JP6239975B2

JP6239975B2 - 固体撮像装置及びそれを用いた撮像システム

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Publication number: JP6239975B2
Application number: JP2013272655A
Authority: JP
Inventors: 樋山　拓己; 拓己樋山; 泰二池田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2033-12-27
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Description

本発明は、固体撮像装置及びそれを用いた撮像システムに係る。

ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、色フィルタの繰り返しピッチ以下のピッチで同一色画素を複数分割してなる分割画素を配置することが提案されている。例えば特許文献１には、同一画素内に含まれる感度の異なる分割画素の電荷を順次フローティングディフュージョンに転送し、加算して読み出すことにより、ダイナミックレンジを拡大したイメージセンサが開示されている。

特開２０１３−６６１４０号公報

特許文献１には、分割画素の光電変換信号を自分自身の画素ごとに加算して読み出すことは開示されているが、隣接画素信号を加算して２×２圧縮などをする場合に、隣接画素間の重みづけ加算については開示されていない。重みづけせずに加算した場合、エッジ部の偽色の発生が少なく高フレームレートの画像出力が得られないことが課題となる。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その一態様は、マトリクス状に配列された複数の画素を有する画素アレイであって、各画素は、１つの色の色フィルタを有し、前記色フィルタを通過する入射光を各々が受光する複数のフォトダイオードを含む、画素アレイと、加算回路とを備え、前記複数の画素は、第１の画素、第２の画素、及び第３の画素を含み、前記第１の画素、前記第２の画素、及び前記第３の画素の各々は、第１の色の色フィルタを有し、前記加算回路は、（ｉ）前記第１の画素の複数のフォトダイオードの一部のみの出力に基づく信号と、（ｉｉ）前記第２の画素の複数のフォトダイオードの出力に基づく信号と、（ｉｉｉ）前記第３の画素の複数のフォトダイオードの一部のみの出力に基づく信号との加算を行う、固体撮像装置である。

画素信号の重みづけ加算平均、又は加算平均をすることで、加算平均を行う画素の重心位置が制御でき、エッジ部の偽色の発生が少なく高フレームレートの画像出力が得られる。さらに、加算前の分割画素単体の信号を読み出しの過程で得ることも可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る画素の等価回路を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る画素の素子構造を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る画素信号の読み出し動作を示す駆動タイミング図である。本発明の第１の実施形態に係る行方向の重みづけ加算平均化のための回路を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る列方向と行方向の色信号の重みづけ加算平均化を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る画素の等価回路を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る画素の素子構造を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る第１の駆動タイミング図である。本発明の第２の実施形態に係る第２の駆動タイミング図である。本発明の第３の実施形態に係る撮像システムの構成例を示す図である。

添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態を以下に説明する。各図面を通じて同一の構成要素には同一の参照符号を付し、重複する構成要素についてはその説明を省略することもある。また、下記では「加算」と「平均」とを総称して「加算平均」と説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の概略構成を示す図である。本実施形態に係る固体撮像装置１００は例えばＣＭＯＳイメージセンサであり、被写体像を示す入射光を光電変換し、光電変換により得られた電気信号をデジタルデータとして外部に出力することで被写体の撮像を行う装置である。固体撮像装置１００は、画素アレイ１１０、増幅回路１２０、Ａ／Ｄ変換器１３０、垂直走査回路１４０、水平走査回路１５０、ランプ信号生成部１７０、カウンタ１８０、信号処理部１９０、及びタイミング制御部１９５を備える。

画素アレイ１１０はマトリクス状に配置された複数の画素１１１、画素１１１の行ごとに共通化された行選択線１１２、画素１１１の列ごとに共通化された列信号線１１３、及び列方向加算平均スイッチ１１９を備える。各画素１１１はフォトダイオード等の光電変換素子を備え、固体撮像装置１００への入射光の光電変換を行う。各画素の光電変換素子には所定の波長の入射光を選択的に透過する色フィルタが配置されている。図中の各画素１１１のＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂの記号は、それぞれの画素１１１に赤、緑、緑、青の色フィルタが配置されていることを示している。本実施形態における色フィルタの色配列はベイヤ配列であり、２×２画素を１単位とする色フィルタの繰り返し配列となっている。

各画素１１１は行選択線１１２及び列信号線１１３と接続されており、各行選択線１１２は垂直走査回路１４０と接続され、各列信号線１１３は増幅回路１２０と接続されている。

列方向加算平均スイッチ１１９は同色の色フィルタを備える画素１１１を接続する配線間に配置されている。列方向加算平均スイッチ１１９をオンにすると、列（垂直）方向に並ぶ同色の複数の画素１１１から出力される信号が加算平均される。したがって、列方向加算平均スイッチ１１９は画素１１１の信号を列（垂直）方向に加算平均する第１の加算回路として機能する。

なお、本実施形態の説明では、画素アレイ１１０は図の左側から順に１列目、２列目、・・・ｎ列目、図の下側から順に１行目、２行目、・・・９行目と呼称する。本願明細書の図面及びその説明における画素アレイ１１０は、その一部を抜き出した例示であり、全体を示すものではない。また、１行目、偶数行、奇数行といった記載により画素アレイ１１０の行及び列を特定することがあるが、これは説明のために図面中の位置を示すための便宜的な記載であり、実際の画素アレイ１１０の中の具体的な位置を特定することを意図するものではない。

垂直走査回路１４０は画素行ごとに配置された行選択線１１２に駆動パルス信号を順番に供給する。行選択線１１２に駆動パルス信号が供給されると、対応する画素行に含まれる各画素１１１からは、光電変換された電荷がアナログの電圧信号として各列信号線１１３に読み出される。本実施形態の固体撮像装置１００では、画素アレイ１１０から、画素１１１のリセットレベルの信号であるノイズ信号と、光電変換により発生した電荷の発生量に応じた信号にノイズ信号が重畳した画素信号とがアナログ信号として読み出される。画素信号の電圧からノイズ信号の電圧を減算することで、ノイズ信号が除去され、光電変換により発生した電荷に対応する電圧値を得ることができる。

各増幅回路１２０の入力端子は各列信号線１１３に接続され、出力端子は各Ａ／Ｄ変換器１３０に接続される。増幅回路１２０は列信号線１１３を介して画素１１１から入力されたアナログ信号を増幅してＡ／Ｄ変換器１３０に対して出力する。

ランプ信号生成部１７０は、のこぎり波等の電圧が単調に変化する波形を有するランプ信号Ｖｒａｍｐを生成し、ランプ信号線１７１を通じて各Ａ／Ｄ変換器１３０に対して出力する。

カウンタ１８０はカウントデータ線１８１を通じてカウント値Ｃｎｔを各Ａ／Ｄ変換器１３０に対して出力する。カウンタ１８０は時間とともに変化するカウント値を出力する回路であり、例えばグレイコードを出力するグレイカウンタや２進数を出力するバイナリカウンタを用いることができる。また、カウンタ１８０はアップダウン機能、すなわち、カウント値の上昇及び下降を切り替える機能を備えていてもよい。

Ａ／Ｄ変換器１３０は増幅回路１２０から入力されたノイズ信号又は画素信号の電圧をランプ信号生成部１７０から入力されたランプ信号の電圧と比較する。電圧の大小関係が反転した時点における、カウンタ１８０から出力されたカウント値を出力値とすることにより、ノイズ信号又は画素信号はアナログデータからデジタルデータに変換される。

なお、本実施形態では複数のＡ／Ｄ変換器１３０が、ランプ信号生成部１７０及びカウンタ１８０を共有しているが、Ａ／Ｄ変換器１３０ごとに個別にこれらの構成要素を有してもよい。

水平走査回路１５０はＡ／Ｄ変換器１３０から出力されるデジタルデータを列ごとにデジタル信号線１９１、１９２に転送する。デジタル信号線１９１にはノイズ信号を表すデジタルデータが、デジタル信号線１９２には画素信号を表すデジタルデータがそれぞれ伝送され、それぞれ信号処理部１９０に入力される。信号処理部１９０は画素信号を表すデジタルデータからノイズ信号を表すデジタルデータを減算して、光電変換により発生した電荷に対応する値を外部に出力する。

タイミング制御部１９５は、上述の各構成要素にパルス信号を供給して固体撮像装置１００の動作を制御する。タイミング制御部１９５から各構成要素へのパルス信号の送信は信号線（不図示）を介して行われる。

本実施形態では固体撮像装置１００が増幅回路１２０を含んでいるため、画素信号等は増幅されてからＡ／Ｄ変換器１３０に入力される。したがって、Ａ／Ｄ変換器１３０で発生するノイズの影響は軽減される。しかしながら、固体撮像装置１００の増幅回路１２０を省略することにより、画素１１１からのアナログ信号が列信号線１１３を介して直接にＡ／Ｄ変換器１３０へ供給されてもよい。この場合、上述の増幅回路１２０を備えた構成よりも素子数を削減することができる。

また、図１に示した例では画素アレイ１１０の一方の側に増幅回路１２０、Ａ／Ｄ変換器１３０及び水平走査回路１５０が配置さるように図示されている。しかしながら、これらの構成要素が画素アレイ１１０の両側に配置され、画素列ごとにいずれか一方の側の構成要素に振り分けられるよう構成してもよい。当該構成では、上述の実施形態よりも走査速度を向上することができる。

図２は画素１１１の等価回路を示す図である。図２は図１に示す画素アレイ１１０の１行目と３行目と５行目の画素１１１の１列分を抜き出し、その等価回路を図示している。画素１１１は光電変換を行うフォトダイオード１１４及び複数のトランジスタを含む。複数のトランジスタは転送スイッチ１１５、リセットスイッチ１１６、増幅トランジスタ１１７及び行選択スイッチ１１８を含み、フォトダイオードで発生した電荷量をアナログ信号として列信号線１１３に出力するためのスイッチング機能及び増幅機能を有する。転送スイッチ１１５、リセットスイッチ１１６、増幅トランジスタ１１７及び行選択スイッチ１１８は、例えばＮチャネル型の電界効果トランジスタ等のトランジスタにより構成される。また、転送スイッチ１１５、リセットスイッチ１１６、増幅トランジスタ１１７の間には、保持した電荷を検出するためのフローティングディフュージョンＦＤが構成されている。

なお、「スイッチ」及び「トランジスタ」の用語の使い分けは、各トランジスタがスイッチング機能及び増幅機能のいずれを主に利用しているかを示すことで回路動作の理解を助けるためのものであり、素子の構造を限定することを意図するものではない。

フォトダイオード１１４は転送スイッチ１１５を介してフローティングディフュージョンＦＤに接続される。フローティングディフュージョンＦＤはまた、リセットスイッチ１１６を介して電圧源ＳＶＤＤに接続されるとともに、増幅トランジスタ１１７のゲート電極に接続される。増幅トランジスタ１１７の第１主電極は電圧源ＳＶＤＤに接続され、増幅トランジスタ１１７の第２主電極は行選択スイッチ１１８を介して列信号線１１３に接続される。

行選択スイッチ１１８のゲート電極は行制御線１１２の１つであり、信号を読み出す行を選択するための信号を伝送する行選択線ＰＳＥＬ（不図示）に接続される。リセットスイッチ１１６のゲート電極は、行制御線１１２の１つであり、リセット信号を伝送するリセット線ＰＲＥＳ（不図示）に接続される。また、転送スイッチ１１５のゲート電極は、行制御線１１２の１つであり、フォトダイオード１１４で発生した電荷を転送するための信号を伝送する転送線ＰＴＸ（不図示）に接続される。

本実施形態においては、１つの画素１１１につき、２つのフォトダイオード１１４が含まれており、またそれぞれに対し転送スイッチ１１５が接続されている。そのため、各フォトダイオード１１４で発生した光電荷は選択的にフローティングディフュージョンＦＤに転送される。

各フォトダイオードは、独立に光電荷を蓄積し、各転送スイッチ１１５は独立に光電荷を転送することができる。本実施形態の画素１１１は、フォトダイオード１１４及び転送スイッチ１１５を２組備える。すなわち、画素１１１は、フォトダイオード１１４と転送スイッチ１１５をそれぞれ有する分割画素２０１Ａ及び２０１Ｂを小単位として備える。

縦方向に隣りあう同色の画素１１１の間には、複数の画素１１１の複数のフローティングディフュージョンＦＤを接続して、電荷を加算平均するための列方向加算平均スイッチ１１９が設けられている。

転送スイッチ１１５を開閉することにより、列方向加算平均スイッチ１１９を介して接続された複数のフローティングディフュージョンＦＤに光電荷が転送される。各フローティングディフュージョンＦＤは接続されているため、転送された電荷は各フローティングディフュージョンＦＤに分配され、同一の電圧となる。すなわち、各フローティングディフュージョンＦＤに転送された電荷が加算平均される。このようにして、列方向加算平均スイッチ１１９は画素１１１の信号を列（垂直）方向に加算平均する第１の加算回路として機能する。この加算平均により画素信号のノイズ信号を低減することができる。

さらに、加算平均により１フレームに読み出す出力数を圧縮することが可能となるため、高フレームレートが達成できる。例えば、垂直及び水平方向の２ｘ２画素を加算平均した場合、４ｋ２ｋフォーマットをＨＤフォーマットに変換することができ、フレームレートを向上することができる。

例えば、図１において、４行目と６行目に配置された列（垂直）方向のＧｂ画素及びＢ画素の２つをそれぞれ１：１の重みで加算平均する。そして、列方向に隣接する１行目、３行目及び５行目に配置されたＲ画素及びＧｒ画素の３つをそれぞれ１：２：１の重みで加算平均する。すなわち、各分割画素から出力され、加算される信号の個数が、加算対象となる画素ごとに異なっている。そうすると、加算平均後の出力信号に含まれる画素の重心位置が等ピッチ（２画素ピッチ）に並ぶため、撮影した画像の被写体のエッジ部に不自然な色がつく偽色などの不具合を避けることができ、良好な画像が得られる。ただし、加算平均に用いる画素数や重みはこれに限定されるものではない。なお、本願明細書で用いる重み付け平均化した信号の「重心位置」とは、重み付け平均化に用いた信号のアドレスを同じ比率で重み付け平均して得たアドレスを意味する。例えば、信号Ｘのアドレスを（Ｘ_１、Ｘ_２）で信号Ｙのアドレスを（Ｙ_１、Ｙ_２）とすると、信号Ｘと信号Ｙの１：２平均化信号の重心位置は（（Ｘ_１＋２Ｙ_１）／３、（Ｘ_２＋２Ｙ_２）／３）である。

図３は画素１１１の素子構造を示す平面図である。２つのフォトダイオード１１４は、同一色の色フィルタ２００で覆われている。さらに画素上には、集光機能を有する光学系としてマイクロレンズ２０２が配置されている。２つの分割画素２０１Ａ及び２０１Ｂは、同一のマイクロレンズ２０２を共有している。マイクロレンズの中心は２つの分割画素の中間又は略中間に位置しており、図３で示すような２つの分割画素の光検出感度の入射角依存性は異なったものとなる。この入射角依存性の違いを利用して被写体の距離情報を得ることができ、例えばオートフォーカスなどの機能に利用することができる。

図４は画素１１１の画素信号の読み出し動作を示す駆動タイミング図である。

図４の読出し動作では、列方向の同色画素１１１が１：２：１に重みづけ加算平均される。すなわち、図１に示した画素アレイ１１０の１行目、３行目及び５行目のＲ画素同士とＧｒ画素同士をそれぞれ重みづけ加算平均し、次に５行目、７行目及び９行目の画素を同様に重みづけ加算平均する。このようにして、垂直方向の画素出力数を１／２に圧縮して読み出すことができる。図４では１行目と３行目と５行目の画素を重みづけ加算平均する駆動タイミング図である。

図４に示した駆動タイミングを時間順に説明する。なお、本明細書の説明においては、各トランジスタ（スイッチ）はゲート電極に入力される信号電圧がハイレベルのときにソース電極とドレイン電極が導通状態（オン）になるとする。

まず時刻ｔ０において、１行目、３行目及び５行目の行選択信号ＳＥＬ１、ＳＥＬ２及びＳＥＬ３がハイレベルとなり、各増幅トランジスタ１１７がオンになる。このとき、対応する３行の増幅トランジスタ１１７が列信号線１１３に接続され、それぞれソースフォロワ回路として動作する。すなわち、フローティングディフュージョンＦＤの電位に相当する電圧が列信号線１１３に出力される。同時刻ｔ０にリセット信号ＲＥＳ１、ＲＥＳ２及びＲＥＳ３がハイレベルとなり、各リセットスイッチがオンになる。３行のフローティングディフュージョンＦＤの電位は、リセットトランジスタ１１６を介して、電圧源ＳＶＤＤの電位にリセットされる。さらに、同時刻ｔ０に各列方向加算平均スイッチ１１９の制御信号ＳＵＭ１、ＳＵＭ２がハイレベルとなり、各列方向加算平均スイッチ１１９はオンとなる。この状態は時刻ｔ６まで継続する。すなわち、一連の読み出し動作が終わる時刻ｔ６まで、１行目、３行目及び５行目の各フローティングディフュージョンＦＤは電気的に接続され、同電位となる。

時刻ｔ１において、リセット信号ＲＥＳ１、ＲＥＳ２及びＲＥＳ３がローレベルとなり、各リセットトランジスタ１１６がオフになる。このとき、３つの行のフローティングディフュージョンＦＤの電圧はリセット電圧、すなわち電圧源ＳＶＤＤの電位である。したがって、増幅用トランジスタ１１７から列信号線１１３に出力される信号は、フォトダイオード１１４から電荷が転送されていないときの電圧信号、すなわちノイズ信号となる。これをＮ信号とする。Ｎ信号は増幅回路１２０で増幅されたのち、ＡＤ変換器１３０でデジタル信号に変換される。

次に、時刻ｔ２〜ｔ３において転送信号ＴＸＡ１、ＴＸＡ２がハイレベルとなり、１行目及び３行目の分割画素２０１Ａの信号が転送トランジスタ１１５を介して読み出され、フローティングディフュージョンＦＤ上で加算平均される。この信号は増幅用トランジスタ１１７を介して列信号線１１３に出力される。時刻ｔ２〜ｔ３における列信号線１１３からの出力信号は上述のＮ信号に分割画素Ａの光電荷が重畳されたものに相当する電圧である。これをＮ＋Ａ信号とする。Ｎ＋Ａ信号も、Ｎ信号と同様に、増幅回路１２０で増幅されたのち、Ａ／Ｄ変換器１３０でデジタル信号に変換される。すなわち、Ｎ＋Ａ信号の電圧は、１行目の分割画素２０１Ａ及び３行目の分割画素２０１Ａから出力された電荷をフローティングディフュージョンＦＤ上で加算平均して得られた電圧に相当する。

次に、時刻ｔ４からｔ５において、転送信号ＴＸＢ２及びＴＸＢ３がハイレベルとなり、３行目及び５行目の分割画素２０１Ｂの信号が、転送トランジスタ１１５を介して読み出され、フローティングディフュージョンＦＤ上で同様に加算平均される。このとき、上述のＡ＋Ｎ信号に分割画素２０１Ｂから出力された光電荷による信号が重畳されたものに相当する電圧が出力される。これをＮ＋Ａ＋Ｂ信号とする。Ｎ＋Ａ＋Ｂ信号も、Ｎ信号及びＮ＋Ａ信号と同様に、増幅回路１２０で増幅されたのち、Ａ／Ｄ変換器１３０でデジタル信号に変換される。

次に、時刻ｔ６において、ＳＥＬ１、ＳＥＬ２、ＳＥＬ３、ＳＵＭ１及びＳＵＭ２がローレベルとなり、行選択スイッチ１１８及び列方向加算平均スイッチ１１９がすべてオフとなり、一連の読み出し動作が終了する。

引き続き、時刻ｔ７〜ｔ１３において、同様な動作が５行目、７行目、９行目において、繰り返し行われる。

Ｎ＋Ａ＋Ｂ信号に寄与する電荷は、１行目の分割画素２０１Ａからの電荷、３行目の分割画素２０１Ａ及び２０１Ｂからの電荷、並びに５行目の分割画素２０１Ｂからの電荷を加算したものである。すなわち、それぞれの行での加算平均に寄与する分割画素数は、１：２：１になっている。

上述のとおり、３行目では分割画素２０１Ａ及び２０１Ｂからの電荷が２回に分けて読み出される。１回目（時刻ｔ２〜ｔ３）は分割画素２０１Ａ、２回目（時刻ｔ４〜ｔ５）は分割画素２０１Ｂの信号がそれぞれ読み出されるため、１回目と２回目の読み出しでは異なるフォトダイオード１１４から生成された電荷が信号として読み出される。つまり、分割画素の画素内における相対位置が、加算対象となる複数の画素によって異なっている。このようにして、同じフォトダイオードから電荷を読み出さなくても同じ画素から２回信号を読み出すことが可能となり、１：２：１重みづけ加算平均が実現される。

重みづけ加算を伴わない平均化のみを行った場合、平均化を行う画素の重心位置（加算平均化信号に含まれる画素のアドレスの重心位置）は等ピッチとはならない。これに対し、上述の１：２：１重みづけ平均と４行目及び６行目の画素の１：１加算平均との組み合わせにより、加算平均される画素の重心位置が等ピッチとなる。これにより、本実施形態の固体撮像装置１００を用いることで、被写体のエッジ部において顕著となる不自然な色づき（偽色）が従来に比べ低減された、スキャナ、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の撮像システムが実現できる。

１行目と５行目の信号を読み出す分割画素はそれぞれ分割画素２０１Ａと分割画素２０１Ｂである。すなわち、１行目と５行目では、列方向に半ピッチ分だけ位置が異なるフォトダイオード１１４から電荷を取得することになる。分割画素の位置の差が撮影した画像の画質に影響を与える可能性について検討する。

被写体にコントラストパタン（縞模様のパタン）がない場合は、分割画素２０１Ａ及び２０１Ｂから出力される２つの信号は同等と考えられる。被写体に行方向のコントラストパタン（横縞模様のパタン）がある場合においても２つの信号は同等と考えられる。

被写体に列方向のコントラストパタン（縦縞模様のパタン）がある場合にも、画素ピッチに近いコントラストをもつ非常に細かい被写体でない限り、１行目、３行目及び５行目の分割画素２０１Ａと分割画素２０１Ｂの出力電荷量の比は同等と考えられる。結果として、コントラストパタンを撮影した場合でも不自然な色づきが発生する可能性は低く、分割画素２０１Ａと分割画素２０１Ｂの位置の差は問題にならないと考えられる。したがって、コントラストパタンの撮影において、本実施形態は従来技術と比較して有利であると考えられる。

一方、撮影条件の最適化のために必要な距離情報を得るため、分割画素２０１Ａ及び分割画素２０１Ｂの信号を個別に取得することもできる。Ｎ信号とＮ＋Ａ信号の差分を信号処理部１９０において計算することで、２行分の分割画素２０１Ａの出力信号を加算平均した信号（Ａ信号）を得ることができる。さらに、Ｎ信号とＮ＋Ａ＋Ｂ信号の差分を信号処理部１９０において計算してＡ＋Ｂ信号を得たのち、前述の方法で取得したＡ信号の加算平均信号をさらに減算することで、２行分の分割画素２０１Ｂの出力信号を加算平均した信号（Ｂ信号）を得ることができる。このようにして計算されたＡ信号及びＢ信号は加算平均によりＳ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ比）が改善しているため、高精度な距離情報が得られ、より安定したオートフォーカスが実行できる。

この方法は位相差検出法によるオートフォーカスに用いることが好適である。本実施形態では、複数画素にまたがる分割画素２０１Ａの信号群で取得される緩やかなシェーディングと分割画素２０１Ｂの信号群で取得される緩やかなシェーディングとの僅かなずれを位置方向の位相差として検知することで、距離情報を取得することができる。Ａ信号及びＢ信号は、上述の理由によりＳ／Ｎ比が改善しているので、この方法によりオートフォーカスの安定化が実現される。

本実施形態においては、フォトダイオードを行（水平）方向に分割しているため、行方向に輝度差が生じる撮影シーンにおいては位相差検出をさらに有効に行うことができる。これに対し、信号の重みづけ加算平均は、列方向に行われる。そのため、加算平均による空間分解能の損失なくＳ／Ｎ比を向上することができる。

次に、行（水平）方向の重み付け加算平均について説明する。図５は各列からの色信号を行（水平）方向に重みづけ加算平均化する回路を示す図である。加算平均は画素アレイ１１０と増幅回路１２０の間に配置された、複数の行方向加算平均スイッチ５１９及び複数の入力容量５１０によって行われる。複数の行方向加算平均スイッチ５１９はタイミング制御部１９５からの駆動信号ＰＳＷによって、それぞれ個別にオン又はオフに制御される。画素アレイ１１０の各列の画素１１１から列信号線１１３に読み出された画素信号は複数の入力容量５１０を介して増幅回路１２０に入力される。図５に部分的に図示している８個の画素アレイ１１０のそれぞれの出力電圧をＶ１・・・Ｖ８とする。

図５において、奇数列の画素（Ｒ又はＧｂ）から出力された信号は画素アレイ１１０の下方向に、偶数列からの画素（Ｇｒ又はＢ）から出力された信号は画素アレイ１１０の上方向に設けた増幅回路１２０に入力されるように記載されている。ただし、このように奇数列と偶数列を分けて図面を記載した目的は加算回路における加算平均の動作の理解を容易にするためであり、実際の回路上での配置は図５と異なっても良い。例えば、奇数列と偶数列を上下に分けず、１方向に引き出しても良い。

複数の入力容量５１０は容量値Ｃ１の容量（以下、容量Ｃ１と呼ぶ）と容量値Ｃ２の容量（以下、容量Ｃ２と呼ぶ）とを含む。画素アレイ１１０のｎ列目の画素列は、容量Ｃ２を介してｎ列目の増幅回路１２０と接続される。

例えば、１列目の画素１１１は、行方向加算平均スイッチ５１９及び容量Ｃ１を介して３列目の増幅回路１２０と接続される。３列目の増幅回路１２０は行方向加算平均スイッチ５１９及び容量Ｃ１を介して５列目の画素１１１と接続される。以降の画素についても同様である。すなわち、奇数列においては４ｎ−１列目の増幅回路に対し、容量Ｃ２を介して４ｎ−１列目の画素が接続されていることに加えて、４ｎ−３列目と４ｎ＋１列目の画素も行方向加算平均スイッチ５１９及び容量Ｃ１を介して接続されている。

一方、偶数列の画素は異なる接続方法となっている。例えば、６列目の増幅回路は、行方向加算平均スイッチ５１９及び容量Ｃ２を介して４列目の画素と接続される。すなわち、偶数列においては４ｎ＋２列目の増幅回路に対し、容量Ｃ２を介して４ｎ＋２列目の画素が接続されていることに加えて、４ｎ列目の画素が行方向加算平均スイッチ５１９及び容量Ｃ２を介して接続されている。

このような回路構成とすることで、画素信号の加算平均化が実現される。本実施形態においては、一例として容量Ｃ１を容量Ｃ２の１／２の容量値とする。駆動信号ＰＳＷによって、行方向加算平均スイッチ５１９がＯＮになると、容量値の比率にしたがって電圧が平均化される。よって、３列目の増幅回路１２０に印加される電圧は（Ｖ１＋２×Ｖ３＋Ｖ５）／４となり、６列目の増幅回路１２０に印加される電圧は（Ｖ４＋Ｖ６）／２となる。すなわち、奇数列からの１列目と３列目と５列目の画素信号は１：２：１の加算平均化が行われ、偶数列からの４列目と６列目の画素信号は１：１の加算平均化が行われる。このようにして、行方向加算平均スイッチ５１９及び入力容量５１０は、画素１１１の信号を行（水平）方向に加算平均する第２の加算回路として機能する。

なお、行方向加算平均スイッチ５１９がＯＦＦの場合は、加算平均を行わずすべての画素からそのまま色信号を読み出す回路として機能する。このようにして、各画素の出力信号を重み付け加算平均をせずに出力することも可能である。

増幅回路の入力容量によって信号の加算平均を行う方法を説明したが、Ａ／Ｄ変換回路の後段に加算平均を行う回路を設けることにより、Ａ／Ｄ変換後のデータを加算平均化しても良い。

これまで説明した、列（垂直）方向及び行（水平）方向の重み付け加算平均について画素のアドレスの観点で整理して説明する。図６（Ａ）〜（Ｄ）は、列方向と行方向の色信号の重みづけ加算平均化を示す図である。

図６（Ａ）は各画素の色フィルタの配置、すなわち各画素から得られる色信号の配列を示す図である。表中の（Ｒ、Ｇｂ、Ｇｒ、Ｂ）がそれぞれ（赤、緑、緑、青）の色信号に対応する。また、垂直方向に並ぶ数値が各行のアドレス番号、水平方向に並ぶ数値が各列のアドレス番号を表しており、行と列のアドレス番号を指定することで、各画素の位置とその画素から得られる色信号を特定できる。以下、例えば、第３行の第１列に配置されたＲの色信号をＲ（３１）のように表記することもある。

図６（Ａ）の欄外に付記した符号は、上述した垂直方向の画素信号の加算平均化の比率である。すなわち、各列内で、奇数行の１行目、３行目及び５行目の色信号には１：２：１加算平均が行われる。そして次に５行目、７行目及び９行目の色信号にも１：２：１加算平均が行われることを示している。ここで１：２：１の「１」に対応する信号はＡ信号又はＢ信号のいずれかであり、「２」に対応する信号はＡ信号及びＢ信号を加算したものである。また、偶数行においては４行目と６行目の色信号の１：１加算平均化が行われるが、ここでの１：１の「１」に対応する信号はＡ信号及びＢ信号を加算したものである。

引き続いて８行目と１０行目の色信号の１：１加算平均化が行われる。

次に、水平方向において行われる加算平均化を図６（Ｂ）に示す。図６（Ｂ）の表は上述の垂直方向の加算平均化後の新たな色信号の配列を示す。水平方向の色信号についても、垂直方向と同様に奇数列のＲ信号とＧｂ信号は１：２：１の、偶数列のＧｒとＢ信号は１：１の加算平均化が行われる。

図６（Ｃ）は垂直と水平方向に加算平均した後の色信号Ｒ（３３）、Ｇｒ（３５）、Ｇｂ（３５）、Ｂ（５５）の空間的配置を図６（Ａ）の行と列アドレス番号に対応して示した図である。加算平均後の各アドレス番号は、加算平均に用いられた元の色信号のアドレスの重心位置に対応する。例えば、１行目、３行目及び５行目の色信号を１：２：１加算平均し、次に１列目、３列目及び５列目の色信号を１：２：１加算平均した場合、その重心位置は（３３）なので、加算平均した後の色信号はＲ（３３）と表記されている。このように、図６（Ａ）の各画素の垂直方向と水平方向の色信号がそれぞれ１／２に圧縮された色信号を得る。Ｒ（３３）、Ｇｒ（３５）、Ｇｂ（３５）、Ｂ（５５）の加算平均化に寄与する色信号の配置を図６（Ｄ）に示す。

上述の各色信号の加算平均化について、数式により整理して表現すると次式のようになる。ただし、この式でＡ_ｍｎはアドレス（ｍ、ｎ）の画素１１１から出力されるＡ信号、Ｂ_ｍｎはアドレス（ｍ、ｎ）の画素１１１から出力されるＢ信号を意味する。
Ｒ（３３）＝（１列目の１、３、５行の加算）＋２×（３列目の１、３、５行の加算）＋
（５列目の１、３、５行の加算）
＝｛Ｂ₁₁＋（Ａ₃₁＋Ｂ₃₁）＋Ａ₅₁｝＋２×｛Ｂ₁₃＋（Ａ₃₃＋Ｂ₃₃）＋Ａ₅₃｝＋
｛Ｂ₁₅＋（Ａ₃₅＋Ｂ₃₅）＋Ａ₅₅｝
Ｇｒ（３５）＝（４列目の１、３、５行の加算）＋（６列目の１、３、５行の加算）
＝｛Ｂ₁₄＋（Ａ₃₄＋Ｂ₃₄）＋Ａ₅₄｝＋｛Ｂ₁₆＋（Ａ₃₆＋Ｂ₃₆）＋Ａ₅₆｝
Ｇｂ（５３）＝（１列目の４、６行の加算）＋２×（３列目の４、６行の加算）＋（５列
目の４、６行の加算）
＝｛（Ａ₄₁＋Ｂ₄₁）＋（Ａ₆₁＋Ｂ₆₁）｝＋２×｛（Ａ₄₃＋Ｂ₄₃）＋（Ａ₆₃＋
Ｂ₆₃）｝＋｛（Ａ₄₅＋Ｂ₄₅）＋（Ａ₆₅＋Ｂ₆₅）｝
Ｂ（５５）＝（４列目の４、６行の加算）＋（６列目の４、６行の加算）
＝｛（Ａ₄₄＋Ｂ₄₄）＋（Ａ₆₄＋Ｂ₆₄）｝＋｛（Ａ₄₆＋Ｂ₄₆）＋（Ａ₆₆＋Ｂ₆₆）
｝

以上説明したように、本実施形態の固体撮像装置によれば、画素信号の重みづけ加算平均化をすることで、加算平均を行う画素の重心位置が制御でき、エッジ部の偽色の発生が少なく、高フレームレートの画像出力が得られる。さらに、加算前の分割画素単体の信号を読み出しの過程で得ることが可能である。加算前の分割画素単体の信号を用いることにより、Ｓ／Ｎ比の高い位相差情報が得られ、この位相差情報を用いることで安定したオートフォーカスが可能となる。また、分割画素の信号を加算平均しているため、加算後のＮ＋Ａ＋Ｂ信号には分割画素Ａ、Ｂ間の位相差情報が残らない。これにより、不自然な画像となることが避けられる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置を以下に詳細に述べる。本実施形態は、第１の実施形態に対して画素の構成と列ごとに配置されている増幅回路の構成が異なるため、これらについてのみ詳細に説明する。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る画素７１１の等価回路を示す図である。画素７１１は２分割ではなく、４分割の分割画素７０１Ａ、７０１Ｂ、７０１Ｃ及び７０１Ｄを備える。さらにこれらの分割画素７０１Ａ〜Ｄから信号を読み出すための、リセットスイッチ１１６、増幅トランジスタ１１７及び行選択スイッチ１１８はそれぞれ２系統配置されている。これらの点が第１の実施形態に対する構造上の差異点である。画素７１１は４つのフォトダイオード１１４を有する。分割画素７０１Ａ及び７０１Ｃに含まれる２つのフォトダイオードは転送スイッチ１１５を介して増幅トランジスタ１１７と接続される。分割画素７０１Ｂ及び７０１Ｄに含まれる２つのフォトダイオードは、別系統の転送スイッチ１１５を介して増幅トランジスタ１１７と接続される。

このように画素７１１は２系統の読み出し回路を有するので、１つの画素７１１には２つの列信号線１１３が設けられている。

同系統内に配置されたフォトダイオードで発生した電荷は、第１の実施形態と同様にして画素７１１内での加算及び加算平均スイッチ１１９を介して接続された画素間での加算が可能である。

図８は本発明の第２の実施形態に係る画素７１１の素子構造を示す平面図である。４分割された分割画素に含まれる４つのフォトダイオード１１４は同一色の色フィルタ２００及び同一のマイクロレンズ２０２を共有している。

図９は、４分割画素から垂直方向に並ぶ分割画素間の位相差信号を取得しながら、各画素の加算信号を得る、第１の駆動タイミング図である。図４に示した第１の実施形態に係る駆動タイミング図との差異点は、転送スイッチを制御する転送信号ＴＸＡ１〜５及びＴＸＢ１〜５が、ＴＸＡ１／Ｂ１〜Ａ５／Ｂ５及びＴＸＣ１／Ｄ１〜Ｃ５／Ｄ５に置き換えられている点である。ここで、ＴＸＡ１／Ｂ１等の表記は両方の転送スイッチをオン又はオフする信号を送信することを意味する。すなわち、分割画素７０１Ａと分割画素７０１Ｂの信号は同時に転送され、分割画素７０１Ｃと分割画素７０１Ｄの信号も同時に転送される。したがって、同時に転送される信号によって動作する２つの画素を同一視すれば、垂直に２分割された画素として考えることができる。そうすると、大部分の動作は第１の実施形態と同様であるため、本実施形態のポイントとなる動作のみを説明する。なお、以下の説明において、分割画素７０１Ａ〜Ｄより出力される信号をそれぞれＡ〜Ｄ信号と呼ぶ。

まず、時刻ｔ２〜ｔ３において、分割画素７０１Ａ及び７０１Ｂの信号が読み出され、Ｎ＋Ａ＋Ｂ信号が取得される。時刻ｔ４〜ｔ５において、分割画素７０１Ｃ及び７０１Ｄの信号が出力され、Ｎ＋Ａ＋Ｂ信号に重畳されることで、Ｎ＋Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ信号が取得される。第１の実施形態と同様に垂直方向の分割画素間の位相差信号が取得される。同時に、第１の実施形態と同様に垂直方向に並ぶ画素間の信号はフローティングディフュージョンで加算平均され、水平方向に並ぶ画素間の信号は増幅回路１２０において、１：２：１加算平均される。

図１０は、４分割画素から水平方向に並ぶ分割画素間の位相差信号を取得しながら、各画素の加算信号を得る、第２の駆動タイミング図である。図９に示した駆動タイミング図との差異点は、転送スイッチを制御する転送信号ＴＸＡ１／Ｂ１〜Ａ５／Ｂ５及びＴＸＣ１／Ｄ１〜Ｃ５／Ｄ５が、ＴＸＡ１／Ｃ１〜Ａ５／Ｃ５及びＴＸＢ１／Ｄ１〜Ｂ５／Ｄ５に置き換えられている点である。すなわち、分割画素７０１Ａと分割画素７０１Ｃの信号は同時に転送され、分割画素７０１Ｂと分割画素７０１Ｄの信号も同時に転送される。よって、水平に２分割された画素と考えることができる。つまり、図９に対して水平方向と垂直方向の分割の仕方を入れ替えたものと考えることもできる。したがって同様に、水平方向の位相差信号と同時に、重みづけ加算平均出力を得ることができる。

本実施形態の固体撮像装置によれば、図９又は図１０に示した２種類の駆動タイミングのいずれかを選択的に設定することで、４分割画素からなる画素１１１より水平又は垂直方向の任意の位相差信号を取得しつつ、２ｘ２加算信号を取得することができる。

なお、本実施形態では位相差信号の取得と加算平均出力の取得を同時に行ったが、分割画素の一部を読み出す低感度出力と全部の分割画素を読み出す高感度の加算平均出力の２種を出力するように構成することもできる。これらを併用することで、光検出のダイナミックレンジを拡張することができる。

（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第１又は第２の実施形態に係る固体撮像装置を用いた撮像システムの構成を示す図である。撮像システム８００は、固体撮像装置１００、光学部８１０、記録・通信部８４０、システム制御部８６０、及び再生・表示部８７０を備える。固体撮像装置１００は、上述のとおり、画素アレイ１１０、信号処理部１９０、タイミング制御部１９５を備える。

レンズ等の光学系である光学部８１０は、被写体からの光を画素アレイ１１０の、複数の画素１１１に結像させ、被写体の像を形成する。画素アレイ１１０は、タイミング制御部１９５からの信号に基づくタイミングで、画素１１１に結像された光に応じた信号を出力する。画素アレイ１１０から出力された信号は、Ａ／Ｄ変換等の処理が行われた後、信号処理部１９０に入力される。信号処理部１９０は、プログラム等によって定められた方法にしたがって、入力された信号の画像データへの変換等の信号処理を行う。信号処理部１９０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、信号処理部１９０からの信号を受けて、システム制御部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。

システム制御部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１９５、記録・通信部８４０、及び再生・表示部８７０の駆動を制御する。また、システム制御部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、システム制御部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。具体的には、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の切り替えを行うための信号が供給される。タイミング制御部１９５は、システム制御部８６０による制御に基づいて画素アレイ１１０及び信号処理部１９０の駆動タイミングを制御する。

本実施形態に係る固体撮像装置１００はエッジ部の偽色の発生が少なく、高フレームレートの画像出力を提供する。したがって、本実施形態に係る固体撮像装置１００を搭載することにより、高精度かつ高速な撮像が可能な撮像システム８００を実現することができる。

１１０画素アレイ
１１１画素
１１９列方向加算平均スイッチ
２００色フィルタ
２０１分割画素
２０２マイクロレンズ
５１０入力容量
５１９行方向加算平均スイッチ

Claims

マトリクス状に配列された複数の画素を有する画素アレイであって、各画素は、１つの色の色フィルタを有し、前記色フィルタを通過する入射光を各々が受光する複数のフォトダイオードを含む、画素アレイと、
加算回路とを備え、
前記複数の画素は、第１の画素、第２の画素、及び第３の画素を含み、
前記第１の画素、前記第２の画素、及び前記第３の画素の各々は、第１の色の色フィルタを有し、
前記加算回路は、（ｉ）前記第１の画素の複数のフォトダイオードの一部のみの出力に基づく信号と、（ｉｉ）前記第２の画素の複数のフォトダイオードの出力に基づく信号と、（ｉｉｉ）前記第３の画素の複数のフォトダイオードの一部のみの出力に基づく信号との加算を行う、固体撮像装置。
前記複数の画素の各々は、マイクロレンズを有し、
前記第１の画素の前記複数のフォトダイオードの前記一部と、前記マイクロレンズとの相対位置が、前記第３の画素の前記複数のフォトダイオードの前記一部と、前記マイクロレンズとの相対位置と異なる、請求項１に記載の固体撮像装置。
前記複数の画素の色配列はベイヤ配列である、請求項１に記載の固体撮像装置。
前記加算回路は、前記画素アレイの１つの列において、複数の行の画素から出力される信号を加算する第１の加算回路と、前記画素アレイの１つの行において、複数の列の画素から出力される信号を加算平均する第２の加算回路とを含む、請求項３に記載の固体撮像装置。
前記第１の画素、前記第２の画素、及び前記第３の画素は、前記画素アレイの１つの列に配され、
第１の数が、前記第１の画素の前記複数のフォトダイオードの前記一部のみの前記出力に基づく前記信号を出力するために用いられるフォトダイオードの個数であり、
第２の数が、前記第２の画素の前記複数のフォトダイオードの前記出力に基づく前記信号を出力するために用いられるフォトダイオードの個数であり、
第３の数が、前記第３の画素の前記複数のフォトダイオードの前記一部のみの前記出力に基づく前記信号を出力するために用いられるフォトダイオードの個数であるとき、
前記第１の数と、前記第２の数と、前記第３の数との比が１：２：１である、請求項１に記載の固体撮像装置。
前記複数の画素は、前記画素アレイの前記１つの列に配された第４の画素及び第５の画素をさらに含み、
前記第４の画素の色フィルタの色と前記第５の画素の色フィルタの色は、前記第１の色とは異なる第２の色であり、
前記加算回路は、（ｉｖ）前記第４の画素の複数のフォトダイオードの一部のみの出力に基づく信号、及び（ｖ）前記第５の画素の複数のフォトダイオードの一部のみの出力に基づく信号の加算を行い、
第４の数が、前記第４の画素の前記複数のフォトダイオードの前記一部のみの前記出力に基づく前記信号を出力するために用いられるフォトダイオードの個数であり、
第５の数が、前記第５の画素の前記複数のフォトダイオードの前記一部のみの前記出力に基づく前記信号を出力するために用いられるフォトダイオードの個数であるとき、
前記第４の数と前記第５の数の比が１：１である、請求項５に記載の固体撮像装置。
前記第１の画素、前記第２の画素、及び前記第３の画素は、前記画素アレイの１つの行に配され、
第１の数が、前記第１の画素の前記複数のフォトダイオードの前記一部のみの前記出力に基づく前記信号を出力するために用いられるフォトダイオードの個数であり、
第２の数が、前記第２の画素の前記複数のフォトダイオードの前記出力に基づく前記信号を出力するために用いられるフォトダイオードの個数であり、
第３の数が、前記第３の画素の前記複数のフォトダイオードの前記一部のみの前記出力に基づく前記信号を出力するために用いられるフォトダイオードの個数であるとき、
前記第１の数と、前記第２の数と、前記第３の数との比が１：２：１である、請求項１に記載の固体撮像装置。
前記複数の画素は、前記画素アレイの前記１つの行に配された第４の画素及び第５の画素をさらに含み、
前記第４の画素の色フィルタの色と前記第５の画素の色フィルタの色は、前記第１の色とは異なる第２の色であり、
前記加算回路は、（ｉｖ）前記第４の画素の複数のフォトダイオードの一部のみの出力に基づく信号、及び（ｖ）前記第５の画素の複数のフォトダイオードの一部のみの出力に基づく信号の加算を行い、
第４の数が、前記第４の画素の前記複数のフォトダイオードの前記一部のみの前記出力に基づく前記信号を出力するために用いられるフォトダイオードの個数であり、
第５の数が、前記第５の画素の前記複数のフォトダイオードの前記一部のみの前記出力に基づく前記信号を出力するために用いられるフォトダイオードの個数であるとき、
前記第４の数と前記第５の数の比が１：１である、請求項７に記載の固体撮像装置。
前記第２の画素の位置は、前記第１の画素、前記第２の画素、及び前記第３の画素の各々から出力される信号の加算の重心位置である、請求項８に記載の固体撮像装置。
前記複数の画素の各々は、マイクロレンズを有し、
前記複数の画素の各々の前記複数のフォトダイオードは、前記マイクロレンズと前記色フィルタとをこの順に通過する入射光を受光する、請求項１に記載の固体撮像装置。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記複数の画素に像を形成する光学系と、
前記固体撮像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信号処理部とを備える、撮像システム。