JP6177060B2 - 光電変換装置、撮像システム、および光電変換装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置、撮像システム、および光電変換装置の駆動方法に関する。

特許文献１には、２個のフォトダイオードに対して共通に設けられた増幅用ＭＯＳトランジスタ含む画素単位が複数設けられることが記載されている。特許文献１には、さらに、各画素単位に含まれる２個のフォトダイオードが、共通の増幅ＭＯＳトランジスタに接続されることが記載されている。

特許文献１では、画素単位に含まれる２個のフォトダイオードのうちの１個のフォトダイオードによって生成された電荷を増幅ＭＯＳトランジスタのゲートノードに転送して、信号を画素単位から読み出す。その後、もう一方のフォトダイオードによって生成された電荷を増幅ＭＯＳトランジスタのゲートノードに転送することで、２個のフォトダイオードによって生成された電荷の総量に対応する信号が画素単位から読み出される。

一方、画素が行列状に設けられた画素アレイの各列に対応してＡＤ変換器を設ける技術が知られている。ＡＤ変換器の一例として、時間に対して単調に変化する参照信号と、アナログ信号とを比較することにより、デジタル信号を得ることが知られている。

特開２００４−１３４８６７号公報

仮に、特許文献１に記載された撮像装置において、各垂直信号線にＡＤ変換器を設けるとすると、２個のフォトダイオードに基づく信号をＡＤ変換する際に必要な時間は、１個のフォトダイオードに基づく信号をＡＤ変換する際に必要な時間の２倍程度になる。このため、単純にＡＤ変換回路を画素アレイの各列に設けるだけでは、センサの動作を高速化することが困難である。

本発明は、センサの動作を高速化することを目的とする。

本発明の一の側面である光電変換装置は、複数の単位セルが行列状に設けられたセルアレイと、各々が、前記セルアレイの各列に対応して設けられた複数のクランプ部と、各々が、各前記複数のクランプ部から出力された信号をデジタル信号に変換する複数のＡＤ変換部と、を備え、前記複数の単位セルの各々は、第１の光電変換部と、第２の光電変換部と、前記第１および第２の光電変換部で生じた信号を増幅するセル増幅部と、を有し、前記複数のＡＤ変換部の各々は、前記クランプ部から出力された、前記第１の光電変換部で生じた信号に基づく第１のアナログ信号を前記ＡＤ変換部によってＡＤ変換した後に、前記第１のアナログ信号を基準レベルにクランプした状態で、前記第１および第２の光電変換部に基づく信号を前記クランプ部に与えることで前記クランプ部から出力された、第２のアナログ信号を前記ＡＤ変換部によってＡＤ変換することを特徴とする。

本発明の別の側面である光電変換装置の駆動方法は、複数の単位セルが行列状に設けられたセルアレイと、各々が、前記セルアレイの各列に対応して設けられた複数のクランプ部と、を備え、前記複数の単位セルの各々は、第１の光電変換部と、第２の光電変換部と、前記第１および第２の光電変換部で生じた信号を増幅するセル増幅部と、を有する光電変換装置の駆動方法であって、前記クランプ部から出力された、前記第１の光電変換部で生じた信号に基づく第１のアナログ信号を、時間に対して変化する参照信号と比較することによりＡＤ変換し、その後、前記第１のアナログ信号を基準レベルにクランプした状態で、前記第１および第２の光電変換部で生じた信号に基づく信号を前記クランプ部に与えることで、前記クランプ部から出力された、第２のアナログ信号を、ＡＤ変換することを特徴とする。

本発明によれば、光電変換装置の動作を高速化することができる。

撮像システムの構成例を示す図である。 光電変換装置の構成例を示す図である。 単位セルの構成例を示す図である。 光電変換装置のうちの一部の等価回路図である。 実施例に係る動作例を示す図である。 光電変換装置のうちの一部の等価回路図である。 単位セルの平面レイアウト図および断面図である。 光電変換装置の構成例を示す図である。 実施例に係る動作例を示す図である。

（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例に係る撮像システムの構成例を示す図である。撮像システム８００は、例えば、光学部８１０、光電変換装置１００、映像信号処理部８３０、記録・通信部８４０、タイミング制御部８５０、システムコントロール部８６０、及び再生・表示部８７０を含む。撮像装置８２０は、光電変換装置１００及び映像信号処理部８３０を有する。

レンズ等の光学系である光学部８１０は、被写体からの光を光電変換装置１００の、複数の画素が２次元状に配列された画素部１０に結像させ、被写体の像を形成する。光電変換装置１００は、タイミング制御部８５０からの信号に基づくタイミングで、画素部１０に結像された光に応じた信号を出力する。光電変換装置１００から出力された信号は、映像信号処理部である映像信号処理部８３０に入力され、映像信号処理部８３０が、プログラム等によって定められた方法に従って信号処理を行う。映像信号処理部８３０での処理によって得られた信号は画像データとして記録・通信部８４０に送られる。記録・通信部８４０は、画像を形成するための信号を再生・表示部８７０に送り、再生・表示部８７０に動画や静止画像を再生・表示させる。記録・通信部８４０は、また、映像信号処理部８３０からの信号を受けて、システムコントロール部８６０と通信を行うほか、不図示の記録媒体に、画像を形成するための信号を記録する動作も行う。

システムコントロール部８６０は、撮像システムの動作を統括的に制御するものであり、光学部８１０、タイミング制御部８５０、記録・通信部８４０、及び再生・表示部８７０の駆動を制御する。また、システムコントロール部８６０は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、ここに撮像システムの動作を制御するのに必要なプログラム等が記録される。また、システムコントロール部８６０は、例えばユーザの操作に応じて駆動モードを切り替える信号を撮像システム内に供給する。具体的な例としては、読み出す行やリセットする行の変更、電子ズームに伴う画角の変更や、電子防振に伴う画角のずらし等である。タイミング制御部８５０は、システムコントロール部８６０による制御に基づいて光電変換装置１００及び映像信号処理部８３０の駆動タイミングを制御する。

図２は、本実施例に係る光電変換装置１００の構成例を示すブロック図である。

光電変換装置１００は、セルアレイ１０、垂直走査部１１、タイミング生成部１２、読み出し部１３、参照信号生成部１４、クロック生成部１５、および水平走査部１６を含んで構成される。なお、クロック生成部１５は、タイミング生成部１２の一部として構成されてもよい。本実施例において、列比較部１３２、第１の列カウンタ部１３３、および列メモリ部１３４が、列ＡＤ変換部を構成する。

セルアレイ１０は、行列状に配された複数の単位セル１０１を含む。セルアレイ１０の同一列に設けられた単位セル１０１は、対応する信号線ＶＬｎを介して列クランプ部１３１に接続される。ｎは、図２において、左からｎ番目の列であることを意味する。各単位セル１０１は、垂直走査部１１によって、行単位でその動作が制御される。

各列の列クランプ部１３１は、２つの入力ノードを有し、一方の入力ノードは信号線ＶＬｎからの信号を受けるように構成され、他方は、タイミング生成部１２から供給される基準電圧ｖｒｅｆを受けるように構成されている。基準電圧Ｖｒｅｆは、タイミング生成部１２ではなく、不図示の電源から供給するように構成しても良い。列クランプ部１３１の出力ノードは列比較部１３２の一方の入力ノードと接続される。

列比較部１３２の他方の入力ノードは、参照信号生成部１４から供給される参照信号ｒａｍｐを受ける。列比較部１３２の出力ノードは、第１の列カウンタ部１３３のラッチノードに接続される。

第１の列カウンタ部１３３は、列比較部１３２の出力の他に、タイミング生成部からカウンタリセット信号ｃｎｔ＿ｒｓｔを受け、さらに、クロック生成部１５からカウントクロック信号ｃｃｌｋを受ける。列カウンタ１３３は、カウンタリセット信号ｃｎｔ＿ｒｓｔによって、カウント値をリセットする。また、列カウンタ１３３は、カウントクロック信号ｃｃｌｋに応じてカウント動作を行う。カウント動作は、カウント値がインクリメントするカウントアップ動作でも、カウント値がデクリメントするカウントダウン動作でも良く、両者を切り替えられるように、列カウンタ１３３を構成しても良い。第１の列カウンタ部１３３の出力は、列メモリ部１３４に接続される。

列メモリ部１３４は、第１の列カウンタ部１３３の出力の他に、タイミング生成部からカウント値転送信号ｍｅｍ＿ｔｆｒを受ける。列メモリ部は、カウント値転送信号ｍｅｍ＿ｔｆｒに応じて、第１の列カウンタ部１３３から出力されたカウント値を保持する。各列メモリ部１３４に保持されたカウント値は、水平走査部１６によって選択されることで、順次出力線に出力される。

図３は、本実施例に係る単位セル１０１の構成例を示す図である。

単位セル１０１は、フォトダイオード１０２＿１および１０２＿２、転送トランジスタ１０３＿１および１０３＿２、増幅トランジスタ１０４、選択トランジスタ１０５、およびリセットトランジスタを含む。

第１の光電変換部であるフォトダイオード１０２＿１および第２の光電変換部であるフォトダイオード１０２＿２のカソードは、それぞれ対応する転送トランジスタ１０３＿１または１０３＿２を介して増幅トランジスタ１０４のゲートに接続される。セル増幅部である増幅トランジスタ１０４のドレインは電源に接続され、ソースは選択トランジスタ１０５を介して信号線ＶＬｎに接続される。増幅トランジスタ１０４は、選択トランジスタ１０５がオンすると、電流源１０６とともに、ソースフォロワ回路を構成する。転送トランジスタ１０３＿１、１０３＿２、選択トランジスタ１０５およびリセットトランジスタ１０７は、それぞれ信号ｔｘ１、ｔｘ２、ｓｅｌおよびｒｅｓによってオンまたはオフに切り替えられる。

リセットトランジスタ１０７は、増幅トランジスタ１０４のゲートの電位をリセットする。

図４は、本実施例に係る光電変換装置のうちの、１個の単位セル１０１と、対応する列の列クランプ部１３１、列比較部１３２、第１の列カウンタ部１３３、および列メモリ部１３４の等価回路図である。

本実施例において、列クランプ部１３１は、クランプ容量Ｃｉｎ、差動増幅器Ａｍｐ、帰還容量Ｃｆ、およびクランプスイッチｃｌａｍｐを含む。信号線ＶＬｎは、クランプ容量Ｃｉｎを介して差動増幅器Ａｍｐの反転入力ノードと接続される。差動増幅器Ａｍｐの反転入力ノードと出力ノードとは、互いに並列に設けられた帰還容量Ｃｆおよびクランプスイッチｃｌａｍｐを介して接続される。また、差動増幅器Ａｍｐの非反転入力ノードには、基準電圧Ｖｒｅｆが与えられる。本実施例において、列クランプ部１３１は、信号を増幅する機能に加えて、クランプ部としての機能も備える。

図４には、第１の列カウンタ部１３３を構成する単位カウンタのうちの最下位４ビット分の単位カウンタを示している。

同様に、図４には、列メモリ１３４を構成する単位メモリのうちの最下位４ビット分の単位メモリを示している。

図５は、本実施例に係る動作を示すタイミング図である。ここでは、１個の単位セルから信号を読み出す動作を説明する。下記では、各信号がハイレベル（以下、Ｈレベル）になると、対応するトランジスタがオンし、各信号がローレベル（以下、ローレベル）になると、対応するトランジスタがオフするものとして説明を行う。

図５において、「ＦＤ」には、増幅トランジスタ１０４のゲートノード、すなわち浮遊拡散（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ；ＦＤ）部の電位を模式的に記載している。

時刻ｔ０において、信号ｓｅｌがＬレベルからＨレベルに遷移する。これにより、選択トランジスタ１０５がオンし、増幅トランジスタ１０４は、電流源１０６とともにソースフォロワ回路として動作する。

時刻ｔ１に信号ｒｅｓがＬレベルになると、リセットトランジスタ１０７がオフし、これにより、増幅トランジスタ１０４のゲートノードのリセット状態が解除される。増幅トランジスタ１０４のゲートノードのリセット状態が解除されると、ＦＤ部の電位は、リセットトランジスタ１０７をオフすることによって生じるランダムノイズが重畳された電位になる。このときの電位を「リセットレベル」と表記する。

時刻ｔ１から信号ｃｎｔ＿ｒｓｔが一時的にＨレベルになると、第１の列カウンタ部１３３のカウント値が初期値にリセットされる。

時刻ｔ２から、信号ｃｌａｍｐが一時的にＨレベルになると、クランプスイッチｃｌａｍｐがオンする。これにより、帰還容量Ｃｆの両ノードおよび反転増幅器Ａｍｐの反転入力ノードと出力ノードとか短絡される。このときの列クランプ部１３１の出力を「クランプレベル１」と表記する。この状態では、クランプ容量Ｃｉｎの両端には、ＦＤ部のリセットレベルに応じた単位セル１０１の出力と、クランプレベル１との差となる電位差が与えられる。この後、信号ｃｌａｍｐがＬレベルになると、クランプスイッチｃｌａｍｐがオフする。これにより、列クランプ部１３１は、クランプ容量Ｃｉｎと帰還容量Ｃｆの容量値の比で決まるゲインの増幅回路として動作する。両者の容量値は等しいものとして、以下の説明を行う。

時刻ｔ３から、参照信号ｒａｍｐの信号レベルが変化を開始するとともに、第１の列カウンタ部１３３のカウント動作が開始する。参照信号ｒａｍｐは、時間の経過とともに単調に変化するものであれば、スロープ状に変化してもステップ状に変化しても良い。この期間において、第１の列カウンタ部１３３は、カウント値がデクリメントするカウントダウン動作を行う。

この後、参照信号ｒａｍｐがクランプレベル１を上回ったことを受けて、列比較部１３２の出力が切り替わる。これにより、時刻ｔ４に第１の列カウンタ部１３３のカウント動作が停止する。時刻ｔ４に第１の列カウンタ部１３３が保持するカウント値は、クランプレベル１をＡＤ変換したデジタル値である。

時刻ｔ５に、参照信号ｒａｍｐの時間に対する変化が終了し、初期値に戻る。

時刻ｔ５に、信号ｔｘ１がＨレベルになると、転送トランジスタ１０３＿１がオンする。これにより、フォトダイオード１０２＿１に蓄積された電荷がＦＤ部に転送される。

時刻ｔ６に、信号ｔｘ１がＬレベルになると、転送トランジスタがオフする。これにより、フォトダイオード１０２＿１からＦＤ部への電荷の転送が終了する。これにより、ＦＤ部の電位は、リセットレベルに対して、フォトダイオード１０２＿１から転送された電荷量による変動分が重畳された電位となる。この変動分を「Ａ信号レベル」と表記する。つまり、ＦＤ部の電位は、時刻ｔ６から「リセットレベル＋Ａ信号レベル」となる。これに伴って、列クランプ部１３１の出力は、「クランプレベル１＋Ａ信号レベル」となる。

「クランプレベル１＋Ａ信号レベル」を第１のアナログ信号として、時刻ｔ７からＡＤ変換動作を行う。時刻ｔ７から、参照信号ｒａｍｐの信号レベルが変化を開始するとともに、第１の列カウンタ部１３３のカウント動作が開始する。時刻ｔ３〜ｔ５とは異なり、時刻ｔ８から始まる期間において、第１の列カウンタ部１３３は、カウント値がインクリメントするカウントアップ動作を行う。

この後、参照信号ｒａｍｐがクランプレベル１＋Ａ信号を上回ったことを受けて、列比較部１３２の出力が切り替わる。これにより、時刻ｔ８に第１の列カウンタ部１３３のカウント動作が停止する。時刻ｔ８に第１の列カウンタ部１３３が保持するカウント値は、カウンタ初期値に対してＡ信号のみをＡＤ変換したデジタル値である。これは、第１の列カウンタ部１３３が、カウントダウン動作の後に時刻ｔ４に保持したクランプレベル１を基準に、時刻ｔ７からカウントアップ動作を行ったため、クランプレベル１に相当するデジタル値が相殺されるためである。

時刻ｔ９に、参照信号ｒａｍｐの時間に対する変化が終了し、初期値に戻る。

時刻ｔ９に、信号ｍｅｍ＿ｔｆｒがＨレベルになると、この時点で第１の列カウンタ部１３３が保持しているカウント値が列メモリ部１３４に書き込まれる。

時刻ｔ１０に信号ｍｅｍ＿ｔｆｒがＬレベルになると、列メモリ部１３４は、書き込まれたカウント値を保持する。

時刻ｔ１０から信号ｈｓｔが一時的にＨレベルになると、水平走査部１６による列メモリ部１３４の走査が開始する（「Ａデータ転送水平転送」の動作）。

時刻ｔ１０から、信号ｃｌａｍｐが一時的にＨレベルになると、クランプスイッチｃｌａｍｐがオンする。これにより、帰還容量Ｃｆの両ノードおよび反転増幅器Ａｍｐの反転入力ノードと出力ノードとか短絡される。このときの列クランプ部１３１の出力を「クランプレベル２」と表記する。この状態では、クランプ容量Ｃｉｎの両端には、「ＦＤ部のリセットレベル＋Ａ信号レベル」に応じた単位セル１０１の出力と、クランプレベル２との差となる電位差が与えられる。この後、信号ｃｌａｍｐがＬレベルになると、クランプスイッチｃｌａｍｐがオフする。これにより、列クランプ部１３１は、クランプ容量Ｃｉｎと帰還容量Ｃｆの容量値の比で決まるゲインの増幅回路として動作する。

時刻ｔ１１から、参照信号ｒａｍｐの信号レベルが変化を開始するとともに、第１の列カウンタ部１３３のカウント動作が開始する。この期間において、第１の列カウンタ部１３３は、カウント値がデクリメントするカウントダウン動作を行う。時刻ｔ１１からのカウント動作は、時刻ｔ８に保持されたＡ信号を基準に行われる。

この後、参照信号ｒａｍｐがクランプレベル２を上回ったことを受けて、列比較部１３２の出力が切り替わる。これにより、時刻ｔ１２に第１の列カウンタ部１３３のカウント動作が停止する。時刻ｔ１２に第１の列カウンタ部１３３が保持するカウント値は、Ａ信号からクランプレベル２を減じた信号をＡＤ変換したことに相当するデジタル値である。

時刻ｔ１３に、参照信号ｒａｍｐの時間に対する変化が終了し、初期値に戻る。

時刻ｔ１３に、信号ｔｘ２がＨレベルになると、転送トランジスタ１０３＿２がオンする。これにより、フォトダイオード１０２＿２に蓄積された電荷がＦＤ部に転送される。

時刻ｔ１４に、信号ｔｘ２がＬレベルになると、転送トランジスタがオフする。これにより、フォトダイオード１０２＿２からＦＤ部への電荷の転送が終了する。これにより、ＦＤ部の電位は、「リセットレベル＋Ａ信号レベル」に対して、フォトダイオード１０２＿２から転送された電荷量による変動分が重畳された電位となる。この変動分を「Ｂ信号レベル」と表記する。つまり、ＦＤ部の電位は、時刻ｔ１４から「リセットレベル＋Ａ信号レベル＋Ｂ信号レベル」となる。一方、列クランプ部１３１は、時刻ｔ１０の動作によって「リセットレベル＋Ａ信号レベル」を基準レベルである「クランプレベル２」にクランプしているため、列クランプ部１３１の出力は、「クランプレベル２＋Ｂ信号レベル」となる。

「クランプレベル２＋Ｂ信号レベル」を第２のアナログ信号として、時刻ｔ１５からＡＤ変換動作を行う。時刻ｔ１５から、参照信号ｒａｍｐの信号レベルが変化を開始するとともに、第１の列カウンタ部１３３のカウント動作が開始する。時刻ｔ１１〜ｔ１３とは異なり、時刻ｔ１５から始まる期間において、第１の列カウンタ部１３３は、カウント値がインクリメントするカウントアップ動作を行う。

この後、参照信号ｒａｍｐが「クランプレベル２＋Ｂ信号」を上回ったことを受けて、列比較部１３２の出力が切り替わる。これにより、時刻ｔ１６に第１の列カウンタ部１３３のカウント動作が停止する。時刻ｔ１６に第１の列カウンタ部１３３が保持するカウント値は、Ａ信号とＢ信号とを加算した信号をＡＤ変換したデジタル値である。これは、第１の列カウンタ部１３３が、カウントダウン動作の後に時刻ｔ１２に保持したクランプレベル２を基準に、時刻ｔ１５からカウントアップ動作を行ったため、クランプレベル２に相当するデジタル値が相殺されるためである。

時刻ｔ１７に、参照信号ｒａｍｐの時間に対する変化が終了し、初期値に戻る。

時刻ｔ１７に、信号ｍｅｍ＿ｔｆｒがＨレベルになると、この時点で第１の列カウンタ部１３３が保持しているカウント値が列メモリ部１３４に書き込まれる。

時刻ｔ１８に信号ｍｅｍ＿ｔｆｒがＬレベルになると、列メモリ部１３４は、書き込まれたカウント値を保持する。

時刻ｔ１８から信号ｈｓｔが一時的にＨレベルになると、水平走査部１６による列メモリ部１３４の走査が開始する（「Ａ＋Ｂデータ転送水平転送」の動作）。

時刻ｔ１８に、信号ｃｎｔ＿ｒｓｔがＨレベルになると、第１の列カウンタ部１３３のカウント値がリセットされる。

以上で、セルアレイ１０の１行の単位セルからの信号を得る動作が完了する。「Ｂ信号レベル」のみを得たい場合には、「Ａ＋Ｂデータ水平転送」の動作によって光電変換装置から出力されるデータと、「Ａデータ水平転送」の動作によって光電変換装置から出力されるデータとの差分処理を、例えば映像信号処理部で行えばよい。

以上の動作を、より簡潔に説明すると、以下のように言える。まず、単位セルに含まれる２個のフォトダイオードのうちの一方のフォトダイオードに基づく信号をＡＤ変換した後に、一方のフォトダイオードに基づく信号を基準レベルにクランプした状態で、両方のフォトダイオードに基づく信号をクランプ部に与える。そして、これによりクランプ部から出力された信号をＡＤ変換する。

本実施例によれば、「リセットレベル＋Ａ信号レベル」をクランプした後に、そこにＢ信号レベルを重畳させ、「Ｂ信号レベル」に相当する信号のみをＡＤ変換することで、ＡＤ変換に要する期間を短縮することができる。仮に、クランプ動作を行わない場合には、時刻ｔ１５〜ｔ１７の期間の長さは本実施例の２倍程度必要となる。さらに、参照信号ｒａｍｐが変化する信号範囲も本実施例の２倍程度となるため、列比較部１３２のダイナミックレンジを大きくすることが求められる。

また、列ＡＤ変換部ＣＡＤが列メモリ部１３４を備えることにより、時刻ｔ１０から行われる「Ａデータ水平転送」の動作と、時刻ｔ１１から行われるカウント動作、すなわちＡＤ変換動作、とを並行して行うことができる。これにより、光電変換装置のさらなる高速化が実現できる。

（実施例２）
図６は、本実施例に係る光電変換装置のうちの、１個の単位セル１０１と、対応する列の列クランプ部１３１、列比較部１３２、第１の列カウンタ部１３３、および列メモリ部１３４の等価回路図である。

実施例１との相違点は、列クランプ部１３１が、クランプ容量Ｃｉｎとクランプスイッチｃｌａｍｐのみで構成される点である。本実施例に係る動作は、図５のタイミング図に従う。

本実施例によれば、「リセットレベル＋Ａ信号レベル」をクランプした後に、そこにＢ信号レベルを重畳させ、「Ｂ信号レベル」に相当する信号のみをＡＤ変換することで、ＡＤ変換に要する期間を短縮することができる。

（実施例３）
図７（ａ）は、本実施例に係る単位セル１０１の構成例を示す平面レイアウト図である。この図では、同一行の隣接する２個の単位セル１０１を抜き出して示している。

単位セル１０１の構成要素のうち、フォトダイオード１０２＿１および１０２＿２を除いたものを、１０８のハッチングで示した。フォトダイオード１０２＿１および１０２＿２は、セルアレイ１０の行に沿った方向に並んで設けられている。フォトダイオード１０２＿１およびフォトダイオード１０２＿２の上には、入射光を集めるマイクロレンズ１０９が設けられている。さらに、不図示のカラーフィルタを備えても良い。

図７（ａ）におけるα―βの直線に沿った断面図を図７（ｂ）に示す。半導体基板に形成されたフォトダイオード１０２＿１および１０２＿２の上に、カラーフィルタ１１０とマイクロレンズ１０９とが設けられた場合を示している。

図７に示したような構成では、フォトダイオード１０２＿１に基づいて得られる信号と、フォトダイオード１０２＿２に基づいて得られる信号との差分を取ることで、被写体に対して合焦しているか否かを検出する、いわゆる位相差検出方式の焦点検出が実現できる。

図５を用いて説明したように光電変換装置を動作させると、フォトダイオード１０２＿１に基づく信号（Ａ信号）と、フォトダイオード１０２＿１および１０２＿２に基づく信号（Ａ信号＋Ｂ信号）とが得られる。したがって、これらの信号からＡ信号とＢ信号とを抽出して、位相差検出方式の焦点検出を行うことができる。さらにＡ信号＋Ｂ信号は、同一のマイクロレンズ１０９を介して得られた信号の総和になるので、画像形成用の信号として利用することができる。すなわち、図５を用いて説明した動作によれば、焦点検出を行いつつ、画像形成用の信号も得られる。

本実施例によっても、「リセットレベル＋Ａ信号レベル」をクランプした後に、そこにＢ信号レベルを重畳させ、「Ｂ信号レベル」に相当する信号のみをＡＤ変換することで、ＡＤ変換に要する期間を短縮できる。本実施例によれば、焦点検出を高速に行うことで、被写体に合焦させるまでの時間を短縮できるという効果が得られる。

（実施例４）
図８は、本実施例に係る光電変換装置の構成例を示すブロック図である。図２に示した光電変換装置との違いは、１個の列比較部１３２に対して、第２の列カウンタ部１３５および第２の列メモリ部１３６が追加された点である。以下では、実施例１との相違点を中心に説明を行う。

第２の列カウンタ部１３５および第２の列メモリ部１３６の構成は、第１の列カウンタ部としての第１の列カウンタ部１３３および第１の列メモリ部としての列メモリ部１３４と同様の構成である。第１の列カウンタ部１３３と第２の列カウンタ部１３５とは、異なるカウント動作を行う。具体的には、第１の列カウンタ部１３３は、単位セル１０１に含まれる２個のフォトダイオードに基づく信号の和を算出するのに対し、第２の列カウンタ部１３５は、単位セル１０１に含まれる２個のフォトダイオードに基づく信号の差を算出する。

図９は、本実施例に係る動作を示すタイミング図である。図５に示した動作との相違点は、第２の列カウンタ部１３５および第２の列メモリ部１３６の動作が追加された点である。

図５と同じく、第１の列カウンタ部１３３は、時刻ｔ１１からカウントダウン動作を行い、時刻ｔ１５からカウントアップ動作を行う。一方、第２の列カウンタ部１３５は、時刻ｔ１１からカウントアップ動作を行い、時刻ｔ１５からカウントダウン動作を行う。これにより、第１のカウンタ部１３３からは「Ａ信号＋Ｂ信号」が得られる一方、第２のカウンタ部１３５からは「Ａ信号−Ｂ信号」が得られる。

図７に示したように、フォトダイオード１０２＿１および１０２＿２に対して同一のマイクロレンズが設けられた構成においては、２個のフォトダイオードに基づく信号の差分を得ることにより、位相差検出方式の焦点検出が行える。図８に示した構成と図９に示した動作を採用することで、位相差検出方式を行うための「Ａ信号−Ｂ信号」と、画像形成用の「Ａ信号＋Ｂ信号」とが同時に得られる。

なお、時刻ｔ１０から行われる「Ａデータ水平転送」の動作は省略しても良い。

本実施例によっても、「リセットレベル＋Ａ信号レベル」をクランプした後に、そこにＢ信号レベルを重畳させ、「Ｂ信号レベル」に相当する信号のみをＡＤ変換することで、ＡＤ変換に要する期間を短縮できる。本実施例によれば、焦点検出を高速に行うことで、被写体に合焦させるまでの時間を短縮できるという効果が得られる。本実施例によれば、さらに、「Ａ信号−Ｂ信号」を同時に得られるという効果も得られる。

（その他）
上述の各実施例は、本発明を実施する上で例示的なものであって、これらに限定されるものではない。

たとえば、第１の列カウンタ部１３３および第２の列カウンタ部１３５のカウント動作は、カウントアップ動作とカウントダウン動作を全て逆にしても良い。この場合には、第１の列カウンタ部１３３からは、「−（Ａ信号＋Ｂ信号）」が得られ、第２の列カウンタ部１３５からは、「Ｂ信号−Ａ信号」が得られる。

また、クランプレベル１およびクランプレベル２のＡＤ変換を省略してもよい。この場合、最終的に得られるデジタル信号に、クランプレベル１およびクランプレベル２の成分が残存するが、動作を高速化できるという利点がある。

また、図５では、Ａ信号およびＢ信号をＡＤ変換する期間に、同一のカウント動作、すなわち、ともにカウントアップ動作を行っているので、Ａ信号＋Ｂ信号がデジタル値として得られる。しかし、Ａ信号をＡＤ変換する期間とＢ信号をＡＤ変換する期間とで、異なるカウント動作を行うことにより、Ａ信号とＢ信号との差分に相当するデジタル信号を得られる。

また、列ＡＤ変換部ＣＡＤは、列メモリ部を含まなくてもよい。この場合には、列カウンタ部に保持されたカウント値が直接光電変換装置から出力される。

また、列ＡＤ変換部ＣＡＤの方式は、上述の各実施例で説明したものに限られない。例えば逐次比較型のＡＤ変換器を採用することも可能である。

１０ セルアレイ
１００ 光電変換装置
１０１ 単位セル
１０２＿１、１０２＿２ フォトダイオード
１３１ 列クランプ部
１３２ 列比較部
１３３ 列カウンタ部
１３４ 列メモリ部
ＣＡＤ 列ＡＤ変換部

Claims (9)

1. 複数の単位セルが行列状に設けられたセルアレイと、
   各々が、前記セルアレイの各列に対応して設けられた複数のクランプ部と、
   各々が、各前記複数のクランプ部から出力された信号をデジタル信号に変換する複数のＡＤ変換部と、を備え、
   前記複数の単位セルの各々は、
   第１の光電変換部と、
   第２の光電変換部と、
   前記第１および第２の光電変換部で生じた信号を増幅するセル増幅部と、を有し、
   前記複数のＡＤ変換部の各々は、
   前記クランプ部から出力された、前記第１の光電変換部で生じた信号に基づく第１のアナログ信号を前記ＡＤ変換部によってＡＤ変換した後に、
   前記第１のアナログ信号を基準レベルにクランプした状態で、前記第１および第２の光電変換部で生じた信号に基づく信号を前記クランプ部に与えることで前記クランプ部から出力された、第２のアナログ信号を前記ＡＤ変換部によってＡＤ変換すること
   を特徴とする光電変換装置。
2. 前記複数のＡＤ変換部の各々は、
   時間に対して変化する参照信号と前記クランプ部から出力された信号とを比較する比較部と、
   比較部の出力に応じてカウント動作を停止するカウンタ部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記カウンタ部は、
   第１の光電変換部に基づく信号をＡＤ変換する期間および、
   前記第１および第２の光電変換部に基づく信号をクランプ部に与えた後の前記クランプ部の出力をＡＤ変換する期間において、
   カウントアップ動作およびカウントダウン動作のうちの同一の動作を行うこと
   を特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
4. 前記カウンタ部は、
   第１の光電変換部に基づく信号をＡＤ変換する期間には、カウントアップ動作およびカウントダウン動作の一方を行い、
   前記第１および第２の光電変換部に基づく信号をクランプ部に与えた後の前記クランプ部の出力をＡＤ変換する期間には、前記カウントアップ動作および前記カウントダウン動作のうちの他方を行うこと
   を特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
5. 前記ＡＤ変換部の各々は、さらに別のカウンタ部を含み、
   前記カウンタ部および前記別のカウンタ部とは、
   前記第１および第２の光電変換部に基づく信号をクランプ部に与えた後の前記クランプ部の出力をＡＤ変換する期間に、カウントアップ動作およびカウントダウン動作のうちの互いに異なるカウント動作を行うこと
   を特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の光電変換装置。
6. 前記複数の単位セルの各々に対応してマイクロレンズが設けられたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光電変換装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の光電変換装置と、
   前記複数の単位セルに像を形成する光学系と、
   前記光電変換装置から出力された信号を処理して画像データを生成する映像信号処理部と、を備えたこと
   を特徴とする撮像システム。
8. 請求項６に記載の光電変換装置と、
   前記複数の単位セルに像を形成する光学系と、
   前記光電変換装置から出力された信号を処理して画像データを生成する映像信号処理部と、を備え、
   前記ＡＤ変換によって得られた信号に基づいて、焦点検出を行うこと
   を特徴とする撮像システム。
9. 複数の単位セルが行列状に設けられたセルアレイと、
   各々が、前記セルアレイの各列に対応して設けられた複数のクランプ部と、
   を備え、
   前記複数の単位セルの各々は、
   第１の光電変換部と、
   第２の光電変換部と、
   前記第１および第２の光電変換部で生じた信号を増幅するセル増幅部と、を有する光電変換装置の駆動方法であって、
   前記クランプ部から出力された、前記第１の光電変換部で生じた信号に基づく第１のアナログ信号を、時間に対して変化する参照信号と比較することによりＡＤ変換し、
   その後、前記第１のアナログ信号を基準レベルにクランプした状態で、
   前記第１および第２の光電変換部で生じた信号に基づく信号を前記クランプ部に与えることで、前記クランプ部から出力された、第２のアナログ信号を、ＡＤ変換すること
   を特徴とする光電変換装置の駆動方法。

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