JP2023141570A - 光電変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】焦点検出用の信号を出力可能な画素を有し、かつ、より好適にダイナミックレンジを拡大し得る光電変換装置を提供する。【解決手段】第１光電変換部と、第２光電変換部と、前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部に入射光を導くマイクロレンズと、前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部のうちの少なくとも１つに蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、オンになることにより前記フローティングディフュージョンのノードに容量を付加するトランジスタと、を有し、前記トランジスタがオフの状態である第１変換ゲインにより、前記フローティングディフュージョンに転送された電荷に基づく信号が読み出される第１読み出しと、前記トランジスタがオンの状態である第２変換ゲインにより、前記フローティングディフュージョンに転送された電荷に基づく信号が読み出される第２読み出しと、が行われる。【選択図】図４

Description

本発明は、光電変換装置に関する。
特許文献１には、１つのマイクロレンズに対応して複数の光電変換部が配されている画素を有する光電変換装置が開示されている。特許文献１の光電変換装置は、撮像面での焦点検出に用いられる信号を出力することができる。また、特許文献１の光電変換装置は、画素からの出力信号を異なる複数のゲインで増幅して出力することにより、ダイナミックレンジの拡大を行うことができる。
特許文献２には、光電変換部から電荷が転送されるフローティングディフュージョンの容量を変更することができる画素を有する光電変換装置が開示されている。特許文献２の光電変換装置は、フローティングディフュージョンの容量を異ならせた複数の信号を読み出すことにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
特開２０１９－１３５８１５号公報 特開２０１６－２１９８５７号公報
特許文献１のような焦点検出用の信号を出力可能な光電変換装置において、ダイナミックレンジの拡大をより好適に行い得る手法が求められている。
本発明は、焦点検出用の信号を出力可能な画素を有し、かつ、より好適にダイナミックレンジを拡大し得る光電変換装置を提供することを目的とする。
本明細書の一開示によれば、第１光電変換部と、第２光電変換部と、前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部に入射光を導くマイクロレンズと、前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部のうちの少なくとも１つに蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、オンになることにより前記フローティングディフュージョンのノードに容量を付加するトランジスタと、を含む複数の画素と、前記複数の画素から信号が読み出される信号線とを有し、前記複数の画素のうちの一部の画素から前記信号線に信号を読み出す第１期間の後の第２期間に、前記複数の画素のうちの別の一部の画素から前記信号線に信号が読み出され、前記第１期間において、前記トランジスタがオフの状態である第１変換ゲインにより、前記フローティングディフュージョンに転送された電荷に基づく信号が読み出される第１読み出しと、前記トランジスタがオンの状態である第２変換ゲインにより、前記フローティングディフュージョンに転送された電荷に基づく信号が読み出される第２読み出しと、が行われることを特徴とする光電変換装置が提供される。
本明細書の一開示によれば、第１光電変換部と、第２光電変換部と、前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部に入射光を導くマイクロレンズと、前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部のうちの少なくとも１つに蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、オンになることにより前記フローティングディフュージョンのノードに容量を付加するトランジスタと、を有し、前記フローティングディフュージョンのリセットが解除されてから、次に前記フローティングディフュージョンのリセットが行われるまでの期間において、前記トランジスタがオフの状態である第１変換ゲインにより、前記フローティングディフュージョンに転送された電荷に基づく信号が読み出される第１読み出しと、前記トランジスタがオンの状態である第２変換ゲインにより、前記フローティングディフュージョンに転送された電荷に基づく信号が読み出される第２読み出しと、が行われることを特徴とする光電変換装置が提供される。
本発明によれば、焦点検出用の信号を出力可能な画素を有し、かつ、より好適にダイナミックレンジを拡大し得る光電変換装置が提供される。
第１実施形態に係る光電変換装置の概略構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る画素の構成を示す回路図である。 第１実施形態に係る画素のレイアウトを示す平面模式図である。 第１実施形態に係る光電変換装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。 第１実施形態に係る画素のポテンシャルを示す模式図である。 第１実施形態に係る画素のポテンシャルを示す模式図である。 第１実施形態に係る光電変換部のポテンシャルを示す模式図である。 第１実施形態に係る光量と信号レベルの関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る光電変換装置の概略構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る光量と信号レベルの関係を示すグラフである。 第３実施形態に係る光電変換装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。 第４実施形態に係る画素の構成を示す回路図である。 第４実施形態に係る画素のレイアウトを示す平面模式図である。 第４実施形態に係る光電変換装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。 第５実施形態に係る機器のブロック図である。 第６実施形態に係る機器のブロック図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。複数の図面にわたって同一の要素又は対応する要素には共通の符号が付されており、その説明は省略又は簡略化されることがある。
以下に述べる第１実施形態乃至第４実施形態では、光電変換装置の一例として、撮像装置を中心に説明する。しかしながら、各実施形態における光電変換装置は撮像装置に限定されるものではなく、他の装置にも適用可能である。他の装置の例としては、測距装置、測光装置が挙げられる。測距装置は、例えば、焦点検出装置、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ－Ｏｆ－Ｆｌｉｇｈｔ）を用いた距離測定装置等であり得る。測光装置は、装置に入射する光の光量を測定する装置であり得る。
［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る光電変換装置の概略構成を示すブロック図である。光電変換装置は、画素アレイ１０、垂直走査回路２１、電流源２２、参照信号生成回路２３、カウンタ２４、水平走査回路２５、制御回路２６、信号処理回路２７及びＡＤ（Ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－Ｄｉｇｉｔａｌ）変換部３０を有している。
制御回路２６は、垂直走査回路２１、参照信号生成回路２３、カウンタ２４、水平走査回路２５及び信号処理回路２７に、これらの動作及びタイミングを制御する制御信号を供給するための制御回路である。垂直走査回路２１、参照信号生成回路２３、カウンタ２４、水平走査回路２５及び信号処理回路２７に供給される制御信号の少なくとも一部は、光電変換装置の外部から供給されてもよい。
画素アレイ１０は、複数の行及び複数の列に渡って行列状に配された複数の画素１１を有している。複数の画素１１の各々は、フォトダイオード等の光電変換素子からなる光電変換部を２つ含む。この２つの光電変換部には、１つの共通のマイクロレンズにより導かれた光が入射される。画素１１は、第１光電変換部又は第２光電変換部の一方で生成された電荷に基づく焦点検出信号と、第１光電変換部及び第２光電変換部の両方で生成された電荷に基づく混合信号とを出力する。混合信号は、画像の生成に用いられ得る。また、画素１１は、画素１１のリセット状態に基づくリセット信号を出力する。また、画素１１は、低ゲイン（第２変換ゲイン）の状態と高ゲイン（第１変換ゲイン）の状態を含む少なくとも２種類の状態に切り替え可能である。
本実施形態における画素１１の駆動方法の概略を説明する。第１光電変換部の信号を読み出す際には、高ゲインの状態での読み出し（第１読み出し）のみが行われる。その後、第１の光電変換部と第２の光電変換部の混合信号を読み出す際には、高ゲインの状態での読み出し（第１読み出し）と低ゲインの状態での読み出し（第２読み出し）が続けて行われる。このような駆動方法により、焦点検出信号の読み出しと、２つの互いに異なるゲインによる混合信号の読み出しとが実現される。また、本実施形態においては、焦点検出信号及び混合信号の読み出しのための電荷の転送の前に、低ゲインの状態でのリセット信号の読み出しと、高ゲインの状態でのリセット信号の読み出し（第３読み出し）が行われる。これらのリセット信号は、相関二重サンプリングに用いられ得る。
画素アレイ１０の各行には、第１の方向（図１において横方向）に延在して、複数の制御線１３が配されている。複数の制御線１３の各々は、第１の方向に並ぶ画素１１にそれぞれ接続され、これら画素１１に共通の信号線をなしている。制御線１３が延在する第１の方向は、行方向又は水平方向と呼ぶことがある。制御線１３は、垂直走査回路２１に接続されている。
画素アレイ１０の各列には、第１の方向と交差する第２の方向（図１において縦方向）に延在して、出力線１２が配されている。出力線１２の各々は、第２の方向に並ぶ画素１１にそれぞれ接続され、これら画素１１に共通の信号線をなしている。出力線１２が延在する第２の方向は、列方向又は垂直方向と呼ぶことがある。出力線１２の各々は、ＡＤ変換部３０と各列に対応して配された電流源２２とに接続されている。
垂直走査回路２１は、制御回路２６から出力される制御信号を受け、画素１１を駆動するための制御信号を生成し、制御線１３を介して画素１１に供給する機能を備える走査回路である。垂直走査回路２１には、シフトレジスタ、アドレスデコーダ等の論理回路が用いられ得る。垂直走査回路２１は、画素アレイ１０の画素１１を行単位で駆動する。行単位で画素１１から読み出された信号は、画素アレイ１０の各列に設けられた出力線１２を介してＡＤ変換部３０に入力される。
参照信号生成回路２３は、制御回路２６から出力される制御信号を受け、ＡＤ変換部３０に供給する参照信号を生成する回路である。参照信号は、例えば時間の経過にともなって信号レベル（信号の大きさ）が変化する信号を含み得る。参照信号は、典型的にはランプ信号を含む。ランプ信号とは、時間の経過にともなって信号レベルが単調に変化する信号であり、例えば出力電圧が時間の経過とともに単調減少し、又は単調増加する信号である。なお、参照信号は、ＡＤ変換に適用可能な変動量を有するものであれば、特に限定されるものではない。
カウンタ２４は、クロック信号のパルスをカウントすることにより、値が時間に応じて変化するカウント信号を生成して、ＡＤ変換部３０に出力する。これにより、カウンタ２４は、参照信号生成回路２３から出力される制御信号が変化する時間をカウントする。
ＡＤ変換部３０には、２種類のゲインにより出力された信号をＡＤ変換して、２つのデジタル信号を保持できるように、列ごとに２組の比較器３１及びメモリ部３２を有している。図１に示されているように、低ゲイン用の１組目の比較器３１及びメモリ部３２をそれぞれ比較器３１Ｌ及びメモリ部３２Ｌと表記することがあり、高ゲイン用の２組目の比較器３１及びメモリ部３２を比較器３１Ｈ及びメモリ部３２Ｈと表記することもある。
メモリ部３２Ｌ、３２Ｈの各々には不図示の単位メモリが複数個配置されている。これにより、メモリ部３２Ｌ、３２Ｈの各々は、リセット信号、焦点検出信号及び混合信号のＡＤ変換結果であるデジタル信号を複数の単位メモリにそれぞれ保持できるように構成されている。
比較器３１Ｌ、３１Ｈは、対応する出力線１２に出力された信号と参照信号生成回路２３から出力される参照信号とを比較する。電位の大小関係が変化すると比較器３１Ｌ、３１Ｈの出力信号が変化する。メモリ部３２Ｌ、３２Ｈは、比較器３１Ｌ、３１Ｈの出力信号が変化したタイミングでカウンタ２４から出力されているカウント値を保持する。
参照信号生成回路２３の出力は時間の経過にともなって変化するため、変化時間であるカウント値をメモリ部３２Ｌ、３２Ｈに保持することにより、出力線１２に出力された信号に応じたデジタル信号を保持することができる。
水平走査回路２５は、各列のメモリ部３２Ｌ、３２Ｈに順次制御信号を供給する走査を行う。これにより、各列のメモリ部３２Ｌ、３２Ｈに保持されたデジタル信号が、順次信号処理回路２７に転送される。水平走査回路２５は、シフトレジスタ、アドレスデコーダ等を用いて構成され得る。
信号処理回路２７は、ＡＤ変換部３０から出力されたデジタル信号を処理し、処理後の信号を光電変換装置の外部に出力する。信号処理回路２７が行う信号処理としては、例えば、デジタル信号の減算処理、加算処理、補正処理等が挙げられる。
信号処理回路２７において行われ得る信号処理をより詳細に説明する。信号処理回路２７は、焦点検出信号及び混合信号のデジタル信号からリセット信号のデジタル信号を減算して光電変換装置の外部に出力する。これにより、入射光量に応じた信号成分が抽出される。このとき、減算処理後の焦点検出信号は、第１光電変換部に入射された光量に応じた信号となる。一方、減算処理後の混合信号は、第１光電変換部及び第２光電変換部に入射された光量に相当する信号となり、画像の生成に用いられる。
また、信号処理回路２７は、減算処理後の混合信号から、減算処理後の焦点検出信号を減算することにより、第２光電変換部に入射された光量に応じた信号を算出して、出力してもよい。その際、高ゲインの状態及び低ゲインの状態で読み出された信号のいずれか一方は、他方のゲイン相当に変換処理されてから減算処理が行われ得る。例えば、高ゲインの状態で読み出された信号は、ゲイン比に応じて補正処理がなされることにより、低ゲイン相当の信号に変換される。その状態で減算処理を行うことにより、第２光電変換部に入射された光量に応じた信号を、ゲインの違いを考慮して算出することが可能である。
このようにして、第１光電変換部に入射された光量に応じた焦点検出信号と、第２光電変換部に入射された光量に応じた焦点検出信号とが得られる。これらの焦点検出信号を比較することにより、焦点検出を行うことができる。また、減算処理後の混合信号については、高ゲインの信号及び低ゲインの信号の２種の信号が光電変換装置の外部に出力される。高照度時、すなわち信号レベルが大きい場合には、低ゲインの信号が画像の生成に用いられる。一方、低照度時、すなわち信号レベルが小さい場合には、高ゲインの信号のみ、又は高ゲインの信号と低ゲインの信号の両方が画像の生成に用いられる。高ゲインの信号は、画素１１における電位変動量が大きいため、画素１１の後段の回路で生じる回路ノイズの影響が相対的に小さくなる。したがって、高ゲインの信号を用いることにより、低照度時のノイズを低減することができ、ダイナミックレンジが拡大された画像を生成することが可能となる。
図２は、本実施形態に係る画素１１の構成を示す回路図である。画素１１は、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢ、転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂ、リセットトランジスタＭ２、増幅トランジスタＭ３、選択トランジスタＭ４及び容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６を有している。光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢは、それぞれ、上述の第１光電変換部及び第２光電変換部に相当する。
光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢは、例えばフォトダイオードである。光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢのアノードは接地ノードに接続されている。光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢのカソードは、転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂのソースにそれぞれ接続されている。転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂのドレインは、容量付加トランジスタＭ５のソース及び増幅トランジスタＭ３のゲートに接続されている。転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂのドレイン、容量付加トランジスタＭ５のソース及び増幅トランジスタＭ３のゲートが接続されるノードは、フローティングディフュージョンＦＤである。すなわち、フローティングディフュージョンＦＤは、増幅トランジスタＭ３のゲート（制御ノード）に接続されている。
フローティングディフュージョンＦＤは、容量成分を含み、電荷保持部としての機能を有する。フローティングディフュージョンＦＤは、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢで光電変換により生成された電荷の電荷電圧変換を行う。電荷電圧変換の係数は、フローティングディフュージョンＦＤを構成する拡散層及び配線が持つ接合容量、ゲート容量、配線間寄生容量等で構成される容量Ｃｆｄにより決定される。図２には、このフローティングディフュージョンＦＤの容量Ｃｆｄが容量素子の回路記号により等価的に示されている。
容量付加トランジスタＭ５のドレインは、容量付加トランジスタＭ６のソースに接続されている。容量付加トランジスタＭ６のドレインは、リセットトランジスタＭ２のソースに接続されている。リセットトランジスタＭ２のドレイン及び増幅トランジスタＭ３のドレインは、電圧ＶＤＤが供給される電源電圧ノードに接続されている。増幅トランジスタＭ３のソースは、選択トランジスタＭ４のドレインに接続されている。選択トランジスタＭ４のソースは、出力線１２に接続されている。
転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂのゲートには、垂直走査回路２１から制御線１３を介して制御信号φＴＸＡ、φＴＸＢがそれぞれ入力される。リセットトランジスタＭ２のゲートには、垂直走査回路２１から制御線１３を介して制御信号φＲＥＳが入力される。選択トランジスタＭ４のゲートには、垂直走査回路２１から制御線１３を介して制御信号φＳＥＬが入力される。容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６のゲートには、垂直走査回路２１から制御線１３を介して制御信号φＣＡＤＤ１、φＣＡＤＤ２がそれぞれ入力される。
本実施形態では、画素１１を構成する各トランジスタはＮ型のＭＯＳトランジスタであるものとしている。したがって、垂直走査回路２１からハイレベルの制御信号が供給されると対応するトランジスタがオンになる。また、垂直走査回路２１からローレベルの制御信号が供給されると対応するトランジスタがオフになる。また、ＭＯＳトランジスタのソース及びドレインの呼称はトランジスタの導電型又は着目する機能によって異なることがある。本実施形態において使用するソース及びドレインの名称の一部又は全部は、逆の名称で呼ばれることもある。
光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢは、入射光をその光量に応じた量の電荷に変換（光電変換）して蓄積する。転送トランジスタＭ１Ａは、オンになることにより光電変換部ＰＤＡが保持する電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。転送トランジスタＭ１Ｂは、オンになることにより光電変換部ＰＤＢが保持する電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢから転送された電荷は、フローティングディフュージョンＦＤの容量に保持される。その結果、フローティングディフュージョンＦＤは、フローティングディフュージョン容量による電荷電圧変換によって、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢから転送された電荷の量に応じた電位となる。
選択トランジスタＭ４は、オンになることにより増幅トランジスタＭ３を出力線１２に接続する。増幅トランジスタＭ３は、ドレインに電圧ＶＤＤが供給され、ソースに選択トランジスタＭ４を介して電流源２２からバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部（ソースフォロワ回路）を構成する。これにより増幅トランジスタＭ３は、フローティングディフュージョンＦＤの電位に基づく信号を、選択トランジスタＭ４を介して出力線１２に出力する。この意味で、増幅トランジスタＭ３及び選択トランジスタＭ４は、フローティングディフュージョンＦＤに保持された電荷の量に応じた画素信号を出力する出力部である。
リセットトランジスタＭ２は、電圧（電圧ＶＤＤ）のフローティングディフュージョンＦＤへの供給を制御することによりフローティングディフュージョンＦＤをリセットする機能を備える。リセットトランジスタＭ２及び容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６がすべてオンになることによりフローティングディフュージョンＦＤが電圧ＶＤＤに応じた電圧にリセットされる。
また、容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６は、オンになることにより、フローティングディフュージョンＦＤに接続される容量を増加させ、電荷電圧変換における変換係数を変更する機能を有している。図２には、容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６により付加される容量Ｃ１、Ｃ２が容量素子の回路記号により等価的に示されている。
容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６の両方がオフである場合には、フローティングディフュージョンＦＤのノードにおける容量は「Ｃｆｄ」になる。容量付加トランジスタＭ５がオンであり、容量付加トランジスタＭ６がオフである場合には、フローティングディフュージョンＦＤのノードにおける容量は「Ｃｆｄ＋Ｃ１」になる。容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６の両方がオンである場合には、フローティングディフュージョンＦＤのノードにおける容量は「Ｃｆｄ＋Ｃ１＋Ｃ２」になる。このように、本実施形態の画素１１は、フローティングディフュージョンＦＤにおける容量を、「小」、「中」、「大」の３段階に変更可能な構成を有している。
図３は、本実施形態に係る画素１１のレイアウトを示す平面模式図である。図３は、平面視における光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢ、フローティングディフュージョンＦＤ、各トランジスタ及びマイクロレンズＭＬの配置を模式的に示している。図３は、各トランジスタを構成するゲート電極及びｎ型不純物領域と、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢを構成するｎ型不純物領域と、マイクロレンズＭＬとを平面図として示している。すなわち、図３において、「ＰＤＡ」及び「ＰＤＢ」が付された領域は、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢを構成するフォトダイオードのｎ型不純物領域が形成されている領域を示している。図３（ａ）において、「ＦＤ」が付された領域は、フローティングディフュージョンＦＤを構成するｎ型不純物領域が形成されている領域を示している。図３において、「Ｍ１Ａ」、「Ｍ１Ｂ」及び「Ｍ２」から「Ｍ６」が付された領域は、対応するトランジスタのゲート電極が配されている領域を示している。「ＭＬ」が付された領域は、入射光を光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢに導くマイクロレンズＭＬが配されている位置を示している。
マイクロレンズＭＬは、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢから被写体側に向かって、マイクロレンズＭＬの光軸方向に離れた位置に配されている。光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢは、単一のマイクロレンズＭＬに対応して配されている。光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢは、マイクロレンズＭＬが光を導く領域の左右に分かれて配されている。
このような配置により、光電変換部ＰＤＡに入射される光と光電変換部ＰＤＢに入射される光は、マイクロレンズＭＬへの入射角度が互いに異なる。焦点が合っている場合には光電変換部ＰＤＡへの入射光量と光電変換部ＰＤＢへの入射光量は概ね等しくなる。したがって、光電変換部ＰＤＡで生成された電荷に基づく信号と、光電変換部ＰＤＢで生成された電荷に基づく信号とを比較することにより焦点検出を行うことができる。
各トランジスタのゲート電極には、制御信号を伝送する不図示の配線が接続されている。また、フローティングディフュージョンＦＤと増幅トランジスタＭ３のゲートの間は不図示の配線により接続されている。
図３に示されているＡ－Ａ’線は、図５（ａ）から図５（ｆ）及び図６（ａ）から図６（ｆ）において後述する画素１１の電荷転送経路上のポテンシャルを図示する位置を示している。また、図３に示されているＢ－Ｂ’線は、図７（ａ）から図７（ｃ）において後述する光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢの間での電荷移動に関するポテンシャルを図示する位置を示している。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本実施形態に係る光電変換装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。図４（ａ）及び図４（ｂ）は第１行及び第２行の画素１１の信号を読み出す駆動方法を示しており、同様の動作を読み出す行数に相当する回数だけ繰り返すことにより、１フレームの画像取得が行われる。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）には、第１行及び第２行の２行分の動作が記載されているが、これらの動作は信号が読み出される行が異なるだけでそれ以外は同様であるため、以下では、特記する場合を除いて第１行の動作のみを説明する。また、画素アレイの空間配置として、第１行と第２行は隣り合って配置されていても良いし、第１行と第２行の間に別の画素行が配置されていても良い。例えば、一部の画素行を間引く場合には、画素行の空間配置として、第１行と第２行との間に別の画素行が配置されうる。また、１列の画素に対して複数本の信号線が設けられている場合がある。この場合には、１つの信号線に読み出される第１行と第２行との間に、画素行の空間配置として、別の画素行が配置されうる。これらの第１行、第２行の配置は他の実施形態でも同様である。本実施形態の光電変換装置は、被写体の照度、すなわち入射光量に応じた２種類の駆動モードで動作可能である。図４（ａ）は入射光量が比較的多い場合に用いられる高照度用駆動モード（第１モード）による駆動方法を示しており、図４（ｂ）は入射光量が比較的少ない場合に用いられる低照度用駆動モード（第２モード）による駆動方法を示している。これらの駆動モードは、撮影時に光電変換装置が搭載される撮像システム等の外部システムにより選択され得る。
図４（ａ）及び図４（ｂ）において、「φＳＥＬ」、「φＲＥＳ」、「φＣＡＤＤ１」、「φＣＡＤＤ２」、「φＴＸＡ」、「φＴＸＢ」は対応する行の画素１１に供給される制御信号を示している。図４（ａ）及び図４（ｂ）において、「φＣＯＭＰＬ＿ＲＳＴ」及び「φＣＯＭＰＨ＿ＲＳＴ」は、それぞれ、比較器３１Ｌ及び比較器３１Ｈのリセットタイミングを模式的に示している。
上述のように、各制御信号がハイレベルになると当該制御信号が入力されるトランジスタがオンになり、各制御信号がローレベルになると当該制御信号が入力されるトランジスタはオフになる。また、制御信号φＣＯＭＰＬ＿ＲＳＴがローレベルからハイレベルになるタイミングで比較器３１Ｌがリセットされ、制御信号φＣＯＭＰＨ＿ＲＳＴがローレベルからハイレベルになるタイミングで比較器３１Ｈがリセットされるものとする。
また、図４（ａ）及び図４（ｂ）において、「Ｖｒａｍｐ」の欄には、参照信号生成回路２３から出力される参照信号の電位が実線で示されている。更に、「Ｖｒａｍｐ」の欄には、比較器３１Ｌ、３１Ｈに入力される出力線１２の電位が破線で示されている。
次に、高照度用駆動モード及び低照度用駆動モードの具体的な駆動方法をタイミングチャートの時系列に沿って説明する。まず、図４（ａ）を参照しつつ、高照度用駆動モードについて説明する。
時刻ｔ１において、制御信号φＳＥＬがハイレベルになる。これにより、第１行の選択トランジスタＭ４がオンになり、第１行の画素１１からの信号の読み出しが開始される。また、時刻ｔ１において制御信号φＣＡＤＤ１、φＣＡＤＤ２がハイレベルになり、容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６がオンになる。これにより、フローティングディフュージョンＦＤのノードにおける容量は「大」の状態になる。高照度用駆動モードにおいては、容量が最も大きい「大」の状態が、低ゲインの状態である。
時刻ｔ２において、制御信号φＲＥＳがハイレベルになり、リセットトランジスタＭ２がオンになる。これにより、フローティングディフュージョンＦＤの電位がリセットされ、低ゲイン時のリセット信号が出力線１２に出力される。その後、参照信号のレベルがリセット用の電位に変化する。
時刻ｔ３において、制御信号φＣＯＭＰＬ＿ＲＳＴがハイレベルになる。これにより、比較器３１Ｌがリセットされる。具体的には、スイッチトキャパシタアンプとして構成されている比較器３１Ｌにおいて、アンプの入出力が接続され、リセット解除時の参照信号と出力線１２との電位差が比較器３１Ｌの論理閾値となるような制御が行われる。
時刻ｔ４において、参照信号の電位が一定の傾きで低下を開始するとともに、カウンタ２４によるカウントが開始する。これにより、時刻ｔ４から低ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換が開始される。この低ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換においては、低ゲイン用の比較器３１Ｌ及びメモリ部３２Ｌのみが使用され、高ゲイン用の比較器３１Ｈ及びメモリ部３２Ｈは使用されない。参照信号と出力線１２の電位の大小関係が変化すると比較器３１Ｌの出力が変化する。比較器３１Ｌの出力が変化した時刻のカウンタ２４のカウント値がメモリ部３２Ｌに保持される。時刻ｔ５において、低ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換が終了する。
時刻ｔ６において、制御信号φＣＡＤＤ２がローレベルになり、容量付加トランジスタＭ６がオフになる。これにより、フローティングディフュージョンＦＤのノードにおける容量は、「中」の状態になる。高照度用駆動モードにおいては、容量の大きさが「中」の状態が、高ゲインの状態である。これにより、高ゲイン時のリセット信号が出力線１２に出力される。
時刻ｔ７において、制御信号φＣＯＭＰＨ＿ＲＳＴがハイレベルになる。これにより、比較器３１Ｈがリセットされる。
時刻ｔ８から時刻ｔ９の間の期間において、高ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換が行われる。この高ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換においては、高ゲイン用の比較器３１Ｈ及びメモリ部３２Ｈのみが使用され、低ゲイン用の比較器３１Ｌ及びメモリ部３２Ｌは使用されない。
時刻ｔ１０において、制御信号φＴＸＡがハイレベルになり、転送トランジスタＭ１Ａがオンになる。これにより、光電変換部ＰＤＡにおいて光電変換により蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。このとき、出力線１２には焦点検出信号が出力される。より具体的には、光電変換部ＰＤＡから転送された電荷が、フローティングディフュージョンＦＤの容量に応じて電荷電圧変換され、出力線１２の電位が低下する。時刻ｔ１０の時点では画素１１が高ゲインの状態であるため、画素１１が低ゲインの状態である場合と比べて、仮に転送された電荷量が同一であれば電位の低下量は大きくなる。
時刻ｔ１１から時刻ｔ１２の期間において、高ゲイン時の焦点検出信号のＡＤ変換が行われる。このとき、メモリ部３２Ｈには、リセット信号のＡＤ変換結果のデジタル信号とは独立して、焦点検出信号のＡＤ変換結果のデジタル信号が保持される。
時刻ｔ１３において、制御信号φＴＸＡ、φＴＸＢがハイレベルになり、転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂがオンになる。これにより、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢにおいて光電変換により蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。フローティングディフュージョンＦＤにおいて光電変換部ＰＤＡから転送された電荷と光電変換部ＰＤＢから転送された電荷は混合され、出力線１２には高ゲイン状態における混合信号が出力される。
時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の期間において、高ゲイン時の混合信号のＡＤ変換が行われる。このとき、メモリ部３２Ｈには、リセット信号及び焦点検出信号のＡＤ変換結果のデジタル信号とは独立して、混合信号のＡＤ変換結果のデジタル信号が保持される。
時刻ｔ１６において、制御信号φＣＡＤＤ２がハイレベルになり、容量付加トランジスタＭ６がオンになる。これにより、フローティングディフュージョンＦＤのノードにおける容量は「大」の状態、すなわち低ゲインの状態となる。詳細は後述するが、時刻ｔ１６の前にフローティングディフュージョンＦＤに保持されていた電荷の一部は、時刻ｔ１６の後、容量Ｃ２に分配される。これにより、出力線１２に出力されている信号の変化量は小さくなる。その後、制御信号φＴＸＡ、φＴＸＢがハイレベルになり、転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂがオンになる。高ゲインの状態における電荷の転送時において、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢに電荷が残留していた場合、その残留電荷はこの時点で容量が増加したフローティングディフュージョンＦＤに転送される。
時刻ｔ１７から時刻ｔ１８の期間において、低ゲイン時の混合信号のＡＤ変換が行われる。このとき、メモリ部３２Ｌには、リセット信号のＡＤ変換結果のデジタル信号とは独立して、混合信号のＡＤ変換結果のデジタル信号が保持される。
時刻ｔ１９において、制御信号φＳＥＬ、φＣＡＤＤ１、φＣＡＤＤ２がローレベルになり、選択トランジスタＭ４及び容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６がオフになる。これにより、第１行の画素１１の読み出しの期間（第１期間）が終了する。その後第２行の読み出しの期間（第２期間）が開始するが、その動作は第１行と概ね同様であるため説明を省略する。１つの読み出し期間は、フローティングディフュージョンＦＤのリセットが解除する時刻（第１行の制御信号φＲＥＳがローレベルになる時刻）から、次にリセットするまでの時刻（第２行の制御信号φＲＥＳがハイレベルになる時刻）までと考えることもできる。
メモリ部３２Ｌ、３２Ｈに保持されたデジタル信号は、水平走査回路２５の制御に応じて、適宜、信号処理回路２７に転送される。例えば、高ゲイン時の焦点検出信号のデジタル信号は、時刻ｔ１２の後、高ゲイン時の混合信号のＡＤ変換が行われる期間内に転送される。同様に高ゲイン時の混合信号のデジタル信号は、低ゲイン時の混合信号のＡＤ変換が行われる期間内に転送される。低ゲイン時の混合信号のデジタル信号は、第２行のリセット信号のＡＤ変換が行われる期間内に転送される。
高ゲイン時の焦点検出信号及び混合信号のデジタル信号は、高ゲイン時のリセット信号のデジタル信号と共に信号処理回路２７に転送され、信号処理回路２７において減算処理が行われる。これにより、入射光量に応じた信号のみが抽出される。減算後のデジタル信号は、焦点検出又は画像の生成に用いられる。
同様に、低ゲイン時の混合信号のデジタル信号は、低ゲイン時のリセット信号のデジタル信号と共に信号処理回路２７に転送され、信号処理回路２７において減算処理が行われる。
次に、図４（ｂ）を参照しつつ、低照度用駆動モードについて説明する。ここでは、高照度用駆動モードと異なる点について主に説明し、高照度用駆動モードと同様の動作に関しては説明を省略又は簡略化する。
図４（ｂ）に示されているように、低照度用駆動モードの制御信号φＲＥＳ、φＣＡＤＤ１、φＣＡＤＤ２の動作は、高照度用駆動モードのそれらと異なっている。これにより、低照度用駆動モードにおいては、各信号の読み出しの際のフローティングディフュージョンＦＤの容量が高照度用駆動モードのそれと異なっている。その他の制御信号、参照信号については、低照度用駆動モードと高照度用駆動モードとの間で共通である。
制御信号φＲＥＳは、時刻ｔ２１から時刻ｔ３９の期間、すなわち、第１行の画素１１の読み出しの期間において、ハイレベルに維持されている。したがって、当該期間において、リセットトランジスタＭ２はオンに維持されている。
低照度用駆動モードでは、リセットの制御は主に制御信号φＣＡＤＤ２により行われる。制御信号φＣＡＤＤ２は、時刻ｔ２２においてハイレベルになる。時刻ｔ２２は、図４（ａ）における時刻ｔ２に相当する。リセットトランジスタＭ２及び容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６が時刻ｔ２２においてすべてオンになるため、時刻ｔ２２はフローティングディフュージョンＦＤの電位のリセットが行われるタイミングである。このリセットの期間以外の期間においては、制御信号φＣＡＤＤ２はローレベルに維持されている。
一方、フローティングディフュージョンＦＤの容量の制御は主に制御信号φＣＡＤＤ１により行われる。制御信号φＣＡＤＤ１は、時刻ｔ２１から時刻ｔ２６の期間及び時刻ｔ３６から時刻ｔ３９の期間においてハイレベルになり、これらの期間に容量付加トランジスタＭ５がオンになる。これらの期間は、図４（ａ）における時刻ｔ１から時刻ｔ６の期間及び時刻ｔ１６から時刻ｔ１９の期間、すなわち、低ゲインの期間に相当する。すなわち、低照度用駆動モードにおいては、容量が「中」の状態が、低ゲインの状態であり、容量が最も小さい「小」の状態が、高ゲインの状態となる。
フローティングディフュージョンＦＤの飽和電荷量は、容量の大きさに依存する。低照度用駆動モードにおけるフローティングディフュージョンＦＤの飽和電荷量は、高照度用駆動モードにおけるそれに比べ少ない。しかしながら、低照度用駆動モードは入射光量が小さい場合に用いられるモードであるため、飽和電荷量に起因する問題は生じにくい。また、高ゲイン時にフローティングディフュージョンＦＤの容量が最小な状態になるため、入射光によって生じた電荷が少ない場合においても電位変動量をより大きくすることが可能である。そのため、低照度用駆動モードを用いることにより、高照度用駆動モードの場合と比べて画素１１の後段の読み出し回路に起因するノイズを相対的に小さくすることができる。
図５（ａ）から図５（ｆ）及び図６（ａ）から図６（ｆ）は、本実施形態に係る画素１１のポテンシャルを示す模式図である。図５（ａ）から図５（ｆ）は、高照度用駆動モードの場合のポテンシャルを示しており、図６（ａ）から図６（ｆ）は、低照度用駆動モードの場合のポテンシャルを示している。
図５（ａ）から図５（ｆ）及び図６（ａ）から図６（ｆ）は、図３におけるＡ－Ａ’線に沿った位置におけるポテンシャルを模式的に示している。これらの図において、「ＰＤＡ」は光電変換部ＰＤＡの位置を示している。また、「Ｍ１Ａ」、「ＦＤ」、「Ｍ５」、「Ｍ６」及び「Ｍ２」は、それぞれ、転送トランジスタＭ１Ａ、フローティングディフュージョンＦＤ、容量付加トランジスタＭ５、容量付加トランジスタＭ６及びリセットトランジスタＭ２の位置を示している。また、「Ｃ１」は容量付加トランジスタＭ５を構成するドレイン側のｎ型拡散層の位置を示しており、「Ｃ２」は容量付加トランジスタＭ６を構成するドレイン側のｎ型拡散層の位置を示している。
まず、図５（ａ）から図５（ｆ）を参照しつつ高照度用駆動モードにおける状態の推移について説明する。
図５（ａ）は、図４（ａ）における時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間に対応する。すなわち、図５（ａ）は、低ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換が行われている期間のポテンシャルを示している。この期間は電荷転送が行われる前であるため、光電変換部ＰＤＡには電荷Ｃ＿ＰＤＡが蓄積されている。
容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６はいずれもオンであり、容量Ｃ１、Ｃ２が接続されたフローティングディフュージョンＦＤには、リセットトランジスタＭ２がオフになった時点のノイズ電荷が保持されている。この状態で低ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換が行われる。ここで、リセットトランジスタＭ２がオフのときのポテンシャルは、容量付加トランジスタＭ６がオフのときのポテンシャルに比べて高くなるように制御される。具体的には、容量付加トランジスタＭ６のゲートに印加されるオフ時の電圧が、リセットトランジスタＭ２のゲートに印加されるオフ時の電圧によりも高く設定される。
図５（ｂ）は、図４（ａ）における時刻ｔ８から時刻ｔ９の期間に対応する。すなわち、図５（ｂ）は、高ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換が行われている期間のポテンシャルを示している。時刻ｔ６に容量付加トランジスタＭ６がオフになる際に、ノイズ電荷がフローティングディフュージョンＦＤ及び容量Ｃ１の側と、容量Ｃ２の側に振り分けられる。時刻ｔ８から時刻ｔ９の期間における高ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換は、この状態で行われる。
図５（ｃ）は、図４（ａ）における時刻ｔ１０の直後に対応する。すなわち、図５（ｃ）は、電荷Ｃ＿ＰＤＡの転送途中のポテンシャルを示している。このとき、転送トランジスタＭ１Ａがオンになり、光電変換部ＰＤＡに蓄積されていた電荷Ｃ＿ＰＤＡがフローティングディフュージョンＦＤに転送される。本実施形態では、光電変換部ＰＤＡが飽和する飽和電荷量Ｑａ＿ｓａｔに比べて、フローティングディフュージョンＦＤ及び容量Ｃ１に保持できる電荷量Ｑｆｄ＋Ｑｃ１は十分に大きいため、この転送後に電荷があふれることはない。
図５（ｄ）は、図４（ａ）における時刻ｔ１１から時刻ｔ１２の期間に対応する。すなわち、図５（ｄ）は、高ゲイン時の焦点検出信号のＡＤ変換が行われている期間のポテンシャルを示している。電荷Ｃ＿ＰＤＡがフローティングディフュージョンＦＤ及び容量Ｃ１のノードに転送された後、転送トランジスタＭ１Ａがオフになっている。これ以外は、高ゲイン時のリセット信号読み出し時と同様である。時刻ｔ１１から時刻ｔ１２の期間における高ゲイン時の焦点検出信号のＡＤ変換は、この状態で行われる。上述のように、高ゲイン時の焦点検出信号のデジタル信号から高ゲイン時のリセット信号のデジタル信号を減算することにより、光電変換部ＰＤＡから転送された電荷Ｃ＿ＰＤＡに応じた信号が抽出される。
図５（ｅ）は、図４（ａ）における時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の期間に対応する。すなわち、図５（ｅ）は、高ゲイン時の混合信号のＡＤ変換が行われている期間のポテンシャルを示している。時刻ｔ１３において、光電変換部ＰＤＡからの電荷転送と同様にして、光電変換部ＰＤＢから電荷Ｃ＿ＰＤＢが転送される。これにより、フローティングディフュージョンＦＤ及び容量Ｃ１において、光電変換部ＰＤＡで生成された電荷Ｃ＿ＰＤＡと光電変換部ＰＤＢで生成された電荷Ｃ＿ＰＤＢとが混合された状態になる。時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の期間における高ゲイン時の混合信号のＡＤ変換は、この状態で行われる。高ゲイン時の混合信号のデジタル信号から高ゲイン時のリセット信号のデジタル信号を減算することで、光電変換部ＰＤＡから転送された電荷Ｃ＿ＰＤＡと光電変換部ＰＤＢから転送された電荷Ｃ＿ＰＤＢとの和に応じた信号が抽出される。
なお、光電変換部ＰＤＡ及び光電変換部ＰＤＢに蓄積された電荷量が非常に多い場合、転送された電荷がフローティングディフュージョンＦＤ及び容量Ｃ１に保持できない場合があり得る。この場合には、光電変換部ＰＤＡ及び光電変換部ＰＤＢに電荷が残留することもある。また、容量Ｃ１の電荷が容量付加トランジスタＭ６のオフ時のポテンシャルを越えて容量Ｃ２にあふれる場合がある。このような場合には、高ゲイン時の混合信号は飽和しており、正しい信号を得ることができない。しかしながら、後述する低ゲイン時の混合信号の読み出しによって、飽和を回避して信号を読み出すことが可能である。
図５（ｆ）は、図４（ａ）における時刻ｔ１７から時刻ｔ１８の期間に対応する。すなわち、図５（ｆ）は、低ゲイン時の混合信号のＡＤ変換が行われている期間のポテンシャルを示している。時刻ｔ１６に容量付加トランジスタＭ６がオンになっているため、低ゲイン時の混合信号のＡＤ変換の際には、フローティングディフュージョンＦＤに容量Ｃ１、Ｃ２が接続され、容量が大きい状態となっている。これにより、転送された電荷量が同一である場合において、低ゲイン時には、高ゲイン時と比べて電位低下量が小さくなる。
高ゲイン時のＡＤ変換前の転送で光電変換部ＰＤＡ及び光電変換部ＰＤＢに電荷が残留している場合においても、残留していた電荷は低ゲイン時の混合信号のＡＤ変換の前にフローティングディフュージョンＦＤに転送される。この転送時には、フローティングディフュージョンＦＤに付加される容量が増加しているため、電荷の残留が生じにくくなっている。また、高ゲイン時に電荷の一部が容量Ｃ２にあふれる場合においても、容量付加トランジスタＭ６のオフ時のポテンシャルよりもリセットトランジスタＭ２のオフ時のポテンシャルの方が高いため、あふれた電荷は容量Ｃ２に保持される。容量Ｃ２に保持された電荷は、低ゲイン時の混合信号のＡＤ変換の前に、容量付加トランジスタＭ６がオンになることにより、容量が付加されるとともに再度電荷が混合されるので、あふれた電荷も含めた混合信号を得ることが可能である。
次に、図６（ａ）から図６（ｆ）を参照しつつ低照度用駆動モードにおける状態の推移について、図５（ａ）から図５（ｆ）との相違点を説明する。図６（ａ）から図６（ｆ）に示されている６つの状態は、それぞれ、図５（ａ）から図５（ｆ）に示されている６つの状態に対応する。
低照度用駆動モードでは、フローティングディフュージョンＦＤに容量Ｃ１が接続された状態が低ゲインの状態であり、フローティングディフュージョンＦＤにいずれの容量も接続されていない状態が高ゲインの状態である。そのため、図４（ａ）及び図４（ｂ）の説明で述べたように、容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６及びリセットトランジスタＭ２の動作が高照度用駆動モードと異なっている。また、容量付加トランジスタＭ６のオフ時のポテンシャルは、容量付加トランジスタＭ５のオフ時のポテンシャルよりも高くなるように制御される。その他の動作については、高照度用駆動モードと概ね同様であるため説明を省略する。
図７（ａ）から図７（ｃ）は、本実施形態に係る光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢのポテンシャルを示す模式図である。図７（ａ）から図７（ｃ）は、図３におけるＢ－Ｂ’線に沿った位置におけるポテンシャルを模式的に示している。これらの図において、「ＰＤＡ」及び「ＰＤＢ」は、光電変換部ＰＤＡ及び光電変換部ＰＤＢの位置をそれぞれ示している。図７（ａ）から図７（ｃ）は、入射光量が互いに異なる３つの状態を図示している。また、図７（ａ）から図７（ｃ）では、一例として、光電変換部ＰＤＢよりも光電変換部ＰＤＡにより多くの光が入射する場合の例を示している。
また、図７（ａ）から図７（ｃ）における「Ｖａｂ」は、光電変換部ＰＤＡと光電変換部ＰＤＢの間（以下、ＡＢ間分離と呼ぶ）のポテンシャルを示している。ポテンシャルＶａｂは、光電変換部ＰＤＡ及び光電変換部ＰＤＢの領域とその外部の領域とを分離する素子分離領域のポテンシャルに比べて低い。
図７（ａ）は、光電変換部ＰＤＡ及び光電変換部ＰＤＢのいずれも飽和していない状態を示している。図７（ａ）に示されているように、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢに蓄積された電荷のポテンシャルはいずれもＡＢ間分離のポテンシャルＶａｂより低いため、電荷はＡＢ間分離を越えて移動しない。ＡＢ間分離ポテンシャルＶａｂを越えずに光電変換部ＰＤＡが蓄積することができる飽和電荷量をＱａ＿ｓａｔとする。
図７（ｂ）は、光電変換部ＰＤＡが飽和しているものの、光電変換部ＰＤＢは飽和していない状態を示している。図７（ｂ）に示されているように、光電変換部ＰＤＡにおいて光電変換により生成された電荷が、ＡＢ間分離のポテンシャルＶａｂを越えて光電変換部ＰＤＢに保持される。そのため、図７（ｂ）の状態では、光が入射しても光電変換部ＰＤＡに保持される電荷は増えなくなる。図７（ｂ）の状態から光電変換部ＰＤＢに更に電荷が蓄積され、ＡＢ間分離のポテンシャルＶａｂと同じ電位に達すると、その後は光の入射に応じて光電変換部ＰＤＡ、光電変換部ＰＤＢの両方に更に電荷が蓄積され始める。
図７（ｃ）は、光電変換部ＰＤＡ及び光電変換部ＰＤＢの外側の素子分離のポテンシャルまで電荷が蓄積された状態である。この状態から光電変換により更に電荷が増加すると、電荷は素子分離のポテンシャルを越えてフローティングディフュージョンＦＤ及び画素１１内のトランジスタのｎ型拡散層に移動する。そのため、光電変換部ＰＤＡ及び光電変換部ＰＤＢの蓄積電荷が増えることはなく、光電変換部ＰＤＡ及び光電変換部ＰＤＢは飽和状態である。光電変換部ＰＤＡ及び光電変換部ＰＤＢにおける電荷蓄積期間においては、フローティングディフュージョンＦＤはリセット状態となるよう制御されているため、あふれた電荷は電源に排出される。以上のように、光電変換部ＰＤＡ及び光電変換部ＰＤＢに蓄積できる飽和電荷量をＱａｂ＿ｓａｔとする。
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、本実施形態に係る光量と信号レベルの関係を示すグラフである。図８（ａ）は、高照度用駆動モードの場合の光量と信号レベルの関係を示しており、図８（ｂ）は、低照度用駆動モードの場合の光量と信号レベルの関係を示している。図８（ａ）及び図８（ｂ）において、横軸は入射光の光量を示しており、縦軸はリセット信号を基準とした信号レベル（電荷転送による電位の変化量）を示している。また、図８（ａ）及び図８（ｂ）において、実線は高ゲイン時における焦点検出信号及び混合信号についての光量と信号レベルの関係を示しており、破線は低ゲイン時における焦点検出信号及び混合信号についての光量と信号レベルの関係を示している。上述のように、焦点検出信号は高ゲイン時でのみ読み出されているが、図８（ａ）及び図８（ｂ）では低ゲイン相当に換算して図示したものを図示している。
なお、光電変換部ＰＤＡが飽和した後の挙動についての理解を容易にする観点から、図８（ａ）及び図８（ｂ）では、画素１１に入射する光のうちの大部分が光電変換部ＰＤＡ側に入射する場合を例示している。また、図８（ａ）及び図８（ｂ）の縦軸の信号レベルにおいて、該当する信号レベルに相当する飽和電荷量がラベルとして記されている場合がある。
まず、図８（ａ）を参照しつつ、高照度用駆動モードにおける光量と信号レベルの関係について説明する。低ゲイン時の混合信号の信号レベルは、光量に応じて線形に増加し、Ｑａｂ＿ｓａｔに相当するレベルで飽和する。ＡＤ変換部３０は、Ｑａｂ＿ｓａｔに相当する信号レベルより小さいレベルを上限としてＡＤ変換を行う。ここで、ＡＤ変換における飽和レベルに相当する信号レベルをＡＤｓａｔとする。また、ＡＤ変換後の信号レベルがＡＤｓａｔになるような混合信号の最大光量をＬａｂ＿ａｄとする。
一方、フローティングディフュージョンＦＤの容量が小さい高ゲイン時の混合信号は、Ｑａｂ＿ｓａｔに達する前に、Ｑｆｄ＋Ｑｃ１に相当する信号レベルで飽和する。
このように、混合信号においては、低ゲイン時のＬａｂ＿ａｄの光量まで線形性を保つことができ、かつ、光量が小さい範囲では高ゲイン時のノイズが相対的に小さい信号を取得することができる。これによりダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
これに対して、高ゲイン時の焦点検出信号は、光電変換部ＰＤＡに蓄積することができる飽和電荷量Ｑａ＿ｓａｔに対応する信号レベルで飽和する。このとき、線形な信号として焦点検出に使用することができる最大光量をＬａ＿ｓａｔとする。焦点検出に用いることができる光量の範囲は、混合信号として画像生成に用いることができる光量に比べて狭い。
仮にＱｆｄ＋Ｑｃ１が非常に小さい場合には、電荷転送による電位の低下量は大きくなるため、光電変換部ＰＤＡに蓄積される電荷がＱａ＿ｓａｔに達して飽和するよりも低い光量で信号がＡＤ変換の範囲から外れ得る。この場合には、焦点検出に使いることができる光量の上限は大きく低下する。これに対し、本実施形態の光電変換装置では、高ゲイン時のフローティングディフュージョンＦＤに蓄積可能な電荷量Ｑｆｄ＋Ｑｃ１は、Ｑａ＿ｓａｔより十分に多い。したがって、ＡＤ変換によって飽和することはなく、Ｑａ＿ｓａｔに相当する光量に達するまで線形な出力を得ることが可能である。
より具体的には、低ゲインに対する高ゲインのゲイン比に相当する容量比（Ｃｆｄ＋Ｃ１＋Ｃ２）／（Ｃｆｄ＋Ｃ１）は、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢにおける２種類の飽和電荷量の比Ｑａｂ＿ｓａｔ／Ｑａ＿ｓａｔよりも小さいことが望ましい。ＡＤ変換の上限は飽和電荷量Ｑａｂ＿ｓａｔに近い値に設定される。仮に容量比が上述の飽和電荷量の比よりも大きい場合、焦点検出信号のＡＤ変換の上限がＱａ＿ｓａｔによる飽和より小さくなり、焦点検出信号の光量範囲が制限されてしまうため、上述のように容量比は、飽和電荷量の比よりも小さいことが望ましい。なお、ゲインの切り替え範囲を拡大させる観点から、上述の飽和電荷量の比を超えない範囲内で容量比はできる限り大きい方が望ましい。
なお、ＡＤ変換がなされる信号レベルの範囲は、入射光量に基づいて撮像システム等の外部システムにより設定されることがある。そのため、焦点検出可能な光量範囲を広くすることにより、明るい被写体に焦点を合わせる場合の精度が向上し得る。また、上述の飽和電荷量の比を超えない範囲内で容量比をできる限り大きくすることにより、高ゲインの読み出しにおける、ダイナミックレンジ拡大効果と、焦点検出の精度向上とを両立することができる。
また、上述の要因による焦点検出可能範囲の制限は、図８（ａ）の例のように画素１１に入射する光の大部分が光電変換部ＰＤＡに入射される場合においてより顕著となる。例えば、光電変換部ＰＤＢに大部分の光が入射される場合には、光電変換部ＰＤＡに基づく焦点検出信号は飽和することなく読み出される。
なお、光電変換部ＰＤＢの入射光量に応じた焦点検出信号は、低ゲイン時の混合信号から、低ゲイン時相当に変換された光電変換部ＰＤＡの焦点検出信号を減算することで算出できる。したがって、光電変換部ＰＤＢの入射光量に応じた焦点検出信号については、上述の要因による焦点検出可能範囲の制限を受けず、混合信号が飽和する光量が上限となる。
以上のように、低ゲイン時と高ゲイン時のゲイン比である容量比を上述の範囲にすることにより、様々な入射光の状況において焦点検出信号が適切に取得可能な光量範囲を拡大することができる。
次に、図８（ｂ）を参照しつつ、低照度用駆動モードにおける光量と信号レベルの関係について説明する。低照度用駆動モードは、光電変換装置に入射する光量が大きくないときに、撮像システム等の外部システムにより設定されるものである。低照度用駆動モードでは、高照度用駆動モードに比べて、より少ない光量範囲でＡＤ変換が行われる。
低照度用駆動モードにおいては、高ゲイン時にフローティングディフュージョンＦＤの容量はＣｆｄになり、高照度用駆動モードの高ゲイン時に比べて相対的にゲインが高い状態になる。そのため、焦点検出信号の最大光量Ｌａ＿ｓａｔは、信号レベルがＱａ＿ｓａｔに達することによる飽和ではなく、ＡＤ変換における上限の信号レベルに応じて定まる。すなわち、画素１１に入射される光の大部分が光電変換部ＰＤＡに入射される状況においては、混合信号と焦点検出信号の飽和光量比Ｌａｂ＿ａｄ／Ｌａ＿ｓａｔは、低ゲイン時と高ゲイン時のゲイン比である容量比（Ｃｆｄ＋Ｃ１）／Ｃｆｄに概ね一致する。この状況においても、焦点検出信号の上限光量が、混合信号のＡＤ変換による上限光量よりも小さくならないように、容量比（Ｃｆｄ＋Ｃ１）／Ｃｆｄは高照度用駆動モードと同様にＱａｂ＿ｓａｔ／Ｑａ＿ｓａｔより小さいことが望ましい。また、高照度用駆動モードと同様に上述の飽和電荷量の比を超えない範囲内で容量比はできる限り大きい方が望ましい。
以上のように、本実施形態によれば、焦点検出用の信号を出力可能な画素を有し、かつ、より好適にダイナミックレンジを拡大し得る光電変換装置が提供される。
なお、本実施形態では、フローティングディフュージョンＦＤに容量を追加することにより、ゲインを３段階に変更できる構成を例示しているが、これに限られない。ゲインは、少なくとも２段階に変更可能であれば本実施形態の効果が得られる。
また、本実施形態では、高照度用駆動モードにおいて、容量の大きさが「中」の状態を高ゲインとし、容量の大きさが「大」の状態を低ゲインとしている。しかしながら、高照度用駆動モードにおいて、容量の大きさが「小」の状態を高ゲインとし、容量の大きさが「大」の状態を低ゲインとしてもよい。本構成では、焦点検出信号の光量範囲は狭くなるものの、フローティングディフュージョンＦＤにおける容量比が更に大きくなり、ダイナミックレンジ拡大の効果が向上し得る。
また、本実施形態では、容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６がリセットトランジスタＭ２と直列に接続されるように配されているが容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６の配置はこれに限られない。例えば、容量付加トランジスタＭ５、Ｍ６の少なくとも１つが、リセットトランジスタＭ２と並列に接続されるように配されていてもよい。すなわち、フローティングディフュージョンＦＤの容量を変更することが可能な構成であれば、画素１１の回路構成は適宜変形してもよい。
なお、本実施形態では、図４（ａ）、図４（ｂ）等を参照しつつ複数の画素１１から１行ずつ信号を読み出す読み出し方法の例を説明したが、この形態には限定されない。例えば、複数行（２つ以上の行）に配された画素１１から並行して１つの信号線に信号を読み出すようにしてもよい。この動作を行うことにより、複数行の画素１１から出力される信号を、信号線上で混合することができる。
［第２実施形態］
図９及び図１０を参照しつつ、第２実施形態に係る光電変換装置について説明する。第２実施形態の光電変換装置は、ゲインを変更可能なゲイン変更部を更に有している。そして、第２実施形態の光電変換装置は、低照度用駆動モードにおいて、高ゲイン時の焦点検出信号の読み出しの際にゲイン変更部のゲインを低下させることにより、焦点検出信号が飽和しない光量範囲を拡大させる機能を有する。本実施形態の低照度用駆動モードを第２低照度用駆動モードと呼ぶこともある。以下では、主に本実施形態における第１実施形態との相違点について説明する。
図９は、本実施形態に係る光電変換装置の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の光電変換装置は、第１実施形態の光電変換装置に対してゲイン変更部４０を更に有している。ゲイン変更部４０は、列ごとに２つのゲイン変更回路４１Ｌ、４１Ｈを有している。出力線１２は対応する列のゲイン変更回路４１Ｌ、４１Ｈの入力端子に接続されている。ゲイン変更回路４１Ｌ、４１Ｈの出力端子は、それぞれ、比較器３１Ｌ、３１Ｈの入力端子に接続されている。ゲイン変更回路４１Ｌ、４１Ｈの各々は、例えばスイッチトキャパシタアンプで構成されており、入力された焦点検出信号及び混合信号の電位を可変のゲインにより増幅又は減衰させる。また、ゲイン変更回路４１Ｌ、４１Ｈの各々は、駆動モードに応じてゲインを変更することができる。ゲイン変更回路４１Ｌは低ゲイン時の読み出しにおいて用いられ、ゲイン変更回路４１Ｈは高ゲイン時の読み出しにおいて用いられる。
本実施形態において、ゲイン変更回路４１Ｌ、４１Ｈは、高照度用駆動モードにおいては同じゲインとなるよう制御される。一方、第２低照度用駆動モードにおいては、ゲイン変更回路４１Ｈのゲインがゲイン変更回路４１Ｌのゲインに比べて小さくなるように制御される。すなわち、ゲイン変更回路４１Ｈは、画素１１内のゲインにより増幅され出力線１２に出力された信号のゲインを相対的に低くする動作を行う。これにより、高ゲイン時よりも多い光量の信号をＡＤ変換部３０によるＡＤ変換範囲内に含めることができ、焦点検出信号の光量範囲を拡大することができる。
図１０は、本実施形態に係る光量と信号レベルの関係を示すグラフである。図１０は、第２低照度用駆動モードの場合の光量と信号レベルの関係を示している。図１０には、高ゲイン時における光量と信号レベルの関係が、ゲイン変更回路４１Ｈによりゲインが変更されていない場合（ゲイン変更前）と、ゲイン変更回路４１Ｈによりゲインが変更されている場合（ゲイン変更後）とのそれぞれについて示されている。
第２低照度用駆動モードでは、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積できる電荷量に比べて入射光量が小さい状況が想定されている。したがって、想定されている電位変化量に対応した低ゲイン時のＡＤ変換範囲が設定されている。そのため、高ゲイン時においては、ゲイン変更回路４１Ｈによるゲイン変更前には信号レベルがＱｆｄに達することによる信号飽和よりも小さい入射光量において、信号レベルがＡＤ変換範囲の最大信号レベルＡＤｓａｔに達する。そこで、ＱｆｄがＡＤｓａｔを下回らない範囲で、ゲイン変更回路４１Ｈにより信号を減衰させることにより、線形性を維持しつつ、大きな光量をＡＤ変換領域に収めることが可能となる。
このとき、ゲイン変更回路４１Ｈが信号を減衰することにより、ゲイン変更部４０以降の回路における回路ノイズが相対的に大きくなり得る。しかしながら、フローティングディフュージョンＦＤにおける容量の切り替えを行うことによるダイナミックレンジ拡大の効果は第１実施形態と同様に得られる。これに加えて、第２低照度用駆動モードによる動作が可能な本実施形態においては、第１実施形態に比べて、容量比（Ｃｆｄ＋Ｃ１）／Ｃｆｄをより大きく構成することが可能となる。これにより、第２低照度用駆動モードにおいて、焦点検出信号が適切に取得可能な光量範囲を広げつつ、ダイナミックレンジ拡大の効果を更に向上させることができる。
本実施形態においては、第１実施形態と同様に、焦点検出用の信号を出力可能な画素を有し、かつ、より好適にダイナミックレンジを拡大し得る光電変換装置が提供される。また、上述のように焦点検出信号が飽和しない光量範囲がより拡大する。
なお、本実施形態では、ゲイン変更回路が高ゲイン用と低ゲイン用の２つ配されているが、これに限られない。例えば、ゲイン変更回路を高ゲイン用と低ゲイン用とで共通とし、読み出すタイミングに応じてゲインを切り替えてもよい。また、ゲインの変更を行う手法はゲイン変更部４０のような可変のゲイン変更回路に限られない。例えば、参照信号生成回路２３から出力される参照信号の電位の範囲を変化させることにより、ＡＤ変換の変換範囲を変化させてもよい。
［第３実施形態］
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）を参照しつつ、第３実施形態に係る光電変換装置について説明する。第３実施形態の光電変換装置においては、低ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換のタイミングが第１実施形態及び第２実施形態とは異なっている。これにより、低ゲイン時のノイズを低減することができる。以下では、主に本実施形態における第１実施形態及び第２の実施形態との相違点について説明する。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、本実施形態に係る光電変換装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。図１１（ａ）は高照度用駆動モードによる駆動方法を示しており、図１１（ｂ）は低照度用駆動モードによる駆動方法を示している。第１実施形態の図４（ａ）及び図４（ｂ）と同様の動作については適宜説明を省略しつつ、本実施形態の駆動方法を説明する。まず、図１１（ａ）を参照しつつ、高照度用駆動モードについて説明する。本実施形態では、低ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換が低ゲイン時の混合信号のＡＤ変換の後に行われる。
時刻ｔ４３において、制御信号φＣＡＤＤ２がローレベルになり、容量付加トランジスタＭ６がオフになる。これにより、高ゲインの状態となり、高ゲイン時のリセット信号が出力線１２に出力される。
時刻ｔ４４において、制御信号φＣＯＭＰＬ＿ＲＳＴ、φＣＯＭＰＨ＿ＲＳＴがハイレベルになる。これにより、比較器３１Ｌ、３１Ｈがリセットされる。その後、図４（ａ）と同様に、高ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換、高ゲイン時の焦点検出信号のＡＤ変換、高ゲイン時の混合信号のＡＤ変換及び低ゲイン時の混合信号のＡＤ変換が順に行われる。低ゲイン時の混合信号のＡＤ変換結果のデジタル信号は、メモリ部３２Ｌに保持される。
時刻ｔ５６において、制御信号φＲＥＳがハイレベルになり、リセットトランジスタＭ２がオンになる。これにより、フローティングディフュージョンＦＤの電位がリセットされ、低ゲイン時のリセット信号が出力線１２に出力される。
時刻ｔ５７から時刻ｔ５８の間の期間において、低ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換が行われる。低ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換が終了すると、ＡＤ変換結果のデジタル信号が、メモリ部３２Ｌに保持されている低ゲイン時の混合信号と共に信号処理回路２７に順次転送される。
本実施形態では、低ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換が、混合信号のＡＤ変換及びフローティングディフュージョンＦＤのリセットの後に行われる。そのため、混合信号のＡＤ変換時におけるノイズ電荷とリセット信号のＡＤ変換時におけるノイズ電荷とが互いに異なる。しかしながら、光量が大きい場合に用いられる低ゲイン時の信号混合においては、光子の入射のバラツキに起因する光ショットノイズが支配的になるため、当該ノイズ電荷の相違による影響は目立たない。一方、本実施形態では低ゲイン時の混合信号のＡＤ変換の後にすぐにリセット信号のＡＤ変換を行うことができるため、混合信号とリセット信号のＡＤ変換の時間差により発生するノイズをより効果的に低減できる。このような時間差により発生するノイズの例としては、電源ノイズに起因して画像に横縞として現れるノイズ、及びフローティングディフュージョンＦＤ及び付加容量の拡散層内の欠陥に起因して時間に応じて増加するノイズが挙げられる。
図１１（ｂ）に示されている低照度用駆動モードについても、図１１（ａ）と同様に低ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換が、混合信号のＡＤ変換及びフローティングディフュージョンＦＤのリセットの後に行われている。したがって、高照度用駆動モードと同様に、ＡＤ変換の時間差により発生するノイズを低減する効果が得られる。
本実施形態においては、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、焦点検出用の信号を出力可能な画素を有し、かつ、より好適にダイナミックレンジを拡大し得る光電変換装置が提供される。また、上述のようなＡＤ変換の時間差により発生するノイズがより低減される。
［第４実施形態］
図１２から図１４を参照しつつ、第４実施形態に係る光電変換装置について説明する。第４実施形態の光電変換装置は、第１乃至第３実施形態の画素１１の回路構成の変形例である。
まず、図１２及び図１３を参照しつつ、本実施形態の画素１１の構成を説明する。図１１は、本実施形態に係る画素１１の構成を示す回路図である。図１２は、本実施形態に係る単位画素のレイアウトを示す平面模式図である。本実施形態の画素１１は、光電変換部ＰＤＡと光電変換部ＰＤＢの各々に対して、それぞれ独立の読み出し回路を有している。光電変換部ＰＤＡに対応する構成要素には、符号の末尾に「Ａ」が付されている。光電変換部ＰＤＡに対応する構成要素は、同様に、光電変換部ＰＤＢに対応する構成要素には、符号の末尾に「Ｂ」が付されている。すなわち、画素１１は、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢ、転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂ、リセットトランジスタＭ２Ａ、Ｍ２Ｂ、増幅トランジスタＭ３Ａ、Ｍ３Ｂ、選択トランジスタＭ４Ａ、Ｍ４Ｂ及び容量付加トランジスタＭ５Ａ、Ｍ５Ｂを有している。
転送トランジスタＭ１Ａのドレイン、容量付加トランジスタＭ５Ａ（第１トランジスタ）のソース及び増幅トランジスタＭ３Ａのゲートが接続されるノードは、フローティングディフュージョンＦＤＡである。光電変換部ＰＤＡにおいて蓄積された電荷は、フローティングディフュージョンＦＤＡ（第１フローティングディフュージョン）に転送される。光電変換部ＰＤＡに対応する信号は出力線１２Ａに出力される。
転送トランジスタＭ１Ｂのドレイン、容量付加トランジスタＭ５Ｂ（第２トランジスタ）のソース及び増幅トランジスタＭ３Ｂのゲートが接続されるノードは、フローティングディフュージョンＦＤＢである。光電変換部ＰＤＢにおいて蓄積された電荷は、フローティングディフュージョンＦＤＢ（第２フローティングディフュージョン）に転送される。光電変換部ＰＤＢに対応する信号は、出力線１２Ａとは異なる出力線１２Ｂに出力される。
また、本実施形態においては、図２における容量付加トランジスタＭ６に相当するトランジスタが配されていない。したがって、本実施形態では、フローティングディフュージョンＦＤにおける容量を２段階に変更可能である。容量付加トランジスタＭ６が配されていない点及び２つの読み出し回路が独立に配されている点を除き、回路構成は図２に示されているものと概ね同様であるため、回路構成の詳細な説明は省略する。
転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂのゲートには、共通の制御信号φＴＸが入力される。リセットトランジスタＭ２Ａ、Ｍ２Ｂのゲートには、共通の制御信号φＲＥＳが入力される。選択トランジスタＭ４Ａ、Ｍ４Ｂのゲートには、共通の制御信号φＳＥＬが入力される。容量付加トランジスタＭ５Ａ、Ｍ５Ｂのゲートには、共通の制御信号φＣＡＤＤ１が入力される。
なお、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢの各々に対し読み出し回路が配されているため、１つの画素１１に対して、２本の出力線１２Ａ、１２Ｂが配されている。出力線１２Ａに低ゲイン用の比較器３１Ｌと高ゲイン用の比較器３１Ｈの２つが接続される。同様に、出力線１２Ｂにもこれらとは別の２つの比較器３１Ｌ、３１Ｈが接続される。すなわち、一列の画素１１当たりのＡＤ変換部３０の回路規模は２倍になる。
本実施形態においては、光電変換部ＰＤＡに蓄積された電荷と光電変換部ＰＤＢに蓄積された電荷はそれぞれ独立して読み出される。したがって、画素１１内でこれらの電荷を混合する処理は行われない。そこで、信号処理回路２７は、光電変換部ＰＤＡの信号のＡＤ変換結果のデジタル信号と光電変換部ＰＤＢの信号のＡＤ変換結果のデジタル信号とを加算することにより、混合信号に相当する画像生成用のデジタル信号を算出する。
図１３は、平面視における光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢ、フローティングディフュージョンＦＤＡ、ＦＤＢ、各トランジスタ及びマイクロレンズＭＬの配置を模式的に示している。図３と同様に光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢは、単一のマイクロレンズＭＬに対応して配されている。図１３に示されているように、光電変換部ＰＤＡに対応する読み出し回路と、光電変換部ＰＤＡに対応する読み出し回路とは、２つの読み出し回路の特性差を低減する観点から、線対称に配されていることが望ましい。
次に、図１４を参照しつつ本実施形態に係る光電変換装置の動作について、第１実施形態の図４（ａ）及び図４（ｂ）と同様の動作については適宜説明を省略しつつ説明する。図１４は、本実施形態に係る光電変換装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。本実施形態の光電変換素子は、第１乃至第３実施形態とは異なり、高照度用駆動モード及び低照度用駆動モードの区別はなく共通の動作が行われる。図１４では光電変換部ＰＤＢよりも光電変換部ＰＤＡにより多くの光が入射する例を示している。図１４における「Ｓ＿ＰＤＡ」及び「Ｓ＿ＰＤＢ」の符号が付された破線は、それぞれ、出力線１２Ａ及び出力線１２Ｂの電位を示している。
時刻ｔ８１において、制御信号φＳＥＬがハイレベルになる。これにより、対応する行の選択トランジスタＭ４Ａ、Ｍ４Ｂがオンになり、第１行の画素１１からの信号の読み出しが開始される。また、時刻ｔ８１において、制御信号φＣＡＤＤ１がハイレベルになり、容量付加トランジスタＭ５Ａ、Ｍ５Ｂがオンになる。これにより、フローティングディフュージョンＦＤＡ、ＦＤＢにそれぞれ容量Ｃ１Ａ、Ｃ１Ｂが接続され、低ゲインの状態になる。
時刻ｔ８２において、制御信号φＲＥＳがハイレベルになり、リセットトランジスタＭ２Ａ、Ｍ２Ｂがオンになる。これにより、フローティングディフュージョンＦＤＡ、ＦＤＢの電位がリセットされる。
時刻ｔ８３において、制御信号φＣＯＭＰＬ＿ＲＳＴがハイレベルになる。これにより、低ゲイン用の比較器３１Ｌがリセットされる。その後、時刻ｔ８４から時刻ｔ８５の期間において、低ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換が行われる。
時刻ｔ８６において、制御信号φＣＡＤＤ１がローレベルになり、容量付加トランジスタＭ５Ａ、Ｍ５Ｂがオフになる。これにより、フローティングディフュージョンＦＤＡ、ＦＤＢへの容量Ｃ１Ａ、Ｃ１Ｂの接続が解除され、高ゲインの状態になる。
時刻ｔ８７において、制御信号φＣＯＭＰＨ＿ＲＳＴがハイレベルになる。これにより、高ゲイン用の比較器３１Ｈがリセットされる。その後、時刻ｔ８８から時刻ｔ８９の期間において、高ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換が行われる。
時刻ｔ９０において、制御信号φＴＸがハイレベルになり、転送トランジスタＭ１Ａ、Ｍ１Ｂがオンになる。これにより、光電変換部ＰＤＡ、ＰＤＢにおいて光電変換により蓄積されていた電荷が、フローティングディフュージョンＦＤＡ、ＦＤＢにそれぞれ転送される。
時刻ｔ９１から時刻ｔ９２の期間において、高ゲイン時の焦点検出信号のＡＤ変換が行われる。高ゲイン時の焦点検出信号のＡＤ変換結果のデジタル信号は、高ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換結果のデジタル信号と共に信号処理回路２７に転送され、減算処理が行われる。そして、信号処理回路２７は、光電変換部ＰＤＡに基づく減算処理後の焦点検出信号と光電変換部ＰＤＢに基づく減算処理後の焦点検出信号とを加算することにより、高ゲイン時の混合信号に相当するデジタル信号を算出する。
時刻ｔ９３において、制御信号φＣＡＤＤ１がハイレベルになり、容量付加トランジスタＭ５Ａ、Ｍ５Ｂがオンになる。これにより、フローティングディフュージョンＦＤＡ、ＦＤＢにそれぞれ容量Ｃ１Ａ、Ｃ１Ｂが接続され、低ゲインの状態になる。
時刻ｔ９４から時刻ｔ９５の期間において、低ゲイン時の焦点検出信号のＡＤ変換が行われる。低ゲイン時の焦点検出信号のＡＤ変換結果のデジタル信号は、低ゲイン時のリセット信号のＡＤ変換結果のデジタル信号と共に信号処理回路２７に転送され、減算処理が行われる。そして、信号処理回路２７は、光電変換部ＰＤＡに基づく減算処理後の焦点検出信号と光電変換部ＰＤＢに基づく減算処理後の焦点検出信号とを加算することにより、低ゲイン時の混合信号に相当するデジタル信号を算出する。
時刻ｔ９６において、制御信号φＳＥＬ、φＣＡＤＤ１がローレベルになり、選択トランジスタＭ４Ａ、Ｍ４Ｂ及び容量付加トランジスタＭ５Ａ、Ｍ５Ｂがオフになる。これにより、第１行の画素１１の読み出しが終了する。その後第２行の読み出しの期間が開始するが、その動作は第１行と概ね同様であるため説明を省略する。
本実施形態の光電変換装置においては、光電変換部ＰＤＡと光電変換部ＰＤＢの各々から独立に、低ゲイン時の焦点検出信号及び高ゲイン時の焦点検出信号を読み出すことができる。また、これらの信号を加算することにより低ゲイン時の混合信号及び高ゲイン時の混合信号を算出することもができる。したがって、本実施形態では、第１乃至第３の実施形態とは異なり、低ゲイン時の焦点検出信号も読み出すことができるため、焦点検出信号が適切に取得可能な光量範囲を拡大することができる。より具体的には、光電変換部ＰＤＡ及び光電変換部ＰＤＢに蓄積可能な電荷量を越えない限り、混合信号のＡＤ変換範囲と同範囲まで焦点検出信号を取得することが可能である。
光電変換部ＰＤＡと光電変換部ＰＤＢの各々から信号を独立に読み出しているため、混合信号を算出する際に各々の光電変換部におけるノイズが重畳され得る。しかしながら、本実施形態ではフローティングディフュージョンＦＤに接続される転送トランジスタの数が低減されているため容量Ｃｆｄをより小さくすることができる。これにより、画素１１におけるゲインをより高くすることができるため、フローティングディフュージョンＦＤの切り替えによるダイナミックレンジの拡大をより効果的に行うことができる。
以上のように、本実施形態においても、焦点検出用の信号を出力可能な画素を有し、かつ、より好適にダイナミックレンジを拡大し得る光電変換装置が提供される。
［第５実施形態］
上述の実施形態における光電変換装置は種々の機器に適用可能である。機器として、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、カメラヘッド、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星、監視カメラ等があげられる。図１５に、機器の例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。
図１５に示す機器７０は、バリア７０６、レンズ７０２、絞り７０４、撮像装置７００（光電変換装置の一例）を含む。また、機器７０は、更に、信号処理部（処理装置）７０８、タイミング発生部７２０、全体制御・演算部７１８（制御装置）、メモリ部７１０（記憶装置）、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部７１６、記録媒体７１４、外部Ｉ／Ｆ部７１２を含む。バリア７０６、レンズ７０２、絞り７０４の少なくとも１つは、機器に対応する光学装置である。バリア７０６はレンズ７０２を保護し、レンズ７０２は被写体の光学像を撮像装置７００に結像させる。絞り７０４はレンズ７０２を通った光量を可変にする。撮像装置７００は上述の実施形態のように構成され、レンズ７０２により結像された光学像を画像データ（画像信号）に変換する。信号処理部７０８は撮像装置７００より出力された撮像データに対し各種の補正、データ圧縮等を行う。タイミング発生部７２０は撮像装置７００及び信号処理部７０８に、各種タイミング信号を出力する。全体制御・演算部７１８はデジタルスチルカメラ全体を制御し、メモリ部７１０は画像データを一時的に記憶する。記録媒体制御Ｉ／Ｆ部７１６は記録媒体７１４に画像データの記録又は読み出しを行うためのインターフェースであり、記録媒体７１４は撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。外部Ｉ／Ｆ部７１２は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェースである。タイミング信号等は機器の外部から入力されてもよい。また、更に機器７０は光電変換装置で得られた情報を表示する表示装置（モニター、電子ビューファインダ等）を備えてもよい。機器は少なくとも光電変換装置を備える。更に、機器７０は、光学装置、制御装置、処理装置、表示装置、記憶装置、及び光電変換装置で得られた情報に基づいて動作する機械装置の少なくともいずれかを備える。機械装置は、光電変換装置の信号を受けて動作する可動部（たとえばロボットアーム）である。
それぞれの画素が、複数の光電変換部（第１の光電変換部と、第２の光電変換部）を含んでもよい。信号処理部７０８は、第１の光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号と、第２の光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号とを処理し、撮像装置７００から被写体までの距離情報を取得するように構成されてもよい。
［第６実施形態］
図１６（ａ）、図１６（ｂ）は、本実施形態における車載カメラに関する機器のブロック図である。機器８０は、上述した実施形態の撮像装置８００（光電変換装置の一例）と、撮像装置８００からの信号を処理する信号処理装置（処理装置）を有する。機器８０は、撮像装置８００により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部８０１と、機器８０より取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差算出部８０２を有する。また、機器８０は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離計測部８０３と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部８０４とを有する。ここで、視差算出部８０２、距離計測部８０３は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部８０４はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
機器８０は車両情報取得装置８１０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、機器８０には、衝突判定部８０４での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ８２０が接続されている。また、機器８０は、衝突判定部８０４での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置８３０とも接続されている。例えば、衝突判定部８０４の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ８２０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置８３０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステム等の画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。機器８０は上述のように車両を制御する動作の制御を行う制御手段として機能する。
本実施形態では車両の周囲、例えば前方又は後方を機器８０で撮像する。図１６（ｂ）は、車両前方（撮像範囲８５０）を撮像する場合の機器を示している。撮像制御手段としての車両情報取得装置８１０が、撮像動作を行うように機器８０又は撮像装置８００に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。
上述では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御等にも適用可能である。更に、機器は、自動車等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機、人工衛星、産業用ロボット及び民生用ロボット等の移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）、監視システム等、広く物体認識又は生体認識を利用する機器に適用することができる。
［変形実施形態］
本発明は、上述の実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
本明細書の開示内容は、本明細書に記載した概念の補集合を含んでいる。すなわち、本明細書に例えば「ＡはＢである」旨（Ａ＝Ｂ）の記載があれば、「ＡはＢではない」旨（Ａ≠Ｂ）の記載を省略しても、本明細書は「ＡはＢではない」旨を開示又は示唆しているものとする。なぜなら、「ＡはＢである」旨を記載している場合には、「ＡはＢではない」場合を考慮していることが前提だからである。
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
なお、上述の実施形態は、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。
ＦＤ フローティングディフュージョン
Ｍ５、Ｍ６ 容量付加トランジスタ
ＭＬ マイクロレンズ
ＰＤＡ、ＰＤＢ 光電変換部

Claims (19)

  1. 第１光電変換部と、
    第２光電変換部と、
    前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部に入射光を導くマイクロレンズと、
    前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部のうちの少なくとも１つに蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
    オンになることにより前記フローティングディフュージョンのノードに容量を付加するトランジスタと、
    を含む複数の画素と、
    前記複数の画素から信号が読み出される信号線とを有し、
    前記複数の画素のうちの一部の画素から前記信号線に信号を読み出す第１期間の後の第２期間に、前記複数の画素のうちの別の一部の画素から前記信号線に信号が読み出され、
    前記第１期間において、
    前記トランジスタがオフの状態である第１変換ゲインにより、前記フローティングディフュージョンに転送された電荷に基づく信号が読み出される第１読み出しと、
    前記トランジスタがオンの状態である第２変換ゲインにより、前記フローティングディフュージョンに転送された電荷に基づく信号が読み出される第２読み出しと、が行われる
    ことを特徴とする光電変換装置。
  2. 前記複数の画素の各々は、前記フローティングディフュージョンが制御ノードに接続された増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタに接続された選択トランジスタとを有し、
    前記第１期間は、前記選択トランジスタがオフからオンに変化してから、オンからオフに変化するまでの期間である
    ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
  3. 前記複数の画素が複数行に渡って配されており、
    前記一部の画素が、前記複数行のうちの１行に配された画素である
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
  4. 前記複数の画素が複数行に渡って配されており、
    前記一部の画素が、前記複数行のうちの２つ以上の行に配された画素である
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
  5. 第１光電変換部と、
    第２光電変換部と、
    前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部に入射光を導くマイクロレンズと、
    前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部のうちの少なくとも１つに蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
    オンになることにより前記フローティングディフュージョンのノードに容量を付加するトランジスタと、
    を有し、
    前記フローティングディフュージョンのリセットが解除されてから、次に前記フローティングディフュージョンのリセットが行われるまでの期間において、
    前記トランジスタがオフの状態である第１変換ゲインにより、前記フローティングディフュージョンに転送された電荷に基づく信号が読み出される第１読み出しと、
    前記トランジスタがオンの状態である第２変換ゲインにより、前記フローティングディフュージョンに転送された電荷に基づく信号が読み出される第２読み出しと、が行われる
    ことを特徴とする光電変換装置。
  6. 前記フローティングディフュージョンに転送された同一の電荷に対して、前記第１読み出しが行われた後に前記第２読み出しが行われる
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  7. 前記第１光電変換部に蓄積された電荷に基づく前記第１読み出しと、
    前記第１光電変換部に蓄積された電荷及び前記第２光電変換部に蓄積された電荷に基づく前記第１読み出しと、
    前記第１光電変換部に蓄積された電荷及び前記第２光電変換部に蓄積された電荷に基づく前記第２読み出しと、がこの順に行われる
    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. 前記第１光電変換部に蓄積された電荷に基づく前記第２読み出しが行われない
    ことを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。
  9. 前記第２変換ゲインに対する前記第１変換ゲインの比が、前記第１光電変換部に蓄積可能な最大の電荷量に対する前記第１光電変換部及び第２の光電変換部に蓄積可能な最大の電荷量の比よりも小さい
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  10. 前記フローティングディフュージョンに転送された電荷に基づいて出力された信号に対してゲインを変更するゲイン変更部を更に有し、
    前記ゲイン変更部は、前記第１読み出しが行われる場合において、前記第２読み出しが行われる場合よりもゲインを低くする
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  11. 前記第２読み出しのための電荷の転送の前に、前記第２変換ゲインにより、前記フローティングディフュージョンのリセット状態に基づく第３読み出しが行われる
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  12. 前記第２読み出しの後に、前記第２変換ゲインにより、前記フローティングディフュージョンのリセット状態に基づく第３読み出しが行われる
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  13. 前記第１光電変換部から電荷が転送される第１フローティングディフュージョンと、前記第２光電変換部から電荷が転送される第２フローティングディフュージョンとを含む複数の前記フローティングディフュージョンと、
    オンになることにより前記第１フローティングディフュージョンのノードに容量を付加する第１トランジスタと、オンになることにより前記第２フローティングディフュージョンのノードに容量を付加する第２トランジスタとを含む複数の前記トランジスタと、
    を有する
    ことを特徴とする請求項１又は５に記載の光電変換装置。
  14. 前記第１光電変換部に蓄積された電荷に基づく前記第１読み出しと、
    前記第２光電変換部に蓄積された電荷に基づく前記第１読み出しと、
    前記第１光電変換部に蓄積された電荷に基づく前記第２読み出しと、
    前記第２光電変換部に蓄積された電荷に基づく前記第２読み出しと、が行われる
    ことを特徴とする請求項１３に記載の光電変換装置。
  15. 前記光電変換装置は、第１モード及び第２モードで動作可能であり、
    前記第１変換ゲイン及び前記第２変換ゲインの少なくとも一方が、前記第１モードと前記第２モードとの間で互いに異なる
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  16. 前記第１モードは、高照度用駆動モードであり、
    前記第２モードは、前記第１モードの場合よりも入射光量が少ない場合に用いられる低照度用駆動モードであり、
    前記第１変換ゲイン及び前記第２変換ゲインの少なくとも一方が、前記第１モードの場合に比して前記第２モードの場合の方が高く設定されている
    ことを特徴とする請求項１５に記載の光電変換装置。
  17. 前記第１変換ゲインは、前記第２変換ゲインよりも高い
    ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置に対応した光学装置、
    前記光電変換装置を制御する制御装置、
    前記光電変換装置から出力された信号を処理する処理装置、
    前記光電変換装置で得られた情報を表示する表示装置、
    前記光電変換装置で得られた情報を記憶する記憶装置、及び
    前記光電変換装置で得られた情報に基づいて動作する機械装置、の少なくともいずれかと、を備えることを特徴とする機器。
  19. 前記処理装置は、複数の光電変換部にて生成された画像信号をそれぞれ処理し、前記光電変換装置から被写体までの距離情報を取得する
    ことを特徴とする請求項１８に記載の機器。
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