JP7315054B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents
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Description
以下、図面を参照して一実施の形態について説明する。図1は、本実施の形態における撮像素子を含むレンズ交換式のデジタルカメラ1の構成を示すブロック図である。図1のデジタルカメラ1は、交換レンズ110とカメラボディ100とから構成され、交換レンズ110がレンズ取り付け部105を介してカメラボディ100に装着される。
図2は、撮像素子101の概略的な構成を説明する図である。なお、図2では、画素200と垂直信号線300との接続を分かりやすくするため、読み出しに用いられるトランジスタなどは省略している。撮像素子101では、複数の画素200が水平方向(行方向)および垂直方向(列方向)に二次元状に設けられている。以下、水平方向に並んだ複数の画素200を画素行、垂直方向に並んだ複数の画素200を画素列とも表記する。
図3に、撮像素子101上で第1制御により制御される画素群として複数の画素200が配置される領域(第1領域)R1と、第2制御により制御される画素群として複数の画素200が配置される領域(第2領域)R2とを模式的に示す。第1領域R1と第2領域R2とは垂直方向に複数の画素行を含み、第1領域R1と第2領域R2とは垂直方向に沿って交互に設けられる。なお、図3に示す第1領域R1と第2領域R2との配置は一例であり、この配置例に限定されるものではない。以下、第1領域R1に配置される画素200と第2領域R2に配置される画素200とに分けて説明を行う。なお、以下の説明においては、同一タイミングや同時性等の用語を用いるが、厳密な意味での同一タイミングや同時に限られず、焦点検出演算の精度低下を招かない程度の時間幅を含むものとする。
図4は、図2の詳細を示す図であり、トランジスタレベルでの接続を示す。図4においては、図2に示す複数の画素200のうち、第1領域R1に含まれる1つの画素200の回路構成を示している。撮像素子101の各画素200は、光電変換部PDからの出力信号を読み出すための読み出し部400を有している。各画素200には、2個の読み出し部4001と4002とが設けられ、それぞれ対角方向に配置された2個の光電変換部PDに対して共通に設けられる。たとえば、光電変換部PD_3とPD_4とには読み出し部4001が共通に設けられており、光電変換部PD_1とPD_2とには読み出し部4002が共通に設けられている。すなわち、読み出し部4001は、光電変換部PD_3からの出力信号と、光電変換部PD_4からの出力信号とを読み出す。読み出し部4002は、光電変換部PD_1からの出力信号と、光電変換部PD_2からの出力信号とを読み出す。各読み出し部400から読み出された出力信号は、対応する垂直信号線300を介して出力される。たとえば、読み出し部4001から読み出された出力信号は、垂直信号線3001を介して出力され、読み出し部4002から読み出された出力信号は、垂直信号線3002を介して出力される。
図5に示すタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の撮像素子101の画素200から出力信号を読み出す際の制御について説明する。図5において、Vselは、選択トランジスタSELの制御パルスを示す。VrstはリセットトランジスタRSTの制御パルスを示す。Vtx_1は、画素200の左側の光電変換部PD_1、PD_4に対応する転送トランジスタTX12、TX21の制御パルスを示す。Vtx_2は、画素200の右側の光電変換部PD_3、PD_2に対応する転送トランジスタTX11、TX22の制御パルスを示す。なお、これらの点は後述する図7、13、14においても同様である。
駆動制御部102aは、出力信号の読み出しを行う画素行の選択を行う。駆動制御部102aは、VselをLowレベルからHighレベルに切り替えて、選択トランジスタSELをオンする。これにより、フローティングディフュージョンFDから垂直信号線300までが接続される。なお、図5は、1行ずつ選択が行われる例を示している。
なお、上記のダーク信号とシグナル信号との差分を求める相関二重サンプリング(CDS)動作は、撮像素子101のセンサーチップ内の後段回路で行ってもよいし、センサーチップ外の後段回路で行ってもよい。
なお、上記のダーク信号とシグナル信号との差分を求める相関二重サンプリング(CDS)動作は、撮像素子101のセンサーチップ内の後段回路で行ってもよいし、センサーチップ外の後段回路で行ってもよい。
これにより、それぞれの光電変換部PD_1~PD_4に対してフローティングディフュージョンを設けることなく電荷転送を行うことができるので、部品数を減らし、光電変換部PD_1~PD_4の受光面の面積を増加させることができる。
(焦点検出)
ユーザによるシャッターボタンの半押し操作に応じて焦点調節を行う場合には、焦点検出部102bは、上述のようにして読み出された出力信号を焦点検出信号として用いて、公知の像面位相差方式による焦点検出演算を行う。この場合、焦点検出部102bは、時間的な同時性を有する複数の出力信号を用いて信号列を生成する。たとえば、焦点検出部102bは、各行の光電変換部PD_1からの出力信号を用いて第1信号列{an}を生成し、各行の光電変換部PD_4からの出力信号を用いて第2信号列{bn}を生成する。焦点検出部102bは、生成した第1信号列{an}および第2信号列{bn}との相対的な像ズレ量を検出することによって交換レンズ110の焦点調節状態、すなわちデフォーカス量を検出する。
図6は、第2領域R2に配置される各画素200のトランジスタレベルでの接続を示す回路図であり、図2を詳細に示した図である。なお、図6においても、図2に示す複数の画素200のうち、第2領域R2に含まれる1つの画素200の回路構成を示している。
画素200の光電変換部PD_1、PD_3に接続された転送トランジスタTX12、TX11のゲートは、それぞれローカル制御線251および252によって制御パルスVtx_1が供給される制御線210に接続される。画素200の光電変換部PD_4、PD_2に接続された転送トランジスタTX21、TX22のゲートは、それぞれローカル制御線253および254によって制御パルスVtx_2が供給される制御線220に接続される。すなわち、画素200の上側の光電変換部PDについては制御パルスVtx_1により転送トランジスタTX1、TX2の制御が行われ、下側の光電変換部PDについては、制御パルスVtx_2により転送トランジスタTX1、TX2の制御が行われる。他の構成、すなわち光電変換部PDに蓄積された電荷を垂直信号線300に読み出すための信号回路については、第1領域R1に配置される画素200と同一である。
図7に示すタイミングチャートを参照しながら、第2領域R2に配置された画素200から出力信号を読み出す際の制御について説明する。なお、以下の説明においては、第1領域R1に配置された画素200からの出力信号の読み出し時の駆動タイミングとの相違点を主に行う。
図7において、Vtx_1は、画素200の上側の光電変換部PD_1、PD_3に対応する転送トランジスタTX12、TX11の制御パルスを示す。Vtx_2は、画素200の下側の光電変換部PD_4、PD_2に対応する転送トランジスタTX21、TX22の制御パルスを示す。
なお、上記のダーク信号とシグナル信号との差分を求める相関二重サンプリング(CDS)動作は、撮像素子101のセンサーチップ内の後段回路で行ってもよいし、センサーチップ外の後段回路で行ってもよい。
なお、上記のダーク信号とシグナル信号との差分を求める相関二重サンプリング(CDS)動作は、撮像素子101のセンサーチップ内の後段回路で行ってもよいし、センサーチップ外の後段回路で行ってもよい。
焦点検出部102bは、上述のようにして読み出された出力信号を焦点検出信号として用いて、公知の像面位相差方式による焦点検出演算を行う。この場合、焦点検出部102bは、時間的な同時性を有する複数の出力信号を用いて信号列を生成する。たとえば、焦点検出部102bは、各列の光電変換部PD_1からの出力信号を用いて第1信号列{an}を生成し、各列の光電変換部PD_3からの出力信号を用いて第2信号列{bn}を生成する。焦点検出部102bは、生成した第1信号列{an}および第2信号列{bn}との相対的な像ズレ量を検出することによって交換レンズ110の焦点調節状態、すなわちデフォーカス量を検出する。なお、焦点検出部102bは、各列の光電変換部PD_4からの出力信号を用いて第1信号列{cn}を生成し、各列の光電変換部PD_2からの出力信号を用いて第2信号列{dn}を生成しても良い。
ユーザのシャッターボタンの全押し操作に応じて撮影動作を行う場合には、画像処理部102cは、上述のようにして読み出された出力信号を画像信号として使用する。この場合、画像処理部102cは、それぞれの画素200について、光電変換部PD_1、PD_2、PD_3およびPD_4から出力された出力信号を加算して、画像信号を生成する。画像処理部102cは、この画像信号に対して各種の画像処理を施して、撮影用画像データを生成する。
図8、9に比較例における画素500の構成を、図10、11に比較例における画素501の構成を示す。図8、図10は、比較例における画素500、501の概略的な構成を説明する図である。なお、図8、図10では、画素500、501と垂直信号線600(6001、6002)との接続を分かりやすくするため、読み出しに用いられるトランジスタなどは省略している。図8、図10は、複数の画素列のうち、第1列の一部の画素500、501について示す。図9、11は、それぞれ図8、10の詳細を示す図であり、トランジスタレベルでの接続を示す。各画素500、501には、4個の光電変換部PD’(PD’_1、PD’_2、PD’_3、PD’_4)が2行2列に配置される。
第2領域R2の画素200に対しては、制御パルスVtx_1が供給される制御線210を介して、転送トランジスタTX12による光電変換部PD_1の電荷の転送と、転送トランジスタTX11による光電変換部PD_3の電荷の転送とが同時に行われる。制御パルスVtx_2が供給される制御線220を介して、転送トランジスタTX21による光電変換部PD_4の電荷の転送と、転送トランジスタTX22による光電変換部PD_2の電荷の転送とが同時に行われる。したがって、比較例の場合と異なり、信号を読み出すための回路構成が同一の画素200から、垂直方向に配置された光電変換部PDまたは水平方向に配置された光電変換部PDから同一のタイミングにて出力信号を読み出すことが可能となる。
図面を参照して、本発明の第2の実施の形態について説明する。以下の説明では、第1の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第1の実施の形態と同じである。本実施の形態では、制御線と画素の転送トランジスタとを結ぶローカル制御線の接続が第1の実施の形態と異なる。
画素200の光電変換部PD_1に接続された転送トランジスタTX12のゲートは、ローカル制御線261によって制御パルスVtx_1が供給される制御線210に接続される。光電変換部PD_3に接続された転送トランジスタTX11のゲートは、ローカル制御線262によって制御パルスVtx_2が供給される制御線220に接続される。光電変換部PD_4に接続された転送トランジスタTX21のゲートは、ローカル制御線263によって制御パルスVtx_3が供給される制御線230に接続される。光電変換部PD_2に接続された転送トランジスタTX22のゲートは、ローカル制御線264によって制御パルスVtx_4が供給される制御線240に接続される。すなわち、画素200の4個の光電変換部PDのそれぞれについて、制御パルスVtx_1、Vtx_2、Vtx_3、Vtx_4のそれぞれにより転送トランジスタTX1、TX2の制御が行われる。他の構成については、第1の実施の形態による画素200と同一である。
図13、14に示すタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の撮像素子101の画素200から出力信号を読み出す際の制御について説明する。図13は、光電変換部PDから垂直方向に時間的な同時性を有する出力信号を読み出す(第1制御)場合を示し、図14は、光電変換部PDから水平方向に時間的な同時性を有する出力信号を読み出す(第2制御)場合を示す。図13、14において、Vtx_1は、画素200の光電変換部PD_1に対応する転送トランジスタTX12の制御パルスを示す。Vtx_2は、光電変換部PD_3に対応する転送トランジスタTX11の制御パルスを示す。Vtx_3は、光電変換部PD_4に対応する転送トランジスタTX21の制御パルスを示す。Vtx_4は、光電変換部PD_2に対応する転送トランジスタTX22の制御パルスを示す。
図13に示すように、駆動制御部102aは、第1の実施の形態と同様にして、1回目のフローティングディフュージョンFDの電位のリセットを行う。所定の静定時間が経過すると、各垂直信号線3001~3002nには、1回目のリセットによる各列の画素200内の左側の光電変換部PD_1、PD_4用のダーク信号「Dark_41、12、43、14、45、16、・・・、4(2n-1)、12n」が同時に出力される。
図14に示すように、駆動制御部102aは、第1の実施の形態と同様にして、1回目のフローティングディフュージョンFDの電位のリセットを行う。所定の静定時間が経過すると、各垂直信号線3001~3002nには、1回目のリセットによる各列の画素200内の上側の光電変換部PD_1、PD_3用のダーク信号「Dark_31、12、33、14、35、16、・・・、3(2n-1)、12n」が同時に出力される。
制御線210、220、230、240は、行方向に並んだ複数の画素200からなる画素列に対して共通に設けられる。転送トランジスタTX11、TX12、TX21、TX22はそれぞれローカル制御線262、261、263、264を介して制御線220、210、230、240に接続される。駆動制御部102aは、制御線210と230とを介して転送トランジスタTX12、TX21を同時にオンするとともに、制御線220と240とを介して転送トランジスタTX11、TX22を同時にオンして第1制御を行う。駆動制御部102aは、制御線210と220とを介して転送トランジスタTX12、TX11を同時にオンするとともに、制御線230と240とを介して転送トランジスタTX21、TX22を同時にオンして第2制御を行う。ローカル制御線261~264の接続も含めて同一の回路構成を有する画素200に対して、制御パルスの変更のみで水平方向に時間的な同時性を有する出力信号を出力させることも、垂直方向に同時性を有する出力信号を出力させることも可能となる。
Claims (6)
- マイクロレンズを透過した光を光電変換して電荷を生成する第1光電変換部、第2光電変換部、第3光電変換部および第4光電変換部と、
前記第1光電変換部で生成された電荷及び前記第2光電変換部で生成された電荷を蓄積する第1蓄積部と、
前記第3光電変換部で生成された電荷及び前記第4光電変換部で生成された電荷を蓄積する第2蓄積部と、
前記第1蓄積部に蓄積された電荷に基づく信号が出力され、第1方向に配線される第1信号線と、
前記第2蓄積部に蓄積された電荷に基づく信号が出力され、前記第1方向に配線される第2信号線と、を備え、
前記第1光電変換部と前記第4光電変換部とは、前記第1方向に並んで設けられ、
前記第2光電変換部と前記第3光電変換部とは、前記第1方向に並んで設けられ、
前記第1光電変換部と前記第3光電変換部とは、前記第1方向と交差する第2方向に並んで設けられ、
前記第2光電変換部と前記第4光電変換部とは、前記第2方向に並んで設けられる撮像素子。 - 請求項1に記載の撮像素子において、
前記第1光電変換部で生成された電荷を前記第1蓄積部に転送する第1転送部と、
前記第2光電変換部で生成された電荷を前記第1蓄積部に転送する第2転送部と、
前記第3光電変換部で生成された電荷を前記第2蓄積部に転送する第3転送部と、
前記第4光電変換部で生成された電荷を前記第2蓄積部に転送する第4転送部と、
を備える撮像素子。 - 請求項2に記載の撮像素子において、
前記第1転送部と前記第4転送部を制御するための第1制御線と、
前記第2転送部と前記第3転送部を制御するための第2制御線と、
を備える撮像素子。 - 請求項2に記載の撮像素子において、
前記第1転送部と前記第3転送部を制御するための第1制御線と、
前記第2転送部と前記第4転送部を制御するための第2制御線と、
を備える撮像素子。 - 請求項2に記載の撮像素子において、
前記第1転送部を制御するための第1制御線と、
前記第2転送部を制御するための第2制御線と、
前記第3転送部を制御するための第3制御線と、
前記第4転送部を制御するための第4制御線と、
を備える撮像素子。 - 請求項1から5までのいずれか一項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子から出力された信号に基づいて、画像データを生成する画像生成部と、
を備える撮像装置。
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