JP6214596B2 - 撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置の駆動方法に関するものであり、具体的には撮像面で焦点検出を行なうことが可能な撮像装置の駆動方法に関するものである。

近年撮像装置の発展が目覚しい。撮像装置の各画素にマイクロレンズが形成されたイメージセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う装置が知られている（特許文献１）。

特許文献１によると、イメージセンサは撮影レンズの予定結像面に配置されている。また、イメージセンサの１つの画素は光電変換素子Ａと光電変換素子Ｂで構成されており、各光電変換素子は撮影レンズ側に形成されたイメージセンサのマイクロレンズによって撮影レンズの瞳と略共役となるように配置されている。

ここで光電変換素子Ａは撮影レンズの瞳の一部を透過する光束を受光する。また光電変換素子Ｂは光電変換素子Ａが透過した瞳と異なる部分を透過する光束を受光する。焦点検出時には複数の画素の光電変換素子ＡおよびＢから各々信号が独立して読みだされ、撮影レンズの瞳の互いに異なる位置を透過した光束による２つの像が生成される。また、２つの光電変換素子ＡとＢを加算することにより画像情報を得ることができる。

特開２００１‐１２４９８４号公報

しかしながら特許文献１では光電変換素子Ａと光電変換素子Ｂの信号を独立に順次読み出すため、光電変換素子Ａの信号と光電変換素子Ｂの信号の受光時刻が異なる。

具体的には、ある行の信号を読み出す場合、まず光電変換素子Ａのリセット信号を出力する。次に光電変換素子Ａの信号を出力する。同様に光電変換素子Ｂのリセット信号を出力し、次に光電変換素子Ｂの画像信号を出力する。この動作により光電変換素子Ａと光電変換素子Ｂの信号には数十〜数百μｓｅｃの時間差が発生する。これにより光電変換素子Ａと光電変換素子Ｂの信号間に誤差が生じ焦点検出の精度を高めることが難しい。

上記課題に鑑み、本発明は、各々が複数の光電変換素子を有する複数の光電変換ユニットと、各々が前記光電変換ユニットの複数の光電変換素子で共有され前記複数の光電変換素子の信号を増幅する複数の増幅部と、複数の前記増幅部の信号が出力される複数の共通出力線と、前記複数の共通出力線のいずれかからの信号を受ける複数の列回路と、前記複数の列回路で処理された信号が出力される水平出力線とを有する撮像装置の駆動方法であって、前記光電変換ユニットの複数の光電変換素子のうち少なくとも１つの光電変換素子の信号を前記増幅部の入力ノードへ読み出し、前記増幅部を介して前記共通出力線へ信号を読み出す第１の動作により焦点検出用の信号を生じさせ、前記第１の動作により読み出された信号が前記増幅部において保持された状態で同じ光電変換ユニットに含まれる他の光電変換素子の信号を前記増幅部の入力ノードへ読み出し、前記増幅部を介して前記共通出力線へ信号を読み出す第２の動作により画像形成用の信号を生じさせ、前記複数の列回路において保持された、所定行の複数の前記光電変換ユニットで生じた前記焦点検出用の信号と前記画像形成用の信号とを、まとめて水平出力線へ出力することを特徴とする。

本発明によれば焦点検出の精度が向上する。

本発明に係る撮像装置の第１の実施例における全体ブロック図 本発明に係る撮像装置の第１の実施例におけるタイミング図 本発明に係る撮像装置の第２の実施例における全体ブロック図 本発明に係る撮像装置の第２の実施例におけるタイミング図 本発明に係る撮像装置の第２の実施例における画素ブロック図 本発明に係る撮像装置の第３の実施例におけるタイミング図 本発明に係る撮像装置の第２の実施例における画素ブロック図 本発明に係る撮像装置の第３の実施例におけるタイミング図

図面を用いて本発明の実施例について説明する。以下の説明では、画素をＮチャネルＭＯＳトランジスタで構成した例を説明する。画素をＰチャネルＭＯＳトランジスタで構成する場合にも本発明は適用できる。この場合には、電圧等を適宜変更すればよい。

（実施例１）
図１は本実施例の撮像装置の等価回路図である。光電変換ユニット１００は、複数の光電変換素子を有し、ここでは第１光電変換素子１０１Ａおよび第２光電変換素子１０１Ｂを有する。光電変換素子としてはフォトダイオードを用いることができる。

転送トランジスタ１０２Ａ、１０２Ｂは複数の光電変換素子の各々に対応して設けられ、対応する光電変換素子の信号を増幅部の入力ノード１０３に転送する。複数の光電変換ユニットの各々に対応して配された複数のレンズを有するレンズアレイ（不図示）が光電変換素子の上部に配される。レンズアレイの各レンズは同一光電変換ユニットの複数の光電変換素子に集光する。各光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子は平面視において、異なる位置に配される。

増幅部１０４は入力ノード１０３に転送された信号を増幅して共通出力線１０７へ出力する。増幅部１０４にはＭＯＳトランジスタを用いることができる。

リセットトランジスタ１０５は増幅部の入力ノード１０３にリセット電圧を供給する。選択トランジスタ１０６は増幅部１０４と共通出力線１０７との間の電気的導通を制御する。

共通出力線１０７には電流源１０８が電気的に接続される。電流源１０８は増幅部１０４にバイアス電流を供給し、増幅部１０４と電流源１０８とでソースフォロアを構成する。

転送トランジスタ１０２Ａ、１０２Ｂ、リセットトランジスタ１０５、選択トランジスタ１０６のゲートには、それぞれ駆動線１０９Ａ、１０９Ｂ、駆動線１１０、駆動線１１１が接続される。それぞれのゲートには垂直走査回路１１２からの駆動パルスが、行ごとに順次もしくはランダムに供給される。

列回路は共通出力線１０７からの信号を受ける。列回路は共通出力線に直接もしくはスイッチを介して接続される。列回路で処理された信号は水平走査回路１１４により順次出力アンプ１１５に出力され外部へ出力される。

列回路の主たる動作は共通出力線１０７の信号を入力容量１１６の容量値及びフィードバック容量１１７の容量値とで決まるゲインで反転増幅する。更には仮想接地動作も可能であり、入力容量１１６を用いたクランプ動作によりＣＤＳ（相関２重サンプリング）動作を行なうことが可能である。

次に、列回路の具体的な回路の一例を説明する。入力容量１１６は第１ノードが共通出力線１０７に電気的に接続され、第２ノードが演算増幅器１１９の反転入力ノードに電気的に接続される。フィードバック容量１１７の第１ノードは、演算増幅器１１９の反転入力ノード及び入力容量の第２ノードに電気的に接続される。フィードバック容量１１７の第２ノードは演算増幅器１１９の出力ノードに電気的に接続される。

スイッチ１１８は演算増幅器１１９の反転入力ノードと出力ノードとの間のフィードバック経路に、両者の電気的接続を制御するために設けられる。フィードバック容量１１７とスイッチ１１８とは並列に設けられる。

電源１２０は基準電圧Ｖｒｅｆを演算増幅器１１９の非反転入力ノードに供給する。保持容量１２１〜１２４は演算増幅器１１９からの出力を保持する容量である。スイッチ１２５〜１２８は保持容量１２１〜１２４と演算増幅器１１９との間の電気経路に設けられ、演算増幅器１１９の出力ノードと、保持容量１２１〜１２４との電気的導通を制御する。スイッチ１２９〜１３２は水平走査回路１１４からの信号を受けて、保持容量１２１〜１２４で保持された信号を水平出力線１３９、１４０へ出力させる。出力アンプ１１５は水平出力線１３９、１４０に出力された信号の差分を取り外部へ出力する。

駆動パルスＰＣ０Ｒはスイッチ１１８へ供給される。駆動パルスＰＴＮはスイッチ１２６、１２８へ供給される。駆動パルスＰＴＳＡはスイッチ１２５へ供給される。駆動パルスＰＴＳＡＢはスイッチ１２７へ供給される。

次に図１の撮像装置の駆動に関して図２を用いて説明する。いずれの駆動パルスもハイレベルのパルスで素子が導通状態になる。

まず時刻Ｔ＝ｔ１において、駆動線１０９Ａおよび１０９Ｂに供給される駆動パルスＰＴＸＡおよびＰＴＸＢがハイレベルとなる。この時、駆動線１１０に供給される駆動パルスＰＲＥＳがハイレベルであるため、光電変換素子１０１Ａ，１０１Ｂがリセットされる。

次にＴ＝ｔ２において、駆動パルスＰＴＸＡおよびＰＴＸＢがローレベルとなる。このタイミングで光電変換素子１０１Ａ，１０１Ｂでの電荷蓄積期間が開始する。駆動パルスＰＲＥＳはハイレベルを維持しているため、増幅部１０４の入力ノード１０３のリセット動作は継続している。

所定期間蓄積を行った後に各行ごと、もしくは複数行ごとに順次共通出力線１０７への信号の読み出しを行う。

時刻Ｔ＝ｔ３において、選択トランジスタ１０６の駆動線１１１に供給される駆動パルスＰＳＥＬがハイレベルとなり、選択トランジスタ１０６が導通する。これにより増幅部１０４の入力ノードの電位に応じた信号が共通出力線１０７に出力される。

時刻Ｔ＝ｔ４でリセットトランジスタ１０５の駆動線１１０に供給される駆動パルスＰＲＥＳをローレベルとすることにより増幅部１０４の入力ノード１０３のリセット動作を解除する。そしてリセット信号レベルを共通出力線１０７へ読み出し、列回路に入力する。この時、列回路は演算増幅器１１９が仮想接地状態となっている。具体的には駆動パルスＰＣ０Ｒがハイレベルとなりスイッチ１１８が導通状態である。演算増幅器１１９はＶｒｅｆの出力をバッファする状態でありこの状態で入力容量１１６にリセット信号レベルが供給される。

次にＴ＝ｔ５において駆動パルスＰＣ０Ｒをローレベルとし、Ｔ＝ｔ６において駆動パルスＰＴＮをローレベルからハイレベルへ切り替え、スイッチ１２６，１２８を導通状態とする。Ｔ＝ｔ７で駆動パルスＰＴＮをハイレベルからローレベルへと切り替え、スイッチ１２６，１２８を非導通状態とする。この動作により略Ｖｒｅｆの出力が保持容量１２２，１２４へ供給され、その後保持容量１２２、１２４と演算増幅器１１９の出力ノードとが非導通となる。

引き続きＴ＝ｔ８において、駆動パルスＰＴＸＡをハイレベルとし光電変換素子１０１Ａの光電荷を増幅部１０４の入力ノード１０３へ転送し、Ｔ＝ｔ９において駆動パルスＰＴＸＡをローレベルとする。この動作により光電変換素子１０１Ａの光電荷が入力ノード１０３へ転送される。これにより光電荷に基づく信号が増幅部１０４、共通出力線１０７を介して列回路へ供給される。この動作により、共通出力線に焦点検出用の信号を生じさせることができる。

列回路では入力容量１１６の容量値Ｃ０、フィードバック容量１１７の容量値Ｃｆの比率で電圧変化に反転ゲインが掛け合された値が出力される。具体的には共通出力線１０７の電圧変化をΔＶａ（負）、演算増幅器１１９の出力をＶ（Ａ）とすると、
Ｖ（Ａ）＝Ｖｒｅｆ＋ΔＶａ×（−Ｃ０／Ｃｆ） 式（１）
となる。

次にＴ＝ｔ１０において、駆動パルスＰＴＳＡをローレベルからハイレベルへ切り替えスイッチ１２５を導通させる。Ｔ＝ｔ１１において駆動パルスＰＴＳＡをハイレベルからローレベルへと切り替え、スイッチ１２５を非導通とする。この動作により保持容量１２１に信号を保持する。

ひきつづきＴ＝ｔ１２において、駆動パルスＰＴＸＡをハイレベルとし駆動パルスＰＴＸＡのハイレベル期間の少なくとも一部の期間で駆動パルスＰＴＸＢをハイレベルとする。この動作により光電変換素子１０１Ａと１０１Ｂの双方の光電荷を同時に入力ノード１０３へ転送することができる。この動作により、共通出力線に画像形成用の信号を生じさせることができる。光電変換素子１０２Ａの信号を転送してから、光電変換素子１０１Ａと１０１Ｂの双方の光電荷を同時に入力ノード１０３へ転送するまでの間に増幅部１０４の入力ノード１０３はリセットされない。

増幅部１０４の入力ノード１０３へ転送された電荷は光電変換素子１０１Ａの電荷のみを転送した際と同様に列回路へ供給される。共通出力線１０７の電位変化をΔＶａ＋ｂ（負）、演算増幅器１１９の出力電位をＶ（Ａ＋Ｂ）とすると
Ｖ（Ａ＋Ｂ）＝Ｖｒｅｆ＋ΔＶａ＋ｂ×（−Ｃ０／Ｃｆ） 式（２）
となる。

Ｔ＝ｔ１４において、駆動パルスＰＴＳＡＢをローレベルからハイレベルへ切り替え、スイッチ１２２を導通させる。そしてＴ＝ｔ１５において駆動パルスＰＴＳＡＢをハイレベルからローレベルへと切り替え、スイッチ１２２を非導通とする。この動作により演算増幅器１１９の出力ノードの電位Ｖ（Ａ＋Ｂ）を保持容量１２３へ書き込むことができる。

そして容量ＣＴＳＡＢとＣＴＮの差電圧である、
Ｖ（Ａ＋Ｂ）−Ｖｒｅｆ＝ΔＶａ＋ｂ×（−Ｃ０／Ｃｆ） 式（３）
を得ることができる。これは光電変換ユニットに含まれる２つの光電変換素子の信号を加算して得られたものに相当する。光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子で撮像をする際の１画素に相当する信号が得られる。

また、保持容量１２１と１２２の電位差
Ｖ（Ａ）−Ｖｒｅｆ＝ΔＶａ×（−Ｃ０／Ｃｆ） 式（４）
を得ることで、光電変換素子１０１Ａのみの信号を得ることができる。光電変換素子１０１Ａによって得られる信号は集光された撮影レンズの瞳の一部を透過する光束の情報に相当する。さらにこれらの電位差すなわち
（ΔＶａ＋ｂ×（−Ｃ０／Ｃｆ））−（ΔＶａ×（−Ｃ０／Ｃｆ））
＝（ΔＶａ＋ｂ−ΔＶａ）×（−Ｃ０／Ｃｆ） 式（５）
を得ることにより光電変換素子１０１Ｂのみの信号を得ることができる。光電変換素子１０１Ｂよって得られる信号は集光された撮影レンズの瞳の一部を透過する光束の情報が得られる。各光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子は平面視において、異なる位置に配される。そして光電変換素子１０１Ａ、１０１Ｂの２つの光束の情報から焦点検出を行なうことができる。

上記演算は撮像装置内で行うこともできるし、撮像装置から出力された後に信号処理部で行うこともできる。ただし光電変換素子１０１Ａのみの信号、及び光電変換素子１０１Ａ、１０１Ｂの加算後の信号は撮像装置内で得られる。

次にＴ＝ｔ１６で駆動パルスＰＲＥＳをハイレベルとし、リセット部１０５を導通させ、入力ノード１０３の電位をリセットする。

保持容量１２１〜１２４に保持された信号はＴ＝ｔ１７以降にパルスＰＨに同期した駆動パルス１３３、１３４が順次導通することで読み出される。本実施例によれば水平出力線１３９、１４０の後段に差分処理を行なうことが可能な出力アンプ１１５を有しているため、保持容量１２１，１２２に保持された信号の差分を撮像装置外部に出力することができる。更に保持容量１２３，１２４に保持された信号の差分を撮像装置外部に出力することができる。これにより水平出力線１３９，１４０において生じるノイズを低減することができる。しかしながら出力アンプ１１５は必ずしも差分出力を得る構成である必要はなく単なるバッファ段でもよい。これ以降、順次各列の信号が水平走査回路１１４により走査されて水平出力線１３９，１４０に読み出される。

なお、読み出しの順番は光電変換素子Ａのみの信号を読み出した後に光電変換素子ＡおよびＢの加算信号を読み出す例を示したが、順番を入れ替えてもよい。光電変換素子Ａのみの信号を先に読み出すことで、よりよい信号が得られる。なぜならば保持容量１２１〜１２４に保持されている時間が長いほど容量およびスイッチによるリーク電流の影響を受けやすくなるからである。

本実施例の特徴は期間ｔ１１〜ｔ１５の動作にある。

特許文献１には、以下の動作が開示されている。第１の光電変換素子の信号を保持容量に書き込み、水平転送動作を行い、信号を撮像装置外へ読み出す。そしてリセットトランジスタによりリセット動作を行なう。その後、第２の光電変換素子の信号を保持容量に書き込み、水平転送動作を行い、信号をセンサ外へ読み出す。そして再度リセットトランジスタによりリセット動作を行なう。

この場合、第１光電変換素子の信号と第２光電変換素子の信号とを読み出す間には１行分の読み出し時間差（数十〜数百μｓｅｃ）が発生してしまう。

本実施例では光電変換素子１０１Ａの信号を読み終え、Ｔ＝ｔ１１で保持容量に信号を書き込む。入力ノード１０３に光電変換素子１０１Ａの信号を保持したまま、Ｔ＝ｔ１２において光電変換素子１０１Ａ、１０１Ｂの双方の信号を読み出す。このことにより読み出し時間は大幅（数μｓｅｃ）に短縮される。更に、光電変換素子１０１Ａ、１０１Ｂ間の信号読み出しの時間差が短くなり、焦点検出の精度を高くする効果がある。

また本実施例の副次的な特徴は時刻Ｔ＝ｔ８〜ｔ１５の動作にある。駆動パルスＰＴＸＡ、ＰＴＸＢを同時にハイレベルにすることにより以下の効果が得られる。

まず１点目として、一般に、転送トランジスタのゲート電位がローレベルからハイレベルに遷移する際に転送トランジスタの駆動配線と、入力ノードとの容量結合により入力ノード１０３の電位が上昇する。本実施例では２つの転送トランジスタ１０２Ａ，１０２Ｂのゲート電位がローレベルからハイレベルに遷移する。したがって１つの転送トランジスタの場合より入力ノード１０３の電位の上昇分が大きくなる。入力ノード１０３の電位が高くなると光電変換素子１０１Ａ，１０１Ｂの電荷が入力ノード１０３に転送されやすくなる。したがって転送効率が向上する。

特に本実施例の撮像装置のように、１つの撮像用の画素を２つの光電変換素子に分けて構成している場合、光電変換素子１０１Ａと１０１Ｂの間にはポテンシャル障壁を設ける場合が多い。このポテンシャル障壁により、光電変換素子のポテンシャル分布が複雑になる。このため転送時の電荷残りが発生しやすく固定パタンノイズ、ランダムノイズが生じる場合がある。これに対して駆動パルスＰＴＸＡ、ＰＴＸＢを同時刻にハイレベルとすることにより入力ノードの電位を高い状態で固定パタンノイズ、ランダムノイズを低減する効果がある。

２点目として、光電変換素子１０１Ａ、１０１Ｂの蓄積時間の差を小さくすることができる。たとえば特許文献１の構成では２つの光電変換素子における蓄積時間がずれてしまう。これに対し、本実施形態のように、入力ノード１０３で加算する際に、加算を行なう光電変換素子に対応するすべての転送ゲートをオフするタイミングを略同一にすることで蓄積時間を揃えることができる。これは撮像装置の撮像面において焦点検出用の信号を得る構成において特に有効である。

本実施例においては焦点検出用の信号を生じさせるために１つの光電変換素子の信号を用いたが、１光電変換ユニットに更に多数の光電変換素子が含まれる場合にはこれに限られるものではない。ただし、焦点検出用の信号を得るためには１光電変換ユニットに含まれる全ての光電変換素子の信号を用いることはできない。これは以下の実施例においても同様である。

また第２の動作において１光電変換ユニットに含まれる全ての光電変換素子（ここでは二つ）の信号を読出したがこれに限られるものではない。少なくとも第１の動作で読み出しが行われなかった光電変換素子の信号を読み出せばよい。これも以下の実施例においても同様である。

（実施例２）
図３に第２の実施例の撮像装置の等価回路図を示す。

実施例１との差異は、光電変換ユニットおよび列回路の構成である。１つの光電変換ユニットに含まれる光電変換素子の数が３つとなりこれに応じて、列回路に含まれる保持容量の数も６つとなっている。実施例１と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。

光電変換ユニット２００は光電変換素子１０１Ａ〜１０１Ｃを有する。実施例１に比べて撮像用の１画素に含まれる光電変換素子の分割数を増やしているため更に高い精度の焦点検出が可能となる。

光電変換素子１０１Ａ〜１０１Ｃの電荷を転送する転送トランジスタ１０２Ａ〜１０２Ｃを有する。転送トランジスタ１０２Ｃの駆動パルスとしてＰＴＸＣが追加される。

列回路２１０は、光電変換素子１０１Ａ〜１０１Ｃの加算後の信号を保持するための保持容量２０１を新たに有している。またノイズレベルを保持するための保持容量２０２も新たに追加される。これらに対応してスイッチ２０３〜２０６が追加される。

次に図４を用いて本実施例の撮像装置の駆動方法を説明する。基本的な動作は図２と同様であるため実施例１と異なる部分を中心に説明を行なう。

時刻Ｔ＝ｔ１２において駆動パルスＰＴＸＡとＰＴＸＢの双方がハイレベルとなる。この動作により光電変換素子１０１Ａ、１０１Ｂの信号が入力ノード１０３で加算される。ここでは駆動パルスＰＴＸＡ、ＰＴＸＢの両者をハイレベルとしているが、駆動パルスＰＴＸＢのみをハイレベルとしてもよい。そして時刻Ｔ＝ｔ１６において、駆動パルスＰＴＸＡ，ＰＴＸＢ，ＰＴＸＣの全てをハイレベルとする。この動作により光電変換素子１０１Ａ〜１０１Ｃの電荷が入力ノード１０３で加算される。時刻Ｔ＝ｔ１７において駆動パルスＰＴＸＡ，ＰＴＸＢ，ＰＴＸＣの全てをローレベルとする。このような動作により光電変換素子１０１Ａ〜１０１Ｃの蓄積時間を期間ｔ２〜ｔ１７の期間に揃えることが可能となる。

先に光電変換素子１０１Ａ〜１０１Ｃの加算信号を読み出した後に光電変換素子１０１Ａのみの信号、光電変換素子１０１Ａ、１０１Ｂの加算信号を読み出してもよい。

光電変換素子１０１Ａのみの信号、光電変換素子１０１Ａ、１０１Ｂの加算信号、光電変換素子１０１Ａ〜１０１Ｃの加算信号をこの順で読み出すことで、よりよい信号が得られる。なぜならば保持容量１２１〜１２４、２０１，２０２に保持されている時間が長いほど容量およびスイッチによるリーク電流の影響を受けやすくなるからである。

（実施例３）
図５に第３の実施例の撮像装置の等価回路図を示す。実施例１、２との差異は、互いに異なる光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子で増幅部１０４を共有する点である。

図５では、光電変換素子５０１Ａ，５０１Ｂを有する第１光電変換ユニットと、光電変換素子５０２Ａ，５０２Ｂとを有する第２光電変換ユニットとを有する。第１光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子には第１マクロレンズにより集光された光が入射し、第２光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子には第２マイクロレンズにより集光された光が入射する。

それぞれの光電変換素子５０１Ａ、５０１Ｂ、５０２Ａ、５０２Ｂに対応して、転送トランジスタ５０３Ａ，５０３Ｂ、５０４Ａ，５０４Ｂを有している。転送トランジスタ５０３Ａ、５０３Ｂ、５０４Ａ、５０４Ｂに駆動パルスを供給する配線として、駆動線５０５Ａ、５０５Ｂ、５０６Ａ、５０６Ｂが配されている。

このような構成によれば増幅部１０４、リセット部１０５、選択部１０６を撮像用の複数の画素で共有化することができる。これにより撮像用の１画素あたりのトランジスタ数を削減することが可能となる。その結果、光電変換素子の面積を拡大させることができる。

それぞれの光電変換素子５０１Ａ，５０１Ｂ、５０２Ａ，５０２Ｂを順次読みだす際の動作に関しては図２と基本的に同様な読み出しをおこなうことで、異なる行の信号として読み出すことができる。具体的には、第１光電変換ユニットでは光電変換素子５０１Ａの信号を読み出したのちに、光電変換素子５０１Ａ、５０１Ｂの信号を入力ノード１０３で加算する。これにより焦点検出量の信号と撮像用の信号の両者を生じさせることができる。続いて第２光電変換ユニットでは光電変換素子５０２Ａの信号を読み出したのちに、光電変換素子５０２Ａ、５０２Ｂの信号を入力ノード１０３で加算する。これにより焦点検出量の信号と撮像用の信号の両者を生じさせることができる。

更に本実施例では異なる２つの光電変換ユニットで増幅部１０４を共有している。したがって光電変換素子５０１Ａ、５０２Ａの信号を入力ノード１０３で加算し、光電変換素子５０１Ｂ、５０２Ｂの信号を入力ノード１０３で加算することもできる。具体的な駆動タイミングの一例を図６に示す。本実施例に特徴的な部分を中心に説明する。ここで転送トランジスタ５０３Ａに供給される駆動パルスをＰＴＸＡ（５０５Ａ）、転送トランジスタ５０３Ｂに供給される駆動パルスをＰＴＸＢ（５０５Ｂ）とする。更に、転送トランジスタ５０４Ａに供給される駆動パルスをＰＴＸＡ（５０６Ａ）、転送トランジスタ５０４Ｂに供給される駆動パルスをＰＴＸＢ（５０６Ｂ）とする。

時刻Ｔ＝ｔ８において、駆動パルスＰＴＸＡ（５０５Ａ）、ＰＴＸＡ（５０６Ａ）をローレベルからハイレベルとする。その後時刻Ｔ＝ｔ９において、駆動パルスＰＴＸＡ（５０５Ａ）、ＰＴＸＡ（５０６Ａ）をハイレベルからローレベルとする。この動作により異なる光電変換ユニットに含まれる光電変換素子５０１Ａ、５０２Ａの信号が入力ノード１０３で加算される。この信号は焦点検出用の信号として用いられる。

そして時刻Ｔ＝ｔ１２において、駆動パルスＰＴＸＡ（５０５Ａ）、ＰＴＸＢ（５０５Ｂ）ＰＴＸＡ（５０６Ａ）、ＰＴＸＢ（５０６Ｂ）をローレベルからハイレベルとする。その後、Ｔ＝ｔ１３において、駆動パルスＰＴＸＡ（５０５Ａ）、ＰＴＸＢ（５０５Ｂ）ＰＴＸＡ（５０６Ａ）、ＰＴＸＢ（５０６Ｂ）をローレベルからハイレベルとする。この動作により異なる光電変換ユニットに含まれる全ての光電変換素子５０１Ａ、５０１Ｂ、５０２Ａ、５０２Ｂの信号が入力ノード１０３で加算される。この信号は撮像用の信号として用いられる。

本動作により焦点検出用の信号が、異なる光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子の信号を加算して得ているためＳ／Ｎが向上する。このためより精度の高い焦点検出が可能となる。

なお、本実施例では２つの撮像用の画素の信号を加算する例を示したがこれが３つ以上であっても同様の効果が得られる。

（実施例４）
図７は第４の実施例の撮像装置の等価回路図である。本実施例の実施例３と異なる点は、複数の入力ノード１０３を電気的に接続するためのスイッチを設けた点である。実施例１〜３の構成と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。

図７において第１光電変換ユニットは光電変換素子７０１Ａ、７０１Ｂを有している。第２光電変換ユニットは光電変換素子７０２Ａ、７０２Ｂを有している。第３光電変換ユニットは光電変換素子７２１Ａ、７２１Ｂを有している。第４光電変換ユニットは光電変換素子７２２Ａ、７２２Ｂを有している。第１及び第２光電変換ユニットに対し、共有化された増幅部７０７が配されている。第３及び第４光電変換ユニットに対し、共有化された増幅部７２７が配されている。

それぞれの光電変換素子に対応して転送トランジスタ７０３Ａ、７０３Ｂ、７０４Ａ、７０４Ｂ、７２３Ａ、７２３Ｂ、７２４Ａ、７２４Ｂが配されている。そしてそれぞれの転送トランジスタを駆動するための駆動配線７０５Ａ、７０５Ｂ、７０６Ａ、７０６Ｂ、７２５Ａ、７２５Ｂ、７２６Ａ、７２６Ｂが配されている。

スイッチ７４０は増幅部７０７，７２７の入力ノードを電気的に接続する。スイッチ７４０は駆動配線７４１により制御される。

図８に図７の駆動パルス図を示す。ここでは第１光電変換ユニット及び第３光電変換ユニットに対応する部分のみ抜き出して説明する。第２、第４光電変換ユニットも同様の駆動を行なうことができる。駆動パルスＰＴＸＡ（７０５Ａ）は駆動配線７０５Ａに供給されるパルスである。駆動パルスＰＴＸＢ（７０５Ｂ）は駆動配線７０５Ｂに供給されるパルスである。駆動パルスＰＴＸＡ（７２５Ａ）は駆動配線７２５Ａに供給されるパルスである。駆動パルスＰＴＸＢ（７２５Ｂ）は駆動配線７２５Ｂに供給されるパルスである。ＰＶＡＤＤ（７４１）は駆動配線７４１に供給されるパルスである。

図８においては第１光電変換ユニット、第３光電変換ユニットに含まれる光電変換素子７０１Ａ、７２１Ａの信号を加算する例を示す。

ＰＶＡＤＤ（７４１）は図８に図示されている期間においてはハイレベルが維持されている。つまり増幅部７０７，７２７の入力ノードが常に電気的に接続された状態である。

Ｔ＝ｔ８において、駆動パルスＰＴＸＡ（７０５Ａ）、ＰＴＸＡ（７２５Ａ）をローレベルからハイレベルとする。その後、時刻Ｔ＝ｔ９において、駆動パルスＰＴＸＡ（７０５Ａ）、ＰＴＸＡ（７２５Ａ）をハイレベルからローレベルとする。この動作により異なる光電変換ユニットに含まれる光電変換素子７０１Ａ、７２１Ａの信号が各々対応する増幅部７０７，７２７へ転送される。そしてスイッチ７４０は導通状態となっているため、両信号は加算される。この信号は焦点検出用の信号として用いられる。

そして時刻Ｔ＝ｔ１２において、駆動パルスＰＴＸＡ（７０５Ａ）、ＰＴＸＢ（７０５Ｂ）、ＰＴＸＡ（７２５Ａ）、ＰＴＸＢ（７２５Ｂ）をローレベルからハイレベルとする。その後、Ｔ＝ｔ１３において、駆動パルスＰＴＸＡ（７０５Ａ）、ＰＴＸＢ（７０５Ｂ）ＰＴＸＡ（７２５Ａ）、ＰＴＸＢ（７２５Ｂ）をローレベルからハイレベルとする。この動作により異なる光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子７０１Ａ、７０１Ｂ、７２１Ａ、７２１Ｂの信号が対応する増幅部７０７，７２７へ転送される。そしてスイッチ７４０は導通状態となっているため、全ての信号は加算される。この信号は撮像用の信号として用いられる。

本実施例においては複数の入力ノードを電気的に接続する機能が付加された。これにより、カラーフィルタを有する撮像装置において、同色の信号が離間して配されている場合、例えば、ベイヤ配列のカラーフィルタを有する場合に適している。離間して配されている同色の光電変換素子の信号を加算することが可能となるためである。そのため、焦点検出だけでなく画像信号のＳ／Ｎも向上し精度の高い焦点検出と同時に高画質な画像情報を得ることができる。

なお、本実施例では２つの入力ノードを接続する例を示したが、３つ以上に関しても同様の効果が得られる。

以上具体的な実施例を挙げて本発明の説明を行ったが、本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。例えば画素の回路構成はこれに限るものではなく、選択部を有さずにリセット部により入力ノードの電位を切り替えることにより選択、非選択を切り替える構成であってもよい。更に列回路として演算増幅器を有する構成としたがソース接地増幅回路のようなより簡易な構成とすることもできる。もしくはゲイン段を複数設ける、ゲイン段とバッファ段との組み合わせにするなど各種変形が可能である。また共通出力線を画素列に対して１本設けたが、１画素列に対し複数の共通出力線を設けてもよい。

１００、２００、３００、７００、７２０ 光電変換ユニット
１０１Ａ、１０１Ｂ、５０１Ａ，Ｂ、５０２Ａ，Ｂ、７０１Ａ，Ｂ、７０２Ａ，Ｂ、７２１Ａ，Ｂ、７２２Ａ，Ｂ 光電変換素子
１０４、７０７、７２７ 増幅部
１０５、７０８、７２８ リセット部
１０７ 共通出力線

Claims (15)

1. 各々が複数の光電変換素子を有する複数の光電変換ユニットと、各々が前記光電変換ユニットの複数の光電変換素子で共有され前記複数の光電変換素子の信号を増幅する複数の増幅部と、複数の前記増幅部からの信号が出力される複数の共通出力線と、前記複数の共通出力線のいずれかからの信号を受ける複数の列回路と、前記複数の列回路で処理された信号が出力される水平出力線とを有する撮像装置の駆動方法であって、
   前記光電変換ユニットの複数の光電変換素子のうち少なくとも１つの光電変換素子の信号を前記増幅部の入力ノードへ読み出し、前記増幅部を介して前記共通出力線へ信号を読み出す第１の動作により焦点検出用の信号を生じさせ、
   前記第１の動作により読み出された信号が前記増幅部において保持された状態で、同じ光電変換ユニットに含まれる、少なくとも前記第１の動作で読み出しを行なわれていない光電変換素子の信号を前記増幅部の入力ノードへ読み出して、前記増幅部を介して前記共通出力線へ信号を読み出す第２の動作により画像形成用の信号を生じさせ、
   前記複数の列回路において保持された、所定行の複数の前記光電変換ユニットで生じた前記焦点検出用の信号と前記画像形成用の信号とを、まとめて水平出力線へ出力することを特徴とする撮像装置の駆動方法。
2. 各々が複数の光電変換素子を有する複数の光電変換ユニットと、各々が前記光電変換ユニットの複数の光電変換素子で共有され前記複数の光電変換素子の信号を増幅する複数の増幅部と、複数の前記増幅部からの信号が出力される複数の共通出力線と、前記複数の共通出力線のいずれかからの信号を受ける複数の列回路と、前記複数の列回路で処理された信号が出力される水平出力線とを有し、前記複数の光電変換素子は、各々が、撮影レンズの瞳の異なる領域からの光を受光する撮像装置の駆動方法であって、
   前記光電変換ユニットの複数の光電変換素子のうち少なくとも１つの光電変換素子の信号を前記増幅部の入力ノードへ読み出し、前記増幅部を介して前記共通出力線へ信号を読み出す第１の動作と、
   前記第１の動作により読み出された信号が前記増幅部において保持された状態で、同じ光電変換ユニットに含まれる、少なくとも前記第１の動作で読み出しを行なわれていない光電変換素子の信号を前記増幅部の入力ノードへ読み出して、前記増幅部を介して前記共通出力線へ信号を読み出す第２の動作とを有し、
   前記複数の列回路において保持された、所定行の複数の前記光電変換ユニットで生じた前記第１の動作で読み出された信号と前記第２の動作で読み出された信号とを、まとめて水平出力線へ出力することを特徴とする撮像装置の駆動方法。
3. 各々が複数の光電変換素子を有する複数の光電変換ユニットと、各々が前記光電変換ユニットの複数の光電変換素子で共有され前記複数の光電変換素子の信号を増幅する複数の増幅部と、複数の前記増幅部からの信号が出力される複数の共通出力線と、前記複数の共通出力線のいずれかからの信号を受ける複数の列回路と、前記複数の列回路で処理された信号が出力される水平出力線とを有し、前記複数の光電変換ユニットの各々に対応して配された複数のレンズを有するレンズアレイを有し、前記レンズアレイの各レンズは同一光電変換ユニットの複数の光電変換素子に集光する撮像装置の駆動方法であって、
   前記光電変換ユニットの複数の光電変換素子のうち少なくとも１つの光電変換素子の信号を前記増幅部の入力ノードへ読み出し、前記増幅部を介して前記共通出力線へ信号を読み出す第１の動作と、
   前記第１の動作により読み出された信号が前記増幅部において保持された状態で、同じ光電変換ユニットに含まれる、少なくとも前記第１の動作で読み出しを行なわれていない光電変換素子の信号を前記増幅部の入力ノードへ読み出して、前記増幅部を介して前記共通出力線へ信号を読み出す第２の動作とを有し、
   前記複数の列回路において保持された、所定行の複数の前記光電変換ユニットで生じた前記第１の動作で読み出された信号と前記第２の動作で読みだされた信号とを、まとめて水平出力線へ出力することを特徴とする撮像装置の駆動方法。
4. 前記第１の動作と前記第２の動作の間に前記増幅部の入力ノードをリセットしないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
5. 前記複数の光電変換ユニットの各々に対応して配された複数のレンズを有するレンズアレイを有し、前記レンズアレイの各レンズは同一光電変換ユニットの複数の光電変換素子に集光することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の撮像装置の駆動方法。
6. 各々が異なる光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子で、１つの前記増幅部を共有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の撮像装置の駆動方法。
7. 前記第１の動作時に、各々が、前記増幅部を共有する第１及び第２の光電変換ユニットのそれぞれに含まれる少なくとも２つの光電変換素子の信号を前記共有された増幅部で加算し、
   前記第２の動作時に前記第１の光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子の信号と前記第２の光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子の信号とを、前記共有された増幅部で加算することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置の駆動方法。
8. 複数の前記増幅部の入力ノードどうしを電気的に接続するスイッチを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
9. 前記第１の動作時に前記スイッチを導通させることで、複数の前記増幅部の入力ノードを電気的に接続し、前記接続された入力ノードの信号を加算し、
   前記第２の動作時に前記スイッチを導通させることで、複数の前記増幅部の入力ノードを電気的に接続し、前記接続された入力ノードの信号を加算することを特徴とする請求項８に記載の撮像装置の駆動方法。
10. 複数の光電変換素子の各々の信号を対応する前記増幅部の入力ノードに転送する複数の転送ゲートを有し、
    前記第１の動作時に、前記転送ゲートが導通するパルスを供給することで、前記光電変換素子の信号を対応する前記増幅部の入力ノードへ転送し、
    前記第２の動作時に、前記第１の動作時に信号が転送される光電変換素子に対応する転送ゲートが導通状態となる期間の少なくとも一部の期間において、前記第２の動作時に信号が転送される光電変換素子に対応する転送ゲートの両者が導通状態となることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
11. 前記光電変換ユニットに含まれる複数の光電変換素子は平面視において異なる位置に配されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
12. 前記第１の動作の前に前記増幅部の入力ノードの電位をリセットし、前記増幅部の入力ノードの電位のリセット後に前記増幅部を介して前記共通出力線へ出力されるリセット信号を用いて、前記第１の動作及び、前記第２の動作で得られる信号に対し、差分処理を行なうことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の撮像装置の駆動方法。
13. 各々が複数の光電変換素子を有する複数の光電変換ユニットと、各々が前記光電変換ユニットの複数の光電変換素子で共有され前記複数の光電変換素子の信号を増幅する複数の増幅部と、複数の前記増幅部の信号が出力される複数の共通出力線と、前記複数の共通出力線のいずれかからの信号を受ける複数の列回路と、前記複数の列回路で処理された信号が出力される水平出力線とを有する撮像装置であって、
    前記光電変換ユニットの複数の光電変換素子のうち少なくとも１つの光電変換素子の信号を前記増幅部の入力ノードへ読み出し、前記増幅部を介して前記共通出力線へ信号を読み出す第１の動作により焦点検出用の信号を生じさせ、
    前記第１の動作により読み出された信号が前記増幅部において保持された状態で、同じ光電変換ユニットに含まれる少なくとも前記第１の動作で読み出されなかった光電変換素子の信号を前記増幅部の入力ノードへ読み出して、前記増幅部を介して前記共通出力線へ信号を読み出す第２の動作により画像形成用の信号を生じさせ、
    前記複数の列回路において保持された、所定行の複数の前記光電変換ユニットで生じた前記焦点検出用の信号と前記画像形成用の信号とを、まとめて水平出力線へ出力することを特徴とする撮像装置。
14. 各々が複数の光電変換素子を有する複数の光電変換ユニットと、各々が前記光電変換ユニットの複数の光電変換素子で共有され前記複数の光電変換素子の信号を増幅する複数の増幅部と、複数の前記増幅部の信号が出力される複数の共通出力線と、前記複数の共通出力線のいずれかからの信号を受ける複数の列回路と、前記複数の列回路で処理された信号が出力される水平出力線とを有し、
    前記複数の光電変換素子は、各々が、撮影レンズの瞳の異なる領域からの光を受光する撮像装置であって、
    前記光電変換ユニットの複数の光電変換素子のうち少なくとも１つの光電変換素子の信号を前記増幅部の入力ノードへ読み出し、前記増幅部を介して前記共通出力線へ信号を読み出す第１の動作と、
    前記第１の動作により読み出された信号が前記増幅部において保持された状態で、同じ光電変換ユニットに含まれる少なくとも前記第１の動作で読み出されなかった光電変換素子の信号を前記増幅部の入力ノードへ読み出して、前記増幅部を介して前記共通出力線へ信号を読み出す第２の動作とを行ない、
    前記複数の列回路において保持された、所定行の複数の前記光電変換ユニットで生じた前記第１の動作で読み出された信号と前記第２の動作で読み出された信号とを、まとめて水平出力線へ出力することを特徴とする撮像装置。
15. 各々が複数の光電変換素子を有する複数の光電変換ユニットと、各々が前記光電変換ユニットの複数の光電変換素子で共有され前記複数の光電変換素子の信号を増幅する複数の増幅部と、複数の前記増幅部の信号が出力される複数の共通出力線と、前記複数の共通出力線のいずれかからの信号を受ける複数の列回路と、前記複数の列回路で処理された信号が出力される水平出力線とを有し、前記複数の光電変換ユニットの各々に対応して配された複数のレンズを有するレンズアレイを有し、前記レンズアレイの各レンズは同一光電変換ユニットの複数の光電変換素子に集光する撮像装置であって、
    前記光電変換ユニットの複数の光電変換素子のうち少なくとも１つの光電変換素子の信号を前記増幅部の入力ノードへ読み出し、前記増幅部を介して前記共通出力線へ信号を読み出す第１の動作と、
    前記第１の動作により読み出された信号が前記増幅部において保持された状態で、同じ光電変換ユニットに含まれる少なくとも前記第１の動作で読み出されなかった光電変換素子の信号を前記増幅部の入力ノードへ読み出して、前記増幅部を介して前記共通出力線へ信号を読み出す第２の動作とを行い、
    前記複数の列回路において保持された、所定行の複数の前記光電変換ユニットで生じた前記第１の動作で読み出された信号と前記第２の動作で読み出された信号とを、まとめて水平出力線へ出力することを特徴とする撮像装置。

Images