JP2018152649A - 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズを低減した画像を生成することができる固体撮像装置を提供することを課題とする。【解決手段】固体撮像装置は、各々が撮像光学系の瞳を分割して受光する複数の光電変換素子を有し、行列状に配列された複数の単位画素と、第１の駆動モードでは、前記複数の単位画素の各々から前記複数の光電変換素子の信号を混合した信号を出力し、その後、前記複数の光電変換素子のうちの一部の光電変換素子の光電変換に基づく信号を出力するように制御し、第２の駆動モードでは、前記複数の単位画素の各々から前記複数の光電変換素子の光電変換に基づく信号を混合した信号を出力し、前記一部の光電変換素子の光電変換に基づく信号を出力しないように制御する制御手段と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法に関する。

近年、固体撮像装置の機能の向上は著しく、様々なニーズに対応するべく多機能化が進んでいる。そのひとつに、固体撮像装置に焦点検出用の画素を配置した、撮像面位相差オートフォーカス（以下、ＡＦという）が知られている。撮像面位相差ＡＦは、撮像光学系の瞳を分割して受光する受光素子を、撮像画像を得る固体撮像装置上に配置し、その信号によりＡＦを行う方式である。撮像面位相差ＡＦを実現する固体撮像装置の形態は、大きく分けて２種類の方式が用いられている。

第１の方式は、単位画素に配される受光素子の領域の一部を配線層等の遮光物により覆うことによって、瞳の領域の一部の光のみを光電変換して出力することが可能な方式である。第１の方式では、瞳の全領域の光を受光する通常画素に対し、ＡＦ用の画素のみ遮光物を追加することにより実現できるため、製造が比較的容易である。しかし、遮光された光の情報は失われるため、ＡＦ用画素の信号は撮像画像には使用できなくなってしまう。

第２の方式は、単位画素に配される受光素子を分割することにより、瞳の領域が分割された光をそれぞれ光電変換して出力することが可能な方式である。第２の方式では、受光素子を分割し、それぞれの信号を読み出すことが可能な構成をとることから、分割された受光素子の信号を加算することにより、通常の撮影画像として使用することが可能である。

特許文献１では、第２の方式の固体撮像装置の信号の読み出し方法が開示されている。特許文献１では、第１の動作で２分割された受光素子のうち第１の受光素子の信号を読み出し、第２の動作でリセットせずに第２の受光素子の信号を加算することにより瞳の領域全体に対応する加算信号を読み出す。第２の受光素子の信号は、加算信号から第１の受光素子の信号を減算して求める。なお、撮像面ＡＦを行わない際には、第２の動作のみを行うことにより撮像信号のみを読み出せるため、読み出し時間を短縮することができる。

特開２０１３−１０６１９４号公報

ところで、ＣＭＯＳ型撮像装置は、リセットレベルの信号を読み出し、撮像信号から減算することにより、ＣＭＯＳ型撮像装置固有のノイズを除去することができる。しかし、特許文献１の読み出し方法では、撮像面位相差ＡＦを行う際に、撮像信号の読み出しはＡＦ用信号を読み出した後に行われるので、読み出すのに時間がかかってしまう。リセットレベルを読み出してから撮像信号を読み出すまでに時間がかかると、容量やスイッチのリーク電流の影響から、ノイズ除去が正しく行われず、画質が悪化してしまう。

本発明の目的は、ノイズを低減した画像を生成することができる固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法を提供することである。

本発明の固体撮像装置は、各々が撮像光学系の瞳を分割して受光する複数の光電変換素子を有し、行列状に配列された複数の単位画素と、第１の駆動モードでは、前記複数の単位画素の各々から前記複数の光電変換素子の信号を混合した信号を出力し、その後、前記複数の光電変換素子のうちの一部の光電変換素子の光電変換に基づく信号を出力するように制御し、第２の駆動モードでは、前記複数の単位画素の各々から前記複数の光電変換素子の光電変換に基づく信号を混合した信号を出力し、前記一部の光電変換素子の光電変換に基づく信号を出力しないように制御する制御手段と、を有する。

本発明によれば、ノイズを低減した画像を生成することができる。

第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す図である。 第１の実施形態に係る単位画素の構成例を示す図である。 固体撮像装置の駆動方法を表すタイミングチャートである。 第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す図である。 固体撮像装置の駆動方法を表すタイミングチャートである。 第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素配置例を示す図である。 固体撮像装置の駆動方法を表すタイミングチャートである。 第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す図である。 第４の実施形態に係る単位画素の構成例を示す図である。 固体撮像装置の駆動方法を表すタイミングチャートである。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す図である。固体撮像装置は、デジタルカメラ、ビデオカメラの他、スマートフォン、タブレット、工業用カメラ、医療用カメラ等に適用可能である。固体撮像装置は、ＣＭＯＳ型固体撮像装置として構成されている。固体撮像装置は、複数の単位画素１０と、複数の列信号線１１と、複数の電流源１２と、複数の列回路部１３と、複数の水平走査スイッチ１４と、出力回路１５と、垂直走査回路１６と、水平走査回路１７とを有する。

複数の単位画素１０は、２次元行列状に配列され、それぞれ、光電変換により画素信号を生成する。各列の列信号線１１は、単位画素１０の配列の各列の複数の単位画素１０に対応して設けられ、対応する単位画素１０の出力信号が供給される。各列の電流源１２は、各列の列信号線１１に接続され、各列の単位画素１０の出力の負荷として動作する。各列の列回路部１３は、各列の列信号線１１に接続され、アナログデジタル変換や、信号の保持、減算等の信号処理を行う。各列の水平走査スイッチ１４は、各列の列回路部１３の出力信号を順に出力回路１５に転送する。出力回路１５は、各列の列回路部１３の出力信号を外部に出力する。

垂直走査回路１６は、複数の単位画素１０を駆動するための駆動信号を出力する。水平走査回路１７は、複数の水平走査スイッチ１４を駆動するための駆動信号を出力する。垂直走査回路１６は、第１行の単位画素１０に対して、駆動信号φＴＸ１、φＲＥＳ１、φＳＥＬＡ１、及びφＳＥＬＢ１を出力し、第２行の単位画素１０に対して、駆動信号φＴＸ２、φＲＥＳ２、φＳＥＬＡ２、及びφＳＥＬＢ２を出力する。すなわち、垂直走査回路１６は、単位画素１０の行毎に、共通の駆動信号φＴＸ、φＲＥＳ、φＳＥＬＡ、及びφＳＥＬＢを出力する。

複数の列回路部１３の各々は、アナログデジタル変換回路１３１と、列メモリ部１３２と、減算回路１３３とを有する。アナログデジタル変換回路１３１は、列信号線１１の信号をアナログからデジタルに変換する。列メモリ部１３２は、複数の単位画素１０の各列の信号を保持する。列メモリ部１３２は、リセットレベルを保持するメモリＮ１、撮像信号を保持するメモリＳ１及びＳ２を有し、アナログデジタル変換回路１３１により変換されたデジタル信号を保持する。減算回路１３３は、列メモリ部１３２に保持された撮像信号から対応するリセットレベルを減算して出力する。

図２は、単位画素１０の構成例を示す図である。各単位画素１０は、２個のフォトダイオード（以下、ＰＤという）１０１Ａ及び１０１Ｂと、２個のＰＤ１０１Ａ及び１０１Ｂに共通のマイクロレンズ１００を有する。ＰＤ１０１Ａ及び１０１Ｂは、それぞれ、受光素子（光電変換素子）であり、撮像光学系の瞳を２分割して受光し、光電変換により電荷を生成して蓄積する。ＰＤ１０１Ａ及びそれに対応する回路は、分割画素Ａであり、添え字Ａを付加する。同様に、ＰＤ１０１Ｂ及びそれに対応する回路は、分割画素Ｂであり、添え字Ｂを付加する。転送トランジスタ１０２Ａは、ＰＤ１０１Ａの電荷をフローティングディフュージョン（以下、ＦＤという）１０３Ａに転送する。転送トランジスタ１０２Ｂは、ＰＤ１０１Ｂの電荷をＦＤ１０３Ｂに転送する。ＦＤ１０３Ａ及び１０３Ｂは、それぞれ、ＰＤ１０１Ａ及び１０１Ｂにより生成された電荷を蓄積し、電荷を電圧に変換する。増幅トランジスタ１０４Ａは、ＦＤ１０３Ａの信号を電流増幅し、選択トランジスタ１０５Ａを介して列信号線１１に出力する。増幅トランジスタ１０４Ｂは、ＦＤ１０３Ｂの信号を電流増幅し、選択トランジスタ１０５Ｂを介して列信号線１１に出力する。選択トランジスタ１０５Ａ及び１０５Ｂがオン／オフすることにより、単位画素１０の信号が列信号線１１に出力される。ＦＤ１０３Ａ及び１０３Ｂは、それぞれ、リセットトランジスタ１０６Ａ及び１０６Ｂを介して、電源電圧ＶＤＤのノードに接続される。リセットトランジスタ１０６Ａ及び１０６Ｂがオンとなることにより、それぞれ、ＦＤ１０３Ａ及び１０３Ｂは、電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

単位画素１０は、垂直走査回路１６から出力される駆動信号φＲＥＳ、φＴＸ、φＳＥＬＡ及びφＳＥＬＢにより駆動する。単位画素１０の配列の同じ行の単位画素１０には、共通の駆動信号φＲＥＳ，φＴＸ、φＳＥＬＡ及びφＳＥＬＢが供給される。ｎ行目の駆動信号は、添え字ｎを付して、φＲＥＳｎ，φＴＸｎ、φＳＥＬＡｎ、φＳＥＬＢｎと表記する。信号φＴＸは、転送トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂのゲートに供給される。信号φＲＥＳは、リセットトランジスタ１０６Ａ及び１０６Ｂのゲートに供給される。信号φＳＥＬＡは、選択トランジスタ１０５Ａのゲートに供給される。信号φＳＥＬＢは、選択トランジスタ１０５Ｂのゲートに供給される。

図３は、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。駆動信号φＲＥＳ、φＴＸ、φＳＥＬＡ、φＳＥＬＢは、ハイレベル状態及びローレベル状態の何れかの状態である。時刻ｔ１〜ｔ７は、単位画素１０の特定の行を同時に読み出す際の一連の駆動方法を示しており、その駆動方法を繰り返し行うことにより、全行の単位画素１０の信号を読み出す。

時刻ｔ１では、信号φＳＥＬＡ及びφＳＥＬＢがハイレベルになり、対応する行の単位画素１０の選択トランジスタ１０５Ａ、１０５Ｂが共にオンとなる。列信号線１１には、ＦＤ１０３Ａと１０３Ｂの電位の平均値（混合）に対応した信号が出力される。

次に、時刻ｔ２では、信号φＲＥＳがハイレベルになり、リセットトランジスタ１０６Ａ及び１０６Ｂがオンになり、ＦＤ１０３Ａ及び１０３Ｂの電位がリセットされる。その後、時刻ｔ３では、信号φＲＥＳがローレベルになり、ＦＤ１０３Ａ及び１０３Ｂはフローティング状態になり、ＦＤ１０３Ａ及び１０３Ｂのリセットが解除される。この際に、信号φＲＥＳの変化の影響を受けて、ＦＤ１０３Ａ及び１０３Ｂの電位が変化する。時刻ｔ３の後、電位が安定するまで待ち、列回路部１３は、列信号線１１のリセットレベルの読み出しを行う。この時、読み出されるリセットレベルは、ＦＤ１０３Ａと１０３Ｂのリセット解除の電位の平均値（混合）に対応した信号である。アナログデジタル変換回路１３１は、列信号線１１のリセットレベルをアナログからデジタルに変換する。列メモリ部１３２内のメモリＮ１は、デジタルのリセットレベルを保持する。

ＰＤ１０１Ａ，１０１Ｂは、露光期間の間、光を電荷に変換して蓄積している。リセットレベルの読み出しが終わった後、時刻ｔ４では、信号φＴＸがハイレベルになり、転送トランジスタ１０２Ａ，１０２Ｂがオンになる。転送トランジスタ１０２Ａ，１０２Ｂは、それぞれ、ＰＤ１０１Ａ，１０１Ｂによって変換及び蓄積された電荷をＦＤ１０３Ａ，１０３Ｂに転送する。

次に、時刻ｔ５では、信号φＴＸがローレベルになり、転送トランジスタ１０２Ａ，１０２Ｂがオフになる。ＦＤ１０３Ａ，１０３Ｂの電位は、信号φＴＸの変動を受けて変化する。時刻ｔ５の後、電位が安定するまで待った後、列回路部１３は、列信号線１１の撮像信号の読み出しを行う。アナログデジタル変換回路１３１は、列信号線１１の撮像信号をアナログからデジタルに変換する。列メモリ部１３２内のメモリＳ１は、デジタルの撮像信号を保持する。この時、読み出される撮像信号は、上記のリセットレベルの平均値に対して、ＰＤ１０１Ａ，１０１Ｂにより生成された信号の平均値（混合）が加算された信号である。その後、減算回路１３３は、メモリＳ１に保持されている撮像信号から、メモリＮ１に保持されているリセットレベルを減算することにより、ＰＤ１０１Ａ，１０１Ｂ（分割画素Ａ及びＢ）により生成された電荷の平均値（混合）に対応する画素信号を出力する。

次に、時刻ｔ６では、信号φＳＥＬＢがローレベルとなり、分割画素Ｂは列信号線１１から切り離される。この時、列信号線１１の電位は、ＦＤ１０３Ａのリセットレベルに対して、ＰＤ１０１Ａにより生成された信号が加算された信号に対応した電位である。この後、電位が安定するまで待った後、列回路部１３は、列信号線１１の信号を読み出す。アナログデジタル変換回路１３１は、列信号線１１の信号をアナログからデジタルに変換する。列メモリ部１３２内のメモリＳ２は、そのデジタルの信号を保持する。そして、減算回路１３３は、メモリＳ２に保持されている信号から、メモリＮ１に保持されているリセットレベルを減算することにより、分割画素Ａの信号を出力する。

次に、時刻ｔ７では、信号φＳＥＬＡがローレベルになり、分割画素Ａが列信号線１１から切り離され、一連の駆動を終了する。列回路部１３は、時刻ｔ６の前では、分割画素Ａ及びＢの画素信号を出力し、時刻ｔ６の後では、分割画素Ａの信号を出力する。分割画素Ａ及びＢの画素信号は、撮影画像の信号として用いられる。また、分割画素Ａ及びＢの画素信号から分割画素Ａの信号を減算することにより、分割画素Ｂの信号を得ることができる。この分割画素Ａの信号及び分割画素Ｂの信号は、撮像面位相差ＡＦ用の信号として用いられる。

一般的な固体撮像装置は、リセットレベルの読み出し後に、分割画素Ａの信号を読み出し、その後、分割画素Ａ及びＢの撮像信号を読み出す。それに対して、本実施形態に係る固体撮像装置は、リセットレベルの読み出しの直後に、分割画素Ａ及びＢの撮像信号（撮影画像）を読み出すため、時刻ｔ４及びｔ６の時間差Δｔ（ＡＢ）は最小限に留めることが可能となる。それにより、容量及びトランジスタのリーク電流による画質の劣化を最小限に抑えることができ、画質を改善することが可能となる。すなわち、撮影画像に用いる画素信号を読み出す際のリセットレベルと撮像信号の読み出し時間差Δｔ（ＡＢ）を短縮することにより、ノイズを低減した画像を生成することができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す図である。本実施形態の固体撮像装置は、列回路部１３内の列メモリ部１３２が第１の実施形態と異なる。列メモリ部１３２は、メモリＮ１、Ｓ１、Ｓ２に加え、メモリＮ２を有する。列メモリ部１３２以外の構成に関しては、第１の実施形態と同様である。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を表すタイミングチャートである。図５に示す駆動方法は、図３に示す第１の実施形態の駆動方法に比べ、時刻ｔ４〜ｔ５にて信号φＳＥＬＢがローレベルになる期間がある。この時刻ｔ４〜ｔ５では、選択トランジスタ１０５Ａがオンであり、選択トランジスタ１０５Ｂがオフである。分割画素Ｂが列信号線１１から切り離され、分割画素Ａのみが列信号線１１に接続されるため、分割画素Ａのみのリセットレベルを列信号線１１に読み出すことができる。アナログデジタル変換回路１３１は、列信号線１１の分割画素Ａのリセットレベルをアナログからデジタルに変換する。列メモリ部１３２内のメモリＮ２は、分割画素Ａのリセットレベルのデジタル信号を格納する。

時刻ｔ５以降では、固体撮像装置は、第１の実施形態と同様の駆動を行う。時刻ｔ５〜ｔ６では、列回路部１３は、分割画素Ａと分割画素Ｂとのリセットレベルの平均値を読み出す。メモリＮ１は、分割画素Ａと分割画素Ｂとのリセットレベルのデジタル信号を保持する。時刻ｔ６〜ｔ７では、転送トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂは、それぞれ、ＰＤ１０１Ａ及び１０１Ｂの電荷をＦＤ１０３Ａ及び１０３Ｂに転送する。時刻ｔ７〜ｔ８では、メモリＳ１は、分割画素Ａ及びＢの撮像信号を保持する。減算回路１３３は、メモリＳ１に保持されている撮像信号から、メモリＮ１に保持されているリセットレベルを減算することにより、画素信号を出力する。時刻ｔ８〜ｔ９では、列回路部１３は、分割画素Ａの信号の読み出しを行う。メモリＳ２は、分割画素Ａの信号を保持する。第１の実施形態と異なり、減算回路１３３は、メモリＳ２に保持されている分割画素Ａの信号から、メモリＮ２に保持されている分割画素Ａのリセットレベルを減算することにより、分割画素Ａの信号を出力する。

第１の実施形態では、固体撮像装置は、分割画素Ａのリセットレベルを読み出さず、分割画素Ａの撮像信号からリセットレベルを減算した。この際、分割画素Ａのリセットレベルと、分割画素Ａ及びＢのリセットレベルの平均値に差が生じると、減算回路１３３の減算後の分割画素Ａの信号に誤差が生じてしまう。加えて、固体撮像装置の外部装置が撮像信号から分割画素Ａを減算することにより分割画素Ｂの信号を求める際にも誤差が生じてしまう。これに対し、本実施形態の固体撮像装置は、分割画素Ａのリセットレベルも読み出すため、分割画素Ｂのリセットレベルの影響を受けなくなり、分割画素Ａの信号の精度が良くなる。なお、第１の実施形態と同様に、撮影画像として用いられる画素信号に用いるリセットレベル及び撮像信号の読み出しは連続で行われるため、時刻ｔ６及びｔ８の時間差Δｔ（ＡＢ）は最小限に留めることが可能である。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る第１の駆動モードと第２の駆動モードとを実行する固体撮像装置の単位画素１０の配置例を示す図である。複数の単位画素１０は、第１の駆動モード６０１で読み出される行の単位画素１０と、第２の駆動モード６０２で読み出される行の単位画素１０に分割される。第１の駆動モード６０１は、撮像面位相差ＡＦを行うための分割画素の信号を読み出す駆動モードである。第２の駆動モード６０２は、分割画素の信号を読み出さず、撮影画像に用いる撮像信号のみ読み出す駆動モードである。第１の駆動モード６０１と第２の駆動モード６０２は、単位画素１０の行単位で切り替えられる。固体撮像装置の構成は、第２の実施形態と同様である。

撮像面位相差ＡＦを行うためには、すべての単位画素１０の分割画素の信号は必ずしも必要ではなく、ピントを合わせたい領域、及びその周辺領域のみ分割画素の信号が読み出せれば良い。そのため、本実施形態では、分割画素信号を読み出さない第２の駆動モード６０２で読み出す行を設定することにより、撮像面位相差ＡＦの精度を落とすことなく、１フレームの読み出し時間の短縮が可能である。

図７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を表すタイミングチャートである。図７（ａ）は第１の駆動モード６０１の読み出しを表すタイミングチャートであり、図７（ｂ）は第２の駆動モード６０２の読み出しを表すタイミングチャートである。図７（ａ）の第１の駆動モードについては、第２の実施形態の図５と同様のため、その説明は省略し、図７（ｂ）の第２の駆動モードについてのみ説明する。

図７（ｂ）の第２の駆動モードは、第１の実施形態の図３の駆動と異なり、分割画素Ａの信号を読み出さない。以下、図７（ｂ）の第２の駆動モードが第１の実施形態の図３の駆動と異なる点を説明する。時刻ｔ６では、信号φＳＥＬＡ及びφＳＥＬＢが共にローレベルとなり、選択トランジスタ１０５Ａ及び１０５Ｂがオフになり、特定行を読み出す一連の駆動が終了する。列回路部１３は、分割画素Ａ及びＢの画素信号のみを出力し、分割画素Ａの信号を出力しない。メモリＳ２は、分割画素Ａの信号を保持しない。第２の駆動モードは、第１の駆動モードと比べ、分割画素Ａのリセットレベル及び分割画素Ａの信号を読み出さないので、一連の駆動の時間を短縮することができる。

本実施形態では、図７（ａ）の第１の駆動モードの時刻ｔ６及びｔ８の時間差Δｔ（ＡＢ）と、図７（ｂ）の第２の駆動モードの時刻ｔ４及びｔ６の時間差Δｔ（ＡＢ）が変わらない。図６のように、単位画素１０の行によって読み出しの駆動モードを変更する際には、その影響が撮影画像に現れ、段差や横縞のように見えてしまうことが懸念される。しかし、本実施形態では、図７（ａ）の第１の駆動モードの時間差Δｔ（ＡＢ）と図７（ｂ）の第２の駆動モードの時間差Δｔ（ＡＢ）が変わらないので、リーク電流による画質劣化を均等、かつ最小限に抑えることが可能である。

（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す図である。第４の実施形態の固体撮像装置が第１〜第３の実施形態の固体撮像装置と異なる点のみ説明し、同様の構成については説明を省略する。

本実施形態の固体撮像装置は、単位画素１０の列毎に２本の列信号線１１Ａと１１Ｂが接続されている。複数の列信号線１１Ａ及び１１Ｂは、複数の単位画素１０の各列の各々に接続される。それに伴い、電流源１２も列信号線１１Ａ、１１Ｂのそれぞれに対応して接続されている。また、単位画素１０も変更されているが、詳細な説明は後ほど行う。クランプ容量２０Ａ及び２０Ｂは、列信号線１１Ａ及び１１Ｂのそれぞれに対応して接続され、列信号線１１Ａ及び１１ＢのＤＣ成分を除去する。同時に、クランプ容量２０Ａ及び２０Ｂは、静電容量が等しいため、それぞれの列信号線１１Ａ及び１１Ｂの変動量を平均化する平均化回路として機能する。クランプ容量２０Ａ及び２０Ｂの一端は、それぞれ、列信号線１１Ａ及び１１Ｂに接続される。クランプ容量２０Ａ及び２０Ｂの他端は、相互接続点２１で相互に接続される。スイッチ１８は、列信号線１１Ｂとクランプ容量２０Ｂとの間に設けられ、列信号線１１Ｂの信号を列回路部１３の入力から切り離す機能をもつ。スイッチ１９は、クランプ容量２０Ａ及び２０Ｂの一端の間に設けられ、オンになることにより、クランプ容量２０Ａ及び２０Ｂの一端を短絡し、列信号線１１Ａの信号のみを列回路部１３へ出力させる機能をもつ。制御回路２２は、スイッチ１８及び１９のゲートに対して、駆動信号φＡＶＥ及び／φＡＶＥを出力する。スイッチ１８は、駆動信号φＡＶＥにより駆動する。スイッチ１９は、駆動信号φＡＶＥの反転信号／φＡＶＥにより駆動する。つまり、スイッチ１８及び１９は、駆動信号φＡＶＥにより排他的にオン／オフする。駆動信号φＡＶＥがハイレベルの時は、列信号線１１Ａ及び１１Ｂの信号が平均化されて列回路部１３に入力される。駆動信号φＡＶＥがローレベルの時は、列信号線１１Ａの信号が列回路部１３に入力される。

図９は、本発明の第４の実施形態に係る単位画素１０の構成例を示す図である。本実施形態の単位画素１０は、列信号線１１Ａ及び１１Ｂが第１〜第３の実施形態と異なり、他の点は第１〜第３の実施形態と同様である。選択トランジスタ１０５Ａ及び１０５Ｂは、それぞれ、列信号線１１Ａ及び１１Ｂに接続されている。信号φＳＥＬは、選択トランジスタ１０５Ａ及び１０５Ｂのゲートに供給される。

図１０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を表すタイミングチャートである。本実施形態の固体撮像装置は、第３の実施形態と同様に、第１の駆動モードと第２の駆動モードを有し、単位画素１０の行に応じて駆動モードが選択される。図１０（ａ）は第１の駆動モードの読み出しを表すタイミングチャートであり、図１０（ｂ）は第２の駆動モードの読み出しを表すタイミングチャートである。

初めに、図１０（ａ）の第１の駆動モードについて説明する。第１〜第３の実施形態では、増幅トランジスタ１０４Ａ及び１０４Ｂの出力信号を共通の列信号線１１に出力することで平均化を行う。その際、信号φＳＥＬＡ及びφＳＥＬＢを同時にハイレベルにする場合には平均化を行い、片方のみハイレベルにする場合には片方の分割画素の信号を出力する。それに対し、本実施形態の時刻ｔ１〜ｔ９では、信号φＳＥＬは常にハイレベルであり、選択トランジスタ１０５Ａ及び１０５Ｂがオンになる。列信号線１１Ａには分割画素Ａの信号が出力され、列信号線１１Ｂには分割画素Ｂの信号が出力される。クランプ容量２０Ａ、２０Ｂ及びトランジスタ１８、１９は、分割画素Ａの信号及び分割画素Ｂの信号の平均化を行う。

時刻ｔ１では、信号φＳＥＬがハイレベルであり、選択トランジスタ１０５Ａ及び１０５Ｂがオンになる。信号φＡＶＥがハイレベルであり、スイッチ１８がオフし、スイッチ１９がオンする。時刻ｔ２では、信号φＲＥＳがハイレベルになり、リセットトランジスタ１０６Ａ及び１０６Ｂがオンになり、ＦＤ１０３Ａ及び１０３Ｂの電位がリセットされる。その後、時刻ｔ３では、信号φＲＥＳがローレベルになり、ＦＤ１０３Ａ及び１０３Ｂはフローティング状態になる。

時刻ｔ４〜ｔ５では、信号φＡＶＥがローレベルになり、スイッチ１８がオフになり、スイッチ１９がオンになる。列回路部１３は、相互接続点２１の分割画素Ａのリセットレベルを読み出し、メモリＮ２に格納する。

時刻ｔ５では、信号φＡＶＥがハイレベルになり、スイッチ１８がオンになり、スイッチ１９がオフになる。その後、時刻ｔ５〜ｔ６では、列回路部１３は、相互接続点２１の分割画素Ａと分割画素Ｂのリセットレベルの平均値を読み出し、メモリＮ１に格納する。

時刻ｔ６では、信号φＴＸがハイレベルになり、転送トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂがオンする。転送トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂは、ＰＤ１０１Ａ及び１０１Ｂに蓄積された電荷をＦＤ１０３Ａ及び１０３Ｂに転送する。時刻ｔ７では、信号φＴＸがローレベルになり、転送トランジスタ１０２Ａ及び１０２Ｂがオフする。その後、時刻ｔ７〜ｔ８では、列回路部１３は、相互接続点２１の分割画素Ａの信号と分割画素Ｂの撮像信号の平均値に対応する撮像信号を読み出し、メモリＳ１に格納する。減算回路１３３は、メモリＳ１に格納された撮像信号から、メモリＮ１に格納されたリセットレベルを減算することにより、画素信号を出力する。

時刻ｔ８では、信号φＡＶＥがローレベルになり、スイッチ１８がオフになり、スイッチ１９がオンになる。その後、時刻ｔ８〜ｔ９では、列回路部１３は、相互接続点２１の分割画素Ａの信号を読み出し、メモリＳ２に格納する。減算回路１３３は、メモリＳ２に格納された分割画素Ａの信号から、メモリＮ２に格納された分割画素Ａのリセットレベルを減算することにより、分割画素Ａの信号を出力する。

次に、図１０（ｂ）の第２の駆動モードについて説明する。時刻ｔ１では、信号φＳＥＬがハイレベルであり、選択トランジスタ１０５Ａ及び１０５Ｂがオンになる。信号φＡＶＥがハイレベルであり、スイッチ１８がオフし、スイッチ１９がオンする。時刻ｔ２では、信号φＲＥＳがハイレベルになり、リセットトランジスタ１０６Ａ及び１０６Ｂがオンになり、ＦＤ１０３Ａ及び１０３Ｂの電位がリセットされる。その後、時刻ｔ３では、信号φＲＥＳがローレベルになり、ＦＤ１０３Ａ及び１０３Ｂはフローティング状態になる。

次に、時刻ｔ４では、信号φＴＸがハイレベルになり、転送トランジスタ１０２Ａ，１０２Ｂがオンになる。転送トランジスタ１０２Ａ，１０２Ｂは、それぞれ、ＰＤ１０１Ａ，１０１Ｂによって変換及び蓄積された電荷をＦＤ１０３Ａ，１０３Ｂに転送する。次に、時刻ｔ５では、信号φＴＸがローレベルになり、転送トランジスタ１０２Ａ，１０２Ｂがオフになる。ＦＤ１０３Ａ，１０３Ｂの電位は、信号φＴＸの変動を受けて変化する。列回路部１３は、相互接続点２１の分割画素Ａの信号と分割画素Ｂの撮像信号の平均値に対応する撮像信号を読み出し、メモリＳ１に格納する。その後、減算回路１３３は、メモリＳ１に格納された撮像信号から、メモリＮ１に格納されたリセットレベルを減算することにより、分割画素Ａ及び分割画素Ｂの信号の平均値に対応する画素信号を出力する。時刻ｔ６では、信号φＳＥＬ及びφＡＶＥがローレベルとなり、選択トランジスタ１０５Ａ及び１０５Ｂがオフになり、スイッチ１８がオフになり、スイッチ１９がオンになり、特定行を読み出す一連の駆動が終了する。

本実施形態では、第１〜第３の実施形態と同様に、撮影画像に用いる画素信号を読み出す際のリセットレベルと撮像信号の時間差Δｔ（ＡＢ）を最小限に留めることが可能である。また、第１〜第３の実施形態では、列信号線１１に増幅トランジスタ１０４Ａ、１０４Ｂの信号を同時に出力することにより平均化を行っているが、この平均化は、ＦＤ１０３Ａ、１０３Ｂの電位差が大きい時には正しく平均化されない課題がある。本実施形態のクランプ容量２０Ａ、２０Ｂによる平均化では、上記の課題は発生しないため、ＰＤ１０１Ａ、１０１Ｂに電荷が多量に発生しても輝度レベルの階調を正しく出力する必要がある低感度撮影時においても正確に平均化することが可能である。

本実施形態では、第３の実施形態と同様に、第１の駆動モードの時間差Δｔ（ＡＢ）と第２の駆動モードの時間差Δｔ（ＡＢ）が変わらず、第１の駆動モードと第２の駆動モードでの切り替わりによってリーク電流が原因の段差や横縞を低減することが可能である。

また、一般的な固体撮像装置は、リセットレベルの読み出し後に連続して分割画素Ａの信号と撮像信号を読み出す。これに対し、第１〜４の実施形態の固体撮像装置は、撮像信号の読み出し後に分割画素Ａの信号を読み出す。これにより、第１〜４の実施形態の固体撮像装置は、一般的な固体撮像装置に比べ、時間差Δｔ（Ａ）が延びることにより、リーク電流による悪影響が増大する。しかし、分割画素Ａの信号及び分割画素Ｂの信号は、撮像面位相差ＡＦにのみ使用されるため、撮影画像用の信号に比べ、精度を要求されない。そのため、撮影画像の画質のみ効果的に改善することが可能である。

なお、第１〜４の実施形態では、単位画素１０は２つの分割画素Ａ及びＢを有する構造を示しているが、説明をするうえで単純な２分割を例にしたのであって、この分割数は限定されるものではない。また、リセットレベル及び画素信号の平均を出力して減算しているが、平均に限られるものではなく、複数の分割画素のリセットレベル及び画素信号がそれぞれ混合された信号であれば、本実施形態の効果を実現できる。

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。

１０ 単位画素、１３２ 列メモリ部、１０１Ａ，１０１Ｂ フォトダイオード、１０３Ａ，１０３Ｂ フローティングディフュージョン

Claims (14)

1. 各々が撮像光学系の瞳を分割して受光する複数の光電変換素子を有し、行列状に配列された複数の単位画素と、
   第１の駆動モードでは、前記複数の単位画素の各々から前記複数の光電変換素子の信号を混合した信号を出力し、その後、前記複数の光電変換素子のうちの一部の光電変換素子の光電変換に基づく信号を出力するように制御し、
   第２の駆動モードでは、前記複数の単位画素の各々から前記複数の光電変換素子の光電変換に基づく信号を混合した信号を出力し、前記一部の光電変換素子の光電変換に基づく信号を出力しないように制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. さらに、前記複数の光電変換素子により生成された電荷を電圧に変換する複数のフローティングディフュージョンと、
   前記複数の単位画素の各列の各々に接続される一の列信号線と、
   前記複数の単位画素の各列の信号を保持する第１のメモリ、第２のメモリ及び第３のメモリを有し、
   前記複数の単位画素の各々は、前記複数のフローティングディフュージョンの電荷に基づく信号をそれぞれ前記一の列信号線に出力する複数の選択トランジスタを有し、
   前記第１のメモリは、前記複数の選択トランジスタがオンである状態で、前記一の列信号線の前記複数のフローティングディフュージョンのリセット解除に基づく信号を混合した信号を保持し、
   前記第２のメモリは、前記複数の選択トランジスタがオンである状態で、前記一の列信号線の前記複数の光電変換素子の光電変換に基づく信号を混合した信号を保持し、
   前記第３のメモリは、前記複数の選択トランジスタのうちの一部の選択トランジスタがオンである状態で、前記一の列信号線の前記複数の光電変換素子のうちの一部の光電変換素子の光電変換に基づく信号を保持することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. さらに、前記複数の光電変換素子により生成された電荷を電圧に変換する複数のフローティングディフュージョンと、
   前記複数の単位画素の各列の各々に接続される複数の列信号線と、
   一端が前記複数の列信号線にそれぞれ接続される複数の容量と、
   前記複数の単位画素の各列の信号を保持する第１のメモリ、第２のメモリ及び第３のメモリを有し、
   前記複数の容量の他端は、相互に接続され、
   前記複数の単位画素の各々は、前記複数のフローティングディフュージョンの電荷に基づく信号をそれぞれ前記複数の列信号線に出力する複数の選択トランジスタを有し、
   前記第１のメモリは、前記複数の選択トランジスタがオンである状態で、前記複数の容量の他端の相互接続点の前記複数のフローティングディフュージョンのリセット解除に基づく信号を混合した信号を保持し、
   前記第２のメモリは、前記複数の選択トランジスタがオンである状態で、前記複数の容量の他端の相互接続点の前記複数の光電変換素子の光電変換に基づく信号を混合した信号を保持し、
   前記第３のメモリは、前記複数の選択トランジスタのうちの一部の選択トランジスタがオンである状態で、前記複数の容量の他端の相互接続点の前記複数の光電変換素子のうちの一部の光電変換素子の光電変換に基づく信号を保持することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. さらに、前記複数の列信号線のうちの一の列信号線と前記複数の容量のうちの一の容量との間に設けられる第１のスイッチと、
   前記複数の容量の一端の間に設けられる第２のスイッチとを有することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. さらに、前記複数の単位画素の各列の信号を保持する第４のメモリを有し、
   前記第４のメモリは、前記複数のフローティングディフュージョンのうちの一部のフローティングディフュージョンのリセット解除に基づく信号を保持し、その後、前記第１のメモリは、前記複数のフローティングディフュージョンのリセット解除に基づく信号を混合した信号を保持し、その後、前記第２のメモリは、前記複数の光電変換素子の光電変換に基づく信号を混合した信号を保持し、その後、前記第３のメモリは、前記複数の光電変換素子のうちの一部の光電変換素子の光電変換に基づく信号を保持することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 第１の駆動モードでは、前記第１のメモリは、前記複数のフローティングディフュージョンのリセット解除に基づく信号を混合した信号を保持し、その後、前記第２のメモリは、前記複数の光電変換素子の光電変換に基づく信号を混合した信号を保持し、その後、前記第３のメモリは、前記複数の光電変換素子のうちの一部の光電変換素子の光電変換に基づく信号を保持し、
   第２の駆動モードでは、前記第１のメモリは、前記複数のフローティングディフュージョンのリセット解除に基づく信号を混合した信号を保持し、その後、前記第２のメモリは、前記複数の光電変換素子の光電変換に基づく信号を混合した信号を保持し、前記第３のメモリは、前記一部の光電変換素子の光電変換に基づく信号を保持しないことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記第１の駆動モードと前記第２の駆動モードは、前記単位画素の行単位で切り替えられることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 前記複数の単位画素の各々は、前記複数の光電変換素子の電荷を前記複数のフローティングディフュージョンにそれぞれ転送する複数の転送トランジスタを有することを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. さらに、前記単位画素の信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換回路を有し、
   前記第１〜第３のメモリは、前記アナログデジタル変換回路により変換されたデジタルの信号を保持することを特徴とする請求項２乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. さらに、前記第２のメモリに保持されている信号から前記第１のメモリに保持されている信号を減算する減算回路を有することを特徴とする請求項２乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. さらに、前記第２のメモリに保持されている信号から前記第１のメモリに保持されている信号を減算し、前記第３のメモリに保持されている信号から前記第１のメモリに保持されている信号を減算する減算回路を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
12. さらに、前記第２のメモリに保持されている信号から前記第１のメモリに保持されている信号を減算し、前記第３のメモリに保持されている信号から前記第４のメモリに保持されている信号を減算する減算回路を有することを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
13. 前記複数の単位画素の各々は、前記複数の光電変換素子に共通のマイクロレンズを有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
14. 各々が撮像光学系の瞳を分割して受光する複数の光電変換素子を有し、行列状に配列された複数の単位画素を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記複数の単位画素の各々から前記複数の光電変換素子の信号を混合した信号を出力するステップと、
    その後、前記複数の光電変換素子のうちの一部の光電変換素子の光電変換に基づく信号を出力するステップと、
    を有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。

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