JP6368125B2

JP6368125B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP6368125B2
Application number: JP2014079951A
Authority: JP
Inventors: 豊口　銀二郎; 銀二郎豊口; 渡邉　高典; 高典渡邉
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2034-04-09
Also published as: JP2015201778A

Description

本発明は、撮像機能及び焦点検出機能を備えた撮像装置に関する。

単位画素の２つのフォトダイオードからの出力信号の加算及び非加算を任意に制御することで撮像信号及び焦点検出信号の両方の検出を可能にした撮像装置が提案されている。この撮像装置では、撮像時には、単位画素の２つのフォトダイオードの出力信号を加算して読み出すことで、単位画素に入射する光束全体に応じた出力信号を得ることができる。また、焦点検出時には、２つのフォトダイオードからの出力信号をそれぞれ独立に読み出すことで、異なる領域に入射する光束に応じた出力信号をそれぞれ独立に読み出すことができる。これにより、独立に読み出した出力信号の同士の相関演算により位相ズレを検出する、いわゆる位相差方式焦点検出が可能となる。

特開２００１−１２４９８４号公報

静止画を扱うスチルカメラや動画を扱うビデオカメラなどの撮像システムにおける一つの問題として、被写体が網目模様等の周期的なものである場合に干渉を生じて偽画像、いわゆるモアレが発生することが知られている。これは、撮像レンズの解像力がある程度以上高いときに、撮像装置のフォトダイオードの個々の間隔の周期性との関係によって発生するものである。

本発明者らは、撮像装置の解像度を撮像レンズの解像力に近づける、あるいは、それ以上に高めるためにフォトダイオードの配列周期を小さくすることにより、モアレの発生を抑制できることを見出した。しかし、特許文献１に記載の構成では、単位画素の２つのフォトダイオード上に１つのマイクロレンズを配置するため、フォトダイオードの個数分だけの解像度を得ることができなかった。

本発明の目的は、撮像と焦点検出の両方の機能を兼ね備え、モアレの発生を抑制しうる撮像装置を提供することにある。

本発明の一観点によれば、第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、
第３の光電変換素子と、前記第１の光電変換素子及び前記第３の光電変換素子に集光する第１のレンズと、前記第２の光電変換素子に集光し、前記第１のレンズとは異なる位置に配された第２のレンズと、を有し、前記第１の光電変換素子及び前記第３の光電変換素子は第１の方向に沿って配置されており、前記第３の光電変換素子及び前記第２の光電変換素子は、平面視で前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って配置されており、前記第１の光電変換素子により生成される信号電荷に基づく第１の信号を生成し、前記第１の光電変換素子により生成される信号電荷と前記第２の光電変換素子により生成される信号電荷とを加算した信号電荷に基づく第２の信号を生成し、前記第１の信号を生成する信号電荷が前記第１の光電変換素子により蓄積される期間と前記第２の信号を生成する信号電荷が前記第１の光電変換素子により蓄積される期間とが重なる撮像装置が提供される。

また、本発明の他の一観点によれば、第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、第３の光電変換素子と、前記第１の光電変換素子で生成された信号電荷を転送する第１の転送トランジスタと、前記第２の光電変換素子で生成された信号電荷を転送する第２の転送トランジスタと、前記第１の転送トランジスタ及び前記第２の転送トランジスタにより転送された信号電荷を増幅するトランジスタと、前記トランジスタのゲートに接続されたリセットトランジスタと、前記第１の光電変換素子及び前記第３の光電変換素子に集光する第１のレンズと、前記第２の光電変換素子に集光し、前記第１のレンズとは異なる位置に配された第２のレンズと、を有し、前記第１の光電変換素子及び前記第３の光電変換素子は第１の方向に沿って配置されており、前記第３の光電変換素子及び前記第２の光電変換素子は、平面視で前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って配置された撮像装置の駆動方法であって、前記リセットトランジスタがオン状態において前記第１及び第２の転送トランジスタをオンする工程と、前記第１の転送トランジスタ及び前記第２の転送トランジスタをオフにする工程と、前記リセットトランジスタをオフにする工程と、前記第２の転送トランジスタがオフ状態において、前記第１の転送トランジスタをオンにし、その後、前記第１の転送トランジスタをオフにする工程と、前記第１の転送トランジスタ及び前記第２の転送トランジスタをオンにする工程と、をこの順で有する駆動方法が提供される。

本発明によれば、撮像と焦点検出の両方の機能を兼ね備えた撮像装置において、モアレの発生を効果的に抑制することができる。

本発明の第１実施形態による撮像装置の画素構成を示す平面図である。本発明の第１実施形態による撮像装置の画素構成を示す回路図である。本発明の第１実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。本発明の第２実施形態による撮像装置の画素構成を示す回路図である。本発明の第２実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。本発明の第３実施形態による撮像装置の画素構成を示す平面図である。本発明の第４実施形態による撮像装置の画素構成を示す平面図である。本発明の第５実施形態による撮像システムの構成を示す概略図である。本発明の参考実施形態による撮像装置の画素構成を示す平面配図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による撮像装置及びその駆動方法について図１乃至図３を用いて説明する。

図１は、本実施形態による撮像装置の画素構成を示す平面図である。図２は、本実施形態による撮像装置の画素構成を示す回路図である。図３は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。

はじめに、本実施形態による撮像装置の構造について図１及び図２を用いて説明する。

本実施形態の撮像装置１００、例えばＣＭＯＳイメージセンサの撮像領域には、行方向及び列方向に沿って画素が２次元アレイ状に配列された画素アレイが設けられている。画素アレイは、特に限定されるものではないが、例えば、１０８０行×１９２０列の画素を含むものとすることができる。図１には、このような画素アレイのうち、４行（第ｎ画素行から第ｎ＋３画素行）×４列（第Ｎ画素列から第Ｎ＋３画素列）の画素アレイを抜き出して示している。

撮像領域には、画素アレイの行列に対応して、マイクロレンズ３０が２次元アレイ状に配置されている。マイクロレンズ３０は、１つの行と１つの列とによって規定される各単位領域２０にそれぞれ１つずつ配置されている。各単位領域２０には、行方向に隣接して、それぞれ２つずつの光電変換部２２，２４が配置されている。光電変換部２２，２４は、光電変換素子、例えばフォトダイオードが配置された領域である。ここでは、各単位領域２０の左側の光電変換部を光電変換部２２と呼び、右側の光電変換部を光電変換部２４と呼ぶものとする。光電変換部２２と光電変換部２４とは、行方向に沿った異なる位置に配置されている。光電変換部２２（フォトダイオード）の平面的な形状と光電変換部２４（フォトダイオード）の平面的な形状とは、列方向に沿った単位領域２０の中心線に対して対称（ミラー対称）になっている。マイクロレンズ３０は、入射する光を、対応する単位領域２０の光電変換部２２，２４（光電変換素子）に集光する。

ここで、撮像領域を構成する画素の最小単位である単位画素１０は、同じ列の異なる行（異なる単位領域２０）に配置された２つの光電変換部２２，２４を含む。図１の例では、例えば、第ｎ画素行−第Ｎ画素列の単位領域２０に含まれる光電変換部２２と、第ｎ＋１画素行−第Ｎ画素列の単位領域２０に含まれる光電変換部２４とにより、１つの単位画素１０が構成される。また、第ｎ画素行−第Ｎ画素列の単位領域に含まれる光電変換部２４と、第ｎ＋１画素行−第Ｎ画素列の単位領域２０に含まれる光電変換部２２とにより、１つの単位画素１０が構成される。

このように単位画素１０を構成することで、１つの単位画素１０を構成する２つの光電変換部２２，２４上には、同じ列に配置された異なるマイクロレンズ３０が配置されることになる。１つの単位画素１０を構成する２つの光電変換部２２，２４上に配置されるマイクロレンズ３０は、互いに近接して配置されていることが望ましい。ここで、マイクロレンズ３０が近接して配置されているとは、２つのマイクロレンズ３０が最大で５画素ピッチ列方向に離間して配置されている状態を示すものとする。図１に示す例は、２つのマイクロレンズ３０が列方向に隣り合って配置されている場合である。

単位画素１０を構成する２つの光電変換部２２，２４は、所定の方向に瞳分割を行うための配置を有している。図１には、撮像系の水平方向（横方向）に瞳分割を行うための配置を示している。撮像系の光軸及び撮影画面の長辺が地面に対して平行となるように撮像装置を構えたとき、この光軸に直交し且つ水平方向に伸びる直線に沿った方向が瞳分割を行う方向となる。

各光電変換部２２，２４に入射する光の光路上には、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のいずれかの色のカラーフィルタ２６（２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂ）が配置されている。一の単位画素１０内に設けられた２つのカラーフィルタ２６は、等しい光の透過特性、すなわち同じ色を有している。例えば、図１において第ｎ画素行−第Ｎ画素列の光電変換部２２と第ｎ＋１画素行−第Ｎ画素列の光電変換部２４とを含む単位画素１０では、光電変換部２２，２４に赤色（Ｒ）のカラーフィルタ２６Ｒが配置されている。一の単位領域２０内に設けられた２つのカラーフィルタ２６は、異なる光の透過特性、すなわち異なる色を有している。例えば、図１において第ｎ画素行−第Ｎ画素列に位置する単位領域２０では、光電変換部２２に赤色（Ｒ）のカラーフィルタ２６Ｒが配置され、光電変換部２４に緑色（Ｇ）のカラーフィルタ２６Ｇが配置されている。

本実施形態の撮像装置では、上述のように、１つの単位画素１０内の２つのフォトダイオードに入射する光を集光するマイクロレンズ３０を、異なる行に配置された別々のマイクロレンズ３０としている。これにより、列方向に、フォトダイオードの個数に応じた解像度を得ることができる。したがって、１つの単位画素内の２つのフォトダイオード上に同じマイクロレンズを配置する場合（後述する参考実施形態を参照）と比較して、列方向の解像度を高めることができ、モアレの発生を効果的に抑制することができる。

図１に示す画素配置の撮像装置は、例えば図２に示す回路により構成することができる。

各単位領域２０は、フォトダイオード４２，４４、転送ＭＯＳトランジスタ４６，４８、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０、リセットＭＯＳトランジスタ５２及び選択ＭＯＳトランジスタ５４を有している。ここで、フォトダイオード４２が光電変換部２２を構成する光電変換素子であり、フォトダイオード４４が光電変換部２４を構成する光電変換素子であるものとする。

第ｎ画素行−第Ｎ画素列の単位領域２０に着目すると、フォトダイオード４２のアノード端子は接地電圧線に接続され、カソード端子は転送ＭＯＳトランジスタ４６のソース端子に接続されている。フォトダイオード４４のアノード端子は接地電圧線に接続され、カソード端子は転送ＭＯＳトランジスタ４８のソース端子に接続されている。転送ＭＯＳトランジスタ４６のドレイン端子は、リセットＭＯＳトランジスタ５２のソース端子及びソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０のゲート端子に接続されている。リセットＭＯＳトランジスタ５２のドレイン端子、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０のドレイン端子は、電源電圧線５６に接続されている。ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０のソース端子は、選択ＭＯＳトランジスタ５４のソース端子に接続されている。

転送ＭＯＳトランジスタ４６のドレイン端子、リセットＭＯＳトランジスタ５２のソース端子、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０のゲート端子の接続ノードは、フローティングディフュージョン領域（以下、「ＦＤ領域」という）５８を構成する。図２では、ＦＤ領域５８を、接地電圧線と、転送ＭＯＳトランジスタ４６のドレイン端子、リセットＭＯＳトランジスタ５２のソース端子及びソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０のゲート端子の接続ノードとの間に接続された容量素子で表している。

フォトダイオード４４及び転送ＭＯＳトランジスタ４８は、同じ単位領域２０に含まれるフォトダイオード４２の単位画素１０とは異なる単位画素１０であって、列を同じとする他の単位画素１０のＦＤ領域５８に接続されている。図２の例では、例えば、第ｎ＋１画素行−第Ｎ画素列の単位領域２０の転送ＭＯＳトランジスタ４８のドレイン端子が、第ｎ画素行−第Ｎ画素列の単位領域２０のＦＤ領域５８に接続されている。すなわち、図２において太線で囲ったフォトダイオード４２とフォトダイオード４４とが、１つの単位画素１０の光電変換部２２と光電変換部２４とに、それぞれ対応する。

なお、トランジスタのソース端子とドレイン端子の名称は、トランジスタの導電型や着目する機能等に応じて異なることがあり、上述のソース端子とドレイン端子とは逆の名称で呼ばれることもある。

画素アレイの各行には、行方向に延在して、信号線ＴＸＡ、信号線ＴＸＢ、信号線ＲＥＳ、信号線ＳＥＬが、それぞれ配置されている。信号線ＴＸＡは、転送ＭＯＳトランジスタ４６を制御するためのＴＸＡ信号が出力される信号線であり、行方向に並ぶ単位領域２０の転送ＭＯＳトランジスタ４６のゲート端子にそれぞれ接続されている。信号線ＴＸＢは、転送ＭＯＳトランジスタ４８を制御するためのＴＸＢ信号が出力される信号線であり、行方向に並ぶ単位領域２０の転送ＭＯＳトランジスタ４８のゲート端子にそれぞれ接続されている。信号線ＲＥＳは、リセットＭＯＳトランジスタ５２を制御するためのＲＥＳ信号が出力される信号線であり、行方向に並ぶ単位領域２０のリセットＭＯＳトランジスタ５２のゲート端子にそれぞれ接続されている。信号線ＳＥＬは、選択ＭＯＳトランジスタ５４を制御するためのＳＥＬ信号が出力される信号線であり、行方向に並ぶ単位領域２０の選択ＭＯＳトランジスタ５４のゲート端子にそれぞれ接続されている。なお、図２では、各信号線の名称に、行番号ｎに対応した番号をそれぞれ付記している（例えば、ＴＸＡ（ｎ），ＴＸＡ（ｎ＋１））。

画素アレイの各列には、列方向に延在して、垂直出力線Ｖｏｕｔ、電源電圧線５６が、それぞれ配置されている。垂直出力線Ｖｏｕｔは、列方向に並ぶ単位領域２０の選択ＭＯＳトランジスタ５４のドレイン端子にそれぞれ接続されている。電源電圧線５６は、列方向に並ぶ単位領域２０のリセットＭＯＳトランジスタ５２のドレイン端子及びソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタのドレイン端子にそれぞれ接続されている。図２では、垂直出力線Ｖｏｕｔの名称に、列番号Ｎに対応した番号をそれぞれ付記している（Ｖｏｕｔ（Ｎ），Ｖｏｕｔ（Ｎ＋１））。

次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について図２及び図３を用いて説明する。

本実施形態による撮像装置の動作モードには、撮像信号を出力する読み出しモードと、焦点検出用信号を出力する読み出しモードとが含まれる。撮像信号を出力する読み出しモードでは、１つの単位画素１０の２つのフォトダイオード４２，４４により生成された信号電荷を加算して読み出す。焦点検出用信号を出力する読み出しモードでは、１つの単位画素の２つのフォトダイオード４２，４４により生成された信号電荷を、それぞれ独立して読み出す。これら読み出し動作は、図示しない制御部により実行される。

まず、撮像信号を出力する読み出しモードの概略について、図２を用いて説明する。ここでは、第ｎ画素行−第Ｎ画素列の光電変換部２２と第ｎ＋１画素行−第Ｎ画素列の光電変換部２４とを含む単位画素１０からの読み出し動作を例にして説明する。

単位画素１０に光が入射すると、光電変換部２２，２４のフォトダイオード４２，４４での光電変換によって電荷が生成される。

第ｎ画素行の信号線ＴＸＡ（ｎ）と第ｎ＋１画素行の信号線ＴＸＢ（ｎ＋１）とにハイレベルの制御信号を出力し、第ｎ画素行の転送ＭＯＳトランジスタ４６及び第ｎ＋１画素行の転送ＭＯＳトランジスタ４８をオン状態にする。これにより、フォトダイオード４２，４４で生成された信号電荷が加算されてＦＤ領域５８に転送される。

ＦＤ領域５８へ信号電荷が読み出されると、ＦＤ領域５８へ読み出された信号電荷がＦＤ領域５８部の容量によってその量に応じた電圧に変換され、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０のゲート端子に印加される。そして、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０に印加されたゲート電圧に応じて増幅された出力信号が、選択ＭＯＳトランジスタを介して垂直出力線Ｖｏｕｔに出力される。

これにより、１つの単位画素１０の２つのフォトダイオード４２，４４により生成された信号電荷に応じた出力信号を読み出すことができる。

次に、焦点検出用信号を出力する読み出しモードの概略について、図２を用いて説明する。ここでは、第ｎ画素行−第Ｎ画素列の光電変換部２２と第ｎ＋１画素行−第Ｎ画素列の光電変換部２４とを含む単位画素１０からの読み出しを例にして説明する。

第ｎ画素行の信号線ＴＸＡ（ｎ）にハイレベルの制御信号を出力し、第ｎ画素行の転送ＭＯＳトランジスタ４６をオン状態にすると、フォトダイオード４２で生成された信号電荷がＦＤ領域５８に転送される。ＦＤ領域５８へ信号電荷が読み出されると、ＦＤ領域５８へ読み出された信号電荷がＦＤ領域５８部の容量によってその量に応じた電圧に変換され、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０のゲート端子に印加される。そして、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０に印加されたゲート電圧に応じて増幅された出力信号が、選択ＭＯＳトランジスタを介して垂直出力線Ｖｏｕｔに出力される。

一方、第ｎ＋１画素行の信号線ＴＸＢ（ｎ＋１）にハイレベルの制御信号を出力し、第ｎ＋１画素行の転送ＭＯＳトランジスタ４８をオン状態にすると、フォトダイオード４４で生成された信号電荷がＦＤ領域５８に転送される。ＦＤ領域５８へ信号電荷が読み出されると、ＦＤ領域５８へ読み出された信号電荷がＦＤ領域５８部の容量によってその量に応じた電圧に変換され、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０のゲート端子に印加される。そして、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０に印加されたゲート電圧に応じて増幅された出力信号が、選択ＭＯＳトランジスタを介して垂直出力線Ｖｏｕｔに出力される。

これにより、１つの単位画素１０の２つのフォトダイオード４２，４４により生成された信号電荷に応じた出力信号をそれぞれ独立して読み出すことができる。読み出されたこの２つの出力信号が、焦点検出用信号となる。すなわち、２つの出力信号の位相差に基づき、焦点検出を行うことができる。

２つの読み出しモードにおける基本な動作は以上であるが、上述の動作をベースとして種々の態様の読み出し動作を想定することができる。その一例について、図３のタイミング図を用いて説明する。

初期状態において、ＴＸＡ信号，ＴＸＢ信号，ＳＥＬ信号は、ローレベルとされている。ＲＥＳ信号がローレベルからハイレベルへ遷移すると、リセットＭＯＳトランジスタ５２がオン状態となり、ＦＤ領域５８はリセットＭＯＳトランジスタ５２を介して電源電圧線５６に接続される。すなわち、ＦＤ端子５８のリセットが行われる。

次いで、時刻Ｔ１において全画素のＴＸＡ信号とＴＸＢ信号をローレベルからハイレベルへ遷移し、時刻Ｔ２において全画素のＴＸＡ信号とＴＸＢ信号をハイレベルからローレベルへ遷移する。この動作により、転送ＭＯＳトランジスタ４６，４８がオン状態となり、フォトダイオード４２，４４の蓄積電荷がＦＤ領域５８を介してリセットＭＯＳトランジスタ５２のドレイン端子に排出される。すなわち、フォトダイオード４２，４４のリセットが行われる。

時刻Ｔ２において転送ＭＯＳトランジスタ４６，４８がオフ状態になると、撮像のためのフォトダイオード４２，４４の露光が開始される。これにより、フォトダイオード４２，４４において光電変換が生じ、信号電荷が蓄積される。

次いで、時刻Ｔ３において、ＲＥＳ信号をローレベルに遷移し、ＦＤ領域５８のリセットを完了する。また、ＳＥＬ信号をハイレベルに遷移し、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０の出力ノードを垂直出力線Ｖｏｕｔに接続する。

次いで、時刻Ｔ４においてｎ行目のＴＸＡ(ｎ)信号をローレベルからハイレベルへ遷移し、時刻Ｔ５においてｎ行目のＴＸＡ(ｎ)信号をハイレベルからローレベルへ遷移する。この動作により、ｎ行目の転送ＭＯＳトランジスタ４６がオン状態となり、ｎ行目のフォトダイオード４２からＦＤ領域５８へ信号電荷が転送される。ＦＤ領域５８へ信号電荷が読み出されると、ＦＤ領域５８へ読み出された信号電荷がＦＤ領域５８部の容量によってその量に応じた電圧に変換され、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０のゲート端子に印加される。そして、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０に印加されたゲート電圧に応じて増幅された電圧が、選択ＭＯＳトランジスタを介して垂直出力線Ｖｏｕｔに出力される。

次いで、時刻Ｔ６において、ｎ行目のＴＸＡ(ｎ)信号及びｎ＋１行目のＴＸＢ(ｎ＋１)信号をローレベルからハイレベルへ遷移し、時刻Ｔ７においてｎ行目のＴＸＡ(ｎ)信号及びｎ＋１行目のＴＸＢ(ｎ＋１)信号をハイレベルからローレベルへ遷移する。この動作により、ｎ行目の転送ＭＯＳトランジスタ４６がオン状態となり、ｎ行目のフォトダイオード４２の信号電荷がＦＤ領域５８へ転送される。また、ｎ＋１行目の転送ＭＯＳトランジスタ４８がオン状態となり、ｎ＋１行目のフォトダイオード４４の信号電荷がＦＤ領域５８へ転送される。これにより、ＦＤ領域５８の信号電荷は、フォトダイオード４２により生成された信号電荷と、フォトダイオード４４により生成された信号電荷との和となる。ＦＤ領域５８へ信号電荷が読み出されると、ＦＤ領域５８へ読み出された信号電荷がＦＤ領域５８部の容量によってその量に応じた電圧に変換され、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０のゲート端子に印加される。そして、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０に印加されたゲート電圧に応じて増幅された出力信号が、選択ＭＯＳトランジスタを介して垂直出力線Ｖｏｕｔ（Ｎ）に出力される。

以上のフローにおいて、撮像信号の読み出しにおいては、時刻Ｔ６から時刻Ｔ７の間に垂直出力線Ｖｏｕｔに出力される、フォトダイオード４２，４４により生成された信号電荷に応じた出力信号を使用すればよい。

また、焦点検出信号の読み出しにおいては、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５の間に垂直出力線Ｖｏｕｔに出力される、フォトダイオード４２により生成された信号電荷に応じた出力信号を使用する。フォトダイオード４４により生成された信号電荷に応じた出力信号は、フォトダイオード４２，４４により生成された信号電荷に応じた出力信号と、フォトダイオード４２により生成された信号電荷に応じた出力信号とから算出することができる。これにより、フォトダイオード４２により生成された信号電荷に応じた出力信号と、フォトダイオード４４により生成された信号電荷に応じた出力信号とを、独立して得ることができる。

このように、本実施形態によれば、１つの単位画素内に２つのフォトダイオードを含む撮像装置において、これら２つのフォトダイオード上に近接配置した別々のマイクロレンズを配置するので、フォトダイオードの個数に応じた解像度を得ることができる。これにより、モアレの発生を効果的に抑制しつつ、焦点検出機能と撮像機能の両機能を備えた画素を含む撮像装置を実現することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による撮像装置及びその駆動方法について図４及び図５を用いて説明する。図１乃至図３に示す第１実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図４は、本実施形態による撮像装置の構造を示す回路図である。図５は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。

本実施形態による撮像装置は、画素レイアウトは図１に示す第１実施形態による撮像装置と同様であるが、その回路構成が異なっている。本実施形態による撮像装置の単位画素１０は、図４に示すように、フォトダイオード４２からの読み出し回路と、フォトダイオード４４からの読み出し回路とを別々に設けたものである。

フォトダイオード４２のアノード端子は接地電圧線に接続され、カソード端子は転送ＭＯＳトランジスタ４６のソース端子に接続されている。転送ＭＯＳトランジスタ４６のドレイン端子は、リセットＭＯＳトランジスタ５２のソース端子及びソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０のゲート端子に接続されている。リセットＭＯＳトランジスタ５２のドレイン端子、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０のドレイン端子は、電源電圧線５６に接続されている。ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０のソース端子は、選択ＭＯＳトランジスタ５４のソース端子に接続されている。

同様に、フォトダイオード４４のアノード端子は接地電圧線に接続され、カソード端子は転送ＭＯＳトランジスタ４８のソース端子に接続されている。転送ＭＯＳトランジスタ４８のドレイン端子は、リセットＭＯＳトランジスタ６２のソース端子及びソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ６０のゲート端子に接続されている。リセットＭＯＳトランジスタ６２のドレイン端子、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ６０のドレイン端子は、電源電圧線５６に接続されている。ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ６０のソース端子は、選択ＭＯＳトランジスタ６４のソース端子に接続されている。

画素アレイの各行には、行方向に延在して、信号線ＴＸＡ、信号線ＴＸＢ、信号線ＲＥＳ、信号線ＳＥＬが、それぞれ配置されている。信号線ＴＸＡは、行方向に並ぶ単位領域２０の転送ＭＯＳトランジスタ４６のゲート端子にそれぞれ接続されている。信号線ＴＸＢは、行方向に並ぶ単位領域２０の転送ＭＯＳトランジスタ４８のゲート端子にそれぞれ接続されている。信号線ＲＥＳは、行方向に並ぶ単位領域２０のリセットＭＯＳトランジスタ５２のゲート端子にそれぞれ接続されている。信号線ＳＥＬは、行方向に並ぶ単位領域２０の選択ＭＯＳトランジスタ５４のゲート端子にそれぞれ接続されている。

画素アレイの各列には、列方向に延在して、２本の垂直出力線Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２がそれぞれ配置されている。垂直出力線Ｖｏｕｔ１は、列方向に並ぶ単位画素１０の選択ＭＯＳトランジスタ５４のドレイン端子にそれぞれ接続されている。垂直出力線Ｖｏｕｔ１は、列方向に並ぶ単位画素１０の選択ＭＯＳトランジスタ６４のドレイン端子にそれぞれ接続されている。図４では、垂直出力線Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２の名称に、列番号Ｎに対応した番号をそれぞれ付記している（例えば、Ｖｏｕｔ１（Ｎ），Ｖｏｕｔ１（Ｎ＋１））。

次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について、図５のタイミング図を用いて説明する。

初期状態において、ＴＸＡ信号，ＴＸＢ信号，ＳＥＬ信号は、ローレベルとされている。ＲＥＳ信号がローレベルからハイレベルへ遷移すると、リセットＭＯＳトランジスタ５２，６２がオン状態となり、ＦＤ領域５８，６８はリセットＭＯＳトランジスタ５２，６２を介して電源電圧線５６に接続される。すなわち、ＦＤ領域５８，６８のリセットが行われる。

次いで、時刻Ｔ１において全画素のＴＸＡ信号とＴＸＢ信号をローレベルからハイレベルへ遷移し、時刻Ｔ２において全画素のＴＸＡ信号とＴＸＢ信号をハイレベルからローレベルへ遷移する。この動作により、転送ＭＯＳトランジスタ４６がオン状態となり、フォトダイオード４２の蓄積電荷がＦＤ領域５８を介してリセットＭＯＳトランジスタ５２のドレイン端子に排出される。また、転送ＭＯＳトランジスタ４８がオン状態となり、フォトダイオード４４の蓄積電荷がＦＤ領域６８を介してリセットＭＯＳトランジスタ６２のドレイン端子に排出される。すなわち、フォトダイオード４２，４４のリセットが行われる。

次いで、時刻Ｔ３において、ＲＥＳ信号をローレベルに遷移し、ＦＤ領域５８，６８のリセットを完了する。また、ＳＥＬ信号をハイレベルに遷移し、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０，６０の出力ノードを垂直出力線Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２にそれぞれ接続する。

次いで、時刻Ｔ４において、ｎ行目のＴＸＡ(ｎ)信号及びｎ＋１行目のＴＸＢ(ｎ＋１)信号をローレベルからハイレベルへ遷移し、時刻Ｔ５においてｎ行目のＴＸＡ(ｎ)信号及びｎ行目のＴＸＢ(ｎ＋１)信号をハイレベルからローレベルへ遷移する。

この動作により、ｎ行目の転送ＭＯＳトランジスタ４６がオン状態となり、ｎ行目のフォトダイオード４２の信号電荷がＦＤ領域５８へ転送される。ＦＤ領域５８へ信号電荷が読み出されると、ＦＤ領域５８へ読み出された信号電荷がＦＤ領域５８部の容量によってその量に応じた電圧に変換され、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０のゲート端子に印加される。そして、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ５０に印加されたゲート電圧に応じて増幅された出力信号が、選択ＭＯＳトランジスタを介して垂直出力線Ｖｏｕｔ１（Ｎ）に出力される。

また、ｎ＋１行目の転送ＭＯＳトランジスタ４８がオン状態となり、ｎ＋１行目のフォトダイオード４４の信号電荷がＦＤ領域６８へ転送される。ＦＤ領域６８へ信号電荷が読み出されると、ＦＤ領域６８へ読み出された信号電荷がＦＤ領域６８部の容量によってその量に応じた電圧に変換され、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ６０のゲート端子に印加される。そして、ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ６０に印加されたゲート電圧に応じて増幅された出力信号が、選択ＭＯＳトランジスタを介して垂直出力線Ｖｏｕｔ２（Ｎ）に出力される。

これにより、垂直出力線Ｖｏｕｔ１（Ｎ）にはフォトダイオード４２により生成された信号電荷に応じた出力信号が出力され、垂直出力線Ｖｏｕｔ２（Ｎ）にはフォトダイオード４４により生成された信号電荷に応じた出力信号が出力される。したがって、これら出力信号は、焦点検出信号として使用することができる。また、これら２つの出力信号を、撮像信号として使用することができる。

第１実施形態による撮像装置では、焦点検出信号及び撮像信号の計２回の読み出しが必要であった。これに対し、本実施形態による撮像装置では、フォトダイオード４２とフォトダイオード４４の電荷をそれぞれ独自に、且つ、同時に読み出すことで、読み出し回数を１回に削減することができ、読み出し速度を向上することができる。

このように、本実施形態によれば、第１実施形態による撮像装置により得られる上述の効果に加え、読み出し速度を向上することができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による撮像装置について図６を用いて説明する。図１乃至図５に示す第１及び第２実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図６は、本実施形態による撮像装置の撮像領域の画素構成を示す平面図である。

第１実施形態による撮像装置では、同じ列の異なる行（異なる単位領域２０）に配置された２つの光電変換部２２，２４を含む単位画素１０を構成した。これに対し、本実施形態による撮像装置では、異なる列の異なる行（異なる単位領域２０）に配置された２つの光電変換部２２，２４を含む単位画素１０を構成している。

図６の例では、例えば、第ｎ画素行−第Ｎ画素列の単位領域２０に含まれる光電変換部２４と、第ｎ＋１画素行−第Ｎ＋１画素列の単位領域２０に含まれる光電変換部２２とにより、１つの単位画素１０が構成されている。すなわち、１つの単位画素１０に含まれる光電変換部２２及び光電変換部２４上には、行位置及び列位置が共に異なるマイクロレンズ３０が配置されている。

本実施形態の撮像装置では、上述のように、１つの単位画素１０を構成する光電変換部２２及び光電変換部２４上に、行位置及び列位置が共に異なるマイクロレンズ３０を配置している。これにより、行方向及び列方向に、フォトダイオードの個数に応じた解像度を得ることができる。したがって、１つの単位画素内の２つのフォトダイオード上に同じマイクロレンズを配置する場合（後述する参考実施形態を参照）と比較して、行方向及び列方向の解像度を高めることができ、モアレの発生を効果的に抑制することができる。

本実施形態による撮像装置の回路構成及び駆動方法は、第１又は第２実施形態の撮像装置と同様にすることができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像装置について図７を用いて説明する。図１乃至図６に示す第１乃至第３実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図７は、本実施形態による撮像装置の撮像領域の画素構成を示す平面図である。

本実施形態による撮像装置は、１つの単位画素１０を構成する光電変換部２２，２４のＦＤ領域５８が、半導体基板内に形成された共通の１つの不純物拡散領域により形成されたものである。このような構成とする場合、光電変換部２２の画素レイアウトと、光電変換部２４の画素レイアウトは、ＦＤ領域５８の中心に対して点対称になるように配置することが望ましい。

ＦＤ領域５８は、通常、半導体基板内に形成された不純物拡散領域によって構成される。１つの単位画素１０内の光電変換部２２のＦＤ領域５８と光電変換部２４のＦＤ領域５８を別々の不純物拡散領域で形成した場合、図２の回路を構成するためにはこれらを接続する配線が必要となる。１つの単位画素１０内の光電変換部２２のＦＤ領域５８と光電変換部２４のＦＤ領域５８を１つの不純物拡散領域によって形成することにより、これらを接続する配線が不要となり、フォトダイオード４２，４４の開口面積をより大きくすることができる。これにより、より高感度の撮像装置を実現することができる。

このように、本実施形態によれば、単位画素を構成する２つのフォトダイオードに接続されるＦＤ領域を共通の１つの不純物拡散領域により形成するので、フォトダイオード４２，４４の開口面積を拡大することができる。これにより、より高感度の撮像装置を実現することができる。

［第５実施形態］

本発明の第５実施形態による撮像システムについて図８を用いて説明する。図１乃至図７に示す第１乃至第４実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。

図８は、本実施形態によ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、撮像装置１００、映像信号処理部８３０、記録・通信部８４０、タイミング制御部８５０、システム制御部８６０、及び再生・表示部８７０を含む。撮像装置１００は、撮像装置１００及び映像信号処理部８３０を有する。撮像装置１００は、先の実施形態で説明した撮像装置１００が用いられる。

レンズ等の光学系である光学部８１０は、被写体からの光を撮像装置１００の、複数の単位画素１０が２次元状に配列された画素部に結像させ、被写体の像を形成する。撮像装置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、画素部に結像された光に応じた信号を出力する。撮像装置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、システム制御部８６０による制御に基づいて撮像装置１００及び映像信号処理部８３０の駆動タイミングを制御する。

このようにして、第１乃至第４実施形態による撮像装置を適用した撮像システムを構成することにより、モアレを抑制した撮像が可能な高性能の撮像システムを構成することができる。

［参考実施形態］
本発明の参考実施形態による撮像装置について図９を用いて説明する。図１乃至図７に示す第１乃至第４実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図９は、本実施形態による撮像装置の撮像領域の画素構成を示す平面図である。

本実施形態による撮像装置１００は、１つの単位画素１０を構成する光電変換部２２，２４が、１つの単位領域２０内に配置された光電変換部２２，２４によって構成されたものである。すなわち、単位画素１０は、同じ行の同じ列に配置された２つの光電変換部２２，２４を含む。この単位画素１０では、１つの単位画素１０を構成する２つの光電変換部２２，２４上には、同じマイクロレンズ３０が配置されることになる。

ここで、例えば赤色（Ｒ）のカラーフィルタ２６Ｒが配置された光電変換部２２，２４に着目すると、赤色に対応する光電変換部２２，２４上に配置されたマイクロレンズ３０は、行方向及び列方向に２画素ピッチで繰り返し配置されている。

一方、図１に示す第１実施形態による撮像装置では、赤色に対応する光電変換部２２，２４上に配置されたマイクロレンズ３０は、行方向には２画素ピッチで繰り返し配置されているが、列方向には１画素ピッチで繰り返し配置されている。したがって、第１実施形態による撮像装置は、列方向の解像度が本実施形態による撮像装置よりも高くなっており、よりモアレを抑制する効果がある。

また、図６に示す第３実施形態による撮像装置では、赤色に対応する光電変換部２２，２４上に配置されたマイクロレンズ３０は、行方向に１画素ピッチで繰り返し配置され、且つ、列方向にも１画素ピッチで繰り返し配置されている。したがって、第３実施形態による撮像装置は、行方向及び列方向の解像度が本実施形態及び第１実施形態による撮像装置よりも高くなっており、よりモアレを抑制する効果がある。

［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、単位画素にそれぞれ２ずつのフォトダイオードを配置した例を示したが、３つ以上のフォトダイオードを配置するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、マイクロレンズの位置に対応する単位領域にそれぞれ２ずつのフォトダイオードを配置した例を示したが、３つ以上のフォトダイオードを配置するようにしてもよい。

また、上記第４実施形態では、第１実施形態の撮像装置において１つの単位画素を構成する光電変換部のＦＤ領域を共有したが、第２又は第３実施形態の撮像装置において１つの単位画素を構成する光電変換部のＦＤ領域を共有してもよい。

上記実施形態は、本発明を適用しうる幾つかの態様を例示したものに過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜修正や変形を行うことを妨げるものではない。

１０単位画素
２０単位領域
２６Ｒ，２６Ｂ，２６Ｇカラーフィルタ
３０マイクロレンズ
４２，４４フォトダイオード
４６，４８転送ＭＯＳトランジスタ
５０，６０ソースフォロア入力ＭＯＳトランジスタ
５２，６２リセットＭＯＳトランジスタ
５４，６４選択ＭＯＳトランジスタ

Claims

第１の光電変換素子と、
第２の光電変換素子と、
第３の光電変換素子と、
前記第１の光電変換素子及び前記第３の光電変換素子に集光する第１のレンズと、
前記第２の光電変換素子に集光し、前記第１のレンズとは異なる位置に配された第２のレンズと、を有し、
前記第１の光電変換素子及び前記第３の光電変換素子は第１の方向に沿って配置されており、
前記第３の光電変換素子及び前記第２の光電変換素子は、平面視で前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って配置されており、
前記第１の光電変換素子により生成される信号電荷に基づく第１の信号を生成し、
前記第１の光電変換素子により生成される信号電荷と前記第２の光電変換素子により生成される信号電荷とを加算した信号電荷に基づく第２の信号を生成し、
前記第１の信号を生成する信号電荷が前記第１の光電変換素子により蓄積される期間と前記第２の信号を生成する信号電荷が前記第１の光電変換素子により蓄積される期間とが重なる
ことを特徴とする撮像装置。
前記第１のレンズを介して前記第１の光電変換素子に入射する光の光路に配置された第１のフィルタと、
前記第１のレンズを介して前記第３の光電変換素子に入射する光の光路に配置され、前記第１のフィルタとは光の透過特性が異なる第３のフィルタと
を更に有することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記第２のレンズを介して前記第２の光電変換素子に入射する光の光路に配置され、前記第１のフィルタと光の透過特性が等しい第２のフィルタを更に有する
ことを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
前記第１のレンズ及び前記第２のレンズを含む複数のレンズが２次元アレイを構成するように行方向及び列方向に並んで配置されており、前記第１のレンズと前記第２のレンズとは、前記２次元アレイの同じ列の異なる行に配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記第１のレンズ及び前記第２のレンズを含む複数のレンズが２次元アレイを構成するように行方向及び列方向に並んで配置されており、前記第１のレンズと前記第２のレンズとは、画素アレイの異なる列の異なる行に配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記第１の光電変換素子の形状と前記第２の光電変換素子の形状は、瞳分割の方向にミラー対称になっている
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記第２の信号を撮像信号として使用し、前記第１の信号と前記第２の光電変換素子により生成される信号電荷に基づく第３の信号とを焦点検出信号として使用する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記第３の信号は、前記第１の信号及び前記第２の信号から算出する
ことを特徴とする請求項７記載の撮像装置。
前記第１の光電変換素子と前記第２の光電変換素子は、フローティングディフュージョン領域を共有している
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
第４の光電変換素子、第５の光電変換素子、及び第６の光電変換素子を更に有し、
前記第４の光電変換素子、前記第１の光電変換素子、及び前記第３の光電変換素子が前記第１の方向に沿って順に配置されており、
前記第５の光電変換素子、前記第１の光電変換素子、及び前記第６の光電変換素子が、平面視で前記第２の方向に沿って順に配置されており、
前記第１の光電変換素子、前記第２の光電変換素子、前記第３の光電変換素子、前記第４の光電変換素子、前記第５の光電変換素子、及び前記第６の光電変換素子の光路にはそれぞれカラーフィルタが配置されており、
前記第１の光電変換素子の光路に配置されたカラーフィルタの色は、前記第３の光電変換素子、前記第４の光電変換素子、前記第５の光電変換素子、及び前記第６の光電変換素子のそれぞれの光路に配置されたカラーフィルタとは異なる色である
ことを特徴とする請求項９記載の撮像装置。
前記第１の信号を生成する信号電荷が前記第１の光電変換素子により蓄積される期間と前記第２の信号を生成する信号電荷が前記第２の光電変換素子により蓄積される期間とが重なる
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置へ被写体の像を結像する光学系と
を含むことを特徴とする撮像システム。
第１の光電変換素子と、
第２の光電変換素子と、
第３の光電変換素子と、
前記第１の光電変換素子で生成された信号電荷を転送する第１の転送トランジスタと、
前記第２の光電変換素子で生成された信号電荷を転送する第２の転送トランジスタと、
前記第１の転送トランジスタ及び前記第２の転送トランジスタにより転送された信号電荷を増幅するトランジスタと、
前記トランジスタのゲートに接続されたリセットトランジスタと、
前記第１の光電変換素子及び前記第３の光電変換素子に集光する第１のレンズと、
前記第２の光電変換素子に集光し、前記第１のレンズとは異なる位置に配された第２のレンズと、を有し、
前記第１の光電変換素子及び前記第３の光電変換素子は第１の方向に沿って配置されており、
前記第３の光電変換素子及び前記第２の光電変換素子は、平面視で前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って配置された撮像装置の駆動方法であって、
前記リセットトランジスタがオン状態において前記第１及び第２の転送トランジスタをオンする工程と、
前記第１の転送トランジスタ及び前記第２の転送トランジスタをオフにする工程と、
前記リセットトランジスタをオフにする工程と、
前記第２の転送トランジスタがオフ状態において、前記第１の転送トランジスタをオンにし、その後、前記第１の転送トランジスタをオフにする工程と、
前記第１の転送トランジスタ及び前記第２の転送トランジスタをオンにする工程と、をこの順で有する
ことを特徴とする駆動方法。