JP2021061613A - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像と焦点検出用信号の取得の両方が可能なグローバル電子シャッタ動作を行う固体撮像素子で、大きな開口率を得る。【解決手段】固体撮像素子は、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する複数の光電変換部ＰＤａ、ＰＤｂと、前記電荷が転送され保持される第１の電荷保持部ＣＨと、複数の光電変換部ＰＤａ、ＰＤｂの各々と第１の電荷保持部ＣＨとの間をそれぞれ電気的に接続及び遮断する複数の第１のスイッチＴＸａ１、ＴＸｂ１と、第１の電荷保持部ＣＨから前記電荷が転送され保持される第２の電荷保持部ＦＤと、第１の電荷保持部ＣＨと第２の電荷保持部ＦＤとの間を電気的に接続及び遮断する第２のスイッチＴＸ２と、第２の電荷保持部ＦＤに保持されている電荷に応じた信号を出力する増幅部ＡＭＰと、が設けられた複数の画素ＰＸを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置に関するものである。

ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、グローバル電子シャッタ技術が知られている。グローバル電子シャッタ技術で瞳分割位相差方式による焦点検出用信号を得る構成にすると、開口率が低減する。

特開平１０−７０２６１号公報

第１の態様による固体撮像素子は、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する複数の光電変換部と、前記電荷が転送され保持される第１の電荷保持部と、前記複数の光電変換部の各々と前記第１の電荷保持部との間をそれぞれ電気的に接続及び遮断する複数の第１のスイッチと、前記第１の電荷保持部から前記電荷が転送され保持される第２の電荷保持部と、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部との間を電気的に接続及び遮断する第２のスイッチと、前記第２の電荷保持部に保持されている電荷に応じた信号を出力する増幅部と、が設けられた複数の画素を備えるものである。

第２の態様による固体撮像素子は、前記第１の態様において、前記画素から画像用信号を読み出す場合に、前記第２のスイッチを遮断し、前記複数の第１のスイッチを接続し、前記複数の光電変換部に蓄積されていた電荷が前記第１の電荷保持部に転送されて保持された後に、前記複数の第１のスイッチを遮断し、前記第２のスイッチを接続し、前記第１の電荷保持部に保持されていた電荷が前記第２の電荷保持部に転送されて保持されるように、前記複数の第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを制御する制御部を備えるものである。

第３の態様による固体撮像素子は、前記第１又は第２の態様において、前記画素から焦点検出用信号を読み出す場合に、前記第２のスイッチを遮断し、前記複数の第１のスイッチのうちの一部の第１のスイッチを接続し、残りの第１のスイッチを遮断し、前記一部の第１のスイッチに対応する前記光電変換部に蓄積されていた電荷が前記第１の電荷保持部に転送されて保持された後に、前記複数の第１のスイッチを遮断し、前記第２のスイッチを接続し、前記第１の電荷保持部に保持されていた電荷が前記第２の電荷保持部に転送されて保持されるように、前記複数の第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを制御する制御部を備えるものである。

第４の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記複数の画素のうちの２つ以上の画素が、前記第２の電荷保持部及び前記増幅部を共有するものである。

第５の態様による固体撮像素子は、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する第１及び第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部が生成し蓄積する前記電荷が転送され保持される第１の電荷保持部と、前記第１の光電変換部と前記第１の電荷保持部との間を電気的に接続及び遮断する第１のスイッチと、前記第１の電荷保持部及び／又は前記第２の光電変換部から前記電荷が転送され保持される第２の電荷保持部と、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部との間を電気的に接続及び遮断する第２及び第３のスイッチと、前記第３のスイッチと共に前記第２の光電変換部と前記前記第２の電荷保持部との間を電気的に接続及び遮断する第４のスイッチと、前記第２の電荷保持部に保持されている電荷に応じた信号を出力する増幅部と、が設けられた複数の画素を備えるものである。

第６の態様による固体撮像素子は、前記第５の態様において、前記画素から画像用信号を読み出す場合に、前記第３のスイッチを遮断し、前記第１、第２及び第４のスイッチを接続し、前記第１及び第２の光電変換部に蓄積されていた電荷が前記第１の電荷保持部に転送されて保持された後に、前記第１及び第４のスイッチを遮断し、前記第２及び第３のスイッチを接続し、前記第１の電荷保持部に保持されていた電荷が前記第２の電荷保持部に転送されて保持されるように、前記第１乃至第４のスイッチを制御する制御部を備えるものである。

第７の態様による固体撮像素子は、前記第５又は第６の態様において、前記画素から焦点検出用信号を読み出す場合に、前記第２のスイッチを遮断し、前記第１、第３及び第４のスイッチを接続し、前記第１の光電変換部に蓄積されていた電荷が前記第１の電荷保持部に転送されて保持され、前記第２の光電変換部に蓄積されていた電荷が前記第２の電荷保持部に転送されて保持された後に、前記第１及び第４のスイッチを遮断し、前記第２及び第３のスイッチを接続し、前記第１の電荷保持部に保持されていた電荷が前記第２の電荷保持部に転送されて保持されるように、前記第１乃至第４のスイッチを制御する制御部を備えるものである。

第８の態様による撮像装置は、前記第１乃至第７のいずれかの態様による固体撮像素子と、前記画素から得られる焦点検出用信号に基づいて、焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部と、前記検出処理部からの前記検出信号に基づいて焦点調節を行う調節部と、を備えるものである。

本発明によれば、グローバル電子シャッタによる撮像を実現することができるとともに焦点検出用信号を得ることができる上に、開口率を大きくすることができる固体撮像素子、及び、これを用いた撮像装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態による電子カメラを示す概略ブロック図である。 図１中の固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。 図１中の固体撮像素子の１つの画素を示す回路図である。 図３に示す画素の要部を模式的に示す概略平面図である。 図１中の固体撮像素子の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。 比較例による固体撮像素子の１つの画素を示す回路図である。 図６に示す固体撮像素子の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施の形態による電子カメラで用いられる固体撮像素子の１つの画素を示す回路図である。 図８に示す画素の要部を模式的に示す概略平面図である。 本発明の第２の実施の形態による電子カメラで用いられる固体撮像素子の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施の形態による電子カメラで用いられる固体撮像素子の１つの画素を示す回路図である。 本発明の第３の実施の形態による電子カメラで用いられる固体撮像素子の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。 本発明の第４の実施の形態による電子カメラで用いられる固体撮像素子の１つの画素を示す回路図である。 本発明の第４の実施の形態による電子カメラで用いられる固体撮像素子の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。

以下、本発明による固体撮像素子及び撮像装置について、図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］

図１は、本発明の第１の実施の形態による撮像装置としての電子カメラ１を示す概略ブロック図である。

本実施の形態による電子カメラ１は、例えば一眼レフのデジタルカメラとして構成されるが、本発明による撮像装置は、これに限らず、コンパクトカメラなどの他の電子カメラや、携帯電話に搭載された電子カメラや、動画を撮像するビデオカメラ等の電子カメラなどの種々の撮像装置に適用することができる。

電子カメラ１には、撮影レンズ２が装着される。この撮影レンズ２は、レンズ制御部３によってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ２の像空間には、固体撮像素子４の撮像面が配置される。

固体撮像素子４は、撮像制御部５の指令によって駆動され、デジタルの信号を出力する。固体撮像素子４から出力される信号は、画像用信号及び焦点検出用信号のいずれかである。いずれの信号も、デジタル信号処理部６で処理された後、メモリ７に一旦蓄積される。メモリ７は、バス８に接続されている。バス８には、レンズ制御部３、撮像制御部５、ＣＰＵ９、記録部１０、焦点演算部１１、画像処理部１２、画像圧縮部１３、及び、液晶表示パネル等の表示部１４なども接続される。ＣＰＵ９には、レリーズ釦などの操作部１５が接続される。記録部１０には記録媒体１０ａが着脱自在に装着される。

電子カメラ１内のＣＰＵ９は、操作部１５のレリーズ釦の半押し操作に同期して撮像制御部５を駆動する。撮像制御部５は、固体撮像素子４に配置された画素ＰＸから焦点検出用信号を読み出し、メモリ７に蓄積する。ここでは、後述するようにすべての画素ＰＸは、焦点検出用信号を生成する。また、すべての画素ＰＸは、焦点検出用信号とは異なるタイミングで画像用信号を生成する。しかし、これに限らず、焦点検出用信号を生成する画素は、固体撮像素子４に配置される画素のうち、少なくとも一部であれば良い。この場合において、その他の画素は、画像用信号を出力する。この点は、後述する各実施の形態についても同様である。

撮像制御部５の指令によって固体撮像素子４から焦点検出用信号が出力されメモリ７に蓄積されると、焦点演算部１１は、この信号を用いて焦点検出演算処理を実施し、デフォーカス量を算出する。ところで、後述するように、本実施形態の固体撮像素子４では、焦点検出用信号を出力する画素は２つの光電変換部を有している。そして、この２つの光電変換部上には共通する１つのマイクロレンズが配置されている。この２つの光電変換部から出力される焦点検出用信号が一対（一組）となり、デフォーカス量は、所望の位置の各画素の各組の焦点検出信号に基づいて瞳分割位相差方式に従った演算（焦点調節状態の検出処理）により算出される。

焦点演算部１１によって検出されたデフォーカス量は、レンズ制御部３に伝達される。レンズ制御部３は、このデフォーカス量に基づいて撮影レンズ２の焦点駆動を行い、撮影レンズ２を被写体に合焦させる調節部として機能する。その後、電子カメラ１内のＣＰＵ９は、レリーズ釦の全押し操作に同期して撮像制御部５を用いて、画像信号の読み出し動作を開始する。

撮像制御部５は、画素から画像用信号を読み出し、メモリ７に蓄積する。その後、ＣＰＵ９は、操作部１５の指令に基づき、必要に応じて画像処理部１２や画像圧縮部１３にて所望の処理を行い、記録部１０に処理後の信号を出力させ記録媒体１０ａに記録する。

図２は、図１中の固体撮像素子４の概略構成を示す回路図である。本実施の形態では、固体撮像素子４は、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子として構成されているが、これに限らない。

固体撮像素子４は、２次元マトリクス状に配置された複数の画素ＰＸを有する画素部２１と、制御部としての垂直走査回路２２と、画素ＰＸの行毎に設けられた制御線２３と、画素ＰＸの列毎に設けられ対応する列の画素ＰＸからの信号を受け取る複数の垂直信号線２４と、各垂直信号線２４に設けられた定電流源２５と、各垂直信号線２４に対応して設けられたカラムアンプ２６、ＣＤＳ回路（相関２重サンプリング回路）２７及びＡ／Ｄ変換器２８と、水平読み出し回路２９とを有している。

なお、カラムアンプ２６として、アナログ増幅器を用いてもよいし、いわゆるスイッチトキャパシタアンプを用いてもよい。また、カラムアンプ２６は、必ずしも設けなくてもよい。

垂直走査回路２２及び水平読み出し回路２９は、電子カメラ１の撮像制御部５からの指令に基づいて制御信号を出力する。各画素ＰＸは、垂直走査回路２２から出力される制御信号を所定の制御線２３から受け取って駆動され、画像用信号又は焦点検出用信号を垂直信号線２４に出力する。垂直走査回路２２から出力される制御信号は複数あり、それに伴い制御線２３も複数ある。これらについては後述する。

画素ＰＸから垂直信号線２４に読み出された信号は、各列毎に、カラムアンプ２６を経た後にＣＤＳ回路２７にて所定のノイズ除去処理が施された後に、Ａ／Ｄ変換器２８にてデジタル信号に変換され、そのデジタル信号はＡ／Ｄ変換器２８に保持される。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、必要に応じて所定の信号形式に変換されて、外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。なお、固体撮像素子は必ずしもＡ／Ｄ変換器２８を含む必要はなく、水平読み出し回路２９からアナログ画像信号が出力されるように構成してもよい。

なお、ＣＤＳ回路２７は、図１中の撮像制御部５による制御下でタイミング発生回路（図示せず）から暗信号サンプリング信号φＤＡＲＫＣを受け、φＤＡＲＫＣがハイレベル（Ｈ）からローレベル（Ｌ）に切り換わるタイミングでカラムアンプ２６の出力信号を暗信号としてサンプリングするとともに、図１中の撮像制御部５による制御下で前記タイミング発生回路から光信号サンプリング信号φＳＩＧＣを受け、φＳＩＧＣがハイレベルからローレベルに切り換わるタイミングでカラムアンプ２６の出力信号を光信号としてサンプリングする。そして、ＣＤＳ回路２７は、前記タイミング発生回路からのクロックやパルスに基づいて、サンプリングした暗信号と光信号との差分に応じた信号を出力する。このようなＣＤＳ回路２７の構成としては、公知の構成を採用することができる。

図３は、図１中の固体撮像素子４の１つの画素ＰＸを示す回路図である。図４は、図３に示す画素ＰＸの要部（フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ及びマイクロレンズ３０）を模式的に示す概略平面図である。

画素ＰＸは、図３に示すように、同じマイクロレンズ３０に導かれる入射光に応じた電荷を生成し蓄積する２つ光電変換部としての２つフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂと、前記２つフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの各々と第１のノードＮ１との間をそれぞれ電気的に接続及び遮断する２つの第１のスイッチとしての２つのトランジスタＴＸａ１，ＴＸｂ１と、第１のノードＮ１に設けられ前記電荷が転送され保持される第１の電荷保持部としてのコンデンサＣＨと、第１のノードＮ１と第２のノードＮ２との間を電気的に接続及び遮断する第２のスイッチとしてのトランジスタＴＸ２と、第２のノードＮ２に設けられコンデンサＣＨから前記電荷が転送され保持される第２の電荷保持部としてのフローティング容量部ＦＤと、フローティング容量部ＦＤに保持されている電荷に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタＡＭＰと、第２のノードＮ２の電位をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタＦＤＲＳＴと、当該画素ＰＸを選択する選択部としての選択トランジスタＳＥＬと、を有し、図３に示すように接続されている。図３において、ＶＤＤは電源電圧である。コンデンサＣＨは、両側に金属電極を備えた構造を有していてもよいし、他の構造を有していてもよい。前記第１の電荷保持部としては、コンデンサＣＨに限らず、例えば、ストレージダイオードやＭＯＳキャパシタなどを用いてもよい。

２つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの光入射側には、図４に示すように、１つのマイクロレンズ３０が配置されている。２つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂは、光入射側から見て画素ＰＸの行方向に延びたマイクロレンズ３０の中心線Ｘ−Ｘ’（直径を含む線）に対して線対称となるように配置されている。これにより、マイクロレンズ３０により導かれる入射光は、瞳分割されて各フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂに入射される。したがって、各フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂは、焦点検出用信号を生成することができる。一方、２つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの光電荷を合算して信号を出力すれば、固体撮像素子４は、画像用信号を得ることができる。なお、２つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂは、例えば、光入射側から見て画素ＰＸの列方向に延びたマイクロレンズ３０の中心線（直径を含む線）に対して線対称となるように配置してもよい。

本実施形態では、各画素ＰＸは、すべて同一の構造を有しており、焦点検出用信号と画像用信号を異なるタイミングで出力することが可能である。しかし、これに限らず、固体撮像素子４は、所定部に焦点検出エリアが設けられ、このエリアに図３に示す回路を有する画素が配置されて焦点検出用信号を生成し得るように構成され、その他のエリアに光電変換部を１つのみ有する画素が配置されて画像用信号のみを生成するよう構成されても構わない。

また、図３において、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの一方の端子、コンデンサＣＨの一方の端子、及び、フローティング容量部ＦＤの一方の端子は、接地としている。しかし、これに限らず、接地に代えて、所定の基準電位が印加されてもよい。

トランジスタＴＸａ１のゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＴＸａ１が供給される。トランジスタＴＸｂ１のゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＴＸｂ１が供給される。トランジスタＴＸ２のゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＴＸ２が供給される。リセットトランジスタＦＤＲＳＴのゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＦＤＲＳＴが供給される。選択トランジスタＳＥＬのゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＳＥＬが供給される。

なお、本実施の形態では、トランジスタＴＸａ１，ＴＸｂ１，ＴＸ２，ＡＭＰ，ＦＤＲＳＴ，ＳＥＬは、全てｎＭＯＳトランジスタである。したがって、これらは、ハイレベルの制御信号でオン状態とされ、ローレベルの制御信号でオフ状態とされる。

図５（ａ）は、画像用信号を読み出す場合の図１中の固体撮像素子４の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。期間Ｔ１は、全行の画素ＰＸが同時に駆動される期間である。すなわち、期間Ｔ１において、全行において同一の制御信号が垂直走査回路２２から出力される。また、期間Ｔ２は１行目が読み出される期間、期間Ｔ３は２行目が読み出される期間であり、選択された行のみ、本図の制御信号が出力される。本例では、静止画像を取得するべく、期間Ｔ１から最終行の読み出し期間までの一連の期間を、２回繰り返す。１回目の一連の期間はフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの不要電荷を排除してリセットするリセット期間であり、２回目の一連の期間が各行の本来の読み出し期間である。前記一連の期間を３回以上繰り返して、動画像を取得してもよい。

まず、期間Ｔ１中の期間Ｔ１１において、全行の制御信号φＴＸａ１，φＴＸｂ１がハイレベルにされ、全行のトランジスタＴＸａ１，ＴＸｂ１がオン状態とされる。この動作により、全行の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂに蓄積されている電荷が当該画素ＰＸのコンデンサＣＨにそれぞれ転送されて合算され保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１１においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂに蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１１においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、撮像画像を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１１の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１１の開始時点までの期間が露光期間となり、この露光期間は全行について同一の期間で同一のタイミングとなる。このため、全画素ＰＸは、タイミングずれすることなく画像情報を獲得することが可能となり、グローバル電子シャッタによる撮像が実現される。

以下の説明では、前記露光期間の後の２回目の前記一連の期間について説明するが、１回目の前記一連の期間についても同様である。

期間Ｔ２中の期間Ｔ１２において、１行目の制御信号φＳＥＬがハイレベルにされ、選択トランジスタＳＥＬがオン状態とされる。これにより、１行目の画素ＰＸが選択され、この期間Ｔ１２の間、１行目の画素ＰＸから信号が垂直信号線２４に出力される。

期間Ｔ１２中の期間Ｔ１３において、１行目の制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ１３の終了時点と期間Ｔ１４の開始時点との間の所定タイミングにおいて、前記暗信号サンプリング信号φＤＡＲＫＣ（図示せず）に応答して、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ１２中のその後の期間Ｔ１４において、１行目の制御信号φＴＸ２がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ２がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのコンデンサＣＨに保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂからコンデンサＣＨに転送されて合算された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。１行目の画素ＰＸのノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）は、ノイズ成分を除くと、この信号電荷の量と当該画素ＰＸのフローティング容量部ＦＤの容量値の逆数とに比例した値となる。

期間Ｔ１４の終了時点と期間Ｔ１２の終了時点との間の所定タイミングにおいて、前記光信号サンプリング信号φＳＩＧＣ（図示せず）に応答して、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル画像信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

同様に、期間Ｔ３において２行目の読み出しを行う。期間Ｔ３における２行目の制御信号は、期間Ｔ２における１行目の制御信号と同様である。同様にして、すべての行から画像信号が出力されると、前記一連の期間を終了し、１フレームの画像の取得が終了する。

以上の説明から理解されるように、各画素ＰＸは、２つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂを有しているものの、通常どおりに画像用信号を出力することができる。しかも、全画素ＰＸの露光のタイミングを同一にしたグローバル電子シャッタが可能となる。

図５（ｂ）は、焦点検出用信号を読み出す場合の図１中の固体撮像素子４の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。期間Ｔ２１は１行目が読み出される期間、期間Ｔ２２は２行目が読み出される期間であり、選択された行のみ、本図の制御信号が出力される。本例では、焦点検出用信号を取得するべく、期間Ｔ２１から最終行の読み出し期間までの一連の期間を、２回繰り返す。１回目の一連の期間はフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの不要電荷を排除してリセットするリセット期間であり、２回目の一連の期間が各行の本来の読み出し期間である。

以下の説明では、主に２回目の前記一連の期間について説明するが、１回目の前記一連の期間についても同様である。

期間Ｔ２１中の期間Ｔ３１において、１行目の制御信号φＳＥＬがハイレベルにされ、選択トランジスタＳＥＬがオン状態とされる。これにより、１行目の画素ＰＸが選択され、この期間Ｔ３１の間、１行目の画素ＰＸから信号が垂直信号線２４に出力される。

期間Ｔ３１中の期間Ｔ３２において、１行目の制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ３１中のその後の期間Ｔ３３において、１行目の制御信号φＴＸａ１がハイレベルにされ、トランジスタＴＸａ１がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａに蓄積されている電荷が当該画素ＰＸのコンデンサＣＨに転送されて保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ３３においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、フォトダイオードＰＤａに蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ３３においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、焦点検出用信号を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ３３の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ３３の開始時点までの期間が１行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａの露光期間となる。

期間Ｔ３２の終了時点と期間Ｔ３４の開始時点との間の所定タイミングにおいて、前記暗信号サンプリング信号φＤＡＲＫＣ（図示せず）に応答して、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ３１中のその後の期間Ｔ３４において、１行目の制御信号φＴＸ２がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ２がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのコンデンサＣＨに保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａからコンデンサＣＨに転送された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。１行目の画素ＰＸのノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）は、ノイズ成分を除くと、この信号電荷の量と当該画素ＰＸのフローティング容量部ＦＤの容量値の逆数とに比例した値となる。

期間Ｔ３４の終了時点と期間Ｔ３５の開始時点との間の所定タイミングにおいて、前記光信号サンプリング信号φＳＩＧＣ（図示せず）に応答して、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタル信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル焦点検出用信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

期間Ｔ３１中のその後の期間Ｔ３５において、１行目の制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ３１中のその後の期間Ｔ３６において、１行目の制御信号φＴＸｂ１がハイレベルにされ、トランジスタＴＸｂ１がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤｂに蓄積されている電荷が当該画素ＰＸのコンデンサＣＨに転送されて保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ３６においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、フォトダイオードＰＤｂに蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ３６においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、焦点検出用信号を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ３６の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ３６の開始時点までの期間が１行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤｂの露光期間となる。

期間Ｔ３５の終了時点と期間Ｔ３７の開始時点との間の所定タイミングにおいて、前記暗信号サンプリング信号φＤＡＲＫＣ（図示せず）に応答して、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ３１中のその後の期間Ｔ３７において、１行目の制御信号φＴＸ２がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ２がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのコンデンサＣＨに保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤｂからコンデンサＣＨに転送された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。１行目の画素ＰＸのノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）は、ノイズ成分を除くと、この信号電荷の量と当該画素ＰＸのフローティング容量部ＦＤの容量値の逆数とに比例した値となる。

期間Ｔ３７の終了時点と期間Ｔ３１の終了時点との間の所定タイミングにおいて、前記光信号サンプリング信号φＳＩＧＣ（図示せず）に応答して、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタル信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル焦点検出用信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

同様に、期間Ｔ２２において２行目の読み出しを行う。期間Ｔ２２における２行目の制御信号は、期間Ｔ２１における１行目の制御信号と同様である。同様にして、すべての行から焦点検出用信号が出力されると、前記一連の期間を終了する。

以上の説明から理解されるように、この固体撮像素子４によれば、焦点検出用信号を得ることができる。焦点検出用信号を得る場合には、画素ＰＸの行毎にフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの露光期間がずれていくとともに、同じ行の画素ＰＸであっても、フォトダイオードＰＤａの露光期間とフォトダイオードＰＤｂの露光期間とがずれる。

図６は、比較例による固体撮像素子の１つの画素を示す回路図であり、図３に対応している。図６において、図３中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

この比較例による固体撮像素子が本実施の形態における固体撮像素子４と異なる所は、本実施の形態では、各画素ＰＸにおいて、コンデンサＣＨ及びトランジスタＴＸ２の組がトランジスタＴＸａ１及びトランジスタＴＸｂ１に対して共通して設けられているのに対し、この比較例では、各画素ＰＸにおいて、コンデンサＣＨａ及びトランジスタＴＸａ２の組がトランジスタＴＸａ１に対して個別に設けられ、コンデンサＣＨｂ及びトランジスタＴＸｂ２の組がトランジスタＴＸｂ１に対して個別に設けられている点である。

この比較例では、トランジスタＴＸａ２のゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＴＸａ２が供給される。また、トランジスタＴＸｂ２のゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＴＸｂ２が供給される。トランジスタＴＸａ２，ＴＸｂ２も、他のトランジスタＴＸａ１，ＴＸｂ１，ＡＭＰ，ＦＤＲＳＴ，ＳＥＬと同様に、ｎＭＯＳトランジスタである。

図７（ａ）は、画像用信号を読み出す場合の図６に示す比較例による固体撮像素子の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。期間Ｔ４１は、全行の画素ＰＸが同時に駆動される期間である。すなわち、期間Ｔ４１において、全行において同一の制御信号が垂直走査回路２２から出力される。また、期間Ｔ４２は１行目が読み出される期間、期間Ｔ４３は２行目が読み出される期間であり、選択された行のみ、本図の制御信号が出力される。本例では、静止画像を取得するべく、期間Ｔ４１から最終行の読み出し期間までの一連の期間を、２回繰り返す。１回目の一連の期間はフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの不要電荷を排除してリセットするリセット期間であり、２回目の一連の期間が各行の本来の読み出し期間である。

まず、期間Ｔ４１中の期間Ｔ５１において、全行の制御信号φＴＸａ１，φＴＸｂ１がハイレベルにされ、全行のトランジスタＴＸａ１，ＴＸｂ１がオン状態とされる。この動作により、全行の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂに蓄積されている電荷が当該画素ＰＸのコンデンサＣＨａ，ＣＨｂにそれぞれ転送されて保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ５１においてコンデンサＣＨａ，ＣＨｂにそれぞれ転送される電荷は、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂに蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ５１においてコンデンサＣＨａ，ＣＨｂにそれぞれ転送される電荷は、撮像画像を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ５１の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ５１の開始時点までの期間が露光期間となり、この露光期間は全行について同一の期間で同一のタイミングとなる。このため、全画素ＰＸは、タイミングずれすることなく画像情報を獲得することが可能となり、グローバル電子シャッタによる撮像が実現される。

以下の説明では、前記露光期間の後の２回目の前記一連の期間について説明するが、１回目の前記一連の期間についても同様である。

期間Ｔ４２中の期間Ｔ５２において、１行目の制御信号φＳＥＬがハイレベルにされ、選択トランジスタＳＥＬがオン状態とされる。これにより、１行目の画素ＰＸが選択され、この期間Ｔ５２の間、１行目の画素ＰＸから信号が垂直信号線２４に出力される。

期間Ｔ５２中の期間Ｔ５３において、１行目の制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ５３の終了時点と期間Ｔ５４の開始時点との間の所定タイミングにおいて、前記暗信号サンプリング信号φＤＡＲＫＣ（図示せず）に応答して、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ５２中のその後の期間Ｔ５４において、１行目の制御信号φＴＸａ２，φＴＸｂ２がハイレベルにされ、トランジスタＴＸａ２，ＴＸｂ２がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのコンデンサＣＨａに保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａからコンデンサＣＨａに転送された電荷）及び１行目の画素ＰＸのコンデンサＣＨｂに保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤｂからコンデンサＣＨｂに転送された電荷）が、フローティング容量部ＦＤにそれぞれ転送されて合算され保持される。

期間Ｔ５４の終了時点と期間Ｔ５２の終了時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル画像信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

同様に、期間Ｔ４３において２行目の読み出しを行う。期間Ｔ４３における２行目の制御信号は、期間Ｔ４２における１行目の制御信号と同様である。同様にして、すべての行から画像信号が出力されると、前記一連の期間を終了し、１フレームの画像の取得が終了する。

以上の説明から理解されるように、この比較例においても、グローバル電子シャッタによる撮像を実現することができる。

図７（ｂ）は、焦点検出用信号を読み出す場合の図６に示す比較例による固体撮像素子の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。期間Ｔ６１は、全行の画素ＰＸが同時に駆動される期間である。すなわち、期間Ｔ６１において、全行において同一の制御信号が垂直走査回路２２から出力される。また、期間Ｔ６２は１行目が読み出される期間、期間Ｔ６３は２行目が読み出される期間であり、選択された行のみ、本図の制御信号が出力される。本例では、焦点検出用信号を取得するべく、期間Ｔ６１から最終行の読み出し期間までの一連の期間を、２回繰り返す。１回目の一連の期間はフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの不要電荷を排除してリセットするリセット期間であり、２回目の一連の期間が各行の本来の読み出し期間である。

まず、期間Ｔ６１中の期間Ｔ７１において、全行の制御信号φＴＸａ１，φＴＸｂ１がハイレベルにされ、全行のトランジスタＴＸａ１，ＴＸｂ１がオン状態とされる。この動作により、全行の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂに蓄積されている電荷が当該画素ＰＸのコンデンサＣＨａ，ＣＨｂにそれぞれ転送されて保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ７１においてコンデンサＣＨａ，ＣＨｂにそれぞれ転送される電荷は、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂに蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ７１においてコンデンサＣＨａ，ＣＨｂにそれぞれ転送される電荷は、焦点検出用信号を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ７１の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ７１の開始時点までの期間が露光期間となり、この露光期間は全行について同一の期間で同一のタイミングとなる。このため、全画素ＰＸは、タイミングずれすることなく焦点検出情報を獲得することが可能となり、グローバル電子シャッタによる焦点検出用信号の取得が実現される。

以下の説明では、前記露光期間の後の２回目の前記一連の期間について説明するが、１回目の前記一連の期間についても同様である。

期間Ｔ６２中の期間Ｔ７２において、１行目の制御信号φＳＥＬがハイレベルにされ、選択トランジスタＳＥＬがオン状態とされる。これにより、１行目の画素ＰＸが選択され、この期間Ｔ７２の間、１行目の画素ＰＸから信号が垂直信号線２４に出力される。

期間Ｔ７２中の期間Ｔ７３において、１行目の制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ７３の終了時点と期間Ｔ７４の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ７２中のその後の期間Ｔ７４において、１行目の制御信号φＴＸａ２がハイレベルにされ、トランジスタＴＸａ２がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのコンデンサＣＨａに保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａからコンデンサＣＨａに転送された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。

期間Ｔ７４の終了時点と期間Ｔ７５の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタル信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル焦点検出用信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

期間Ｔ７２中のその後の期間Ｔ７５において、１行目の制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ７５の終了時点と期間Ｔ７６の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ７２中のその後の期間Ｔ７６において、１行目の制御信号φＴＸｂ２がハイレベルにされ、トランジスタＴＸｂ２がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのコンデンサＣＨｂに保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤｂからコンデンサＣＨｂに転送された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。

期間Ｔ７６の終了時点と期間Ｔ７２の終了時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタル信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル焦点検出用信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

同様に、期間Ｔ６３において２行目の読み出しを行う。期間Ｔ６３における２行目の制御信号は、期間Ｔ６２における１行目の制御信号と同様である。同様にして、すべての行から焦点検出用信号が出力されると、前記一連の期間を終了する。

以上の説明から理解されるように、この比較例による固体撮像素子によれば、焦点検出用信号を得ることができる。焦点検出用信号を得る場合にも、画像用信号を得る場合と同様に、全画素ＰＸの露光のタイミングを同一にしたグローバル電子シャッタが可能となる。

このように、本実施の形態によっても、前記比較例と同様に、グローバル電子シャッタによる撮像を実現することができるとともに焦点検出用信号を得ることができる。

そして、本実施の形態では、焦点検出用信号を得る場合には、画素ＰＸの行毎にフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの露光期間がずれていくとともに、同じ行の画素ＰＸであっても、フォトダイオードＰＤａの露光期間とフォトダイオードＰＤｂの露光期間とがずれるのに対し、前記比較例では、全画素ＰＸの露光のタイミングを同一にしたグローバル電子シャッタにより焦点検出用信号を取得することができる。したがって、前記比較例では、本実施の形態に比べて、被写体の動きが速くても、焦点検出の精度が高まる。

しかし、前記比較例では、各画素ＰＸにおいて２つのコンデンサＣＨａ，ＣＨｂ及び２つのトランジスタＴＸａ２，ＴＸｂ２を要するのに対し、これらに対応する要素として、本実施の形態では、各画素ＰＸにおいて１つのコンデンサＣＨ及び１つのトランジスタＴＸ２で済み、各画素ＰＸの構成要素として前記比較例に比べて１つのコンデンサ及び１つのトランジスタを削減することができる。したがって、本実施の形態によれば、前記比較例に比べて、各画素ＰＸにおけるフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの面積の比率（すなわち、開口率）を大きくすることができ、ひいては、ＳＮ比のより高い画像を撮像することができる。

このように、本実施の形態によれば、グローバル電子シャッタによる撮像を実現することができるとともに焦点検出用信号を得ることができる上に、前記比較例に比べて、動きの速い被写体に対する焦点検出精度はやや低下するものの、開口率をより大きくしてＳＮ比のより高い画像を撮像することができる。

なお、本発明では、必要に応じて、フォトダイオードＰＤａのカソードと電源電圧ＶＤＤとの間をオンオフしてフォトダイオードＰＤａの蓄積された電荷をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタや、フォトダイオードＰＤｂのカソードと電源電圧ＶＤＤとの間をオンオフしてフォトダイオードＰＤａの蓄積された電荷をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタを追加してもよい。この点は、後述する各実施の形態についても同様である。

［第２の実施の形態］

図８は、本発明の第２の実施の形態による電子カメラで用いられる固体撮像素子の１つの画素ＰＸを示す回路図であり、図３に対応している。図９は、図８に示す画素ＰＸの要部を模式的に示す概略平面図であり、図４に対応している。

図８及び図９において、図３及び図４中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる所は、以下に説明する点である。

本実施の形態における固体撮像素子が前記第１の実施の形態における固体撮像素子４と異なる所は、前記第１の実施の形態では、各画素ＰＸが、２つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂと、これらの各々と第１のノードＮ１との間をそれぞれ電気的に接続及び遮断する２つの第１のスイッチとしての２つのトランジスタＴＸａ１，ＴＸｂ１とを有しているのに対し、本実施の形態では、４つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄと、これらの各々と第１のノードＮ１との間をそれぞれ電気的に接続及び遮断する４つの第１のスイッチとしての４つのトランジスタＴＸａ１，ＴＸｂ１，ＴＸｃ１，ＴＸｄ１とを有している点である。

本実施の形態では、トランジスタＴＸｃ１のゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＴＸｃ１が供給される。また、トランジスタＴＸｄ１のゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＴＸｄ１が供給される。トランジスタＴＸｃ１，ＴＸｄ１も、他のトランジスタＴＸａ１，ＴＸｂ１，ＴＸ２，ＡＭＰ，ＦＤＲＳＴ，ＳＥＬと同様に、ｎＭＯＳトランジスタである。

本実施の形態では、４つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄの光入射側には、図４に示すように、１つのマイクロレンズ３０が配置されている。４つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄは、光入射側から見て画素ＰＸの行方向に延びたマイクロレンズ３０の中心線Ｘ−Ｘ’（直径を含む線）に対して線対称となるように配置されているとともに、光入射側から見て画素ＰＸの列方向に延びたマイクロレンズ３０の中心線Ｙ−Ｙ’（直径を含む線）に対して線対称となるように配置されている。

これにより、マイクロレンズ３０により導かれる入射光は、瞳分割されて各フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄに入射される。したがって、２つのＰＤａ，ＰＤｃの光電荷を合算して信号を出力するとともに、２つのＰＤｂ，ＰＤｄの光電荷を合算して信号を出力すれば、列方向に瞳分割した入射光による焦点検出用信号を得ることができる。また、２つのＰＤａ，ＰＤｂの光電荷を合算して信号を出力するとともに、２つのＰＤｃ，ＰＤｄの光電荷を合算して信号を出力すれば、行方向に瞳分割した入射光による焦点検出用信号を得ることができる。一方、４つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄの光電荷を合算して信号を出力すれば、画像用信号を得ることができる。

図１０（ａ）は、画像用信号を読み出す場合の本実施の形態における固体撮像素子の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。期間Ｔ８１は、全行の画素ＰＸが同時に駆動される期間である。すなわち、期間Ｔ８１において、全行において同一の制御信号が垂直走査回路２２から出力される。また、期間Ｔ８２は１行目が読み出される期間、期間Ｔ８３は２行目が読み出される期間であり、選択された行のみ、本図の制御信号が出力される。本例では、静止画像を取得するべく、期間Ｔ８１から最終行の読み出し期間までの一連の期間を、２回繰り返す。１回目の一連の期間はフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄの不要電荷を排除してリセットするリセット期間であり、２回目の一連の期間が各行の本来の読み出し期間である。前記一連の期間を３回以上繰り返して、動画像を取得してもよい。

まず、期間Ｔ８１中の期間Ｔ９１において、全行の制御信号φＴＸａ１，φＴＸｂ１，φＴＸｃ１，φＴＸｄ１がハイレベルにされ、全行のトランジスタＴＸａ１，ＴＸｂ１，ＴＸｃ１，ＴＸｄ１がオン状態とされる。この動作により、全行の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄに蓄積されている電荷が当該画素ＰＸのコンデンサＣＨにそれぞれ転送されて合算され保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ９１においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄに蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ９１においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、撮像画像を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ９１の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ９１の開始時点までの期間が露光期間となり、この露光期間は全行について同一の期間で同一のタイミングとなる。このため、全画素ＰＸは、タイミングずれすることなく画像情報を獲得することが可能となり、グローバル電子シャッタによる撮像が実現される。

以下の説明では、前記露光期間の後の２回目の前記一連の期間について説明するが、１回目の前記一連の期間についても同様である。

期間Ｔ８２中の期間Ｔ９２において、１行目の制御信号φＳＥＬがハイレベルにされ、選択トランジスタＳＥＬがオン状態とされる。これにより、１行目の画素ＰＸが選択され、この期間Ｔ９２の間、１行目の画素ＰＸから信号が垂直信号線２４に出力される。

期間Ｔ９２中の期間Ｔ９３において、１行目の制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ９３の終了時点と期間Ｔ９４の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ９２中のその後の期間Ｔ９４において、１行目の制御信号φＴＸ２がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ２がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのコンデンサＣＨに保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄからコンデンサＣＨに転送されて合算された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。

期間Ｔ９４の終了時点と期間Ｔ９２の終了時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル画像信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

同様に、期間Ｔ８３において２行目の読み出しを行う。期間Ｔ８３における２行目の制御信号は、期間Ｔ８２における１行目の制御信号と同様である。同様にして、すべての行から画像信号が出力されると、前記一連の期間を終了し、１フレームの画像の取得が終了する。

以上の説明から理解されるように、各画素ＰＸは、４つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄを有しているものの、通常どおりに画像用信号を出力することができる。しかも、全画素ＰＸの露光のタイミングを同一にしたグローバル電子シャッタが可能となる。

図１０（ｂ）は、焦点検出用信号を読み出す場合の本実施の形態における固体撮像素子の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。期間Ｔ１０１は１行目が読み出される期間、期間Ｔ１０２は２行目が読み出される期間であり、選択された行のみ、本図の制御信号が出力される。本例では、焦点検出用信号を取得するべく、期間Ｔ１０１から最終行の読み出し期間までの一連の期間を、２回繰り返す。１回目の一連の期間はフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄの不要電荷を排除してリセットするリセット期間であり、２回目の一連の期間が各行の本来の読み出し期間である。

以下の説明では、主に２回目の前記一連の期間について説明するが、１回目の前記一連の期間についても同様である。

期間Ｔ１０１中の期間Ｔ１１１において、１行目の制御信号φＳＥＬがハイレベルにされ、選択トランジスタＳＥＬがオン状態とされる。これにより、１行目の画素ＰＸが選択され、この期間Ｔ１１１の間、１行目の画素ＰＸから信号が垂直信号線２４に出力される。

期間Ｔ１１１中の期間Ｔ１１２において、１行目の制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ１１１中のその後の期間Ｔ１１３において、１行目の制御信号φＴＸａ１，φＴＸｃ１がハイレベルにされ、トランジスタＴＸａ１，ＴＸｃ１がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｃに蓄積されている電荷が当該画素ＰＸのコンデンサＣＨにそれぞれ転送されて合算され保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１１３においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｃに蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１１３においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、焦点検出用信号を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１１３の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１１３の開始時点までの期間が１行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｃの露光期間となる。

期間Ｔ１１２の終了時点と期間Ｔ１１４の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ１１１中のその後の期間Ｔ１１４において、１行目の制御信号φＴＸ２がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ２がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのコンデンサＣＨに保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｃからコンデンサＣＨに転送されて合算された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。

期間Ｔ１１４の終了時点と期間Ｔ１１５の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタル信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル焦点検出用信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

期間Ｔ１１１中のその後の期間Ｔ１１５において、１行目の制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ１１１中のその後の期間Ｔ１１６において、１行目の制御信号φＴＸｂ１，φＴＸｄ１がハイレベルにされ、トランジスタＴＸｂ１，ＴＸｄ１がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤｂ，ＰＤｄに蓄積されている電荷が当該画素ＰＸのコンデンサＣＨにそれぞれ転送されて合算され保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１１６においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、フォトダイオードＰＤｂ，ＰＤｄに蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１１６においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、焦点検出用信号を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１１６の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１１６の開始時点までの期間が１行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤｂ，ＰＤｄの露光期間となる。

期間Ｔ１１５の終了時点と期間Ｔ１１７の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ１１１中のその後の期間Ｔ１１７において、１行目の制御信号φＴＸ２がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ２がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのコンデンサＣＨに保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤｂ，ＰＤｄからコンデンサＣＨに転送されて合算された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。

期間Ｔ１１７の終了時点と期間Ｔ１１１の終了時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタル信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル焦点検出用信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

同様に、期間Ｔ１０２において２行目の読み出しを行う。期間Ｔ１０２における２行目の制御信号は、期間Ｔ１０１における１行目の制御信号と同様である。同様にして、すべての行から焦点検出用信号が出力されると、前記一連の期間を終了する。

以上の説明から理解されるように、本実施の形態における固体撮像素子によれば、焦点検出用信号を得ることができる。焦点検出用信号を得る場合には、画素ＰＸの行毎にフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄの露光期間がずれていくとともに、同じ行の画素ＰＸであっても、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｃの露光期間とフォトダイオードＰＤｂ，ＰＤｄの露光期間とがずれる。

図１０（ｂ）に示す例は、２つのＰＤａ，ＰＤｃの光電荷を合算して信号を出力するとともに、２つのＰＤｂ，ＰＤｄの光電荷を合算して信号を出力することにより、列方向に瞳分割した入射光による焦点検出用信号を得る例である。図１０（ｂ）において、期間Ｔ１１３において制御信号φＴＸａ１，φＴＸｂ１をハイレベルにする一方で制御信号φＴＸｃ１，φＴＸｄ１をローレベルとし、期間Ｔ１１６において制御信号φＴＸａ１，φＴＸｂ１をローレベルにする一方で制御信号φＴＸｃ１，φＴＸｄ１をハイレベルにすれば、２つのＰＤａ，ＰＤｂの光電荷を合算して信号を出力するとともに、２つのＰＤｃ，ＰＤｄの光電荷を合算して信号を出力することにより、行方向に瞳分割した入射光による焦点検出用信号を得ることができる。

本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。

［第３の実施の形態］

図１１は、本発明の第３の実施の形態による電子カメラで用いられる固体撮像素子の列方向に隣り合う２つの画素ＰＸを示す回路図であり、図３に対応している。図１１において、図３中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる所は、以下に説明する点である。

本実施の形態では、列方向に隣り合う２つの画素ＰＸ（これを「画素ブロックＢＬ」と呼ぶ。）毎に、当該２つの画素ＰＸが１組のフローティング容量部ＦＤ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴ、選択トランジスタＳＥＬ及びノードＮ２を共有している。画素ブロックＢＬの１行は、画素ＰＸの２行に相当している。

図１１では、画素ブロックＢＬ内の一方の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ、トランジスタＴＸａ１，ＴＸｂ１及びノードＮ１をそれぞれ符号ＰＤａ（Ａ），ＰＤｂ（Ａ），ＴＸａ１（Ａ），ＴＸｂ１（Ａ），ノードＮ１（Ａ）で示し、画素ブロックＢＬ内の他方の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ、トランジスタＴＸａ１，ＴＸｂ１及びノードＮ１をそれぞれ符号ＰＤａ（Ｂ），ＰＤｂ（Ｂ），ＴＸａ１（Ｂ），ＴＸｂ１（Ｂ），ノードＮ１（Ｂ）で示し、両者を区別している。また、トランジスタＴＸａ１（Ａ），ＴＸｂ１（Ａ），ＴＸ２（Ａ）のゲートに供給される制御信号をφＴＸａ１（Ａ），φＴＸｂ１（Ａ），φＴＸ２（Ａ）とし、トランジスタＴＸａ１（Ｂ），ＴＸｂ１（Ｂ），ＴＸ２（Ｂ）のゲートに供給される制御信号をφＴＸａ１（Ｂ），φＴＸｂ１（Ｂ），φＴＸ２（Ｂ）とし、両者を区別している。

図１２（ａ）は、画像用信号を読み出す場合の本実施の形態における固体撮像素子の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。期間Ｔ１２１は、全行の画素ブロックＢＬが同時に駆動される期間である。すなわち、期間Ｔ１２１において、全行の画素ブロックＢＬにおいて同一の制御信号が垂直走査回路２２から出力される。また、期間Ｔ１２２は１行目の画素ブロックＢＬが読み出される期間、期間Ｔ１２３は２行目の画素ブロックＢＬが読み出される期間であり、選択された行のみ、本図の制御信号が出力される。本例では、静止画像を取得するべく、期間Ｔ１２１から最終行の読み出し期間までの一連の期間を、２回繰り返す。１回目の一連の期間はフォトダイオードＰＤａ（Ａ），ＰＤｂ（Ａ），ＰＤａ（Ｂ），ＰＤｂ（Ｂ）の不要電荷を排除してリセットするリセット期間であり、２回目の一連の期間が各行の画素ブロックＢＬの本来の読み出し期間である。前記一連の期間を３回以上繰り返して、動画像を取得してもよい。

まず、期間Ｔ１２１中の期間Ｔ１３１において、全行の制御信号φＴＸａ１（Ａ），φＴＸｂ１（Ａ），φＴＸａ１（Ｂ），φＴＸｂ１（Ｂ）がハイレベルにされ、全行の画素ブロックＢＬのトランジスタＴＸａ１（Ａ），ＴＸｂ１（Ａ），ＴＸａ１（Ｂ），ＴＸｂ１（Ｂ）がオン状態とされる。この動作により、全行の画素ブロックＢＬの画素ＰＸ（Ａ）のフォトダイオードＰＤａ（Ａ），ＰＤｂ（Ａ）に蓄積されている電荷が当該画素ＰＸ（Ａ）のコンデンサＣＨ（Ａ）にそれぞれ転送されて合算され保持されるとともに、全行の画素ブロックＢＬの画素ＰＸ（Ｂ）のフォトダイオードＰＤａ（Ｂ），ＰＤｂ（Ｂ）に蓄積されている電荷が当該画素ＰＸ（Ｂ）のコンデンサＣＨ（Ｂ）にそれぞれ転送されて合算され保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１３１においてコンデンサＣＨ（Ａ）に転送される電荷は、フォトダイオードＰＤａ（Ａ），ＰＤｂ（Ａ）に蓄積されている不要電荷であり、１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１３１においてコンデンサＣＨ（Ｂ）に転送される電荷は、フォトダイオードＰＤａ（Ｂ），ＰＤｂ（Ｂ）に蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１３１においてコンデンサＣＨ（Ａ）に転送される電荷は、撮像画像を形成する信号電荷であり、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１３１においてコンデンサＣＨ（Ｂ）に転送される電荷は、撮像画像を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１３１の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１３１の開始時点までの期間が露光期間となり、この露光期間は全行について同一の期間で同一のタイミングとなる。このため、全画素ＰＸは、タイミングずれすることなく画像情報を獲得することが可能となり、グローバル電子シャッタによる撮像が実現される。

以下の説明では、前記露光期間の後の２回目の前記一連の期間について説明するが、１回目の前記一連の期間についても同様である。

期間Ｔ１２２中の期間Ｔ１３２において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＳＥＬがハイレベルにされ、選択トランジスタＳＥＬがオン状態とされる。これにより、１行目の画素ブロックＢＬが選択され、この期間Ｔ１３２の間、１行目の画素ブロックＢＬから信号が垂直信号線２４に出力される。

期間Ｔ１３２中の期間Ｔ１３３において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ１３３の終了時点と期間Ｔ１３４の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ブロックＢＬの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ブロックＢＬに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ１３２中のその後の期間Ｔ１３４において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＴＸ２（Ａ）がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ２（Ａ）がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ブロックＢＬの画素ＰＸ（Ａ）のコンデンサＣＨ（Ａ）に保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸ（Ａ）のフォトダイオードＰＤａ（Ａ），ＰＤｂ（Ａ）からコンデンサＣＨ（Ａ）に転送されて合算された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。

期間Ｔ１３４の終了時点と期間Ｔ１３５の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ブロックＢＬの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ブロックＢＬに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル画像信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

期間Ｔ１３２中のその後の期間Ｔ１３５において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ１３２中のその後の期間Ｔ１３６において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＴＸ２（Ｂ）がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ２（Ｂ）がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ブロックＢＬの画素ＰＸ（Ｂ）のコンデンサＣＨ（Ｂ）に保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸ（Ｂ）のフォトダイオードＰＤａ（Ｂ），ＰＤｂ（Ｂ）からコンデンサＣＨ（Ｂ）に転送されて合算された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。

期間Ｔ１３６の終了時点と期間Ｔ１３２の終了時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ブロックＢＬの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ブロックＢＬに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル画像信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

同様に、期間Ｔ１２３において２行目の画素ブロックＢＬの読み出しを行う。期間Ｔ１２３における２行目の画素ブロックＢＬの制御信号は、期間Ｔ１２２における１行目の画素ブロックＢＬの制御信号と同様である。同様にして、すべての行の画素ブロックＢＬから画像信号が出力されると、前記一連の期間を終了し、１フレームの画像の取得が終了する。

以上の説明から理解されるように、各画素ＰＸは、２つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂを有しているものの、通常どおりに画像用信号を出力することができる。しかも、全画素ＰＸの露光のタイミングを同一にしたグローバル電子シャッタが可能となる。

図１２（ｂ）は、焦点検出用信号を読み出す場合の本実施の形態における固体撮像素子の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。期間Ｔ１４１は１行目の画素ブロックＢＬが読み出される期間、期間Ｔ１４２は２行目の画素ブロックＢＬが読み出される期間であり、選択された行のみ、本図の制御信号が出力される。本例では、焦点検出用信号を取得するべく、期間Ｔ１４１から最終行の読み出し期間までの一連の期間を、２回繰り返す。１回目の一連の期間はフォトダイオードＰＤａ（Ａ），ＰＤｂ（Ａ），ＰＤａ（Ｂ），ＰＤｂ（Ｂ）の不要電荷を排除してリセットするリセット期間であり、２回目の一連の期間が各行の画素ブロックＢＬの本来の読み出し期間である。

以下の説明では、主に２回目の前記一連の期間について説明するが、１回目の前記一連の期間についても同様である。

期間Ｔ１４１中の期間Ｔ１５１において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＳＥＬがハイレベルにされ、選択トランジスタＳＥＬがオン状態とされる。これにより、１行目の画素ブロックＢＬが選択され、この期間Ｔ１５１の間、１行目の画素ブロックＢＬから信号が垂直信号線２４に出力される。

期間Ｔ１５１中の期間Ｔ１５２において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ１５１中のその後の期間Ｔ１５３において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＴＸａ１（Ａ）がハイレベルにされ、トランジスタＴＸａ１（Ａ）がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ブロックＢＬのフォトダイオードＰＤａ（Ａ）に蓄積されている電荷が当該画素ブロックＢＬのコンデンサＣＨ（Ａ）に転送されて保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１５３においてコンデンサＣＨ（Ａ）に転送される電荷は、フォトダイオードＰＤａ（Ａ）に蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１５３においてコンデンサＣＨ（Ａ）に転送される電荷は、焦点検出用信号を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１５３の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１５３の開始時点までの期間が１行目の画素ブロックＢＬのフォトダイオードＰＤａ（Ａ）の露光期間となる。

期間Ｔ１５２の終了時点と期間Ｔ１５４の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ブロックＢＬの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ブロックＢＬに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ１５１中のその後の期間Ｔ１５４において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＴＸ２（Ａ）がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ２（Ａ）がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ブロックＢＬの画素ＰＸ（Ａ）のコンデンサＣＨ（Ａ）に保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸ（Ａ）のフォトダイオードＰＤａ（Ａ）からコンデンサＣＨ（Ａ）に転送された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。

期間Ｔ１５４の終了時点と期間Ｔ１５５の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ブロックＢＬの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ブロックＢＬに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタル信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル焦点検出用信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

期間Ｔ１５１中のその後の期間Ｔ１５５において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ１５１中のその後の期間Ｔ１５６において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＴＸｂ１（Ａ）がハイレベルにされ、トランジスタＴＸｂ１（Ａ）がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ブロックＢＬの画素ＰＸ（Ａ）のフォトダイオードＰＤｂ（Ａ）に蓄積されている電荷が当該画素ＰＸ（Ａ）のコンデンサＣＨ（Ａ）に転送されて保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１５６においてコンデンサＣＨ（Ａ）に転送される電荷は、フォトダイオードＰＤｂ（Ａ）に蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１５６においてコンデンサＣＨ（Ａ）に転送される電荷は、焦点検出用信号を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１５６の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１５６の開始時点までの期間が１行目の画素ブロックＢＬの画素ＰＸ（Ａ）のフォトダイオードＰＤｂ（Ａ）の露光期間となる。

期間Ｔ１５５の終了時点と期間Ｔ１５７の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ブロックＢＬの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ブロックＢＬに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ１５１中のその後の期間Ｔ１５７において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＴＸ２（Ａ）がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ２（Ａ）がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ブロックＢＬの画素ＰＸ（Ａ）のコンデンサＣＨ（Ａ）に保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸ（Ａ）のフォトダイオードＰＤｂ（Ａ）からコンデンサＣＨ（Ａ）に転送された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。

期間Ｔ１５７の終了時点と期間Ｔ１５８の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ブロックＢＬの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ブロックＢＬに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタル信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル焦点検出用信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

期間Ｔ１５１中のその後の期間Ｔ１５８において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ１５１中のその後の期間Ｔ１５９において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＴＸａ１（Ｂ）がハイレベルにされ、トランジスタＴＸａ１（Ｂ）がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ブロックＢＬのフォトダイオードＰＤａ（Ｂ）に蓄積されている電荷が当該画素ブロックＢＬのコンデンサＣＨ（Ｂ）に転送されて保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１５９においてコンデンサＣＨ（Ｂ）に転送される電荷は、フォトダイオードＰＤａ（Ｂ）に蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１５９においてコンデンサＣＨ（Ｂ）に転送される電荷は、焦点検出用信号を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１５９の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１５９の開始時点までの期間が１行目の画素ブロックＢＬのフォトダイオードＰＤａ（Ｂ）の露光期間となる。

期間Ｔ１５８の終了時点と期間Ｔ１６０の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ブロックＢＬの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ブロックＢＬに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ１５１中のその後の期間Ｔ１６０において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＴＸ２（Ｂ）がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ２（Ｂ）がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ブロックＢＬの画素ＰＸ（Ｂ）のコンデンサＣＨ（Ｂ）に保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸ（Ｂ）のフォトダイオードＰＤａ（Ｂ）からコンデンサＣＨ（Ｂ）に転送された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。

期間Ｔ１６０の終了時点と期間Ｔ１６１の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ブロックＢＬの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ブロックＢＬに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタル信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル焦点検出用信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

期間Ｔ１５１中のその後の期間Ｔ１６１において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ２の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ１５１中のその後の期間Ｔ１６２において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＴＸｂ１（Ｂ）がハイレベルにされ、トランジスタＴＸｂ１（Ｂ）がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ブロックＢＬの画素ＰＸ（Ｂ）のフォトダイオードＰＤｂ（Ｂ）に蓄積されている電荷が当該画素ＰＸ（Ｂ）のコンデンサＣＨ（Ｂ）に転送されて保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１６２においてコンデンサＣＨ（Ｂ）に転送される電荷は、フォトダイオードＰＤｂ（Ｂ）に蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１６２においてコンデンサＣＨ（Ｂ）に転送される電荷は、焦点検出用信号を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１６２の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１６２の開始時点までの期間が１行目の画素ブロックＢＬの画素ＰＸ（Ｂ）のフォトダイオードＰＤｂ（Ｂ）の露光期間となる。

期間Ｔ１６１の終了時点と期間Ｔ１６３の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ブロックＢＬの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ブロックＢＬに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ１５１中のその後の期間Ｔ１６３において、１行目の画素ブロックＢＬの制御信号φＴＸ２（Ｂ）がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ２（Ｂ）がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ブロックＢＬの画素ＰＸ（Ｂ）のコンデンサＣＨ（Ｂ）に保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸ（Ｂ）のフォトダイオードＰＤｂ（Ｂ）からコンデンサＣＨ（Ｂ）に転送された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。

期間Ｔ１６３の終了時点と期間Ｔ１５１の終了時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ブロックＢＬの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ブロックＢＬの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ブロックＢＬに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタル信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル焦点検出用信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

同様に、期間Ｔ１４２において２行目の画素ブロックＢＬの読み出しを行う。期間Ｔ１４２における２行目の画素ブロックＢＬの制御信号は、期間Ｔ１４１における１行目の画素ブロックＢＬの制御信号と同様である。同様にして、すべての行の画素ブロックＢＬから焦点検出用信号が出力されると、前記一連の期間を終了する。

以上の説明から理解されるように、本実施の形態における固体撮像素子によれば、焦点検出用信号を得ることができる。焦点検出用信号を得る場合には、画素ブロックＢＬの行毎にフォトダイオードＰＤａ（Ａ），ＰＤｂ（Ａ），ＰＤａ（Ｂ），ＰＤｂ（Ｂ）の露光期間がずれていくとともに、同じ行の画素ブロックＢＬの画素ＰＸであっても、フォトダイオードＰＤａ（Ａ），ＰＤｂ（Ａ），ＰＤａ（Ｂ），ＰＤｂ（Ｂ）の露光期間はずれる。

本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。また、本実施の形態では、２つの画素ＰＸが１組のフローティング容量部ＦＤ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴ及び選択トランジスタＳＥＬを共有しているので、より開口率を高めることができ、ひいては、よりＳＮ比を高めることができる。

なお、本実施の形態では、列方向に隣り合う２つの画素ＰＸ毎に、当該２つの画素ＰＸが１組のフローティング容量部ＦＤ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴ、選択トランジスタＳＥＬ及びノードＮ２を共有しているが、本発明では、例えば、列方向に隣り合う３つ以上の所定数の画素ＰＸ毎に、当該所定数の画素ＰＸが１組のフローティング容量部ＦＤ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴ、選択トランジスタＳＥＬ及びノードＮ２を共有してもよい。また、本発明では、前記第１の実施の形態を本実施の形態に変形したのと同様の変形を、前記第２の実施の形態に適用してもよい。

［第４の実施の形態］

図１３は、本発明の第４の実施の形態による電子カメラで用いられる固体撮像素子の１つの画素ＰＸを示す回路図であり、図３に対応している。図１３において、図３中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる所は、以下に説明する点である。

本実施の形態では、各画素ＰＸは、図１３に示すように、同じマイクロレンズ３０により導かれる入射光に応じた電荷を生成し蓄積する第１及び第２の光電変換部としての第１及び第２のフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂと、第１のフォトダイオードＰＤａと第１のノードＮ１１との間を電気的に接続及び遮断する第１のスイッチとしてのトランジスタＴＸ１１と、第１のノードＮ１１に設けられ第１のフォトダイオードＰＤａが生成し蓄積する電荷が転送され保持される第１の電荷保持部としてのコンデンサＣＨと、第１のノードＮ１１と第２のノードＮ１２との間を電気的に接続及び遮断する第２のスイッチとしてのトランジスタＴＸ１２と、第２のノードＮ１２と第３のノードＮ１３との間を電気的に接続及び遮断する第３のスイッチとしてのトランジスタＴＸ１３と、第２のフォトダイオードＰＤｂと第２のノードＮ１２との間を電気的に接続及び遮断する第４のスイッチとしてのトランジスタＴＸ１４と、第３のノードＮ１３に設けられコンデンサＣＨ及び／又は第２のフォトダイオードＰＤｂから前記電荷が転送され保持される第２の電荷保持部としてのフローティング容量部ＦＤと、フローティング容量部ＦＤに保持されている電荷に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタＡＭＰと、第３のノードＮ１３の電位をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタＦＤＲＳＴと、当該画素ＰＸを選択する選択部としての選択トランジスタＳＥＬと、を有し、図１３に示すように接続されている。トランジスタＴＸ１２，ＴＸ１３は、コンデンサＣＨとフローティング容量部ＦＤとの間を電気的に接続及び遮断する。トランジスタＴＸ４は、トランジスタＴＸ１３と共に第２のフォトダイオードＰＤｂとの間を電気的に接続及び遮断する。本実施の形態では、コンデンサＣＨは、両側に金属電極を備えた構造を有していてもよいし、他の構造を有していてもよい。前記第１の電荷保持部としては、コンデンサＣＨに限らず、例えば、ストレージダイオードやＭＯＳキャパシタなどを用いてもよい。

本実施形態では、各画素ＰＸは、すべて同一の構造を有しており、焦点検出用信号と画像用信号を異なるタイミングで出力することが可能である。しかし、これに限らず、本実施の形態における固体撮像素子は、所定部に焦点検出エリアが設けられ、このエリアに図３に示す回路を有する画素が配置されて焦点検出用信号を生成し得るように構成され、その他のエリアに光電変換部を１つのみ有する画素が配置されて画像用信号のみを生成するよう構成されても構わない。

トランジスタＴＸ１１のゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＴＸ１１が供給される。トランジスタＴＸ１２のゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＴＸ１２が供給される。トランジスタＴＸ１３のゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＴＸ１３が供給される。トランジスタＴＸ１４のゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＴＸ１４が供給される。リセットトランジスタＦＤＲＳＴのゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＦＤＲＳＴが供給される。選択トランジスタＳＥＬのゲートは画素行毎に共通に接続され、そこには、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの所定配線を介して制御信号φＳＥＬが供給される。

なお、本実施の形態では、トランジスタＴＸ１１，ＴＸ１２，ＴＸ１３，ＴＸ１４，ＡＭＰ，ＦＤＲＳＴ，ＳＥＬは、全てｎＭＯＳトランジスタである。

図１４（ａ）は、画像用信号を読み出す場合の本実施の形態における固体撮像素子の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。期間Ｔ１７１は、全行の画素ＰＸが同時に駆動される期間である。すなわち、期間Ｔ１７１において、全行において同一の制御信号が垂直走査回路２２から出力される。また、期間Ｔ１７２は１行目が読み出される期間、期間Ｔ１７３は２行目が読み出される期間であり、選択された行のみ、本図の制御信号が出力される。本例では、静止画像を取得するべく、期間Ｔ１７１から最終行の読み出し期間までの一連の期間を、２回繰り返す。１回目の一連の期間はフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの不要電荷を排除してリセットするリセット期間であり、２回目の一連の期間が各行の本来の読み出し期間である。前記一連の期間を３回以上繰り返して、動画像を取得してもよい。

まず、期間Ｔ１７１中の期間Ｔ１８１において、全行の制御信号φＴＸ１１，φＴＸ１２，φＴＸ１４がハイレベルにされ、全行のトランジスタＴＸ１１，ＴＸ１２，ＴＸ１４がオン状態とされる。この動作により、全行の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂに蓄積されている電荷が当該画素ＰＸのコンデンサＣＨにそれぞれ転送されて合算され保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１８１においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂに蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１１においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、撮像画像を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ１８１の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ１８１の開始時点までの期間が露光期間となり、この露光期間は全行について同一の期間で同一のタイミングとなる。このため、全画素ＰＸは、タイミングずれすることなく画像情報を獲得することが可能となり、グローバル電子シャッタによる撮像が実現される。

以下の説明では、前記露光期間の後の２回目の前記一連の期間について説明するが、１回目の前記一連の期間についても同様である。

期間Ｔ１７２中の期間Ｔ１８２において、１行目の制御信号φＳＥＬがハイレベルにされ、選択トランジスタＳＥＬがオン状態とされる。これにより、１行目の画素ＰＸが選択され、この期間Ｔ１８２の間、１行目の画素ＰＸから信号が垂直信号線２４に出力される。

期間Ｔ１８２中の期間Ｔ１８３において、１行目の制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ１３の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ１８３の終了時点と期間Ｔ１８４の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ１８２中のその後の期間Ｔ１８４において、１行目の制御信号φＴＸ１２，φＴＸ１３がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ１２，ＴＸ１３がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのコンデンサＣＨに保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂからコンデンサＣＨに転送されて合算された電荷）が、フローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。

期間Ｔ１８４の終了時点と期間Ｔ１８２の終了時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル画像信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

同様に、期間Ｔ１７３において２行目の読み出しを行う。期間Ｔ１７３における２行目の制御信号は、期間Ｔ１７２における１行目の制御信号と同様である。同様にして、すべての行から画像信号が出力されると、前記一連の期間を終了し、１フレームの画像の取得が終了する。

以上の説明から理解されるように、各画素ＰＸは、２つのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂを有しているものの、通常どおりに画像用信号を出力することができる。しかも、全画素ＰＸの露光のタイミングを同一にしたグローバル電子シャッタが可能となる。

図１４（ｂ）は、焦点検出用信号を読み出す場合の本実施の形態における固体撮像素子の読み出し動作の例を示すタイミングチャートである。期間Ｔ１９１は１行目が読み出される期間、期間Ｔ１９２は２行目が読み出される期間であり、選択された行のみ、本図の制御信号が出力される。本例では、焦点検出用信号を取得するべく、期間Ｔ１９１から最終行の読み出し期間までの一連の期間を、２回繰り返す。１回目の一連の期間はフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの不要電荷を排除してリセットするリセット期間であり、２回目の一連の期間が各行の本来の読み出し期間である。

以下の説明では、主に２回目の前記一連の期間について説明するが、１回目の前記一連の期間についても同様である。

期間Ｔ１９１中の期間Ｔ２０１において、１行目の制御信号φＳＥＬがハイレベルにされ、選択トランジスタＳＥＬがオン状態とされる。これにより、１行目の画素ＰＸが選択され、この期間Ｔ２０１の間、１行目の画素ＰＸから信号が垂直信号線２４に出力される。

期間Ｔ２０１中の期間Ｔ２０２において、１行目の制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ１３の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ２０２の終了時点と期間Ｔ２０３の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ２０１中のその後の期間Ｔ２０３において、１行目の制御信号φＴＸ１１，φＴＸ１３，φＴＸ１４がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ１１，ＴＸ１３，ＴＸ１４がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａに蓄積されている電荷が当該画素ＰＸのコンデンサＣＨに転送されて保持される一方で、１行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤｂに蓄積されている電荷が当該画素ＰＸのフローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ２０３においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、フォトダイオードＰＤａに蓄積されている不要電荷である。また、１回目の前記一連の期間における期間Ｔ２０３においてフローティング容量部ＦＤに転送される電荷は、フォトダイオードＰＤｂに蓄積されている不要電荷である。一方、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ２０３においてコンデンサＣＨに転送される電荷は、焦点検出用信号を形成する信号電荷である。また、２回目の前記一連の期間における期間Ｔ２０３においてフローティング容量部ＦＤに転送される電荷は、焦点検出用信号を形成する信号電荷である。１回目の前記一連の期間における期間Ｔ２０３の終了時点から２回目の前記一連の期間における期間Ｔ２０３の開始時点までの期間が１行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの露光期間となる。このように、同一画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの露光期間は、互いに同一の期間で同一のタイミングとなる。

期間Ｔ２０３の終了時点と期間Ｔ２０４の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタル信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル焦点検出用信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

期間Ｔ２０１中のその後の期間Ｔ２０４において、１行目の制御信号φＦＤＲＳＴがハイレベルにされ、リセットトランジスタＦＤＲＳＴがオン状態とされる。この動作により、ノードＮ１３の電位（フローティング容量部ＦＤの電位、増幅トランジスタＡＭＰのゲートの電位）が一旦電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

期間Ｔ２０４の終了時点と期間Ｔ２０５の開始時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、暗信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

期間Ｔ２０１中のその後の期間Ｔ２０５において、１行目の制御信号φＴＸ１２，φＴＸ１３がハイレベルにされ、トランジスタＴＸ１２，ＴＸ１３がオン状態とされる。この動作により、１行目の画素ＰＸのコンデンサＣＨに保持されていた信号電荷（当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤａからコンデンサＣＨに転送された電荷）が当該画素ＰＸのフローティング容量部ＦＤに転送されて保持される。

期間Ｔ２０５の終了時点と期間Ｔ２０１の終了時点との間の所定タイミングにおいて、１行目の画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰのゲートに現れる電位が、当該画素ＰＸの増幅トランジスタＡＭＰで増幅された後に当該画素ＰＸの選択トランジスタＳＥＬを経由して、当該画素ＰＸに対応する垂直信号線２４に出力され、カラムアンプ２６で増幅された後に、光信号としてＣＤＳ回路２７によりサンプリングされる。

その後に、ＣＤＳ回路２７は、先程サンプリングした暗信号と先程サンプリングした光信号との差分に応じた信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、この差分に応じた信号をデジタル信号に変換して保持する。各Ａ／Ｄ変換器２８に保持されたデジタル信号は、水平読み出し回路２９によって水平走査され、デジタル焦点検出用信号として外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

同様に、期間Ｔ１９２において２行目の読み出しを行う。期間Ｔ１９２における２行目の制御信号は、期間Ｔ１９１における１行目の制御信号と同様である。同様にして、すべての行から焦点検出用信号が出力されると、前記一連の期間を終了する。

以上の説明から理解されるように、本実施の形態における固体撮像素子によれば、焦点検出用信号を得ることができる。焦点検出用信号を得る場合には、画素ＰＸの行毎にフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの露光期間がずれていくとともに、同じ行の画素ＰＸであれば、フォトダイオードＰＤａの露光期間とフォトダイオードＰＤｂの露光期間とが一致する。

このように、本実施の形態によっても、図６及び図７を参照して説明した前記比較例と同様に、グローバル電子シャッタによる撮像を実現することができるとともに焦点検出用信号を得ることができる。

そして、本実施の形態では、焦点検出用信号を得る場合には、画素ＰＸの行毎にフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの露光期間がずれていくのに対し、前記比較例では、全画素ＰＸの露光のタイミングを同一にしたグローバル電子シャッタにより焦点検出用信号を取得することができる。したがって、前記比較例では、本実施の形態に比べて、被写体の動きが速くても、焦点検出の精度が高まる。

しかし、前記比較例では、各画素ＰＸにおいて２つのコンデンサＣＨａ，ＣＨｂを要するのに対し、本実施の形態では、各画素ＰＸにおいて１つのコンデンサＣＨで済み、各画素ＰＸの構成要素として前記比較例に比べて１つのコンデンサを削減することができる。したがって、本実施の形態によれば、前記比較例に比べて、各画素ＰＸにおけるフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂの面積の比率（すなわち、開口率）を大きくすることができ、ひいては、ＳＮ比のより高い画像を撮像することができる。なお、図１３と図６との比較からわかるように、本実施の形態も前記比較例も、各画素ＰＸにおいて要するトランジスタの数は同数である。

このように、本実施の形態によれば、グローバル電子シャッタによる撮像を実現することができるとともに焦点検出用信号を得ることができる上に、前記比較例に比べて、動きの速い被写体に対する焦点検出精度はやや低下するものの、開口率をより大きくしてＳＮ比のより高い画像を撮像することができる。

なお、図３と図６との比較からわかるように、本実施の形態では、前記第１の実施の形態に比べて各画素ＰＸの構成要素として１つのトランジスタを多く要する。しかし、前記第１の実施の形態では、焦点検出用信号を得る場合には、同じ行の画素ＰＸであっても、フォトダイオードＰＤａの露光期間とフォトダイオードＰＤｂの露光期間とがずれるのに対し、本実施の形態では、焦点検出用信号を読み出す場合、同じ行の画素ＰＸであれば、フォトダイオードＰＤａの露光期間とフォトダイオードＰＤｂの露光期間とが一致する。したがって、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態に比べて、被写体の動きが速くても、焦点検出の精度が高まる。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。例えば、本発明では、固体撮像素子は、単一のチップで構成されたものに限らず、複数のチップを接合した構造を有していてもよい。

１ 電子カメラ
４ 固体撮像素子
２２ 垂直走査回路（制御部）
ＰＸ 画素
ＰＤ フォトダイオード
ＴＸａ１，ＴＸｂ１，ＴＸ２，ＴＸａ２，ＴＸｂ２，ＴＸ１１〜ＴＸ１２ トランジスタ（スイッチ）
ＡＭＰ 増幅トランジスタ
ＲＳＴ リセットトランジスタ
ＣＨ コンデンサ（第１の電荷保持部）
ＦＤ フローティング容量部（第２の電荷保持部）
ＳＥＬ 選択トランジスタ

Claims (1)

1. 光を電荷に変換する第１及び第２の光電変換部と、
   前記第１の光電変換部から転送された電荷を保持する第１の電荷保持部と、
   前記第１の電荷保持部及び／又は前記第２の光電変換部から転送された電荷を保持する第２の電荷保持部と、
   前記第１の光電変換部と前記第１の電荷保持部とを電気的に接続及び遮断する第１のスイッチと、
   前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部とを電気的に接続及び遮断する第２及び第３のスイッチと、
   前記第３のスイッチと共に前記第２の光電変換部と前記第２の電荷保持部との間を電気的に接続及び遮断する第４のスイッチと、
   前記第２の電荷保持部に保持される電荷に基づく信号を出力する出力部と、
   を備える撮像素子。

Images