JP6676317B2 - 撮像装置、および、撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置、および、撮像システムに関する。

近年、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、グローバル電子シャッタを行うことが提案されている。特許文献１、および、特許文献２に記載された撮像装置には、動きの速い被写体を撮影する場合でも被写体像がゆがまないという利点がある。また、特許文献３には、瞳分割位相差方式の焦点検出を行う撮像装置が記載されている。

特開２００４−１１１５９０号公報 特開２００６−２４６４５０号公報 特開２００７−３２５１３９号公報

特許文献１に記載の撮像装置および特許文献３に記載の撮像装置は、１つの画像、あるいは、１フレームを得るための光電変換によって生じた電荷の全部を光電変換部に蓄積している。その後、全画素同時に、光電変換部から保持部に電荷を転送し、次の画像、あるいは、次のフレームを得るための光電変換を開始している。そのため、画素の飽和電荷量を増やすためには、光電変換部の飽和電荷量と保持部の飽和電荷量との両方をほぼ同じ大きさで確保しなければならない。光電変換部の飽和電荷量を大きくするとその面積が増加する。したがって、画素サイズが大きくなるという課題がある。

特許文献２に記載の撮像装置は、光電変換部では電荷をほとんど蓄積せずに、ほぼすべての電荷を保持部で保持する。そのため、光電変換部の飽和電荷量を増やすことなく、画素の飽和電荷量を増やすことが可能である。しかしながら、この方法では、生じた電荷を蓄積できない期間が生じるため、画質が低下する可能性がある。

以上に説明した通り、従来の技術では、画素の飽和電荷量を大きくすることが困難であった。上記の課題に鑑み、本発明は、グローバル電子シャッタを行うことができる撮像装置において、画素の飽和電荷量を向上させることを目的とする。

本発明の１つの側面に係る実施形態の撮像装置は、入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ前記電荷を転送する第１の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第２の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素と、前記複数の画素の前記増幅部からの信号が出力される出力線と、を有し、前記複数の画素の少なくとも一部の画素の光電変換部は、互いに電気的に分離された複数の蓄積領域を含み、第１の時刻において、前記複数の画素の前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始し、前記第１の時刻から第２の時刻まで、前記複数の画素の少なくとも１つの画素の前記第１の転送スイッチがオフに維持され、かつ、前記少なくとも１つの画素の前記光電変換部が前記第１の時刻から前記第２の時刻までの第１の期間に生じた電荷を蓄積し、前記第１の期間に、前記複数の画素の前記第２の転送スイッチが順にオンし、かつ、前記複数の画素の前記増幅部が順に信号を出力し、前記第２の時刻から第３の時刻までの第２の期間の少なくとも一部に、前記複数の画素の前記保持部が前記第１の期間に生じた電荷を保持し、前記第２の期間の少なくとも一部に、前記複数の画素の前記光電変換部または前記保持部が前記第２の期間に生じた電荷を保持し、前記第３の時刻に、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンからオフに制御される、ことを特徴とする。

本発明の別の側面に係る実施形態の撮像装置は、入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ前記電荷を転送する第１の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第２の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素と、前記複数の画素の前記増幅部からの信号が出力される出力線と、前記複数の画素に含まれる一対の画素の前記光電変換部が瞳の互いに異なる位置を通過した光を受けるように、前記一対の画素に含まれる前記光電変換部を遮光する遮光部と、を有し、第１の時刻において、前記複数の画素の前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始し、前記第１の時刻から第２の時刻まで、前記複数の画素の少なくとも１つの画素の前記第１の転送スイッチがオフに維持され、かつ、前記少なくとも１つの画素の前記光電変換部が前記第１の時刻から前記第２の時刻までの第１の期間に生じた電荷を蓄積し、前記第１の期間に、前記複数の画素の前記第２の転送スイッチが順にオンし、かつ、前記複数の画素の前記増幅部が信号を順に出力し、前記第２の時刻から第３の時刻までの第２の期間の少なくとも一部に、前記複数の画素の前記保持部が前記第１の期間に生じた電荷を保持し、前記第２の期間の少なくとも一部に、前記複数の画素の前記光電変換部または前記保持部が前記第２の期間に生じた電荷を保持し、前記第３の時刻に、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンからオフに制御される、ことを特徴とする。

本発明のさらに別の側面に係る実施形態の撮像装置は、入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ前記電荷を転送する第１の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第２の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素と、前記複数の画素の前記増幅部からの信号が出力される出力線と、を有し、第１の時刻において、前記複数の画素の前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始し、前記第１の時刻から第２の時刻まで、前記複数の画素の少なくとも１つの画素の前記第１の転送スイッチがオフに維持され、かつ、前記少なくとも１つの画素の前記光電変換部が前記第１の時刻から前記第２の時刻までの第１の期間に生じた電荷を蓄積し、前記第１の期間に、前記複数の画素の前記第２の転送スイッチがオンし、かつ、前記複数の画素の前記増幅部が信号を出力し、前記第２の時刻から第３の時刻までの第２の期間の少なくとも一部に、前記複数の画素の前記保持部が前記第１の期間に生じた電荷を保持し、前記第２の期間の少なくとも一部に、前記複数の画素の前記光電変換部または前記保持部が前記第２の期間に生じた電荷を保持し、前記第３の時刻に、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンからオフに制御され、前記複数の画素の少なくとも一部の画素は、像面位相差方式による焦点検出のための信号を出力する、ことを特徴とする。

本発明によれば、飽和電荷量を向上しつつ、グローバル電子シャッタを行うことができる。さらには撮像面において、像面位相差オートフォーカスを実施することが可能となる。

撮像装置の等価回路を表す図である。 撮像装置の断面構造を模式的に表す図である。 撮像装置の上面構造を模式的に表す図である。 撮像装置の駆動パルスを示す図である。 撮像装置の駆動パルスを示す図である。 撮像装置の動作を模式的に示す図である。 撮像装置の等価回路を表す図である。 撮像装置の駆動パルスを示す図である。 撮像装置の動作を模式的に示す図である。 撮像装置の等価回路を表す図である。 撮像装置の断面構造を模式的に表す図である。 撮像装置の上面構造を模式的に表す図である。 撮像装置の駆動パルスを示す図である。 撮像装置の駆動パルスを示す図である。 撮像装置の等価回路を表す図である。 撮像装置の上面構造を模式的に表す図である。 撮像装置の駆動パルスを示す図である。 撮像装置の等価回路を表す図である。 撮像装置の上面構造を模式的に表す図である。 撮像装置の動作を模式的に示す図である。 撮像システムの構成を示す図である。

本発明に係る１つの実施形態は、複数の画素と、複数の画素からの信号が出力される出力線とを備える撮像装置である。複数の画素のそれぞれが、光電変換部と、電荷を保持する保持部と、電荷に基づく信号を出力する増幅部とを有する。さらに、光電変換部から保持部へ電荷を転送する第１の転送スイッチと、保持部から増幅部へ電荷を転送する第２の転送スイッチとが配される。このような構成により、複数の画素の間で光電変換の期間が一致するような撮像動作、いわゆる、グローバル電子シャッタを行うことができる。電子シャッタとは、入射光によって生じた電荷の蓄積を電気的に制御することである。

また、少なくとも一部の画素は、像面位相差方式による焦点検出のための信号を出力する。そのため、グローバル電子シャッタを行うことができるとともに、撮像面における位相差オートフォーカスを実現することができる。いくつかの実施例においては、画素の光電変換部が、互いに電気的に分離された複数の蓄積領域を含む。このような構成により、当該画素は像面位相差方式による焦点検出のための信号を出力することができる。また、いくつかの実施例においては、一対の画素の光電変換部が瞳の互いに異なる位置を通過した光を受けるように、当該一対の画素に含まれる前記光電変換部を遮光する遮光部を有する。このような構成により、当該一対の画素は、それぞれ、像面位相差方式による焦点検出のための信号を出力することができる。

本発明に係るいくつかの実施例では、第１の時刻において、複数の画素の光電変換部が同時に電荷の蓄積を開始する。第１の時刻から第２の時刻まで、少なくとも１つの画素において、第１の転送スイッチがオフに維持される。当該少なくとも１つの画素については、この期間に生じた電荷が光電変換部に蓄積される。第１の時刻から第２の時刻までの期間が第１の期間である。

第１の期間に、複数の画素の保持部に保持された電荷に基づく信号を、増幅部が、順次、出力線へ出力する。言い換えると、当該第１の期間に、各画素が少なくとも１回ずつ信号を出力する。具体的な動作としては、当該第１の期間に、複数の画素の第２の転送スイッチが、順次、オンする。第１の期間に生じた電荷は光電変換部に蓄積されるので、保持部は第１の時刻より前に生じた電荷を、この第１の期間の間、保持することができる。

第１の期間に出力する信号の数は、出力する画像のフォーマットによって変更されうる。例えば動画の撮影であれば、１フレームに用いられる水平ラインの数だけ信号が出力されればよい。このような実施形態では、撮像装置が備える画素の全部から信号が出力されなくてもよい。

複数の画素からの信号の出力が終わった後、第２の時刻から第３の時刻までの第２の期間の少なくとも一部において、複数の画素の保持部が電荷を保持する。このとき、保持部は、第１の期間で生じた電荷と第２の期間で生じた電荷とを保持する。第３の時刻に、複数の画素の第１の転送スイッチが同時にオンからオフに制御される。

光電変換部は、少なくとも第１の期間に生じる電荷を蓄積できればよいため、光電変換部の飽和電荷量が小さくても、画素の飽和電荷量を維持することができる。したがって、このような構成により、飽和電荷量を維持しつつ、グローバル電子シャッタを行うことができる。なお、いくつかの実施例では、複数の画素の保持部が電荷を保持している第２の期間は、第１の期間よりも長い。第２の期間が第１の期間より長いことにより、光電変換部の飽和電荷量をより小さくできるためである。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。もちろん、本発明に係る実施例は、以下に説明される実施例のみに限定されない。例えば、以下のいずれかの実施例の一部の構成を、他の実施例に追加した例、あるいは他の実施例の一部の構成と置換した例も本発明の実施例である。また、以下の実施例では、第１導電型がＮ型であり、第２導電型がＰ型である。しかし、第１導電型がＰ型であり、第２導電型がＮ型であってもよい。

実施例１について説明する。図１は、撮像装置の画素の等価回路を示している。図１には９個の画素２０が示されているが、撮像装置はさらに多くの画素を有している。

各画素２０は、光電変換部１、保持部２、増幅部１０、第１の転送スイッチ４、および、第２の転送スイッチ５を含む。さらに、画素２０は、リセットトランジスタ９、選択トランジスタ７を含む。

光電変換部１は、入射光によって生じた電荷を蓄積する。第１の転送スイッチ４は、光電変換部１の電荷を保持部２に転送する。保持部２は、入射光によって生じた電荷を、光電変換部１とは別の場所で保持する。第２の転送スイッチ５は、保持部２の電荷を増幅部１０の入力ノード３に転送する。リセットトランジスタ９は、増幅部１０の入力ノード３の電圧をリセットする。選択トランジスタ７は、出力線８に信号を出力する画素２０を選択する。増幅部１０は、入射光によって生じた電荷に基づく信号を出力線８に出力する。増幅部１０は、例えばソースフォロアを構成する増幅トランジスタを含む。また、第１の転送スイッチ４、および、第２の転送スイッチ５は、それぞれ、ＭＯＳトランジスタである。

第１の転送スイッチ４には、制御線Ｔｘ１が接続される。第２の転送スイッチ５には、制御線Ｔｘ２が接続される。本実施例では、複数の画素が行列状に配される。１つの行に含まれる画素には共通の制御線が接続される。そこで、例えばｍ行目の画素については、制御線Ｔｘ１（ｍ）と表記する。

このような構成により、保持部２が電荷を保持している間に生じた電荷を、光電変換部１が蓄積することができる。そのため、複数の画素の間で光電変換の期間が一致するような撮像動作、いわゆる、グローバル電子シャッタを行うことができる。

図２は、撮像装置の断面構造を模式的に示している。図２（ａ）、（ｂ）、および、（ｃ）のそれぞれに１の画素の断面が示されている。便宜的に、図２（ａ）に示された画素を画素２０ａと呼ぶ。同様に、図２（ｂ）に示された画素を画素２０ｂ、図２（ｃ）に示された画素を画素２０ｃと呼ぶ。図１と同じ機能を有する部分には同様の符号を付してある。図２は表面照射型の撮像装置を示しているが、裏面照射型としてもよい。

図２（ａ）〜（ｃ）において、光電変換部１は埋め込み型のフォトダイオード構造を有する。光電変換部１は、Ｎ型の半導体領域１１、および、Ｐ型の半導体領域１２を含む。Ｎ型の半導体領域１１、および、Ｐ型の半導体領域１２がＰＮ接合を構成する。Ｐ型の半導体領域１２により界面のノイズを抑制することが可能となる。

Ｐ型の半導体領域１４はウェルである。Ｎ型の半導体領域１１の下に、Ｎ型の半導体領域１３が配される。Ｎ型の半導体領域１３の不純物濃度は、Ｎ型の半導体領域１１の不純物濃度より低い。これにより、深い位置で生じた電荷がＮ型の半導体領域に収集される。ここでは、Ｎ型の半導体領域１３はＰ型でもよい。Ｎ型の半導体領域１３の下には、電荷に対するポテンシャルバリアとなるＰ型の半導体領域１７が配される。

保持部２は、Ｎ型の半導体領域２０１、および、Ｐ型の半導体領域２０２を含む。Ｎ型の半導体領域２０１に、信号となる電荷が保持される。Ｎ型の半導体領域２０１の不純物濃度は、Ｎ型の半導体領域１１の不純物濃度より高い。Ｐ型の半導体領域２０２は、Ｎ型の半導体領域２０１の上に配される。Ｐ型の半導体領域２０２により界面のノイズを抑制することが可能となる。

ゲート電極４０は、第１の転送スイッチ４のゲートを構成する。また、ゲート電極５０は、第２の転送スイッチ５のゲートを構成する。いくつかの変形例においては、Ｎ型の半導体領域２０１の上に、ゲート絶縁膜を介して、ゲート電極４０の一部が配される。そして、ゲート電極４０とＮ型の半導体領域２０１との間には、Ｐ型の半導体領域２０２が配されない。ゲート電極４０に負の電圧を与えることにより、Ｎ型の半導体領域２０１の表面にホールを誘起することができる。これにより、界面で発生するノイズを抑制することができる。

保持部２は、遮光部２０３によって遮光される。遮光部２０３は、タングステンやアルミニウム等の可視光にとって光を通しにくい金属で形成される。遮光部２０３の開口の上に、カラーフィルタ１００、マイクロレンズ１０１が配される。

図２（ａ）に示された画素２０ａは、焦点検出のための信号を出力せず、撮像用信号を出力する。図２（ｂ）に示された画素２０ｂおよび図２（ｃ）に示された画素２０ｃは、焦点検出のための信号を出力する。図２（ａ）に示された画素２０ａにおける遮光部２０３の開口Ａ０１は、図２（ｂ）に示された画素２０ｂにおける遮光部２０３の開口Ａ０２より大きい。また、図２（ａ）に示された画素２０ａにおける遮光部２０３の開口Ａ０１は、図２（ｃ）に示された画素２０ｂにおける遮光部２０３の開口Ａ０３より大きい。画素２０ｂにおける遮光部２０３の開口Ａ０２と、画素２０ｃにおける遮光部２０３の開口Ａ０３とは、それぞれの光電変換部１が瞳の互いに異なる位置を通過した光を受けるように配置される。例えば、図２（ｂ）が示す通り、画素２０ｂの遮光部２０３の開口Ａ０２は、光電変換部１の中心に対して右側にずれている。画素２０ａと画素２０ｂとを対比すると、画素２０ｂの遮光部２０３の開口Ａ０２は、画素２０ａにおける遮光部２０３の開口Ａ０１の右半分に相当する。また、図２（ｃ）が示す通り、画素２０ｃの遮光部２０３の開口Ａ０３は、光電変換部１の中心に対して左側にずれている。画素２０ａと画素２０ｃとを対比すると、画素２０ｃの遮光部２０３の開口Ａ０３は、画素２０ａにおける遮光部２０３の開口Ａ０１の左半分に相当する。このような構成によって、画素２０ｂおよび画素２０ｃは、それぞれ焦点検出のための信号を出力することができる。画素２０ｂおよび画素２０ｃから出力される一対の信号を処理することにより、撮像面位相差方式の焦点検出を行うことが可能である。

なお、本実施例では遮光部２０３の保持部２の上に配された部分と、光電変換部１の上に配された部分とが連続した金属層で形成されている。

光電変換部１および保持部２は半導体基板に配される。この実施例では、半導体基板の表面と平行な面への光電変換部１の正射影の面積が、当該面への保持部２の正射影の面積より小さい。このような構成によれば、ノイズを低減しつつ、画素の飽和電荷量を増やすことができるという効果が得られる。

図３は、撮像装置の上面構造を模式的に示している。図１および図２と同じ機能を有する部分には同様の符号を付してある。なお、その他の部材は回路領域Ｃｉｒに配される。また、図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ画素２０ａ、２０ｂ、２０ｃにおける線Ａ−Ｂにそった断面を模式的に示している。

図３には５つの画素２０ａ〜２０ｅの上面図が示されている。５つの画素で異なる点は遮光部２０３の形状である。具体的に画素２０ｂ〜２０ｅの遮光部２０３は、それぞれ、光電変換部１の一部の上に配された部分２０３ｂ〜２０３ｅを含む。画素２０ｂと画素２０ｃとにより、光電変換部１の上下がそれぞれ遮光部２０３により覆われた画素の対を構成することができる。この組み合わせにより、上下の位相差を検出することが可能となる。また、画素２０ｄと画素２０ｅとにより、光電変換部１の左右がそれぞれ遮光部２０３により覆われた画素の対を構成することができる。この組み合わせにより、左右の位相差を検出することが可能となる。

なお、焦点検出用画素の遮光部は必ずしも上下左右に対称に配置されなくとも良い、また光電変換部１の中央部に開口の端が来ていなくとも良い。例えば、画素領域の中央から離れた箇所の焦点検出用画素では入射光の角度が異なるため、画素領域内の位置に応じて上下左右の遮光部材が被覆されている割合を適宜変更することも可能である。

また、図３では焦点検出用画素で追加となる遮光部を上下左右の遮光部と接する形状としているが、異なる層の遮光部材とし、いずれか一方と重なるような形状としても良い。

さらには、上下左右の焦点検出用画素は必ずしも４つのセットで用いられていなくとも良い。例えば、入射光の角度に応じて画素領域の左右方向には左右の焦点検出用画素のみ、上下方向には上下の焦点検出用画素のみを配置するような構成としても良い。

画素の飽和電荷量を向上させるためには、保持部２が大きな飽和電荷量を持つことが好ましい。保持部２のＮ型の半導体領域２０１の不純物濃度を高くすること、あるいは、平面視におけるＮ型の半導体領域２０１の面積を大きくすることにより、保持部２の飽和電荷量を増やすことができる。しかし、Ｎ型の半導体領域２０１の不純物濃度が高いと、リーク電流などが大きくなりやすく、ノイズが大きくなる可能性がある。そのため、平面視におけるＮ型の半導体領域２０１の面積を大きくすることで、Ｎ型の半導体領域２０１の不純物濃度を抑えつつ、飽和電荷量を増やすことができる。

このように、平面視における保持部２の面積、つまり、保持部２の正射影の面積を大きくすることで、ノイズを低減しつつ、画素の飽和電荷量を増やすことができる。そうすると、相対的に、平面視における光電変換部１の面積が小さくなりやすく、光電変換部１の飽和電荷量を増やすことが困難になる。したがって、光電変換部１の飽和電荷量が小さくても、画素の飽和電荷量を維持できるという効果がより顕著になる。

実施例の撮像装置の駆動方法について説明する。駆動方法に関しては、特に指定がない場合は、撮像用信号を出力する画素および焦点検出のための信号を出力する画素は同様の駆動である。図４は、本実施例で用いられる駆動パルスを模式的に示している。図４では、ｍ−１〜ｍ＋１行目の画素の、第１の転送スイッチ４の制御線Ｔｘ１と第２の転送スイッチ５の制御線Ｔｘ２に供給される駆動パルスが示されている。駆動パルスがハイレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオンする。駆動パルスがローレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオフする。これらの駆動パルスは、撮像装置に配された制御部が供給する。制御部には、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路が用いられる。

まず、時刻Ｔ１より前に、前フレームの露光が行われている。露光とは、光電変換によって生じた電荷が信号として蓄積または保持されることを意味する。時刻Ｔ１より前に生じた電荷は、保持部２に保持されている。前フレームの露光の終了は、光電変換部１から保持部２への電荷の第１の転送スイッチ４を全画素同時にオンからオフへ制御することである（図１の時刻Ｔ１）。

また、時刻Ｔ１においては、光電変換部１の電荷が全て保持部に転送される。つまり、光電変換部１が初期状態になる。そのため、時刻Ｔ１において、３行の画素の光電変換部１が同時に電荷の蓄積を開始する。このように、本実施例では、第１の転送スイッチ４がオフすることで、光電変換部１による電荷の蓄積が開始される。

時刻Ｔ１から第１の期間が経過する時刻Ｔ２までは、第１の転送スイッチ４がオフに維持される。この実施例では、全ての画素の第１の転送スイッチ４がオフに維持される。しかし、少なくとも１つの画素において、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２まで、第１の転送スイッチ４がオフに維持されていればよい。ただし、先に説明した位相差検出用の画素の組み合わせにおいては、同時刻での位相差を検出する用途を考えると、同じ動作をすることが望ましい。

時刻Ｔ１から第１の期間が経過した時が時刻Ｔ２である。すなわち、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間が第１の期間である。第１の期間においては、当該第１の期間に生じる電荷が光電変換部１に蓄積される。一方、第１の期間には、保持部２は前フレームで生じた電荷を保持している。

そして、第１の期間に、保持部２の電荷が増幅部１０の入力ノード３に順次読み出される。具体的には、ｍ行目の第２の転送スイッチ５をオンとすることで、ｍ行目の画素の保持部２の電荷を入力ノード３に転送する。入力ノード３の容量と転送された電荷の量に応じて、入力ノード３の電圧が変化する。増幅部１０によって、入力ノードの電圧に基づく信号が出力線８に出力される。次にｍ＋１行目の画素について同様の動作が行われる。この動作が、１行目の画素から最後の行の画素までのそれぞれにおいて行われる。最後の画素で読み出しが行われた後には、全ての画素の第１の転送スイッチ４および第２の転送スイッチ５がオフしている。

時刻Ｔ２に、第１の転送スイッチ４をオンにする。これにより、光電変換部１の電荷が保持部２に転送される。つまり、時刻Ｔ２以降は、第１の期間に生じた電荷が、保持部２によって保持される。この実施例では、全ての画素の第１の転送スイッチ４が同時にオフからオンに遷移する。しかし、時刻Ｔ２までに、複数の画素の第１の転送スイッチ４がオンしていればよく、遷移のタイミングは互いに異なっていてもよい。たとえば、上述の読み出し動作が終わった画素から順に、第１の転送スイッチ４をオンにしてもよい。

その後、時刻Ｔ２から第２の期間が経過する時刻Ｔ３まで、保持部が、第１の期間に生じた電荷と、第２の期間に生じた電荷との両方を保持する。この実施例では、第２の期間において第１の転送スイッチ４がオンに維持される。そのため、第２の期間に生じた電荷は、即座に保持部２に転送される。なお、光電変換部１から保持部２に電荷を転送する期間は自由に設定することができる。第２の期間の一部で、第１の転送スイッチ４がオフしていてもよい。例えば、複数の画素の第１の転送スイッチ４が時刻Ｔ２でオンし、その後、すぐにオフしてもよい。そして、時刻Ｔ３の直前まで複数の画素の第１の転送スイッチ４がオフに維持されてもよい。図４において、第２の期間の一部に第１の転送スイッチ４がオフする駆動に用いられる制御信号が点線で示されている。

時刻Ｔ３において、全ての行の画素の第１の転送スイッチ４がオンからオフに同時に制御される。これにより、１フレームの露光期間が終了する。このように、全ての画素の間で、露光期間が互いに一致している。つまり、全ての画素において、時刻Ｔ１に露光が開始し、時刻Ｔ３に露光が終了する。また、時刻Ｔ３において、次フレームの露光が開始され、以降、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの動作が繰り返される。

次に、１画素からの信号の読み出しの動作を簡単に説明する。図５は、撮像装置に用いられる駆動パルスを模式的に示している。図５には、選択トランジスタ７に供給される駆動パルスＳＥＬ、リセットトランジスタ９に供給される駆動パルスＲＥＳ、及び、第２の転送スイッチ５に供給される駆動パルスＴｘ２が示される。駆動パルスがハイレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオンする。駆動パルスがローレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオフする。

図５に示される駆動パルスにしたがって、画素の選択、リセット、ノイズ信号の読み出し（Ｎ読み）、電荷の転送、光信号の読み出し（Ｓ読み）が行われる。出力された信号は、撮像装置の外部でＡＤ変換されてもよい。撮像装置の内部でＡＤ変換されてもよい。

続いて本実施例の効果を説明する。図６は、撮像装置の動作を模式的に示している。図６には、第ｎフレームから第ｎ＋１フレームまでの撮像動作が示されている。第ｎフレームに関する動作は実線で、第ｎ＋１フレームに関する動作は点線で示されている。

図６には、各フレームでの露光期間、光電変換部１が電荷を蓄積している期間、および、保持部２が電荷を保持している期間が示されている。また、図６は、第１の期間において、複数の画素の読み出し動作が行われていることを示している。図６における読み出し動作とは、図４および図５で説明した、第２の転送スイッチ５による電荷の転送と、増幅部１０による信号の出力とを含む動作である。

図６が示すように、１フレームの露光が終了してからすぐに、次の露光を開始することができる。したがって、情報が欠落する期間をほとんどなくすことができるため、画質を向上させることができる。

また、図６が示すように、光電変換部１が電荷を蓄積している第１の期間に、複数の画素のそれぞれに対して読み出し動作が行われる。このため、光電変換部１の飽和電荷量が小さくても、画素の飽和電荷量を増加させることができる。画素の飽和電荷量は、１回の露光で生じる電荷のうち、信号として扱うことができる電荷量の最大値である。光電変換部１の飽和電荷量、および、保持部２の飽和電荷量は、それぞれ、光電変換部１が蓄積できる電荷量の最大値、および、保持部２が保持できる電荷量の最大値である。なお、保持部２の飽和電荷量は、光電変換部１の空乏化電圧と保持部２の空乏化電圧との差によって規定される。

１回の露光期間は、第１の期間と第２の期間の合計である。ここで、保持部２に保持された前フレームの電荷は、第１の期間に読み出される。そのため、第１の期間が終われば、保持部２が電荷を保持することができる。したがって、光電変換部１は、少なくとも第１の期間に生じる電荷を蓄積できればよい。通常は、第１の期間に生じる電荷の量は、１回の露光期間に生じる電荷の量より少ないため、光電変換部１の飽和電荷量を小さくすることができるのである。

図６が示すように、本実施例では、光電変換部１が電荷を蓄積している第１の期間と、保持部２が電荷を保持している第２の期間とがほぼ等しい。しかし、保持部２が電荷を保持している第２の期間の方が、第１の期間よりも長くてもよい。あるいは、第１の期間が第２の期間より長くてもよい。

図６では、１行目から順に読み出し動作を行う例を示している。しかし、読み出し動作を行う順序はこの例に限られない。第１の期間に、１フレームを構成する画素のそれぞれに対して少なくとも１回ずつ読み出しが行われればよい。また、少なくとも一部の画素においては、あるフレームで保持部２が電荷の保持を開始してから、次のフレームで当該保持部２が電荷の保持を開始するまでの期間が、露光期間に等しい。

第１の期間に対する、第１の期間と第２の期間との合計の比と、光電変換部１の飽和電荷量に対する保持部２の飽和電荷量の比が、ほぼ等しいことが好ましい。ここで、第１の期間と第２の期間との合計は、１回の露光期間のことである。

この実施例では、第１の期間に対する１回の露光期間の比は２である。つまり、第１の期間は、１回の露光期間の１／２である。例えば、毎秒６０フレームの動画を撮影する場合、第１の期間は１／１２０秒である。

そのため、光電変換部１の飽和電荷量に対する、保持部２の飽和電荷量の比は２に近いことが好ましい。これは、保持部２は１回の露光期間で生じた電荷の全部を保持するのに対し、光電変換部１はその１／２の量の電荷を保持すればよいからである。このような飽和電荷量の比とすることで、光電変換部１と保持部２のサイズを最適化することができる。

なお、本実施例の撮像装置は、ローリングシャッタを行う動作モードを有していてもよい。ローリングシャッタの動作モードでは、複数の画素の光電変換部１による電荷の蓄積を、順次、開始する。その後、複数の画素の第１の転送スイッチ４を、順次、オンに制御する。また、別の方式のグローバル電子シャッタを行う動作モードを有していてもよい。別の方式のグローバル電子シャッタとは、光電変換部１が電荷を蓄積している期間が露光期間と等しくなるような動作である。

以上に説明した通り、本実施例の撮像装置によれば、飽和電荷量を向上しつつ、グローバル電子シャッタを行うことができる。また、同時に蓄積時間を揃えた位相差検出用の信号も出力することが可能となる。

別の実施例を説明する。本実施例では、画素が排出スイッチを有する点が実施例１と異なる。そこで、実施例１と異なる点のみを説明し、実施例１と同様の部分についての説明は省略する。

図７は、撮像装置の画素の等価回路を示している。図１と同様の部分には同じ符号を付してある。

各画素は、排出スイッチ１８を有している。排出スイッチ１８は、光電変換部１の電荷をオーバーフロードレインなどの電源ノード１５に排出する。排出スイッチ１８には、制御線ＯＦＧが接続される。排出スイッチ１８は、例えば、ＭＯＳトランジスタである。

実施例１では、光電変換部１による電荷の蓄積が、第１の転送スイッチ４をオンからオフへ制御することによって開始される。本実施例では、図８で示すように、排出スイッチ１８を制御して、露光開始を制御することも可能である。具体的には、排出スイッチ１８をオンからオフへ制御することで、光電変換部１による電荷の蓄積が開始される。これにより、露光時間を自由に設定することが可能である。

また、第２の期間の一部で、第１の転送スイッチ４がオフしている構成となっているとともに、３回の第１の転送スイッチの駆動を行っている。これにより、光電変換部１の３倍に相当する電荷を最大で扱うことが可能となる。

撮像装置の断面構造および上面図は実施例１と同様である。すなわち、図２および図３は、本実施例の撮像装置の画素の断面構造と上面図とを示している。図２および図３についての説明は、実施例１と同様なので、省略する。

排出スイッチ１８は、制御線ＯＦＧにより供給される電圧に応じて、光電変換部１の電荷が所定の電圧が供給されたオーバーフロードレイン１５に排出される。

実施例の撮像装置の駆動方法について説明する。図８は、本実施例で用いられる駆動パルスを模式的に示している。図８では、ｍ−１〜ｍ＋１行目の画素の、制御線Ｔｘ１、制御線Ｔｘ２、および、制御線ＯＦＧに供給される駆動パルスが示されている。制御線Ｔｘ２に供給される駆動パルスは、実施例１と同じである。

駆動パルスがハイレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオンする。駆動パルスがローレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオフする。これらの駆動パルスは、撮像装置に配された制御部が供給する。制御部には、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路が用いられる。

図８は、時刻Ｔ４に排出スイッチ１８をオンからオフに制御している。排出スイッチ１８がオンしている間は生じた電荷が排出される。そのため、図８の駆動によれば、露光期間は時刻Ｔ４から時刻Ｔ３である。この露光期間の中で制御線Ｔｘ１を複数回駆動することで、光電変換部１から保持部２への電荷の転送を複数回行っている。１回の露光期間は、時刻Ｔ４から時刻ＴＡ１までの期間（１回の転送分の露光期間）、時刻ＴＡ１から時刻ＴＡ２までの期間、および、時刻ＴＡ２から時刻ＴＡ３までの期間の合計である。なお、時刻Ｔ４から時刻ＴＡ１までの期間が、図４の第１の期間に対応する。また、時刻ＴＡ１から時刻ＴＡ３までの期間が、図４の第２の期間に対応する。時刻ＴＡ３と時刻Ｔ３は同時刻である。それぞれの露光期間による蓄積のムラを低減するために、略等しい期間を設定することが望ましい。なお、さらに露光期間を短くするために、時刻Ｔ４を例えば、先の実施例１で説明した第２の期間に設定しても良い。

本実施例によれば、被写体の明るさに応じて、駆動方法を変えることができる。例えば、通常は図４の駆動パルスを用い、明るい時は図８の駆動パルスを用い、さらに明るい時は図８の時刻Ｔ４をさらに後に設定した駆動パルスを用いることができる。

なお、図８においては、時刻Ｔ４に光電変換部１による電荷の蓄積が開始される。そして、時刻Ｔ４から時刻Ｔ３までの間、排出スイッチ１８はオフに維持される。また、読み出し動作は、図５に示された駆動パルスに基づいて行われる。

続いて本実施例の効果を説明する。図９は、撮像装置の動作を模式的に示している。図９には、第ｎフレームから第ｎ＋１フレームまでの撮像動作が示されている。第ｎフレームに関する動作は実線で、第ｎ＋１フレームに関する動作は点線で示されている。

図９には、各フレームでの露光期間、光電変換部１が電荷を蓄積している期間、および、保持部２が電荷を保持している期間が示されている。また、図９は、第１の期間において、複数の画素の読み出し動作が行われていることを示している。図９における読み出し動作とは、図５で説明した、第２の転送スイッチ５による電荷の転送と、増幅部１０による信号の出力とを含む動作である。

図９が示すように、光電変換部１が電荷を蓄積している第１の期間には、撮像装置の備える一部の画素のそれぞれに対してのみ読み出し動作が行われる。この場合でも、光電変換部１の飽和電荷量が小さくても、画素の飽和電荷量を増加させることができる。１回の露光期間は、第１の期間と第２の期間の合計である。ここで、保持部２に保持された前フレームの電荷は、第１の期間またはその前に読み出される。そのため、第１の期間が終われば、保持部２が電荷を保持することができる。したがって、光電変換部１は、少なくとも第１の期間に生じる電荷を蓄積できればよい。通常は、第１の期間に生じる電荷の量は、１回の露光期間に生じる電荷の量より少ないため、光電変換部１の飽和電荷量を小さくすることができる。

第１の期間に対する、第１の期間と第２の期間との合計の比と、光電変換部１の飽和電荷量に対する保持部２の飽和電荷量の比が、ほぼ等しいことが好ましい。ここで、第１の期間と第２の期間との合計は、１回の露光期間のことである。

この実施例では、第１の期間に対する１回の露光期間の比は３である。つまり、第１の期間は、１回の露光期間の１／３である。また、排出スイッチ１８がオンしている排出期間は、第１の期間とほぼ等しい。例えば、毎秒６０フレームの動画を撮影する場合、第１の期間は１／２４０秒である。

そのため、光電変換部１の飽和電荷量に対する、保持部２の飽和電荷量の比は３に近いことが好ましい。これは、保持部２は１回の露光期間で生じた電荷の全部を保持するのに対し、光電変換部１はその１／３の量の電荷を保持すればよいからである。このような飽和電荷量の比とすることで、光電変換部１と保持部２のサイズを最適化することができる。

このように、本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、露光期間を自由に設定することができる。

別の実施例を説明する。本実施例では、撮像面で位相差を検出するための画素の構成が実施例１および実施例２と異なる。そこで、実施例１および実施例２と異なる点のみを説明し、実施例１あるいは実施例２と同様の部分についての説明は省略する。

図１０は、撮像装置の画素の等価回路を示している。図１と同様の部分には同じ符号を付してある。図１と異なる点は、光電変換部１が複数の蓄積領域を含むことである。図１０の回路図においては、便宜的に、光電変換部１ａ、１ｂとして示されている。複数の蓄積領域に対応して、保持部２、第１の転送スイッチ４および第２の転送スイッチ５がそれぞれ２つずつになっていてもよい。具体的には、保持部２は、複数の蓄積領域に対応した複数の保持領域を含む。図１０の回路図においては、便宜的に、保持部２ａ、２ｂとして示されている。第１の転送スイッチ４は、複数の蓄積領域に対応した複数の第１の転送トランジスタ４ａ、４ｂを含む。また、第２の転送スイッチ５は、複数の保持領域に対応した複数の第２の転送トランジスタ５ａ、５ｂを含む。このような構成を用いることで、画素は像面位相差方式による焦点検出のための信号を出力することができる。例えば光電変換部１ａと光電変換部１ｂとをそれぞれ左右に並ぶように配置した場合には、左右方向の位相差を検出するための信号を出力することが可能となる。

増幅部１０の入力ノード３以降に関しては、図１と同様の部材および動作であるため説明を省略する。

このような構成により、保持部２が電荷を保持している間に生じた電荷を、光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂが蓄積することができる。そのため、複数の画素の間で光電変換の期間が一致するような撮像動作、いわゆる、グローバル電子シャッタと位相差検出とを合わせて行うことができる。

図１１は、撮像装置の断面構造を模式的に示している。図１０と同じ機能を有する部分には同様の符号を付してある。また、図２と同様の機能を有する部分については、同じ符号を付してある。ただし、光電変換部１、保持部２、第１の転送スイッチ４、および、第２の転送スイッチ５が、それぞれ２つずつ配されている。そのため、数字のあとにアルファベットを付すことでそれらを区別している。

画素２０は、蓄積領域１１ａを含む光電変換部１ａと、蓄積領域１１ｂを含む光電変換部１ｂとを含む。便宜的に画素２０が２つの光電変換部を含むと説明しているが、換言すると、画素２０が１つの光電変換部を含み、当該１つの光電変換部が蓄積領域１１ａおよび蓄積領域１１ｂを含んでいる。図１１が示す通り、蓄積領域１１ａおよび蓄積領域１１ｂは１つのマイクロレンズ１０１の下に配されている。蓄積領域１１ａと蓄積領域１１ｂとの間には、分離領域１９が設けられている。この分離領域１９はＰ型の半導体領域により構成される。分離領域１９は、必ずしも均一な不純物濃度で構成されていなくとも良い。例えば、一部分が薄い濃度で形成されていたり、Ｎ型の半導体領域となっていたりしても良い。分離領域１９によって、蓄積領域１２ａと蓄積領域１２ｂとは互いに電気的に分離される。なお、図１１は表面照射型の撮像装置を示しているが、裏面照射型としてもよい。これ以外の部材に関しては図２と同様であるため、説明を省略する。

図１２は、撮像装置の上面構造を模式的に示している。図１０および図１１と同じ機能を有する部分には同様の符号を付してある。また、図３と同様の機能を有する部分については、同じ符号を付してある。ただし、光電変換部１、保持部２、第１の転送スイッチ４、および、第２の転送スイッチ５が、それぞれ２つずつ配されている。そのため、数字のあとにアルファベットを付すことでそれらを区別している。図１２の線Ａ−Ｂに沿った断面が図１１に示されている。

画素２０は、光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂを含む。画素２０は、保持部２ａおよび保持部２ｂを含む。画素２０は、第１の転送トランジスタ４ａおよび第１の転送トランジスタ４ｂを含む。画素２０は、第２の転送トランジスタ５ａおよび第２の転送トランジスタ５ｂを含む。また、画素２０は、増幅部の入力ノードを構成する２つのＦＤ領域３を含む。２つのＦＤ領域３は不図示の配線により互いに接続されている。

このような構成を用いることで、左右方向の位相差検出用画素として用いることが可能となる。これ以外の部材に関しては、図３と同様であるため、説明を省略する。なお、配置や遮光部の形状はこれに限ったものではなく、各部材は適宜配置される。例えば、図１２では全画素が焦点検出用の画素となっている。変形例では、複数の画素のうち一部のみが複数の光電変換部１ａ、１ｂを含んでいる。それ以外の画素は１つの光電変換部１のみを含む。一部の画素からの信号のみを焦点検出に用いる場合に、当該変形例は好適である。また、光電変換部が左右に分割された構成を示しているが、上下の位相差を検出するために光電変換部も上下に分割された構成であっても良い。または、その両者が含まれていてもよい。具体的には、第１の画素においては、複数の光電変換部１ａ、１ｂが第１の方向に沿って並び、第２の画素においては、複数の光電変換部１ａ、１ｂが第１の方向と交差する第２の方向に沿って並ぶ。さらには、位相差の検出をより正確に行うために３つ以上に分割される構成や、画素領域内の配置箇所に合わせてそれぞれの光電変換部の大きさを変化させる構成であっても良い。

画素の飽和電荷量を向上させるためには、保持部２ａおよび保持部２ｂを合わせた飽和電荷量として大きな飽和電荷量を持つことが好ましい。保持部２ａおよび保持部２ｂのＮ型の半導体領域２０１の不純物濃度を高くすること、あるいは、平面視におけるＮ型の半導体領域２０１の面積を大きくすることにより、保持部２ａおよび保持部２ｂの飽和電荷量を増やすことができる。しかし、Ｎ型の半導体領域２０１の不純物濃度が高いと、リーク電流などが大きくなりやすく、ノイズが大きくなる可能性がある。そのため、平面視におけるＮ型の半導体領域２０１の面積を大きくすることで、Ｎ型の半導体領域２０１の不純物濃度を抑えつつ、飽和電荷量を増やすことができる。

このように、平面視における保持部２ａおよび保持部２ｂの面積、つまり、保持部２ａおよび保持部２ｂの正射影の面積を大きくすることで、ノイズを低減しつつ、画素の飽和電荷量を増やすことができる。そうすると、相対的に、平面視における光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂの面積が小さくなりやすく、光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂの飽和電荷量を増やすことが困難になる。したがって、光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂの飽和電荷量が小さくても、画素の飽和電荷量を維持できるという効果がより顕著になる。

本実施例の撮像装置の駆動方法について説明する。図１３は、本実施例で用いられる駆動パルスを模式的に示している。図１３は、第１の転送トランジスタ４ａに供給される駆動パルス、第１の転送トランジスタ４ｂに供給される駆動パルス、第２の転送トランジスタ５ａに供給される駆動パルス、および、第２の転送トランジスタ５ｂに供給される駆動パルスを示している。駆動パルスがハイレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオンする。駆動パルスがローレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオフする。これらの駆動パルスは、撮像装置に配された制御部が供給する。制御部には、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路が用いられる。

本実施例では第１の転送トランジスタ４ａと第１の転送トランジスタ４ｂとが互いに同相で動作する。そのため、トランジスタ４ａに供給される駆動パルス、および、第１の転送トランジスタ４ｂに供給される駆動パルスをまとめて記述している。このような構成によれば、２つの光電変換部の蓄積時間を揃えることができるため、位相差を検出する精度を向上させることができる。必ずしも蓄積時間を揃えなくとも良い場合は、適宜２つの第１の転送トランジスタの動作タイミングを変更することも可能である。また、第２の転送トランジスタ５ａおよび第２の転送トランジスタ５ｂとは互いに独立して制御される。

本実施例の駆動方法は、各画素において信号を読み出す時に、第２の転送トランジスタ５ａおよび第２の転送トランジスタ５ｂを順次オンすることを除き、図４と同様である。そのため、図４と同様の部分の説明を省略する。

１つの画素からの信号の読み出しの動作を説明する。図１４は、撮像装置に用いられる駆動パルスを模式的に示している。図５と異なる点は、第２の転送トランジスタ５ａに供給される駆動パルスＴｘ２ａおよび第２の転送トランジスタ５ｂに供給される駆動パルスＴＴｘ２ｂが示されている点である。選択トランジスタ７に供給される駆動パルスＳＥＬ、リセットトランジスタ９に供給される駆動パルスＲＥＳは図５と同様である。駆動パルスがハイレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオンする。駆動パルスがローレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオフする。

図１４に示される駆動パルスに応じて、１回目のリセット、１回目のノイズ信号の読み出し、保持部２ａの電荷の転送、光信号の読み出し、２回目のリセット、２回目のノイズ信号の読み出し、保持部２ｂの電荷の転送、光信号の読み出しが行われる。１回目に読み出されるノイズ信号がＮ（ａ）で表される。２回目に読み出される信号がＮ（ｂ）で表される。光信号は、それぞれ、Ｓ（ａ）、Ｓ（ｂ）で表される。出力された信号は、撮像装置の外部でＡＤ変換されてもよい。撮像装置の内部でＡＤ変換されてもよい。また、２つの保持部の読出し順序が逆であっても良い。さらには、例えばノイズ信号の２回目の読出しを省いて、動作を高速化することも可能である。

続いて本実施例の効果を説明する。撮像装置の動作を実施例１と同様の図６に模式的に示している。図６には、第ｎフレームから第ｎ＋１フレームまでの撮像動作が示されている。第ｎフレームに関する動作は実線で、第ｎ＋１フレームに関する動作は点線で示されている。

図６には、各フレームでの露光期間、光電変換部１（光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂを同様の動作としてまとめて示す。）が電荷を蓄積している期間、および、保持部２（保持部２ａおよび保持部２ｂを同様の動作としてまとめて示す。）が電荷を保持している期間が示されている。また、図６は、第１の期間において、複数の画素の読み出し動作が行われていることを示している。図６における読み出し動作とは、図１３および図１４で説明した、第２の転送トランジスタ５ａおよび第２の転送トランジスタ５ｂによる電荷の転送と、増幅部１０による信号の出力とを含む動作である。

図６が示すように、１フレームの露光が終了してからすぐに、次の露光を開始することができる。したがって、情報が欠落する期間をほとんどなくすことができるため、画質を向上させることができる。

また、図６が示すように、光電変換部１が電荷を蓄積している第１の期間に、複数の画素のそれぞれに対して読み出し動作が行われる。このため、光電変換部１の飽和電荷量が小さくても、画素の飽和電荷量を増加させることができる。画素の飽和電荷量は、１回の露光で生じる電荷のうち、信号として扱うことができる電荷量の最大値である。光電変換部１の飽和電荷量、および、保持部２の飽和電荷量は、それぞれ、光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂを合わせた場合に蓄積できる電荷量の最大値、および、保持部２ａおよび保持部２ｂを合わせた場合に保持できる電荷量の最大値である。なお、保持部２ａの飽和電荷量は、光電変換部１ａの空乏化電圧と保持部２ａの空乏化電圧との差によって規定される。保持部２ｂの飽和電荷量は、光電変換部１ｂの空乏化電圧と保持部２ｂの空乏化電圧との差によって規定される。

１回の露光期間は、第１の期間と第２の期間の合計である。ここで、保持部２に保持された前フレームの電荷は、第１の期間に読み出される。そのため、第１の期間が終われば、保持部２が電荷を保持することができる。したがって、光電変換部１は、少なくとも第１の期間に生じる電荷を蓄積できればよい。通常は、第１の期間に生じる電荷の量は、１回の露光期間に生じる電荷の量より少ないため、光電変換部１の飽和電荷量を小さくすることができるのである。

図６が示すように、本実施例では、光電変換部１が電荷を蓄積している第１の期間と、保持部２が電荷を保持している第２の期間とがほぼ等しい。しかし、保持部２が電荷を保持している第２の期間の方が、第１の期間よりも長くてもよい。あるいは、第１の期間が第２の期間より長くてもよい。

図６では、１行目から順に読み出し動作を行う例を示している。しかし、読み出し動作を行う順序はこの例に限られない。第１の期間に、１フレームを構成する画素のそれぞれに対して少なくとも１回ずつ読み出しが行われればよい。また、少なくとも一部の画素においては、あるフレームで保持部２が電荷の保持を開始してから、次のフレームで当該保持部２が電荷の保持を開始するまでの期間が、露光期間に等しい。

第１の期間に対する、第１の期間と第２の期間との合計の比と、光電変換部１の飽和電荷量に対する保持部２の飽和電荷量の比が、ほぼ等しいことが好ましい。ここで、第１の期間と第２の期間との合計は、１回の露光期間のことである。

この実施例では、第１の期間に対する１回の露光期間の比は２である。つまり、第１の期間は、１回の露光期間の１／２である。例えば、毎秒６０フレームの動画を撮影する場合、第１の期間は１／１２０秒である。

そのため、光電変換部１の飽和電荷量に対する、保持部２の飽和電荷量の比は２に近いことが好ましい。これは、保持部２は１回の露光期間で生じた電荷の全部を保持するのに対し、光電変換部１はその１／２の量の電荷を保持すればよいからである。このような飽和電荷量の比とすることで、光電変換部１と保持部２のサイズを最適化することができる。

なお、本実施例の撮像装置は、ローリングシャッタを行う動作モードを有していてもよい。ローリングシャッタの動作モードでは、複数の画素の光電変換部１による電荷の蓄積を、順次、開始する。その後、複数の画素の第１の転送スイッチ４を、順次、オンに制御する。また、別の方式のグローバル電子シャッタを行う動作モードを有していてもよい。別の方式のグローバル電子シャッタとは、光電変換部１が電荷を蓄積している期間が露光期間と等しくなるような動作である。

以上に説明した通り、本実施例の撮像装置によれば、飽和電荷量を向上しつつ、グローバル電子シャッタを行うことができる。また、同時に蓄積時間を揃えた位相差検出用の信号も出力することが可能となる。

別の実施例を説明する。本実施例では、画素が排出スイッチを有する点が実施例３と異なる。そこで、実施例３と異なる点のみを説明し、実施例３と同様の部分についての説明は省略する。

図１５は、撮像装置の画素の等価回路を示している。図１０と同様の部分には同じ符号を付してある。

各光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂは、それぞれ排出スイッチ１８ａおよび排出スイッチ１８ｂとを有している。排出スイッチ１８ａおよび排出スイッチ１８ｂは、光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂの電荷をオーバーフロードレインなどの電源ノード１５ａおよび１５ｂに排出する。排出スイッチ１８ａおよび排出スイッチ１８ｂには、制御線ＯＦＧが接続される。排出スイッチ１８ａおよび排出スイッチ１８ｂは、例えば、ＭＯＳトランジスタである。

実施例３では、光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂによる電荷の蓄積が、第１の転送トランジスタ４ａおよび第１の転送トランジスタ４ｂをオンからオフへ制御することによって開始される。本実施例では、図１５で示すように、排出スイッチ１８ａおよび排出スイッチ１８ｂを制御して、露光開始を制御することも可能である。具体的には、排出スイッチ１８ａおよび排出スイッチ１８ｂをオンからオフへ制御することで、光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂによる電荷の蓄積が開始される。これにより、露光時間を自由に設定することが可能である。ここで、排出スイッチ１８ａおよび排出スイッチ１８ｂで制御線ＯＦＧを共通化しているが、それぞれに異なる制御線を設定し、露光時間を変更することも可能である。

また、第２の期間の一部で、第１の転送トランジスタ４ａおよび第１の転送トランジスタ４ｂがオフしている構成となっている。そして、光電変換部１ａから保持部２ａへの電荷の転送、および、光電変換部１ｂから保持部２ｂへの電荷の転送を、それぞれ３回ずつ行っている。これにより、光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂの３倍に相当する電荷を最大で扱うことが可能となる。

撮像装置の断面構造は実施例３と同様である。すなわち、図１１は、本実施例の撮像装置の画素の断面構造を示している。図１１についての説明は、実施例３と同様なので、省略する。

撮像装置の上面図を図１６に示している。実施例３の図１２と異なる点は、排出スイッチ１８ａおよび排出スイッチ１８ｂが光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂの間に追加されている点である。その他の部材に関しては実施例３と同様であるため、省略する。図１１には、図１６の線Ａ−Ｂに沿った断面が示されている。

排出スイッチ１８ａおよび排出スイッチ１８ｂは、制御線ＯＦＧにより供給される電圧に応じて、光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂの電荷が所定の電圧が供給されたオーバーフロードレイン１５ａおよび１５ｂに排出される。

実施例の撮像装置の駆動方法について説明する。図１７は、本実施例で用いられる駆動パルスを模式的に示している。図１７では、ｍ−１〜ｍ＋１行目の画素の、制御線Ｔｘ１ａおよび制御線Ｔｘ１ｂ、制御線Ｔｘ２ａおよび制御線Ｔｘ２ｂ、さらに、制御線ＯＦＧに供給される駆動パルスが示されている。制御線Ｔｘ２ａおよび制御線Ｔｘ２ｂに供給される駆動パルスは、図１４に示すように実施例３と同じである。

駆動パルスがハイレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオンする。駆動パルスがローレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオフする。これらの駆動パルスは、撮像装置に配された制御部が供給する。制御部には、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路が用いられる。

図１７は、時刻Ｔ４に排出スイッチ１８ａおよび排出スイッチ１８ｂをオンからオフに制御している。排出スイッチ１８ａおよび排出スイッチ１８ｂがオンしている間は生じた電荷が排出される。そのため、図８の駆動によれば、露光期間は時刻Ｔ４から時刻Ｔ３である。この露光期間の中で制御線Ｔｘ１を複数回駆動することで、光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂの電荷を逐次保持部２ａおよび保持部２ｂへ転送している。それぞれの露光期間は時刻Ｔ４から時刻ＴＡ１、時刻ＴＡ１から時刻ＴＡ２、時刻ＴＡ２から時刻ＴＡ３である。時刻ＴＡ３と時刻Ｔ３は同時刻である。それぞれの露光期間による蓄積のムラを低減するために、略等しい期間を設定することが望ましい。なお、さらに露光期間を短くするために、時刻Ｔ４を例えば、先の実施例３で説明した第２の期間に設定しても良い。

本実施例によれば、被写体の明るさに応じて、駆動方法を変えることができる。例えば、通常は図１３の駆動パルスを用い、明るい時は図１７の駆動パルスを用い、さらに明るい時は図１７の時刻Ｔ４をさらに後に設定した駆動パルスを用いることができる。

なお、図１７においては、時刻Ｔ４に光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂによる電荷の蓄積が開始される。そして、時刻Ｔ４から時刻Ｔ３までの間、排出スイッチ１８ａおよび排出スイッチ１８ｂはオフに維持される。また、読み出し動作は、図５に示された駆動パルスに基づいて行われる。

このように、本実施例によれば、実施例３の効果に加えて、露光期間を自由に設定することができる。

別の実施例を説明する。本実施例では、画素の回路構成が実施例４と異なる。そこで、実施例４と異なる点のみを説明し、実施例４と同様の部分についての説明は省略する。

本実施例の等価回路を図１８に示している。実施例４の図１５では増幅部１０の入力ノード３以降の部材が２つの第２の転送トランジスタ５ａおよび第２の転送トランジスタ５ｂとで共有されている。すなわち、１つの増幅部１０が複数の蓄積領域からの電荷を受ける。これに対し、本実施例では、増幅部１０が、複数の蓄積領域に対応した複数の増幅トランジスタを含む。

図１５の構成では、増幅部１０の入力ノード３が共有されているため、保持部２ａおよび保持部２ｂの蓄積電荷を図１４に示すように順次読み出す必要がある。そこで図１８の構成をとることで、入力ノード３以降が個別の構成となるため、保持部２ａおよび保持部２ｂの蓄積電荷を実施例１の図５に示すように個別に読み出すことが可能となる。結果、読み出し期間すなわち第１の期間を短縮することが可能となる。なお、第１の期間が短くなることで、光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂのみで電荷を蓄積しておく必要がある期間が短くなる。したがって、光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂの飽和電荷量を小さくでき、光電変換部と保持部の面積を最適化することが可能となる。

本実施例の上面図を図１９に示している。実施例４の図１６と異なる点は、排出スイッチ１８ａおよび排出スイッチ１８ｂが光電変換部１ａおよび光電変換部１ｂの間ではなく、それぞれ分離領域に対して対称に配置されている点である。オーバーフロードレイン１５がそれぞれ離れて形成されているため、排出の制御を独立に行いやすいという利点がある。もちろん図１６と同様の構成としても本実施例に示す動作は同様に行えるので、適宜選択可能である。

本実施例の駆動方法は、実施例３および実施例４と同じである。すなわち、排出スイッチがない場合には、図１３および図６に示される駆動パルスと動作が用いられる。排出スイッチを有する場合には、図１７および図９に示される駆動パルスと動作が用いられる。詳細な説明は、それぞれ、実施例３および実施例４と同様なので、省略する。

以上に説明した通り、本実施例によれば、実施例４の効果に加えて、さらに固体撮像装置の駆動を高速化できる。また、光電変換部と保持部の面積の最適化をはかることができる。

別の実施例を説明する。本実施例では、駆動方法が実施例１乃至実施例５と異なる。そこで、実施例１乃至実施例５と異なる点のみを説明し、実施例１乃至実施例５のいずれかと同様の部分についての説明は省略する。

本実施例の等価回路は、実施例１乃至実施例５のいずれかと同じである。すなわち、図１、図７、図１０、図１５、図１８のいずれかが、本実施例の撮像装置の画素の等価回路を示している。これらの図面についての説明は、それぞれ、実施例１乃至実施例５のいずれかと同様なので省略する。

本実施例の画素の断面構造も、実施例１乃至実施例５のいずれかと同じである。すなわち、図２、図１１のいずれかが、本実施例の画素の断面構造を模式的に示している。これらの図面についての説明は、それぞれ、実施例１乃至実施例５のいずれかと同様なので省略する。

実施例の撮像装置の動作について説明する。図２０は、本実施例で用いられる動作を模式的に示している。実施例１乃至実施例５の図６および図９と異なるところは、読み出し行の動作、すなわち第１の期間における動作である。図２０では任意の行、ここでは位相差検出のための画素信号が含まれている行を先に読み出し、その後それ以外の行の画素信号を読み出す動作としている。このような動作を行うことで、すべての行の画素信号を読み終わるよりも前に、位相差検出用の画素信号が出力されるため、位相差検出の処理をより前倒しで行うことが可能となる。結果、位相差検出をより高速に行うことが可能となる。

図２０では、先に読み出した位相差検出のための行はその後の他の行の読み出しでは飛ばしているが、もう一度順次読み出しを行っても良い。その場合には画素信号が行順次で出力されるため、先に読まれた信号を後段で保持しておくためのメモリを不要とできる。

詳細な駆動パルスに関しては、実施例１乃至実施例５のいずれかと同様なので省略する。なお、画素が排出スイッチ１８を有していない場合は、制御線ＯＦＧに供給する駆動パルスは不要である。

以上に説明した通り、本実施例によれば、実施例１乃至実施例５の効果に加えて、位相差検出をより高速に行うことが可能となる。

本発明に係る撮像システムの実施例について説明する。撮像システムとして、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などがあげられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図１３に、撮像システム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１３において、１００１はレンズの保護のためのバリア、１００２は被写体の光学像を撮像装置１００４に結像させるレンズ、１００３はレンズ１００２を通った光量を可変するための絞りである。１００４は上述の各実施例で説明した撮像装置であって、レンズ１００２により結像された光学像を画像データとして変換する。ここで、撮像装置１００４の半導体基板にはＡＤ変換部が形成されているものとする。１００７は撮像装置１００４より出力された撮像データに各種の補正やデータを圧縮する信号処理部である。そして、図１３において、１００８は撮像装置１００４および信号処理部１００７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、００９はデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御部である。１０１０は画像データを一時的に記憶する為のフレームメモリ部、１０１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１０１２は撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。そして、１０１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。ここで、タイミング信号などは撮像システムの外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも撮像装置１００４と、撮像装置１００４から出力された撮像信号を処理する信号処理部１００７とを有すればよい。

本実施例では、撮像装置１００４とＡＤ変換部とが同一の半導体基板に形成された構成を説明した。しかし、撮像装置１００４とＡＤ変換部とが別の半導体基板に設けられていてもよい。また、撮像装置１００４と信号処理部１００７とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。

１ 光電変換部
２ 保持部
４ 第１の転送スイッチ
５ 第２の転送スイッチ
８ 出力線
１０ 増幅部

Claims (24)

1. 入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、
   前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ前記電荷を転送する第１の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第２の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素と、
   前記複数の画素の前記増幅部からの信号が出力される出力線と、を有し、
   前記複数の画素の少なくとも一部の画素の光電変換部は、互いに電気的に分離された複数の蓄積領域を含み、
   第１の時刻において、前記複数の画素の前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始し、
   前記第１の時刻から第２の時刻まで、前記複数の画素の少なくとも１つの画素の前記第１の転送スイッチがオフに維持され、かつ、前記少なくとも１つの画素の前記光電変換部が前記第１の時刻から前記第２の時刻までの第１の期間に生じた電荷を蓄積し、
   前記第１の期間に、前記複数の画素の前記第２の転送スイッチが順にオンし、かつ、前記複数の画素の前記増幅部が順に信号を出力し、
   前記第２の時刻から第３の時刻までの第２の期間の少なくとも一部に、前記第２の転送スイッチがオフの状態で前記第１の転送スイッチをオンして前記複数の画素の前記保持部が前記第１の期間に生じた電荷を保持し、
   前記第２の期間の少なくとも一部に、前記複数の画素の前記光電変換部および前記保持部の少なくとも一方が前記第２の期間に生じた電荷を保持し、
   前記第３の時刻に、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンからオフに制御される、
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記少なくとも一部の画素の前記第１の転送スイッチは、前記複数の蓄積領域に対応して配された複数の第１転送トランジスタを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記複数の第１転送トランジスタは、互いに同相で動作する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記少なくとも一部の画素の保持部は、前記複数の蓄積領域に対応して配され、かつ、互いに電気的に分離された複数の保持領域を含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の撮像装置。
5. 前記少なくとも一部の画素の前記第２の転送スイッチは、前記複数の保持領域に対応して配された複数の第２転送トランジスタを含む、
   ことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
6. 前記複数の第２転送トランジスタは、互いに独立に制御される、
   ことを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 前記少なくとも一部の画素の前記増幅部は、前記複数の蓄積領域からの電荷を受ける増幅トランジスタを含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の撮像装置。
8. 前記少なくとも一部の画素の前記増幅部は、それぞれが前記複数の蓄積領域の対応する１つからの電荷を受ける複数の増幅トランジスタを含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の撮像装置。
9. 前記少なくとも一部の画素は、第１の画素と第２の画素とを含み、
   前記第１の画素の前記複数の蓄積領域は第１の方向に沿って並び、
   前記第２の画素の前記複数の蓄積領域は前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って並ぶ、
   ことを特徴する請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の撮像装置。
10. 前記保持部の飽和電荷量は、前記光電変換部の飽和電荷量より大きい、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の撮像装置。
11. 前記第２の期間の少なくとも一部で、前記第１の転送スイッチがオフに制御され、前記複数の画素の前記光電変換部が前記第２の期間に生じた電荷を保持する、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の撮像装置。
12. 前記第２の期間において、前記複数の画素の前記第２の転送スイッチがオフに維持される、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の撮像装置。
13. 入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ前記電荷を転送する第１の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第２の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素と、
    前記複数の画素の前記増幅部からの信号が出力される出力線と、
    前記複数の画素に含まれる一対の画素の前記光電変換部が瞳の互いに異なる位置を通過した光を受けるように、前記一対の画素に含まれる前記光電変換部を遮光する遮光部と、を有し、
    第１の時刻において、前記複数の画素の前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始し、
    前記第１の時刻から第２の時刻まで、前記複数の画素の少なくとも１つの画素の前記第１の転送スイッチがオフに維持され、かつ、前記少なくとも１つの画素の前記光電変換部が前記第１の時刻から前記第２の時刻までの第１の期間に生じた電荷を蓄積し、
    前記第１の期間に、前記複数の画素の前記第２の転送スイッチが順にオンし、かつ、前記複数の画素の前記増幅部が信号を順に出力し、
    前記第２の時刻から第３の時刻までの第２の期間の少なくとも一部に、前記第２の転送スイッチがオフの状態で前記第１の転送スイッチをオンして前記複数の画素の前記保持部が前記第１の期間に生じた電荷を保持し、
    前記第２の期間の少なくとも一部に、前記複数の画素の前記光電変換部および前記保持部の少なくとも一方が前記第２の期間に生じた電荷を保持し、
    前記第３の時刻に、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンからオフに制御される、
    ことを特徴とする撮像装置。
14. 前記遮光部は前記保持部を遮光する、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
15. 前記遮光部の前記光電変換部を遮光する部分と、前記遮光部の前記保持部を遮光する部分とが同じ金属層により形成された、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の撮像装置。
16. 前記保持部の飽和電荷量は、前記光電変換部の飽和電荷量より大きい、
    ことを特徴とする請求項１３乃至請求項１５のいずれか一項に記載の撮像装置。
17. 前記第２の期間の少なくとも一部で、前記第１の転送スイッチがオフに制御され、前記複数の画素の前記光電変換部が前記第２の期間に生じた電荷を保持する、
    ことを特徴とする請求項１３乃至請求項１６のいずれか一項に記載の撮像装置。
18. 前記第２の期間において、前記複数の画素の前記第２の転送スイッチがオフに維持される、
    ことを特徴とする請求項１３乃至請求項１７のいずれか一項に記載の撮像装置。
19. 入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ前記電荷を転送する第１の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第２の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素と、
    前記複数の画素の前記増幅部からの信号が出力される出力線と、を有し、
    第１の時刻において、前記複数の画素の前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始し、前記第１の時刻から第２の時刻まで、前記複数の画素の少なくとも１つの画素の前記第１の転送スイッチがオフに維持され、かつ、前記少なくとも１つの画素の前記光電変換部が前記第１の時刻から前記第２の時刻までの第１の期間に生じた電荷を蓄積し、
    前記第１の期間に、前記複数の画素の前記第２の転送スイッチがオンし、かつ、前記複数の画素の前記増幅部が信号を出力し、
    前記第２の時刻から第３の時刻までの第２の期間の少なくとも一部に、前記第２の転送スイッチがオフの状態で前記第１の転送スイッチをオンして前記複数の画素の前記保持部が前記第１の期間に生じた電荷を保持し、
    前記第２の期間の少なくとも一部に、前記複数の画素の前記光電変換部および前記保持部の少なくとも一方が前記第２の期間に生じた電荷を保持し、
    前記第３の時刻に、前記複数の画素の前記第１の転送スイッチがオンからオフに制御され、
    前記複数の画素の少なくとも一部の画素は、像面位相差方式による焦点検出のための信号を出力する、
    ことを特徴とする撮像装置。
20. 前記保持部の飽和電荷量は、前記光電変換部の飽和電荷量より大きい、
    ことを特徴とする請求項１９に記載の撮像装置。
21. 前記第２の期間の少なくとも一部で、前記第１の転送スイッチがオフに制御される、
    ことを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の撮像装置。
22. 前記第２の期間において、前記複数の画素の前記第２の転送スイッチがオフに維持される、
    ことを特徴とする請求項１９乃至請求項２１のいずれか一項に記載の撮像装置。
23. 請求項１乃至請求項２２のいずれか一項に記載された撮像装置と、
    前記撮像装置からの信号を処理する信号処理装置と、を備える、
    ことを特徴とする撮像システム。
24. 光学系を備え、
    前記撮像装置からの信号に基づいて前記光学系の焦点の制御を行う、
    ことを特徴とする請求項２３に記載の撮像システム。

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