を電荷蓄積部に転送する電荷転送部と、電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた電圧を出力する増幅部とを含む画素を複数有する画素部と、参照電圧を生成する参照電圧生成部と、増幅部からの出力電圧と、参照電圧生成部から出力された参照電圧とを比較して比較結果を出力する比較部と、比較結果に基づいて、光電変換部の電荷の蓄積の終了タイミングを制御する制御部とを備え、電荷転送部が非導通状態において光電変換部から電荷蓄積部に移動した電荷に基づいて増幅部が出力した信号と比較される参照電圧が、電荷蓄積部に暗電流によって蓄積される電荷に応じた電圧であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換装置、撮像システム及び光電変換装置の駆動方法に関する。

特許文献１には、位相差検出型オートフォーカス（Auto Focusing）に用いられる光電変換装置が開示されている。この光電変換装置は、フォトダイオードなどの光電変換部で生じた光電荷の蓄積量をモニタし、回路のダイナミックレンジを考慮して、自動的に電荷の蓄積時間を制御する。この光電変換装置は、光電変換部からフローティングディフュージョン等の電荷電圧変換部にあふれ出た余剰電荷をモニタすることにより、電荷の蓄積時間を制御する構成を有している。これにより、オートフォーカスの動作に適したレベルの信号を取得できる。

特開２００９−１３０３９６号公報

特許文献１に記載の光電変換装置は、余剰電荷を検出するための閾値電圧が電荷電圧変換部において発生し得る暗電流を考慮した値となっていない。この場合、撮影するシーンによっては電荷電圧変換部で発生した暗電流により蓄積された電荷が余剰電荷と誤判定されるなどの要因で、余剰電荷の検出精度が低下し、これによりオートフォーカス精度が低下することがある。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、余剰電荷の検出精度が向上された光電変換装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る光電変換装置は、入射光に応じた電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された電荷を電荷蓄積部に転送する電荷転送部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた電圧を出力する増幅部とを含む画素を複数有する画素部と、参照電圧を生成する参照電圧生成部と、前記増幅部からの出力電圧と、前記参照電圧生成部から出力された参照電圧とを比較して比較結果を出力する比較部と、前記比較結果に基づいて、前記光電変換部の電荷の蓄積の終了タイミングを制御する制御部とを備え、前記電荷転送部が非導通状態において前記光電変換部から前記電荷蓄積部に移動した電荷に基づいて前記増幅部が出力した信号と比較される前記参照電圧が、前記電荷蓄積部に暗電流によって蓄積される電荷に応じた電圧であることを特徴とする。

本発明によれば、余剰電荷の検出精度が向上された光電変換装置が提供される。

第１の実施形態に係る光電変換装置の回路構成を示す図である。 第１の実施形態に係る画素の断面図である。 第１の実施形態に係る光電変換装置の動作を示すタイミング図である。 第１の実施形態に係る画素のポテンシャル図である。 第１の実施形態とその比較例に係る画素のポテンシャル図である。 第２の実施形態に係る光電変換装置の回路レイアウト図である。 第２の実施形態に係る光電変換装置の動作を示すタイミング図である。 第２の実施形態とその比較例に係る画素のポテンシャル図である。 第３の実施形態に係る光電変換装置の動作を示すタイミング図である。 第３の実施形態とその比較例に係る画素のポテンシャル図である。 第４の実施形態に係る光電変換装置の回路レイアウト図である。 第４の実施形態に係る光電変換装置の回路構成を示す図である。 第５の実施形態に係る撮像システムの構成を示すブロック図である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の回路構成の一例を示す図である。光電変換装置は、画素部１０、制御部１２、パルス生成部１３、参照電圧生成部１４及び複数の比較器（比較部）１０６を含む。画素部１０は、画素１１を複数有する。本実施形態では、画素１１は一次元状に配されているが、これに限定されない。画素１１のそれぞれは、光電変換部１０１、電荷転送部１０２、フローティングディフュージョン（以下、ＦＤとする。）１０３、リセット部１０４、増幅部１０５を有する。また、複数の比較器１０６は複数の画素１１のそれぞれに対応して設けられている。

光電変換部１０１は、カソードに電源電圧ＶＤＤが入力されるフォトダイオードで構成される。光電変換部１０１は、入射光に応じた光電荷を生成し、蓄積する。本実施形態の場合、光電変換部１０１で生成及び蓄積される電荷はホールであるが、電子が蓄積される構成に変形してもよい。

電荷転送部１０２及びリセット部１０４は、ＰＭＯＳで構成される。電荷転送部１０２は、光電変換部１０１のアノードとＦＤ１０３との間に接続される。電荷転送部１０２は、パルス生成部１３から入力される転送パルスに応じて、導通状態（オン）又は非導通状態（オフ）に制御され、光電変換部１０１に蓄積された電荷をＦＤ１０３へ転送する（以下、電荷転送動作と呼ぶ。）。なお、電荷転送部１０２及びリセット部１０４は、ＮＭＯＳであってもよい。この場合、後述の制御信号のＨｉｇｈとＬｏｗを逆にすることにより同様の制御が可能となる。

電荷転送部１０２が非導通状態のときに、光電変換部１０１に蓄積される電荷数が飽和電荷数を超えると、光電変換部１０１で生成されたが蓄積することができない余剰電荷は光電変換部１０１からあふれ出し、電荷転送部１０２を通じてＦＤ１０３へ移動する。これを、以下、オーバーフローと呼ぶ。

ＦＤ１０３は、増幅部１０５の入力ノードに形成される容量である。この容量は、増幅部１０５の入力ノードに生じる寄生容量であってもよく、容量素子を接続したものであってもよい。ＦＤ１０３には、光電変換部１０１から転送された電荷に応じた電圧が生じる。この電圧は増幅部１０５に入力される。すなわち、ＦＤ１０３は、電荷蓄積部として機能するとともに、電荷電圧変換の機能を有する。

リセット部１０４のソースはＦＤ１０３に接続され、ドレインには所定のリセット電圧に対応する電圧が入力される。この電圧は、不図示のリセット電圧源から供給される電圧であってもよく、図示されているようにグラウンド電圧としてもよい。パルス生成部１３からリセット部１０４のゲートに入力されるリセットパルスに応じて、ＦＤ１０３にはリセット電圧が供給される。これにより、光電変換部１０１及びＦＤ１０３はリセット電圧にリセットされる（以下、リセット動作と呼ぶ。）。

増幅部１０５はソースフォロア回路等で構成され、入力電圧を増幅又はバッファリングして出力する機能を有する。増幅部１０５の出力ノードは比較器１０６の非反転入力端子に接続される。

比較器１０６は、非反転入力端子、反転入力端子及び出力端子を有する。比較器１０６の反転入力端子には参照電圧生成部１４から参照電圧が入力される。比較器１０６の出力端子は制御部１２に接続される。比較器１０６は、反転入力端子に入力される参照電圧と非反転入力端子に入力される増幅部１０５の出力電圧とを比較して比較結果を制御部１２に出力する。すなわち、増幅部１０５の出力電圧が参照電圧よりも高い場合にはＨｉｇｈ、そうでない場合にはＬｏｗの電圧が出力端子から制御部１２に出力される。

比較器１０６は入力端子間にオフセット電圧を有していてもよい。この場合、増幅部１０５の出力電圧と参照電圧の差がオフセット電圧よりも高い場合にはＨｉｇｈ、そうでない場合にはＬｏｗの電圧が出力端子から制御部１２に出力される。

増幅部１０５の出力ノードが比較器１０６の反転入力端子に接続され、参照電圧生成部１４が比較器１０６の非反転入力端子に接続されていてもよい。この場合、出力電圧のＨｉｇｈとＬｏｗが逆になるが、その他の点は同様である。

制御部１２は比較器１０６から入力される電圧をモニタし、その電圧の変化に基づいて光電変換部１０１からＦＤ１０３への余剰電荷のオーバーフローを判定し、光電変換部１０１の電荷の蓄積の終了タイミングを制御する。この処理については後述する。また、制御部１２は、タイミング発生部（不図示）からの信号に基づいて、リセットパルス及び転送パルスを出力させるタイミングを指示するための制御信号をパルス生成部１３に送信する。上述のように、リセットパルス及び転送パルスは、それぞれ画素１１のリセット動作及び電荷転送動作のトリガーとなる。制御部１２は、リセット動作のパルスを所定のタイミングで出力する。また、制御部１２は、電荷転送動作のパルスをタイミング発生部から入力された信号及び比較器１０６から入力された信号に応じたタイミングで出力する。

パルス生成部１３は電荷転送部１０２及びリセット部１０４のゲートに接続される。パルス生成部１３では、制御部１２から入力された制御信号に従って転送パルス及びリセットパルスを出力する。転送パルスは、複数の画素１１の電荷転送部１０２の各々に入力され、複数の電荷転送部１０２の動作を同時に制御する。リセットパルスは、複数の画素１１のリセット部１０４の各々に入力され、リセット部１０４の動作を同時に制御する。また、パルス生成部１３は、参照電圧生成部１４に参照電圧の出力を開始するタイミングを指示するための制御信号を供給する。

参照電圧生成部１４は、パルス生成部１３からの制御信号の指示に基づいて参照電圧を生成して出力する。本実施形態では、参照電圧生成部１４は不図示の電圧源により参照電圧を生成する。参照電圧生成部１４が出力する参照電圧は、暗電流によりＦＤ１０３に蓄積される電荷によって生じる電圧に基づいて設定される。例えば、電圧源の出力電圧は光電変換部への電荷の蓄積時間に応じて変化するように設定される。また、蓄積時間に対する出力電圧の変化率（傾き）は、あらかじめＦＤ１０３で生じる暗電流による電圧の変化を測定しておき、この変化率に基づいて設定することが可能である。実際の暗電流による電圧の測定データではなく、シミュレーションにより算出された暗電流による電圧の変化率に基づいて設定してもよい。

図２は、図１の画素１１における光電変換部１０１、電荷転送部１０２、ＦＤ１０３及びリセット部１０４の断面図である。光電変換装置を形成する半導体基板内には、第１導電型半導体領域２００、２０１及び第２導電型半導体領域２０２、２０４、２０６が設けられている。また、半導体基板上には不図示の絶縁層を介してＰＭＯＳのゲート電極である電極２０３、２０５が形成されている。

光電変換部１０１は、第１導電型半導体領域２０１及び第２導電型半導体領域２０２により構成される。第１導電型半導体領域２０１は第２導電型半導体領域２０２の表面に形成される。これにより、半導体基板表面に存在する欠陥に起因する暗電流を抑制する効果が得られる。第２導電型半導体領域２０２は第１導電型半導体領域２００中に設けられておりＰＮ接合が形成されている。この接合により、光電変換部１０１に照射された光に応じて発生した光電荷が、第２導電型半導体領域２０２に蓄積される。

電荷転送部１０２を構成する電極２０３は第２導電型半導体領域２０２と第２導電型半導体領域２０４との間に形成される。また、第２導電型半導体領域２０４はＦＤ１０３を構成する。電極２０３に所定の電圧が印加されると、電極２０３直下の半導体表面にチャネルが形成され、光電変換部１０１に蓄積された光電荷がＦＤ１０３へ転送される。リセット部１０４を構成する電極２０５は、第２導電型半導体領域２０４と第２導電型半導体領域２０６との間に形成される。電極２０５に所定の電圧が印加されると、電極２０５直下の半導体表面にチャネルが形成され、ＦＤ１０３に蓄積された電荷が第２導電型半導体領域２０６へ排出される。

本実施形態の図１に示した回路の場合、第１導電型はＮ型であり、第２導電型はＰ型である。しかしながら、第１導電型はＰ型であり、第２導電型はＮ型である構成に変形してもよい。この場合、電荷転送部１０２及びリセット部１０４は、ＮＭＯＳとなり、図１に示された光電変換部１０１のアノードとカソードが逆になる。

図３は第１の実施形態に係る光電変換装置の各パルス及び出力電圧等の関係を示したタイミング図である。転送パルス及びリセットパルスはＰＭＯＳに入力される制御信号であるため、Ｌｏｗアクティブで示されている。すなわち、転送パルス及びリセットパルスがＬｏｗの期間に電荷転送部１０２及びリセット部１０４が導通状態になる。

期間Ｔ１２は光電変換部１０１及びＦＤ１０３のリセット期間であり、時刻ｔ１はリセット動作の開始時刻である。時刻ｔ１において、転送パルス及びリセットパルスがＬｏｗになる。これにより、光電変換部１０１及びＦＤ１０３に蓄積された電荷が排出される。なお、この時刻において、増幅部１０５の出力電圧はリセット電圧に対応する電圧となる。また、参照電圧生成部１４の出力電圧は増幅部１０５の出力電圧よりも高い値に設定されている。これにより、比較器１０６の出力電圧はＬｏｗとなっている。

時刻ｔ２は光電変換部１０１への光電荷の蓄積開始時刻である。時刻ｔ２において、転送パルスがＨｉｇｈになる。これにより、電荷転送部１０２が非導通状態となり、光電変換部１０１の電荷排出が終了する。同時刻より光電荷の蓄積が開始され、光電変換部１０１に蓄積される電荷量が増加を始める。光電変換部１０１で生じる電荷量は、露光時間に比例する。したがって、図３に示されるように、光電変換部１０１で生じる電荷量は蓄積時間に対して線形となる。

時刻ｔ３はＦＤ１０３への余剰電荷のオーバーフロー検出を開始する時刻である。これ以降の期間Ｔ３４、Ｔ４６において、余剰電荷のオーバーフロー検出が行われる。時刻ｔ３において、リセットパルスがＨｉｇｈになることでリセット部１０４が非導通状態となり、ＦＤ１０３の電荷排出が終了する。同時刻よりＦＤ１０３内で発生した暗電流によって電荷がＦＤ１０３に蓄積される。これに起因して、ＦＤ１０３の電位及び増幅部１０５の出力電圧が上昇し始める。暗電流によって生じる電荷量は、電荷蓄積の経過時間に比例する。したがって、図３に示されるように、増幅部１０５の出力電圧も電荷蓄積の経過時間に対して線形となる。

これと並行して、参照電圧生成部１４により比較器１０６の反転入力端子に参照電圧が入力される。参照電圧はＦＤ１０３において発生する暗電流によって蓄積される電荷に基づいて設定される。したがって、参照電圧は電荷蓄積の経過時間に対して線形とすることが好適である。参照電圧の蓄積時間に対する変化の傾きは、暗電流によりＦＤ１０３に蓄積される電荷により生じる増幅部の出力電圧の時間変化の傾きに対応して定められる。これにより、暗電流による出力電圧の変化を補償することができ、暗電流の影響が低減される。このとき、両者の傾きを一致させることがより好適である。これにより、暗電流の影響がさらに低減される。

時刻ｔ４はオーバーフロー開始時刻である。時刻ｔ４において、光電変換部１０１に蓄積される電荷が蓄積可能な飽和電荷数を超える。光電変換部１０１で生成されたが蓄積できない余剰電荷は電荷転送部１０２を通じてＦＤ１０３へオーバーフローする。これにより、時刻ｔ４以降の期間Ｔ４６、Ｔ６７においては、光電変換部１０１に蓄積される電荷量は飽和電荷数で一定となる。オーバーフローした余剰電荷はＦＤ１０３に蓄積されるので、時刻ｔ４から時刻ｔ６までの期間Ｔ４６においてはＦＤ１０３の電位上昇の傾きが増加する。したがって、増幅部１０５の出力電圧の傾きも増加する。

時刻ｔ５はオーバーフロー検出時刻である。オーバーフローによってＦＤ１０３に蓄積される余剰電荷によって増幅部１０５の出力電圧が参照電圧を超えると、比較器１０６の出力電圧がＬｏｗからＨｉｇｈに変化する。この出力電圧の変化を制御部１２が検出して、所定量のオーバーフローが起こったと判定すると、制御部１２は、パルス生成部１３への制御信号を送信することにより光電変換部１０１への電荷の蓄積の終了タイミングを制御して、電荷蓄積量を制御する。この制御の一例としては、制御部１２が、所定量のオーバーフローが起こったと判定したことをトリガーとして、後述の時刻ｔ６におけるリセットの開始と時刻ｔ７における転送の開始を行わせることができる。これにより、電荷の蓄積量が適切な量になった時点で光電変換部１０１に蓄積された信号を出力させるように制御することができる。この制御により、例えば本実施形態の光電変換装置を焦点位置検出装置として用いた場合には、撮影するシーンの輝度に応じて自動的にオートフォーカスの動作に適したレベルの信号を取得することができる。

時刻ｔ６は電荷を転送する前のＦＤリセット開始時刻であり、期間Ｔ６７はＦＤリセット期間である。時刻ｔ６において、リセットパルスがＬｏｗになり、リセット部１０４が導通状態となる。本動作により、ＦＤ１０３に蓄積された暗電流による電荷及び余剰電荷は排出され、増幅部１０５の出力は再びリセット電圧に対応する電圧となる。

時刻ｔ７は電荷転送開始時刻であり、期間Ｔ７８は電荷転送期間である。時刻ｔ７において、リセットパルスはＨｉｇｈになり、転送パルスはＬｏｗになる。これにより、リセット部１０４が非導通状態となり、ＦＤ１０３からの電荷の排出が終了する。一方、電荷転送部１０２が導通状態となり、光電変換部１０１に蓄積された光電荷がＦＤ１０３に転送される。本動作により、光電変換部１０１に蓄積されている電荷量が減少し、増幅部１０５の出力電圧は光電荷量に応じて上昇する。なお、比較器１０６は時刻ｔ７以降の動作では用いられないので、比較器１０６の出力電圧と参照電圧生成部１４の出力電圧は図示を省略している。

時刻ｔ８以降の期間Ｔ８９は信号読み出し期間である。ＦＤ１０３に転送された光電荷量に基づく増幅部１０５の出力電圧が、不図示の出力アンプを介して光電変換装置の外部に出力される。この出力電圧は焦点検出用の輝度信号等として用いることができる。

本実施形態では、余剰電荷をオーバーフローの検出に用いているため、光電荷を光電変換部１０１から転送する時刻ｔ７よりも前の時刻ｔ５にオーバーフローの検出が行われる。したがって、光電変換部１０１に蓄積された光電荷をオーバーフローの検出のために読み出す必要はなく、蓄積量の制御と十分な電荷蓄積の両立が可能となる。また、この制御では暗電流による出力電圧の変化が補償されているので、ＦＤ１０３で生じる暗電流の影響が低減される。

上述の動作タイミングにより、ＦＤ１０３で生じる暗電流の影響が低減される原理について、図４（ａ）〜（ｇ）及び図５（ａ）〜（ｄ）を参照してより詳細に説明する。図４（ａ）〜（ｇ）は、図３における光電変換部１０１、電荷転送部１０２、ＦＤ１０３及びリセット部１０４の電位と電荷の関係を示したポテンシャル図である。

図４（ａ）は期間Ｔ１２におけるポテンシャル図である。期間Ｔ１２において、電荷転送部１０２及びリセット部１０４は導通状態である。したがって、光電変換部１０１で生じた電荷は電荷転送部１０２及びリセット部１０４を介して排出されるため、光電変換部１０１及びＦＤ１０３内には電荷は蓄積されていない。

図４（ｂ）は期間Ｔ２３におけるポテンシャル図である。図中の黒丸は光によって生成された光電荷を示している。時刻ｔ２において、電荷転送部１０２が非導通状態となるため、光電変換部１０１で生成された光電荷が光電変換部１０１内に蓄積され始める。このとき、リセット部１０４は導通状態のまま維持されている。

図４（ｃ）は期間Ｔ３４におけるポテンシャル図である。光電荷と区別するため、暗電流によって発生した電荷は白丸で示されている。図中のＦＤ１０３に示された破線は、比較器１０６の反転入力端子に入力されている参照電圧に相当する電位を示している。時刻ｔ３において、リセット部１０４が非導通状態となり、ＦＤ１０３内にはＦＤ１０３で発生した暗電流による電荷（暗電流電荷）が蓄積され始める。上述のように、参照電圧はＦＤ１０３で発生する暗電流に基づいて経過時間とともに変化する電圧とする。経過時間とともに暗電流電荷が増加するにつれて参照電圧も上昇するので、制御部１２が暗電流による電荷に起因してオーバーフローが起きたと誤判定するおそれが低減される。光電変換部１０１には電荷の蓄積により、期間Ｔ２３の時点に比べ多くの電荷が蓄積されている。

図４（ｄ）は期間Ｔ４６におけるポテンシャル図である。期間Ｔ４６においては、光電変換部１０１が飽和するまで光電荷が蓄積され、電荷転送部１０２の電位を通じて光電荷がＦＤ１０３へオーバーフローしている。ＦＤ１０３にこの余剰電荷が加わることでＦＤ１０３の電位は上昇し、ＦＤ１０３の電位は参照電圧を上回る。これにより、比較器１０６の出力電圧がＬｏｗからＨｉｇｈに反転する。この電圧の変化に基づいて制御部１２はオーバーフローが発生したと判定する。

図４（ｅ）は期間Ｔ６７におけるポテンシャル図である。リセット部１０４が導通状態となり、ＦＤ１０３に蓄積された暗電流電荷及び余剰電荷が排出される。

図４（ｆ）は期間Ｔ７８におけるポテンシャル図である。リセット部１０４が非導通状態となり、電荷転送部１０２が導通状態となる。本動作により、リセットされたＦＤ１０３に、光電変換部１０１で蓄積された光電荷が転送される。

図４（ｇ）は期間Ｔ８９におけるポテンシャル図である。電荷転送部１０２が非導通状態となり、ＦＤ１０３の電位は転送された光電荷に応じた値となる。このときの増幅部１０５の出力電圧が光電変換装置の出力信号として読み出される。

図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態と、本実施形態の比較例に係る画素のポテンシャル図である。図５（ａ）は低輝度下における本実施形態の暗電流電荷と参照電圧の関係を示す図であり、図５（ｂ）は比較例として低輝度下かつ参照電圧が低く設定されている場合の暗電流電荷と参照電圧の関係を示す図である。

本実施形態においては、参照電圧が暗電流による電荷に基づいて設定された値であるため、図５（ａ）に示すように暗電流によるＦＤ１０３の電位上昇が発生しても参照電圧を超えないようにすることができる。

一方、比較例に係る図５（ｂ）においては、参照電圧が低く設定されているため、暗電流によりＦＤ１０３の電位が上昇して参照電圧を超えることがある。この場合、比較器１０６の出力電圧がＬｏｗからＨｉｇｈに反転するため、制御部１２はオーバーフローが起こったと誤判定する。その結果、光電変換部１０１に充分な光電荷が蓄積されていないにもかかわらず、転送動作が開始され信号読み出しが行われる。したがって、このような比較例に係る光電変換装置を焦点位置検出装置として用いた場合、出力される信号が小さくなり得るためオートフォーカスの精度が低下し得る。

図５（ｃ）は高輝度下における本実施形態の暗電流電荷と参照電圧の関係を示す図であり、図５（ｄ）は比較例として低輝度下かつ参照電圧が高く設定されている場合の暗電流電荷と参照電圧の関係を示す図である。

図５（ｃ）に示す本実施形態においては、参照電圧が暗電流に基づいて設定された値であるため、図５（ｃ）に示すように高輝度下ですぐにオーバーフローが起きる撮影シーンであってもオーバーフローを検出することができる。

一方、比較例に係る図５（ｄ）においては、参照電圧が高く設定されているため、オーバーフローが短時間で検出されない。その結果、比較例では電荷蓄積時間が長くなり、多数の画素でオーバーフローが発生する可能性がある。したがって、このような比較例に係る光電変換装置を焦点位置検出装置として用いた場合、オーバーフローによって出力される信号の精度が低下した画素が多くなり得るためオートフォーカスの精度が低下し得る。

本実施形態の光電変換装置によれば、比較器１０６に入力される参照電圧がＦＤ１０３で発生する暗電流によって蓄積される電荷に基づいた電圧である。したがって、低輝度下、高輝度下のいずれの撮影シーンであってもオーバーフローを正確に検出することが可能となる。このような光電変換装置を焦点位置検出装置に用いることによりオートフォーカスの精度がより向上する。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、光電変換装置が複数の画素部を備えている場合に、各画素部の比較器に入力される参照電圧が異なっている構成となっている。第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図６は、第２の実施形態に係る光電変換装置の回路レイアウトの一例を示す図である。光電変換装置６０は、画素部６１、６２、比較器１０６、制御部１２、パルス生成部１３及び参照電圧生成部６３、６４を含む。また、画素部６１及び画素部６２はともに一次元状に配された複数の画素１１を含む。参照電圧生成部６３は画素部６１に接続された比較器１０６に第１の参照電圧を供給し、参照電圧生成部６４は画素部６２に接続された比較器１０６に第２の参照電圧を供給する。制御部１２及びパルス生成部１３は、画素部６１、６２及び参照電圧生成部６３、６４を個別に制御することができる。すなわち、各画素部には異なる動作タイミングで転送パルス及びリセットパルスが供給され得る。また、参照電圧生成部６３、６４は互いに異なる参照電圧を供給することができる。

制御部１２及びパルス生成部１３と画素部６１との距離をＬ１とし、制御部１２及びパルス生成部１３と画素部６２との距離をＬ２とする。ここで、図６に示されているように、本実施形態の回路レイアウトはＬ１＞Ｌ２の関係となっているものとする。この場合、画素部６２は制御部１２及びパルス生成部１３に近いため、制御部１２及びパルス生成部１３での電力消費に起因する発熱の影響を受けやすい。温度が高いほど暗電流の発生量は大きくなるため、画素部６２で発生する暗電流は画素部６１で発生する暗電流よりも大きい。

図７は、第２の実施形態に係る光電変換装置の各パルス及び出力電圧等の関係を示したタイミング図である。図３と同じ時刻及び期間には同じ符号が付されている。画素部６１と画素部６２には同量の光が照射されているものとする。本タイミング図が図３と異なる点は、期間Ｔ３４において参照電圧生成部６３、６４に入力される参照電圧が異なる点である。画素部６１では、制御部１２及びパルス生成部１３との距離Ｌ１が大きいため生じる暗電流が小さく、期間Ｔ３４における増幅部１０５の出力電圧の傾きが小さい。そのため、画素部６１に入力される参照電圧もこれに対応して傾きが小さく設定される。一方、画素部６２では、制御部１２及びパルス生成部１３との距離Ｌ２が小さいことから暗電流が大きく、期間Ｔ３４における増幅部１０５の出力電圧の傾きが大きい。そのため、画素部６２に入力される参照電圧もこれに対応して傾きが大きく設定される。

図８（ａ）〜（ｄ）は第２の実施形態の効果を説明するためのポテンシャル図である。図８（ａ）は画素部６１に含まれる光電変換部１０１、電荷転送部１０２、ＦＤ１０３及びリセット部１０４の電位と電荷の関係を示したポテンシャル図である。図８（ｂ）は画素部６２に係るポテンシャル図である。図８（ａ）では、画素部６１が制御部１２及びパルス生成部１３との距離Ｌ１が大きいため、暗電流電荷が少ない。それに対応して参照電圧が低く設定されている。一方、図８（ｂ）では、画素部６２が制御部１２及びパルス生成部１３との距離Ｌ２が小さいため、暗電流電荷が多い。それに対応して参照電圧が高く設定されている。いずれの画素部においても参照電圧が暗電流に対応して設定されているため、暗電流電荷を余剰電荷と誤判定するおそれは少ない。

他方、図８（ｃ）、（ｄ）は本実施形態の比較例として、画素部６１、６２の参照電圧が同じ値に設定されている場合のポテンシャル図が示されている。図８（ｃ）は画素部６１に係るポテンシャル図である。参照電圧が画素部６１のＦＤ１０３で生じる暗電流に対応して設定されている場合、図８（ａ）の場合と同様に画素部６１では暗電流電荷を余剰電荷と誤判定するおそれは少ない。しかしながら、図８（ｄ）の画素部６２に係るポテンシャル図では、暗電流電荷により上昇した出力電圧が、画素部６１と同じ値に設定された参照電圧を超えている。この場合、暗電流電荷による電位上昇がオーバーフローと誤判定され得る。

本実施形態の構成によれば、光電変換装置が複数の画素部を備えている場合に、各画素部の比較器に入力される参照電圧が異なるよう構成されている。これにより、画素部と制御部１２及びパルス生成部１３との距離の違いで生じる暗電流の発生量の違いによるオーバーフローの検出精度劣化が低減される。このような光電変換装置を焦点位置検出装置に用いることによりオートフォーカスの精度が向上する。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態は光電変換装置の温度に依存して、参照電圧を変化させる構成となっている。回路構成は図１に示す第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

図９は第３の実施形態に係る光電変換装置の各パルス及び出力電圧等の関係を示したタイミング図である。図３と同じ時刻及び期間には同じ符号が付されている。本タイミング図では、期間Ｔ３４において光電変換装置の温度に依存して、増幅部１０５の出力及び参照電圧生成部１４の出力電圧が異なる点が図３と異なる。第２の実施形態で述べたものと同様の理由により、暗電流は光電変換装置の温度が高いほど大きくなる。光電変換装置が低温の場合はＦＤ１０３に生じる暗電流が小さい。よって、期間Ｔ３４における増幅部１０５の出力電圧の傾きが小さくなり、参照電圧生成部１４から出力される参照電圧もこれに対応して傾きが小さく設定される。一方、光電変換装置が高温の場合はＦＤ１０３に生じる暗電流が大きい。よって、期間Ｔ３４における増幅部１０５の出力電圧の傾きが大きくなり、参照電圧生成部１４から出力される参照電圧もこれに対応して傾きが大きく設定される。

なお、光電変換装置の温度は光電変換装置内に温度センサを設けることにより取得することができる。これにより、温度センサから取得された温度情報に基づいて、参照電圧生成部１４は、出力する参照電圧の傾きを変化させることができる。上述の理由により、温度が高いほど傾きを大きくするように参照電圧の傾きは設定されることが好適である。この設定に用いる温度と参照電圧の傾きの関係はあらかじめ測定しておくか、あるいはシミュレーションにより算出することができる。

暗電流は、特に画素部１０内のＦＤ１０３の温度に依存するので、前述の温度センサは画素部１０になるべく近い位置に設けることが好ましい。しかしながら、温度センサを光電変換装置内に設けることは必須ではなく、例えば光電変換装置が設置されるカメラ等の撮像システム内の任意の場所に設けてもよい。

図１０（ａ）〜（ｄ）は第３の実施形態の効果を説明するためのポテンシャル図である。図１０の（ａ）は低温時における光電変換部１０１、電荷転送部１０２、ＦＤ１０３及びリセット部１０４の電位と電荷の関係を示したポテンシャル図である。図１０（ｂ）は高温時におけるポテンシャル図である。

図１０（ａ）では、光電変換装置が低温であるため、暗電流電荷が少ない。それに対応して参照電圧が低く設定されている。一方、図１０の（ｂ）では、光電変換装置が高温であるため、暗電流電荷が多い。それに対応して参照電圧が高く設定されている。いずれの温度においても参照電圧が暗電流に対応して設定されているため、暗電流電荷を余剰電荷と誤判定するおそれは少ない。

他方、図１０（ｃ）、（ｄ）は本実施形態の比較例として、参照電圧が温度によらず同じ値に設定されている場合のポテンシャル図が示されている。図１０（ｃ）は低温時におけるポテンシャル図である。参照電圧が画素部６１のＦＤ１０３で生じる暗電流に対応して設定されている場合、図１０（ａ）の場合と同様に暗電流電荷が余剰電荷と誤判定されるおそれは少ない。しかしながら、図１０（ｄ）の高温時におけるポテンシャル図では、暗電流電荷により上昇した出力電圧が、低温時と同じ値に設定された参照電圧を超えている。この場合、暗電流電荷による電位上昇がオーバーフローと誤判定され得る。

本実施形態の構成によれば、光電変換装置の温度に依存して各画素部の比較器に入力される参照電圧が変化し得る。これにより、光電変換装置の設置環境温度の変化、周囲にある装置の発熱等の温度変化で生じる暗電流の発生量の違いによるオーバーフローの検出精度劣化が低減される。このような光電変換装置を焦点位置検出装置に用いることによりオートフォーカスの精度がより向上する。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態の画素部は光電変換部を遮光しているオプティカルブラック画素（以下、ＯＢ画素）と光電変換部を遮光していない画素（有効画素）を含む。本実施形態では、ＯＢ画素の出力電圧が比較器１０６に入力される参照電圧として用いられている点が第１〜第３の実施形態とは異なる。

図１１は、第４の実施形態に係る光電変換装置の回路レイアウトの一例を示す図である。光電変換装置１１００は、画素部１１０１、制御部１２、パルス生成部１３及び比較器１０６を含む。画素部１１０１は一次元に配された複数の画素１１及びＯＢ画素１１０２を有する。有効画素１１のうちの少なくとも１つと、ＯＢ画素１１０２とは隣接している。図ではＯＢ画素１１０２を１つのみ示しているがＯＢ画素１１０２は画素部１１０１に複数個含まれていてもよい。

図１２は、第４の実施形態に係る光電変換装置の回路構成の一例を示す図である。図１と同じ要素には同じ符号が付されている。ＯＢ画素１１０２は、光電変換部１１０３、電荷転送部１０２、ＦＤ１０３、リセット部１０４及び増幅部１０５を含む。増幅部１０５の出力電圧は、画素１１のそれぞれに対応して配された比較器１０６の反転入力端子に接続されている。ＯＢ画素１１０２及び画素１１は同一の転送パルス及びリセットパルスによって駆動される。光電変換部１１０３は、金属などの光を透過しにくい材料でフォトダイオードを覆うことにより、フォトダイオードに光が入射されないように構成されている。

ＯＢ画素１１０２の光電変換部１１０３は遮光されているため、光電荷は生成されず、オーバーフローも発生しない。そのため、増幅部１０５の出力電圧はＦＤ１０３に蓄積された暗電流電荷に応じた電圧となる。また、ＯＢ画素１１０２は画素１１に隣接していることから、画素部１１０１の位置及び光電変換装置の温度に依存し得る暗電流の影響も有効画素１１とＯＢ画素１１０２の両者で略同等となる。したがって、ＯＢ画素１１０２の増幅部１０５の出力を参照電圧とすることで、第２の実施形態及び第３の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、上述のＯＢ画素１１０２は、入射光に応じた電荷が生成又は蓄積されない無効画素であればよく、ＯＢ画素１１０２を用いた構成に限定されない。例えば、ＯＢ画素は、光電変換部１１０３を持たないダミー画素に変更してもよい。

（第５の実施形態）
図１３は、本実施形態による撮像システムの構成例を示すブロック図である。はじめに、本実施形態による撮像システムの構造について、図１３を用いて説明する。

本実施形態による撮像システム９００は、図１３に示すように、バリア９０１と、レンズ９０２と、絞り９０３と、固体撮像装置９０４と、ＡＦセンサ９０５とを有している。レンズ９０２は、被写体の光学像を結像するための光学系である。バリア９０１は、レンズ９０２のプロテクトを行うものである。絞り９０３は、レンズ９０２を通過する光の光量を調整するためのものである。固体撮像装置９０４は、レンズで結像された被写体の光学像を画像信号として取得するためのものであり、本撮像システムの撮像部として機能する。ＡＦセンサ９０５は、これまでの実施形態で説明した光電変換装置を用いた焦点位置検出装置であり、本実施形態による撮像システム９００の焦点検出部として機能する。

また、撮像システム９００は、アナログ信号処理装置９０６、Ａ／Ｄ変換器９０７及びデジタル信号処理部９０８を更に有している。アナログ信号処理装置９０６は、固体撮像装置９０４及びＡＦセンサ９０５から出力された信号を処理するためのものである。Ａ／Ｄ変換器９０７は、アナログ信号処理装置９０６から出力された信号をアナログデジタル変換するためのものである。デジタル信号処理部９０８は、Ａ／Ｄ変換器９０７から出力された画像データに対して各種の補正を行い、あるいはデータを圧縮する処理を行うためのものである。

また、撮像システム９００は、メモリ部９０９、外部Ｉ／Ｆ回路９１０、タイミング発生部９１１、全体制御・演算部９１２及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９１３を更に有している。メモリ部９０９は、画像データを一時記憶するためのものである。外部Ｉ／Ｆ回路９１０は、外部コンピュータ９１５などの外部機器と通信するためのものである。タイミング発生部９１１は、デジタル信号処理部９０８などに各種タイミング信号を出力するためのものである。全体制御・演算部９１２は、各種演算とカメラ全体を制御するためのものである。記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９１３は、取得した画像データを記録し、又は画像データの読み出しを行うための半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体９１４との間でデータのやりとりを行うためのものである。

次に、本実施形態による撮像システム９００の撮影時の動作について説明する。バリア９０１が開放されると、被写体からの光学像がレンズ９０２及び絞り９０３を介してＡＦセンサ９０５に入射される。全体制御・演算部９１２は、ＡＦセンサ９０５からの出力信号に基づいて、前述した位相差検出の手法により被写体までの距離を算出する。その後、全体制御・演算部９１２は、演算結果に基づいてレンズ９０２を駆動し、再び合焦しているか否かを判断し、合焦していないと判断したときには、再びレンズ９０２を駆動するオートフォーカス制御を行う。

次いで、合焦が確認された後に、固体撮像装置９０４による電荷蓄積動作が開始される。固体撮像装置９０４の電荷蓄積動作が終了すると、固体撮像装置９０４から出力された画像信号は、アナログ信号処理装置９０６で所定の処理が行われた後、Ａ／Ｄ変換器９０７でアナログデジタル変換される。アナログデジタル変換された画像信号は、デジタル信号処理部９０８を介して全体制御・演算部９１２によってメモリ部９０９に書き込まれる。

その後、メモリ部９０９に蓄積されたデータは、全体制御・演算部９１２の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９１３を介して記録媒体９１４に記録される。あるいは、メモリ部９０９に蓄積されたデータは、外部Ｉ／Ｆ回路９１０を介して、直接に外部コンピュータ９１５などに入力してもよい。

これまでの実施形態に示した光電変換装置を用いてＡＦセンサを構成することにより、焦点検出精度を向上することができる。したがって、このＡＦセンサを用いた本実施形態の撮像システムによれば、より高精度の焦点合わせが可能となり、より高精細な画像を取得することが可能となる。

第５の実施形態に示した撮像システムは、本発明の各実施形態の光電変換装置を適用しうる撮像システムの一例を示したものであり、本発明の光電変換装置を適用可能な撮像システムは図１３に示した構成に限定されるものではない。

なお、上記実施形態は、いず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。

１０ 画素部
１１ 画素
１２ 制御部
１３ パルス生成部
１０１ 光電変換部
１０２ 電荷転送部
１０３ フローティングディフュージョン（電荷蓄積部）
１０４ リセット部
１０５ 増幅部
１０６ 比較器（比較部）

Claims (12)

1. 入射光に応じた電荷を生成する光電変換部と、
   前記光電変換部に蓄積された電荷を電荷蓄積部に転送する電荷転送部と、
   前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた電圧を出力する増幅部と
   を含む画素を複数有する画素部と、
   参照電圧を生成する参照電圧生成部と、
   前記増幅部からの出力電圧と、前記参照電圧生成部から出力された参照電圧とを比較して比較結果を出力する比較部と、
   前記比較結果に基づいて、前記光電変換部の電荷の蓄積の終了タイミングを制御する制御部とを備え、
   前記電荷転送部が非導通状態において前記光電変換部から前記電荷蓄積部に移動した電荷に基づいて前記増幅部が出力した信号と比較される前記参照電圧が、前記電荷蓄積部に暗電流によって蓄積される電荷に応じた電圧であることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記参照電圧が、前記光電変換部への電荷の蓄積時間に応じて変化することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記参照電圧が、前記光電変換部への電荷の蓄積時間に対して線形に変化することを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
4. 前記参照電圧の前記蓄積時間に対する変化の傾きは、暗電流により前記電荷蓄積部に蓄積される電荷により生じる前記増幅部の出力電圧の時間に対する変化の傾きに対応することを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
5. 前記光電変換装置は複数の画素部を備え、
   各画素部のそれぞれに含まれる前記比較部に入力される前記参照電圧が、画素部ごとに異なることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 前記画素部のそれぞれに含まれる前記比較部に入力される前記参照電圧が、前記画素部と前記制御部の間の距離に応じて異なることを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
7. 前記参照電圧の、前記光電変換部への電荷の蓄積時間に対する変化の傾きが、前記光電変換装置の温度に応じて変化することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 前記参照電圧生成部は、入射光に応じた電荷が生成されない無効画素であり、
   前記参照電圧が、前記無効画素の前記電荷蓄積部に暗電流によって蓄積される電荷に応じた電圧であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 前記無効画素は、前記光電変換部が遮光されているオプティカルブラック画素であることを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。
10. 前記無効画素は、前記光電変換部を持たないダミー画素であることを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置を有する焦点検出部と、
    被写体の光学像を取得する撮像部と
    を備える撮像システム。
12. 入射光に応じた電荷を生成する光電変換部と、
    前記光電変換部に蓄積された電荷を電荷蓄積部に転送する電荷転送部と、
    前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた電圧を出力する増幅部と
    を含む画素を複数有する画素部と、
    前記増幅部からの出力電圧と、参照電圧とを比較して比較結果を出力する比較部と、
    を備える光電変換装置の駆動方法であって、
    前記比較部は、前記電荷転送部が非導通状態において前記光電変換部から前記電荷蓄積部に移動した電荷に基づいて前記増幅部が出力した信号と、前記電荷蓄積部に暗電流によって蓄積される電荷に応じた電圧である前記参照電圧とを比較した前記比較結果を出力し、
    前記比較結果に基づいて、前記光電変換部の電荷の蓄積を終了することを特徴とする光電変換装置の駆動方法。

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