JP2014222928A - Photoelectric conversion device, focus detection apparatus, and imaging system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換装置に関わる。特に、位相差検出型オートフォーカス（Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ；ＡＦ）を行う光電変換装置に関わる。 The present invention relates to a photoelectric conversion device. In particular, the present invention relates to a photoelectric conversion device that performs phase difference detection type autofocus (AF).
位相差検出型の焦点検出装置においては、一対のラインセンサから得られる信号を相関演算することで被写体のデフォーカス量（合焦位置からのずれ量）を算出して、光学系の動作にフィードバックすることで合焦させるオートフォーカスを行う。このとき、受光量によって蓄積時間を変える必要があるため、センサに蓄積された信号量をリアルタイムでモニタする必要がある（特許文献１）。 In a phase difference detection type focus detection device, a correlation calculation is performed on signals obtained from a pair of line sensors to calculate a defocus amount (deviation amount from a focus position) of a subject and feed back to the operation of the optical system. Autofocus is performed to achieve focus. At this time, since it is necessary to change the accumulation time according to the amount of received light, it is necessary to monitor the amount of signal accumulated in the sensor in real time (Patent Document 1).
特許文献２には、高いＳ／Ｎ比を維持したままダイナミックレンジを拡大するために、フォトダイオードとフォトダイオードから溢れる光電荷を蓄積する容量素子とが、トランジスタを介して接続される構成が開示されている。
しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示される構成では、ダイナミックレンジを拡大しながらリアルタイムでのモニタ動作を行うことが検討されていない。
However, in the configurations disclosed in
本発明は、ダイナミックレンジの拡大と受光量のモニタ動作とを両立できる光電変換装置を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the photoelectric conversion apparatus which can make compatible the expansion of a dynamic range, and the monitoring operation of received light quantity.
上記目的を達成するための本発明は、光電変換された信号を出力する、低感度モードと高感度モードとで動作可能なセンサセル部と、前記センサセル部からの信号を保持するメモリセル部と、を含む複数の単位画素と、前記単位画素から出力された信号を転送する複数の転送部と、前記転送部から出力された、センサセル部からの信号をモニタするモニタ部を備えたことを特徴とする光電変換装置である。 To achieve the above object, the present invention provides a sensor cell unit that outputs a photoelectrically converted signal and that can operate in a low sensitivity mode and a high sensitivity mode, a memory cell unit that holds a signal from the sensor cell unit, Including a plurality of unit pixels, a plurality of transfer units that transfer signals output from the unit pixels, and a monitor unit that monitors the signals output from the transfer unit and output from the sensor cell unit. It is a photoelectric conversion device.
本発明によれば、ダイナミックレンジの拡大と受光量のモニタ動作とを両立できる。 According to the present invention, it is possible to achieve both expansion of the dynamic range and monitoring operation of the amount of received light.
（実施例１）
図面を参照しながら本発明に係る第１の実施例を説明する。第１の実施例は、位相差焦点検出（Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ；ＡＦ）用の光電変換装置に適用した例を示す。
Example 1
A first embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings. The first embodiment shows an example in which the present invention is applied to a photoelectric conversion device for phase difference focus detection (AF).
図１は、位相差ＡＦ用の光電変換装置における撮像面を模式的に示した図である。撮像面には、対となるラインセンサ部Ｌ１ＡとＬ１Ｂ、Ｌ２ＡとＬ２Ｂ、・・・ＬＮＡとＬＮＢが存在する。一対のラインセンサ部は撮像面のある領域における被写体のデフォーカス量を測定するために用いられ、このラインセンサ部の対を複数配列することで測距点を複数設け、ＡＦの精度の向上を図るものである。各ラインセンサ部は、低感度モードと高感度モードとで動作可能な単位画素１１Ａ、１２Ａ、・・・を含んでいる。低感度モードでは、高感度モードと比較した場合に、同じ入射光量に対して出力される信号レベルがより小さいモードである。転送部２１Ａ、２２Ａ、・・・、２１Ｂ、２２Ｂ、・・・は、複数のラインセンサ部に対応して設けられており、転送部から出力された信号をモニタ部３０でモニタする。
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an imaging surface in a photoelectric conversion device for phase difference AF. On the imaging surface, there are paired line sensor portions L1A and L1B, L2A and L2B,... LNA and LNB. A pair of line sensor units are used to measure the defocus amount of the subject in an area on the imaging surface. By arranging a plurality of pairs of the line sensor units, a plurality of distance measuring points are provided to improve AF accuracy. It is intended. Each line sensor unit includes
図２は、図１に示したラインセンサ部の単位画素とこれに対応する転送部の構成を示した回路図である。 FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration of a unit pixel of the line sensor unit illustrated in FIG. 1 and a transfer unit corresponding thereto.
単位画素は、フォトダイオード（以下、ＰＤとも称す）１１とＰＤ１１に付随する寄生容量１２に加えてＭＯＳトランジスタ１３〜１８、容量素子１９を有する。
The unit pixel includes a photodiode (hereinafter also referred to as PD) 11 and a
ＰＤ１１が光を受けて生成した電荷は、容量１２に蓄積される。容量１２はＰＤ１１で生成された電荷量から電圧信号に変換する検出容量として働く。ＭＯＳトランジスタ１６は、信号φＳＬによってＭＯＳトランジスタ１７が導通すると、信号φＬによって制御されるＭＯＳトランジスタ１８を負荷として、ゲインが−１の反転アンプとして動作する。ＭＯＳトランジスタ１３は、ＰＤ１１のカソードおよびＭＯＳトランジスタ１６の入力端子の共通ノードであるノードＮ１と、ＭＯＳトランジスタ１７および１８の共通ノードであるノードＮ２との間の導通を信号φＰＳによって切り換える。ＭＯＳトランジスタ１４は、一方の端子がノードＮ１に、他方の端子が電源電圧ＶＲＳに接続されており、信号φＲによって導通するとノードＮ１を電源電圧ＶＲＳに応じてリセットする。ＭＯＳトランジスタ１５は、一方の端子がノードＮ１に、他方の端子が付加容量１９に接続されている。信号φＳＷによってＭＯＳトランジスタ１５が導通すると、ノードＮ１に対して付加容量１９が接続されるので、容量１２と合わせて検出容量が大きくなる。本実施例においては、ＭＯＳトランジスタ１５がオフしており検出容量が小さい場合には、電荷電圧変換係数が大きくなるので高感度モード、ＭＯＳトランジスタ１５がオンしており検出容量が大きい場合には、電荷電圧変換係数が小さくなるので低感度モードとする。
The charges generated by the
転送部は、クランプ容量２１、ＭＯＳトランジスタ２２、２４およびアンプ２３を含んで成る。クランプ容量２１は、信号φＧＲで制御されるＭＯＳトランジスタ２２とともにクランプ回路を構成し、センサセル部で発生したノイズ成分を低減する。アンプ２３は、ここではゲインが１のソースフォロワ回路であるとする。ソースフォロワ回路の入力は不図示のＮＭＯＳトランジスタの制御電極であり、このＮＭＯＳトランジスタの閾値電圧をＶｔｈとすると、ＭＯＳトランジスタ２２に与えられる電圧ＶＧＲとＭＯＳトランジスタ１４に与えられる電圧ＶＲＳとの間でＶＧＲ−Ｖｔｈ＝ＶＲＳとなるように設定されている。ＭＯＳトランジスタ２４は信号φＦＢによって制御され、導通すると、アンプ２３の出力端子をノードＮ２に接続する。
The transfer unit includes a
図３を参照しながら、本実施例の低感度モードにおける動作を説明する。図中の各信号名は、図２に示した信号名と対応しており、「／」が付されているものは反転信号を意味する。なお、図３における各信号がハイレベルの時に対応するＭＯＳトランジスタが導通するものとする。 The operation in the low sensitivity mode of this embodiment will be described with reference to FIG. Each signal name in the figure corresponds to the signal name shown in FIG. 2, and a symbol with “/” means an inverted signal. It is assumed that the corresponding MOS transistor conducts when each signal in FIG. 3 is at a high level.
低感度モードでは、信号φＳＷがハイレベルに保たれているため、センサセル部の検出容量が大きい状態である。 In the low sensitivity mode, since the signal φSW is kept at a high level, the detection capacity of the sensor cell unit is large.
期間（１）では、信号φＲ、／φＰＳがハイレベルになり、ノードＮ１およびノードＮ２がリセットされる。さらに、信号／φＧＲもハイレベルとなるので、クランプ容量２１は電圧ＶＲＳとＶＧＲとによってリセットされる。その後、信号／φＰＳと／φＧＲとがローレベルになると、クランプ容量には電圧ＶＲＳとＶＧＲとの差電圧が保持される。続いて、信号φＲがローレベルになると、ノードＮ１、すなわちこれに接続されたＰＤ１１のリセット状態が解除され、電荷蓄積動作が開始される。これに引き続き、信号／φＳＬと／φＬとが一時的にハイレベルになると、センサセル部がリセットされたことによって生じるセンサノイズＮｓがクランプ容量２１に出力される。
In the period (1), the signals φR and / φPS are at a high level, and the nodes N1 and N2 are reset. Further, since the signal / φGR is also at a high level, the
期間（２）になると、信号φＦＢがハイレベルになり、アンプ２３の出力をノードＮ２にフィードバックする。この期間に信号／φＰＳが一時的にハイレベルになるので、容量１２、付加容量１９およびクランプ容量２１には、ＶＲＳを基準としてセンサノイズＮｓに転送部で生じるノイズＮｔを重畳したＮｓ＋Ｎｔが与えられる。
In period (2), the signal φFB becomes high level, and the output of the
期間（３）では、信号／φＧＲがハイレベルになり、ノードＮ３が再び電圧ＶＧＲによってリセットされる。このとき、信号／φＦＢがハイレベルであるので、クランプ容量はＶＧＲ−Ｖｔｈ＝ＶＲＳと電圧ＶＧＲとによってリセットされる。 In the period (3), the signal / φGR becomes a high level, and the node N3 is reset again by the voltage VGR. At this time, since the signal / φFB is at the high level, the clamp capacitance is reset by VGR−Vth = VRS and the voltage VGR.
期間（４）は先述のモニタ部３０によって、信号量がモニタされる期間である。信号／φＳＬと／φＬとがハイレベルになると、ノードＮ２に現れるセンサセル部の出力は、光電変換によって得られる信号成分をＳとして、−（Ｓ＋Ｎｓ＋Ｎｔ）にセンサノイズＮｓが重畳されて、−（Ｓ＋Ｎｔ）となる。ここで、「−」としたのは反転アンプのゲインが−１であることを意味している。これによりノードＮ３はＶＧＲ−（Ｓ＋Ｎｔ）となるため、アンプ２３の出力としては転送部ノイズＮｔが重畳されて、ＶＧＲ−Ｓとなる。つまり、ＶＧＲを基準として−Ｓの出力がＯＵＴ２５から出力される。ＯＵＴ２５の出力はモニタ部３０に与えられ、ラインセンサ部の他のセンサセル部の出力との間のコントラストに基づいて、信号に対するゲインが決定される、オートゲインコントロール（ＡＧＣ）動作が行われる。また、モニタ部３０はセンサセル部で蓄積された信号量をモニタし、信号量が予め定められた閾値を越えたところでセンサセル部の蓄積動作を終えるように信号を出力する。
The period (4) is a period during which the signal amount is monitored by the monitor unit 30 described above. When the signals / φSL and / φL are at a high level, the output of the sensor cell unit appearing at the node N2 is obtained by superimposing the sensor noise Ns on-(S + Ns + Nt), where S is the signal component obtained by photoelectric conversion, and-(S + Nt ) Here, “−” means that the gain of the inverting amplifier is −1. As a result, the node N3 becomes VGR− (S + Nt), so that the transfer unit noise Nt is superimposed on the output of the
期間（５）では、信号／φＳＬと／φＬとをハイレベルにすることで、ＯＵＴ１０から、−Ｓを順次出力する動作が行われる。 In the period (5), the signals / φSL and / φL are set to a high level, whereby an operation of sequentially outputting -S from OUT10 is performed.
以上では低感度モードにおける動作を説明したが、高感度モードにおける動作を説明する。図４に示す動作タイミングと図３の動作タイミングとの違いは、高感度モードにおいては信号／φＳＷがローレベルに固定される点である。これ以外の点は図３の低感度モードと同じ動作であるので説明を省略する。 Although the operation in the low sensitivity mode has been described above, the operation in the high sensitivity mode will be described. The difference between the operation timing shown in FIG. 4 and the operation timing shown in FIG. 3 is that the signal / φSW is fixed at a low level in the high sensitivity mode. Since the other points are the same as those in the low sensitivity mode of FIG.
以上で説明したように、本実施例によれば、被写体の輝度に応じてセンサセル部の感度を切り換えることが可能で、かつ、信号レベルのモニタを行うことで蓄積時間の制御を行うことが可能となる。さらに、本実施例によれば、転送部がクランプ回路を含んでおり、センサセル部のノイズを低減できることに加えて、転送部の出力をセンサセル部にフィードバックする帰還経路を備えることで、転送部のノイズも低減した信号を出力できる。これにより、信号を精度良く検出することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, the sensitivity of the sensor cell unit can be switched according to the luminance of the subject, and the accumulation time can be controlled by monitoring the signal level. It becomes. Furthermore, according to the present embodiment, the transfer unit includes a clamp circuit, and in addition to being able to reduce noise in the sensor cell unit, the transfer unit includes a feedback path that feeds back the output of the transfer unit to the sensor cell unit. A signal with reduced noise can be output. This makes it possible to detect the signal with high accuracy.
（実施例２）
図面を参照しながら、本発明の第２の実施例を説明する。本実施例は、センサセル部と転送部に加えてメモリセル部をさらに具備する構成の光電変換装置である。
(Example 2)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment is a photoelectric conversion device having a configuration further including a memory cell unit in addition to a sensor cell unit and a transfer unit.
図５は、単位画素１１Ａと、これと接続された転送部とに着目して説明を行う。単位画素１１Ａは、センサセル部１０１および第１メモリセル部３０１を含む。図５において、ＭＯＳトランジスタの制御電極並びにスイッチに付された「φＸ」は、不図示の制御部から供給される信号を意味している。
FIG. 5 will be described focusing on the
単位画素１１Ａに着目すると、センサセル部１０１は光電変換素子であるフォトダイオード（ＰＤ）１１６、ＭＯＳトランジスタ１１１〜１１５及び容量素子（ＣＰ）１１７を備える。ＭＯＳトランジスタ１１１は、センサセル部選択スイッチであるＭＯＳトランジスタ１１２が導通すると負荷ＭＯＳトランジスタ１１３とともにゲインが−１の反転アンプとして動作する。ＭＯＳトランジスタ１１１の制御電極は先述の反転アンプの入力端子として機能し、ＰＤ１１６のアノードと感度切り換えスイッチであるＭＯＳトランジスタ１１５の一方の主電極と接続される。これにより、センサセル部１０１は低感度モードと高感度モードとで動作可能となる。つまり、低感度モードにおいてはＰＤ１１６とＣＰ１１７とが電気的に接続され、高感度モードにおいてはＰＤ１１６とＣＰ１１７とが電気的に絶縁される。ＭＯＳトランジスタ１１５の他方の端子はＣＰ１１７の一方の端子及びＭＯＳトランジスタ１１４の一方の主電極と接続される。ＭＯＳトランジスタ１１４の他方の主電極は負荷ＭＯＳトランジスタ１１３の一方の主電極及びＭＯＳトランジスタ１１２の一方の端子と接続される。ＭＯＳトランジスタ１１２の他方の主電極はＭＯＳトランジスタ１１１の一方の主電極と接続される。このような構成において、高感度モードではＭＯＳトランジスタ１１５は非導通状態にあり、ＰＤ１１６の寄生容量Ｃｐｄがセンサセル部の感度を決定する。一方低感度モードでは、信号φＳＷによってＭＯＳトランジスタ１１５が導通することでフォトダイオード１１６と容量素子１１７とが電源電圧ＶＤＤからＧＮＤへのパスに対して並列に接続される。このため、ＰＤ１１６の寄生容量Ｃｐｄに加えて容量素子１１７の容量値ＣＰが加わって、（Ｃｐｄ＋ＣＰ）がセンサセル部の感度を決定する。
Focusing on the
また、ＭＯＳトランジスタ１１４及び１１５は信号φＰＳ１とφＳＷとによってＰＤ１１６の残留電荷をリセットした際の画素部リセットノイズを書き込むための書き込みスイッチとして機能する。
The
第１メモリセル部３０１はメモリ容量３３５及びＭＯＳトランジスタ３３１〜３３４を含む。センサセル部１０１におけるフォトダイオード１１６、容量素子１１７、ＭＯＳトランジスタ１１５がメモリ容量３３５に置き換わった構成となっており、各ＭＯＳトランジスタの機能はセンサセル部１０１と同等である。
The first memory cell unit 301 includes a
転送部２０１は、ＭＯＳトランジスタ２２１〜２２４、定電流源２２５、トランスファースイッチ２２６、フィードバックスイッチ２２７、及び転送容量２２８を備える。各メモリセル部に保持された信号はそれぞれの反転アンプから出力され、トランスファースイッチ２２６が導通した状態で不図示のシフトレジスタから入力された信号φＨによってＭＯＳトランジスタ２２４が導通することでバッファアンプ２０２へと転送される。
The
共通出力線１０２は、トランスファースイッチ２２６の一方の端子及びフィードバックスイッチ２２７の一方の端子と接続される。このノードＮ４は転送部の入力端子と第１の出力端子とを兼ねる。トランスファースイッチ２２６の他方の端子はＭＯＳトランジスタ２２２の一方の主電極とＭＯＳトランジスタ２２４の一方の主電極と、転送容量２２８の一方の端子とに接続される。ＭＯＳトランジスタ２２２の他方の主電極は電源電圧ＶＲＳに接続される。また、ＭＯＳトランジスタ２２４の他方の主電極は転送部の第２の出力端子Ｎ５を介してバッファアンプ２０２に接続される。転送容量２２８の他方の端子は、ＭＯＳトランジスタ２２３の一方の主電極とＭＯＳトランジスタ２２１の制御電極とに接続される。ＭＯＳトランジスタ２２３の他方の主電極は電源電圧ＶＧＲに接続される。電源電圧ＶＧＲは、ＭＯＳトランジスタ２２１の閾値電圧をＶｔｈとしてＶＧＲ＝ＶＲＳ＋Ｖｔｈの関係を満たす。ＭＯＳトランジスタ２２１は定電流源２２５とともにソースフォロワ回路を構成し、その出力はフィードバックスイッチ２２７の他方の端子と接続される。このソースフォロワ回路の出力端子は転送部２０１の第３の出力端子Ｎ６とも接続されており、後段のモニタ部に接続される。
The common output line 102 is connected to one terminal of the transfer switch 226 and one terminal of the
モニタ部はオートゲインコントロール動作時に、転送部から出力される信号をリアルタイムでモニタリングするもので、可変ゲイン増幅部や図６に示す最大値最小値検出部（Ｐｅａｋ−Ｂｏｔｔｏｍ検出部；ＰＢ検出部）、図７に示すＰＫ比較器などを含む。 The monitor unit monitors the signal output from the transfer unit in real time during the automatic gain control operation, and includes a variable gain amplification unit and a maximum / minimum value detection unit (Peak-Bottom detection unit; PB detection unit) shown in FIG. And a PK comparator shown in FIG.
ＰＢ検出部は最大値検出回路３１と最小値検出回路３２とを含み、入力端子３１１、３１２、・・・は、各モニタ部の出力と接続されている。ここでは、最大値検出回路３１、最小値検出回路３２ともに３単位画素に対応する構成を抜き出している。入力端子３１１に入力された信号は、増幅器３１４および３２４の非反転入力端子に接続される。増幅器３１４の出力を制御電極に受けるＮＭＯＳトランジスタ３４１は、そのソース電極が増幅器３１４の反転入力端子に接続されている。最大値検出回路３１において、複数のＮＭＯＳトランジスタ３４１、３４２、・・・は、信号３１７によってスイッチが導通すると、共通の定電流源負荷３１９とともにソースフォロワを構成する。この構成により、最大値検出回路３１に対する複数の入力のうちの最大値がＰＥＡＫ出力３１８として、最大値最小値比較器（ＰＥＡＫ−ＢＯＴＴＯＭ比較器；ＰＢ比較器）に伝達される。
The PB detection unit includes a maximum value detection circuit 31 and a minimum value detection circuit 32, and input terminals 311, 312,... Are connected to outputs of the respective monitor units. Here, both the maximum value detection circuit 31 and the minimum value detection circuit 32 have a configuration corresponding to 3 unit pixels. The signal input to the input terminal 311 is connected to the non-inverting input terminals of the
一方、最小値検出回路３２は、最大値検出回路３１と同様の構成であるが、ソースフォロワを構成するのがＰＭＯＳトランジスタ３５１、３５２、・・・と定電流源負荷３２９である点で異なる。この構成により、最小値検出回路３２に対する複数の入力のうちの最小値がＢＯＴＴＯＭ出力３２８として、ＰＢ比較器に伝達される。
On the other hand, the minimum value detection circuit 32 has the same configuration as that of the maximum value detection circuit 31, but differs in that the source follower is configured by
図７は、ＰＢ比較器の構成例を示す図である。ＰＢ比較器には、図６に示したＰＢ検出部のＰＥＡＫ出力３１８およびＢＯＴＴＯＭ出力３２８との差信号を得るものである。図７において、入力端子４１３はＰＥＡＫ出力３１８と、入力端子４１４はＢＯＴＴＯＭ出力３２８と接続される。両入力信号は、差動増幅器４１１に供給され、その差信号が差動増幅器４１１の出力端子からコンパレータ４１２の反転入力端子に与えられる。コンパレータの非反転入力端子には、不図示のデジタル・アナログ（ＤＡ）変換器で設定された低電圧ＶＤＡＣ４１５と比較される。その比較結果、すなわちコントラストが閾値以上であれば、不図示の制御部が、センサセル部１０１の蓄積動作を終了させる。ＶＤＡＣ４１５の値は、例えばモニタ部の可変ゲイン増幅部のゲイン値×５、×１０、×２０、×４０に対応して、１．６Ｖ、０．８Ｖ、０．４Ｖ、０．２Ｖのように変化させる。
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of the PB comparator. The PB comparator obtains a difference signal between the PEAK output 318 and the BOTTOM output 328 of the PB detector shown in FIG. In FIG. 7, the input terminal 413 is connected to the PEAK output 318, and the input terminal 414 is connected to the BOTTOM output 328. Both input signals are supplied to the
ところで、ＡＦにおいては常に上述の閾値を超えるコントラストが得られるとは限らない。つまり、低コントラストな被写体が存在する場合が生じうるが、この場合にもセンサセル部１００の蓄積動作を終了させる必要がある。被写体が高輝度かつ低コントラストである場合には、最大値検出回路３１から出力される信号が第１のレベルである飽和打ち切り電圧として設定したレベルに達した時点で蓄積動作を終了する判定を行う。一方、低輝度かつ低コントラストである場合には、ある一定時間経過後に強制的に蓄積動作を終了する。 By the way, in AF, the contrast exceeding the above-mentioned threshold is not always obtained. That is, there may be a case where a low-contrast subject exists, but in this case as well, the accumulation operation of the sensor cell unit 100 needs to be terminated. When the subject has high brightness and low contrast, it is determined that the accumulation operation is terminated when the signal output from the maximum value detection circuit 31 reaches the level set as the saturation cutoff voltage, which is the first level. . On the other hand, when the luminance is low and the contrast is low, the accumulation operation is forcibly terminated after a certain period of time.
図８は、最大値検出回路３１から出力される信号が飽和打ち切り電圧に達したか否かを判定するための最大値比較器（ＰＥＡＫ比較器；ＰＫ比較器）の構成例を示す図である。コンパレータの反転入力端子５１３には、最大値検出回路３１のＰＥＡＫ出力３１８が接続され、非反転入力端子には飽和打ち切り電圧ＶＢＢが与えられる。飽和打ち切り電圧ＶＢＢとは、後述する高感度モードにおけるセンサセル部１００の飽和レベルよりも低いレベルに設定される。不図示の制御部は、ＰＫ比較器の出力５１２をモニタし、ＰＫ比較器の出力が反転したことに応じてセンサセル部１０１の蓄積動作を終了させる。 FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of a maximum value comparator (PEAK comparator; PK comparator) for determining whether or not the signal output from the maximum value detection circuit 31 has reached the saturation cutoff voltage. . The PEAK output 318 of the maximum value detection circuit 31 is connected to the inverting input terminal 513 of the comparator, and the saturation cutoff voltage VBB is applied to the non-inverting input terminal. The saturation cutoff voltage VBB is set to a level lower than the saturation level of the sensor cell unit 100 in the high sensitivity mode described later. A control unit (not shown) monitors the output 512 of the PK comparator, and terminates the accumulation operation of the sensor cell unit 101 in response to the inversion of the output of the PK comparator.
次に、図９のタイミングチャート図を参照しながら図３に示す光電変換装置の動作を説明する。図９においてＰＭＯＳトランジスタに入力される信号に対しては反転状態を示す“／”を付している。例えば、ＰＭＯＳトランジスタ１１２の制御電極にはφＳＬ１が与えられるが、図９ではその反転信号／φＳＬ１として説明しているので、／φＳＬ１がハイレベルの時にＰＭＯＳトランジスタ１１２が導通することを示している。従って、図９の各信号がハイレベルの時に当該信号が供給されるスイッチまたはＭＯＳトランジスタが導通する。 Next, the operation of the photoelectric conversion device illustrated in FIG. 3 will be described with reference to the timing chart of FIG. In FIG. 9, “/” indicating an inversion state is attached to a signal input to the PMOS transistor. For example, although φSL1 is given to the control electrode of the PMOS transistor 112, FIG. 9 illustrates the inverted signal / φSL1, and therefore, the PMOS transistor 112 is turned on when / φSL1 is at a high level. Therefore, when each signal in FIG. 9 is at a high level, a switch or a MOS transistor to which the signal is supplied becomes conductive.
以下では、低感度モードでの動作を行う。期間（１）では信号φＳＷがハイレベルになり、センサセル部１０１の感度が（Ｃｐｄ＋ＣＰ）によって決定される状態になる。期間（１）ではさらに信号φＲＳ、φＦＴ、／φＰＳ１、／φＰＳ２がハイレベルになり、電源電圧ＶＲＳによってセンサセル部１０１と第１メモリセル部がリセットされる。さらに、信号／φＧＲもハイレベルになるので、転送容量２２８は電源電圧ＶＲＳとＶＧＲとによってリセットされる。このとき、ＭＯＳトランジスタ２２１と定電流源２２５とで構成されるソースフォロワの出力は、ＶＧＲ−Ｖｔｈ＝ＶＲＳとなる。
In the following, the operation in the low sensitivity mode is performed. In the period (1), the signal φSW becomes high level, and the sensitivity of the sensor cell unit 101 is determined by (Cpd + CP). In the period (1), the signals φRS, φFT, / φPS1, and / φPS2 further become high level, and the sensor cell unit 101 and the first memory cell unit are reset by the power supply voltage VRS. Further, since the signal / φGR is also at a high level, the transfer capacitor 228 is reset by the power supply voltages VRS and VGR. At this time, the output of the source follower composed of the MOS transistor 221 and the constant
次に信号φＲＳ、／φＧＲ、／φＰＳ１、／φＰＳ２がローレベルになった後に、信号φＦＴがハイレベルの状態で信号／φＳＬ１及びφＬ１がハイレベルになる。これにより、センサセル部のリセット後のセンサノイズＮｓ１が反転アンプと共通出力線１１２を介して転送容量２２８に書き込まれる。その後、信号φＦＴがローレベルになることで書き込みが終了し、信号／φＳＬ１及び／φＬ１がローレベルになる。 Next, after the signals φRS, / φGR, / φPS1, and / φPS2 become low level, the signals / φSL1 and φL1 become high level while the signal φFT is at high level. Thereby, the sensor noise Ns1 after the reset of the sensor cell unit is written to the transfer capacitor 228 via the inverting amplifier and the common output line 112. Thereafter, when the signal φFT becomes low level, writing is completed, and the signals / φSL1 and / φL1 become low level.
期間（２）においてＭＯＳトランジスタ２２１のゲート電位はＶＧＲ＋Ｎｓ１であって、信号φＦＢがハイレベルになると、ＶＲＳを基準として、転送部２０１のノイズを加えたノイズＮｓ１＋Ｎｔがセンサセル部１０１に入力される。
In the period (2), the gate potential of the MOS transistor 221 is VGR + Ns1, and when the signal φFB becomes high level, noise Ns1 + Nt to which the noise of the
期間（３）では信号φＦＴがハイレベルであり、この期間に信号／φＳＬ１、／φＬ１がハイレベルになると、センサセル部１０１の反転アンプが動作して、−（Ｎｓ１＋Ｎｔ）にノイズＮｓ１が加算されてノイズ−（Ｎｔ）が出力される。期間（３）では／φＧＲが一時的にハイレベルになるため、期間（３）が終了する時点で転送容量２２８の他方の端子は電気的浮遊状態（フローティング）になり、転送容量２２８にはＶＧＲ＋Ｎｔの電位差が保持される。 In the period (3), the signal φFT is at a high level. When the signals / φSL1 and / φL1 are at a high level during this period, the inverting amplifier of the sensor cell unit 101 operates to add the noise Ns1 to − (Ns1 + Nt). Noise-(Nt) is output. In the period (3), / φGR temporarily becomes a high level. Therefore, at the end of the period (3), the other terminal of the transfer capacitor 228 is in an electrically floating state (floating), and the transfer capacitor 228 has VGR + Nt Is maintained.
期間（４）に信号φＦＴがハイレベルの期間に信号φＲＳと／φＰＳ２とがハイレベルになると、転送容量２２８の一方の端子はＶＲＳの電位になり、ノイズＮｔ分だけ変動するため、転送容量２２８の他方の端子もＮｔ分だけ変動する。このときＭＯＳトランジスタ２２１と定電流源２２５とで構成されるソースフォロワから出力されるノイズは２Ｎｔであって、これがメモリ容量３３５に保持される。
If the signal φRS and / φPS2 become high level during the period (4) when the signal φFT is at high level, one terminal of the transfer capacitor 228 becomes the potential of VRS and fluctuates by the noise Nt. The other terminal of this also varies by Nt. At this time, the noise output from the source follower composed of the MOS transistor 221 and the constant
期間（５）で信号φＦＴ、φＲＳがハイレベルである期間に、信号／φＰＳ１、／φＧＲがハイレベルになることでセンサセル部１０１をリセットする。 During the period (5) in which the signals φFT and φRS are at a high level, the signals / φPS1 and / φGR are at a high level, thereby resetting the sensor cell unit 101.
期間（６）では、ＡＧＣ動作が行われる。信号／φＳＬおよび／φＬ１がハイレベルになると、センサセル部１０１の反転アンプから得られる出力はＳ１を光電変換による光信号として−（Ｓ１＋Ｎｓ１＋Ｎｔ）にセンサセル部のノイズＮｓ１が加わって、結果として−（Ｓ１＋Ｎｔ）が転送容量２２８の一方の端子に与えられる。転送容量２２８の他方の端子はＶＧＲ−（Ｎ１＋Ｎｔ）の電位となるため、転送部２０１のノイズＮｔが加わって、出力端子２０３からは、光信号−Ｓ１が出力される。期間（６）におけるセンサセル部１０１の出力変化は、端子２０３を介してリアルタイムでモニタ部ＭＯＮにて観測される。モニタ部ＭＯＮにはゲイン可変増幅部が含まれており、後述するコントラストの検出結果に応じてゲインが可変される。これをオートゲインコントロール（ＡＧＣ）と呼ぶ。モニタ部によるモニタ動作の結果、期間（６）での蓄積動作が終了した時点での、センサセル部１０１から出力される光信号を−Ｓ２とする。
In the period (6), an AGC operation is performed. When the signals / φSL and / φL1 become high level, the output obtained from the inverting amplifier of the sensor cell unit 101 is obtained by adding the noise Ns1 of the sensor cell unit to S (1 + Ns1 + Nt) with S1 as an optical signal by photoelectric conversion, and as a result,-(S1 + Nt ) Is applied to one terminal of the transfer capacitor 228. Since the other terminal of the transfer capacitor 228 has a potential of VGR− (N1 + Nt), the noise Nt of the
期間（７）では、信号φＦＴがハイレベルに保たれており、信号／φＳＬ１、／φＬ１及び／φＧＲがハイレベルになることで、転送容量２２８の一方の電極の電位がＶＲＳから−（Ｓ２＋Ｎｔ）分だけ変動する。 In the period (7), the signal φFT is maintained at a high level, and the signals / φSL1, / φL1, and / φGR are set to a high level, whereby the potential of one electrode of the transfer capacitor 228 is changed from VRS to − (S2 + Nt). Fluctuates by minutes.
期間（８）に信号／φＳＬ２および／φＬ２がハイレベルになると、第１メモリセル部３０１に保持されていたノイズ２Ｎｔに、第２メモリセル部４０１のノイズＮｍ２が加わって、−２Ｎｔ＋Ｎｍ２が転送容量２２８の一方の端子に与えられる。つまり、転送容量２２８には、−２Ｎｔ＋Ｎｍ２−（−（Ｓ２＋Ｎｔ））＝Ｓ２−Ｎｔ＋Ｎｍ２分の電位変動量が保持されることになる。 When the signals / φSL2 and / φL2 become high level during the period (8), the noise Nm2 of the second memory cell unit 401 is added to the noise 2Nt held in the first memory cell unit 301, and −2Nt + Nm2 becomes the transfer capacity. One terminal of 228 is provided. That is, the transfer capacitor 228 holds a potential fluctuation amount corresponding to −2Nt + Nm2 − (− (S2 + Nt)) = S2−Nt + Nm2.
期間（９）では信号φＦＴがローレベルにある。信号φＦＢがハイレベルの期間に信号／φＰＳ２がハイレベルになると、転送部２０１からは、Ｓ２−Ｎｔ＋Ｎｍ２にノイズＮｔが加わって、Ｓ２＋Ｎｍ２が第１メモリセル部３０１に与えられる。
In the period (9), the signal φFT is at a low level. When the signal / φPS2 becomes high level while the signal φFB is high level, the
期間（１０）に信号φＦＴをハイレベルとし、更に信号／φＳＬ２と／φＬ２とをハイレベルとすると、反転アンプによって反転された−（Ｓ２＋Ｎｍ２）にノイズＮｍ２が加わって、信号−Ｓ２が転送部２０１に与えられる。この状態で、不図示のシフトレジスタから信号φＨが与えられるとバッファアンプ２０２を介して信号が読み出される。バッファアンプから読み出された信号は、図１に示したラインセンサ部の対において、どの位置（ビット）の単位画素で最大値あるいは最小値の信号が得られているのかを調べるために用いられ、この位置情報に基づいて、被写体のデフォーカス量（合焦位置からのずれ）を検出する。検出されたデフォーカス量に基づいて、不図示の制御部は撮像装置の光学系を調整して合焦させる。以上で説明したように、低感度モードでの動作において、センサセル部のノイズが低減された信号−Ｓ１を用いてＡＧＣ動作が可能となり、さらに、蓄積動作の終了後に読み出される信号−Ｓ２もセンサセル部のノイズが低減されているため、Ｓ／Ｎ比の高い信号を得ることができる。
When the signal φFT is set to the high level in the period (10) and the signals / φSL2 and / φL2 are set to the high level, the noise Nm2 is added to − (S2 + Nm2) inverted by the inverting amplifier, and the signal −S2 is transferred to the
ここまでは、図９のタイミング図に従って、低感度モードで動作する場合を説明してきた。以下では、図１０に従って、高感度モードで動作する場合を説明する。 Up to this point, the operation in the low sensitivity mode has been described according to the timing diagram of FIG. Hereinafter, a case of operating in the high sensitivity mode will be described with reference to FIG.
高感度モードの動作と低感度モードの動作との違いは、高感度モードでは期間（１）および（２）の一部の期間を除いては、信号／φＳＷがローレベルに保持される点である。これによってセンサセル部の検出容量を小さい状態で信号を検出できるので、低輝度条件においても信号を検出できるようになる。高感度モードにおいても、センサセル部で生じたノイズを低減して信号を検出できるので、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。一般に、高感度モードは低輝度条件、すなわち信号成分が小さい条件で用いられるので、Ｓ／Ｎ比を高くすることは特に有効である。 The difference between the operation in the high sensitivity mode and the operation in the low sensitivity mode is that the signal / φSW is held at a low level in the high sensitivity mode except for a part of the periods (1) and (2). is there. As a result, since the signal can be detected with a small detection capacity of the sensor cell unit, the signal can be detected even under a low luminance condition. Even in the high sensitivity mode, the noise generated in the sensor cell part can be reduced and the signal can be detected, so that the S / N ratio can be increased. In general, the high sensitivity mode is used in a low luminance condition, that is, in a condition where the signal component is small, so it is particularly effective to increase the S / N ratio.
以上で説明したように、本実施例によれば、センサセル部を高感度モードと低感度モードとで切り換えて動作ができるため、ダイナミックレンジの拡大と受光量のモニタ動作とを両立することが可能となる。さらに、本実施例によればＳ／Ｎ比が高い信号を検出できるので精度を高めることが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, the sensor cell unit can be operated by switching between the high sensitivity mode and the low sensitivity mode, so that it is possible to achieve both the expansion of the dynamic range and the monitoring operation of the received light amount. It becomes. Furthermore, according to the present embodiment, since a signal with a high S / N ratio can be detected, the accuracy can be increased.
（実施例３）
図１１は、ラインセンサ部Ｌ１Ａ、Ｌ２Ａ、・・・に係る部分をより詳細に示したブロック図である。各単位画素はセンサセル部、第１メモリセル部、及び第２メモリセル部を備える構成で、共通出力線に接続されている。また、異なるラインセンサ部の同様の位置に存在する単位画素は、共通出力線を介して共通の転送部に接続される。各転送部は、共通のバッファアンプに接続される。ラインセンサ部Ｌ１Ｂ、Ｌ２Ｂ、・・・も図２と同様の構成である。
Example 3
FIG. 11 is a block diagram showing in more detail the portions related to the line sensor portions L1A, L2A,. Each unit pixel is configured to include a sensor cell unit, a first memory cell unit, and a second memory cell unit, and is connected to a common output line. In addition, unit pixels existing at the same position in different line sensor units are connected to a common transfer unit via a common output line. Each transfer unit is connected to a common buffer amplifier. The line sensor portions L1B, L2B,... Have the same configuration as that in FIG.
図１２は、図１１で示した構成のうちラインセンサ部ＬＳ１を抜き出しており、特に単位画素１１Ａと、これと接続された転送部とに着目して説明を行う。単位画素１１Ａは、センサセル部１０１、第１メモリセル部３０１、及び第２メモリセル部４０１を含む。図３において、ＭＯＳトランジスタの制御電極並びにスイッチに付された「φＸ」は、不図示の制御部から供給される信号を意味している。本実施例に係る光電変換装置は、実施例２の構成に加えてさらに各単位画素が第２メモリセル部４０１を備える。それ以外は実施例２と共通するので説明を省略する。
FIG. 12 shows the line sensor unit LS1 extracted from the configuration shown in FIG. 11, and the description will be focused on the
第２メモリセル部４０１と第１メモリセル部３０１との違いは負荷ＭＯＳトランジスタ３３３が無い点である。これは、負荷ＭＯＳトランジスタ３３３を第１メモリセル部３０１と第２メモリセル部４０１とで共有しているためである。第１メモリセル部３０１と第２メモリセル部４０１の各々に個別の負荷ＭＯＳトランジスタを設けても良い。なお、ここではセンサセル部１０１とメモリセル部とで異なる負荷ＭＯＳトランジスタを利用するが、センサセル部１０１とメモリセル部とで共通の負荷ＭＯＳトランジスタであってもよい。 The difference between the second memory cell unit 401 and the first memory cell unit 301 is that there is no load MOS transistor 333. This is because the load MOS transistor 333 is shared by the first memory cell unit 301 and the second memory cell unit 401. Individual load MOS transistors may be provided in each of the first memory cell unit 301 and the second memory cell unit 401. Here, different load MOS transistors are used in the sensor cell unit 101 and the memory cell unit, but a common load MOS transistor may be used in the sensor cell unit 101 and the memory cell unit.
次に、図１３のタイミングチャート図を参照しながら図１２に示す光電変換装置の動作を説明する。図１３においてＰＭＯＳトランジスタに入力される信号に対しては反転状態を示す“／”を付している。例えば、ＰＭＯＳトランジスタ１１２の制御電極にはφＳＬ１が与えられるが、図１３ではその反転信号／φＳＬ１として説明しているので、／φＳＬ１がハイレベルの時にＰＭＯＳトランジスタ１１２が導通することを示している。従って、図１３の各信号がハイレベルの時に当該信号が供給されるスイッチまたはＭＯＳトランジスタが導通する。 Next, the operation of the photoelectric conversion device illustrated in FIG. 12 will be described with reference to the timing chart of FIG. In FIG. 13, “/” indicating an inversion state is attached to a signal input to the PMOS transistor. For example, although φSL1 is given to the control electrode of the PMOS transistor 112, since it is described as its inverted signal / φSL1 in FIG. 13, it indicates that the PMOS transistor 112 becomes conductive when / φSL1 is at a high level. Therefore, when each signal in FIG. 13 is at a high level, a switch or a MOS transistor to which the signal is supplied becomes conductive.
以下では、実線で示した信号に基づいて説明を行う。まず低感度モードでの動作を行う。期間（１）では信号φＳＷがハイレベルになり、センサセル部１０１の感度が（Ｃｐｄ＋ＣＰ）によって決定される状態になる。期間（１）ではさらに信号φＲＳ、φＦＴ、／φＰＳ１、／φＰＳ２１、／φＰＳ２２がハイレベルになり、電源電圧ＶＲＳによってセンサセル部１０１と第１及び第２メモリセル部がリセットされる。さらに、信号／φＧＲもハイレベルになるので、転送容量２２８は電源電圧ＶＲＳとＶＧＲとによってリセットされる。このとき、ＭＯＳトランジスタ２２１と定電流源２２５とで構成されるソースフォロワの出力は、ＶＧＲ−Ｖｔｈ＝ＶＲＳとなる。
Below, it demonstrates based on the signal shown as the continuous line. First, the operation in the low sensitivity mode is performed. In the period (1), the signal φSW becomes high level, and the sensitivity of the sensor cell unit 101 is determined by (Cpd + CP). In the period (1), the signals φRS, φFT, / φPS1, / φPS21, / φPS22 are at a high level, and the sensor cell unit 101 and the first and second memory cell units are reset by the power supply voltage VRS. Further, since the signal / φGR is also at a high level, the transfer capacitor 228 is reset by the power supply voltages VRS and VGR. At this time, the output of the source follower composed of the MOS transistor 221 and the constant
次に信号φＲＳ、／φＧＲ、／φＰＳ１、／φＰＳ２１、／φＰＳ２２がローレベルになった後に、信号φＦＴがハイレベルの状態で信号／φＳＬ１及びφＬ１がハイレベルになる。これにより、センサセル部のリセット後のセンサノイズＮｓ１が反転アンプと共通出力線１１２を介して転送容量２２８に書き込まれる。その後、信号φＦＴがローレベルになることで書き込みが終了し、信号／φＳＬ１及び／φＬ１がローレベルになる。 Next, after the signals φRS, / φGR, / φPS1, / φPS21, / φPS22 become low level, the signals / φSL1 and φL1 become high level while the signal φFT is at high level. Thereby, the sensor noise Ns1 after the reset of the sensor cell unit is written to the transfer capacitor 228 via the inverting amplifier and the common output line 112. Thereafter, when the signal φFT becomes low level, writing is completed, and the signals / φSL1 and / φL1 become low level.
期間（２）においてＭＯＳトランジスタ２２１のゲート電位はＶＧＲ＋Ｎｓ１であって、信号φＦＢがハイレベルになると、ＶＲＳを基準として、転送部２０１のノイズを加えたノイズＮｓ１＋Ｎｔがセンサセル部１０１に入力される。
In the period (2), the gate potential of the MOS transistor 221 is VGR + Ns1, and when the signal φFB becomes high level, noise Ns1 + Nt to which the noise of the
期間（３）では信号φＦＴがハイレベルであり、この期間に信号／φＳＬ１、／φＬ１がハイレベルになると、センサセル部１０１の反転アンプが動作して、−（Ｎｓ１＋Ｎｔ）にノイズＮｓ１が加算されてノイズ−（Ｎｔ）が出力される。期間（３）では／φＧＲが一時的にハイレベルになるため、期間（３）が終了する時点で転送容量２２８の他方の端子は電気的浮遊状態（フローティング）になり、転送容量２２８にはＶＧＲ＋Ｎｔの電位差が保持される。 In the period (3), the signal φFT is at a high level. When the signals / φSL1 and / φL1 are at a high level during this period, the inverting amplifier of the sensor cell unit 101 operates to add the noise Ns1 to − (Ns1 + Nt). Noise-(Nt) is output. In the period (3), / φGR temporarily becomes a high level. Therefore, at the end of the period (3), the other terminal of the transfer capacitor 228 is in an electrically floating state (floating), and the transfer capacitor 228 has VGR + Nt Is maintained.
期間（４）に信号φＦＴがハイレベルの期間に信号φＲＳと／φＰＳ２１とがハイレベルになると、転送容量２２８の一方の端子はＶＲＳの電位になり、ノイズＮｔ分だけ変動するため、転送容量２２８の他方の端子もＮｔ分だけ変動する。このときＭＯＳトランジスタ２２１と定電流源２２５とで構成されるソースフォロワから出力されるノイズは２Ｎｔであって、これがメモリ容量３３５に保持される。
If the signal φRS and / φPS21 are at a high level during the period (4) when the signal φFT is at a high level, one terminal of the transfer capacitor 228 becomes the potential of VRS and varies by the noise Nt. The other terminal of this also varies by Nt. At this time, the noise output from the source follower composed of the MOS transistor 221 and the constant
期間（５）で信号φＦＴ、φＲＳがハイレベルである期間に、信号／φＰＳ１、／φＧＲがハイレベルになることでセンサセル部１０１をリセットする。 During the period (5) in which the signals φFT and φRS are at a high level, the signals / φPS1 and / φGR are at a high level, thereby resetting the sensor cell unit 101.
その後、信号／φＳＷがローレベルになることでセンサセル部１０１は高感度モードに移行し、さらに信号／φＧＲ、／φＰＳ１、およびφＲＳがローレベルになる。このときにセンサセル部１０１で生じるノイズをＮｓ２とする。Ｎｓ２は、ＣＰ１１７がＰＤ１１６と電気的に接続されていないときのノイズである。その後、信号φＦＴがハイレベルである期間に信号／φＳＬ１、／φＬ１がハイレベルになり、センサノイズＮｓ２が転送容量２２８に書き込まれる。
Thereafter, when the signal / φSW becomes low level, the sensor cell unit 101 shifts to the high sensitivity mode, and the signals / φGR, / φPS1, and φRS become low level. At this time, the noise generated in the sensor cell unit 101 is Ns2. Ns2 is noise when the
期間（６）では、ＭＯＳトランジスタ２２１の制御電極に与えられる電位はＶＧＲ＋Ｎｓ２であるので、スイッチ２２７を介して共通出力線１０２に与えられる電位はＶＲＳ＋Ｎｓ２となる。その後、信号φＦＢがハイレベルである期間に信号／φＰＳ１および／φＳＷが一時的にハイレベルになり、転送部２０１で生じるノイズＮｔを加えたノイズＮｓ２＋Ｎｔがセンサセル部１０１に入力される。
In the period (6), since the potential applied to the control electrode of the MOS transistor 221 is VGR + Ns2, the potential applied to the common output line 102 via the
期間（７）では、信号φＦＴがハイレベルであって、転送容量２２８の一方の端子はスイッチ２２６を介して共通出力線１０２と電気的に接続された状態にある。この期間に信号／φＳＬ１および／φＬ１がハイレベルになることで、センサセル部１０１の反転アンプ出力−（Ｎｓ２＋Ｎｔ）にＮｓ２が加算されて−Ｎｔが転送容量の一方の端子に与えられる。このときのレベルをクランプするために、信号／φＧＲが一時的にハイレベルになる。これにより、転送容量２２８にはＶＧＲ＋Ｎｔの電位差が保持される。 In the period (7), the signal φFT is at a high level, and one terminal of the transfer capacitor 228 is electrically connected to the common output line 102 via the switch 226. Since the signals / φSL1 and / φL1 become high level during this period, Ns2 is added to the inverting amplifier output − (Ns2 + Nt) of the sensor cell unit 101, and −Nt is given to one terminal of the transfer capacitor. In order to clamp the level at this time, the signal / φGR temporarily becomes a high level. As a result, a potential difference of VGR + Nt is held in the transfer capacitor 228.
期間（８）においては、まず、信号φＦＢがハイレベルになり、ＭＯＳトランジスタ２２１と定電流源２２５とで構成されるソースフォロワの出力を共通出力線に接続する。そして、信号φＲＳおよび／φＰＳ２２がハイレベルになることで、メモリ容量４４５にノイズ２Ｎｔが書き込まれる。
In the period (8), first, the signal φFB becomes high level, and the output of the source follower composed of the MOS transistor 221 and the constant
期間（９）では、信号φＲＳ、／φＧＲおよびφＦＴがハイレベルになることで、転送容量２２８がリセットされるとともに、共通出力線１０２もリセットされる。このとき、ＭＯＳトランジスタ２２１と定電流源２２５とで構成されるソースフォロワの出力はＶＲＳである。
In the period (9), the signals φRS, / φGR, and φFT are at a high level, so that the transfer capacitor 228 is reset and the common output line 102 is also reset. At this time, the output of the source follower composed of the MOS transistor 221 and the constant
期間（１０）では、ＡＧＣ動作が行われる。信号／φＳＬおよび／φＬ１がハイレベルになると、センサセル部１０１の反転アンプから得られる出力はＳ１を光電変換による光信号として−（Ｓ１＋Ｎｓ２＋Ｎｔ）にセンサセル部のノイズＮｓ２が加わって、結果として−（Ｓ１＋Ｎｔ）が転送容量２２８の一方の端子に与えられる。転送容量２２８の他方の端子はＶＧＲ−（Ｎ１＋Ｎｔ）の電位となるため、転送部２０１のノイズＮｔが加わって、出力端子２０３からは、光信号−Ｓ１が出力される。期間（１０）におけるセンサセル部１０１の出力変化は、端子２０３を介してリアルタイムでモニタ部ＭＯＮにて観測される。モニタ部ＭＯＮにはゲイン可変増幅部が含まれており、後述するコントラストの検出結果に応じてゲインが可変される。これをオートゲインコントロール（ＡＧＣ）と呼ぶ。モニタ部によるモニタ動作の結果、期間（１０）での蓄積動作が終了した時点での、センサセル部１０１から出力される光信号を−Ｓ２とする。
In the period (10), an AGC operation is performed. When the signals / φSL and / φL1 become high level, the output obtained from the inverting amplifier of the sensor cell unit 101 is obtained by adding the noise Ns2 of the sensor cell unit to-(S1 + Ns2 + Nt) using S1 as an optical signal by photoelectric conversion, and as a result,-(S1 + Nt ) Is applied to one terminal of the transfer capacitor 228. Since the other terminal of the transfer capacitor 228 has a potential of VGR− (N1 + Nt), the noise Nt of the
期間（１１）では、信号φＦＴがハイレベルに保たれており、信号／φＳＬ１、／φＬ１及び／φＧＲがハイレベルになることで、転送容量２２８の一方の電極の電位がＶＲＳから−（Ｓ２＋Ｎｔ）分だけ変動する。 In the period (11), the signal φFT is maintained at a high level, and the signals / φSL1, / φL1, and / φGR are set to a high level, whereby the potential of one electrode of the transfer capacitor 228 is changed from VRS to − (S2 + Nt). Fluctuates by minutes.
期間（１２）に信号／φＳＬ２１および／φＬ２がハイレベルになると、第２メモリセル部４０１に保持されていたノイズ２Ｎｔに、第２メモリセル部４０１のノイズＮｍ２が加わって、−２Ｎｔ＋Ｎｍ２が転送容量２２８の一方の端子に与えられる。つまり、転送容量２２８には、−２Ｎｔ＋Ｎｍ２−（−（Ｓ２＋Ｎｔ））＝Ｓ２−Ｎｔ＋Ｎｍ２分の電位変動量が保持されることになる。 When the signals / φSL21 and / φL2 become high level in the period (12), the noise Nm2 of the second memory cell unit 401 is added to the noise 2Nt held in the second memory cell unit 401, and −2Nt + Nm2 becomes the transfer capacity. One terminal of 228 is provided. That is, the transfer capacitor 228 holds a potential fluctuation amount corresponding to −2Nt + Nm2 − (− (S2 + Nt)) = S2−Nt + Nm2.
期間（１３）では信号φＦＴがローレベルにある。信号φＦＢがハイレベルの期間に信号／φＰＳ２２がハイレベルになると、転送部２０１からは、Ｓ２−Ｎｔ＋Ｎｍ２にノイズＮｔが加わって、Ｓ２＋Ｎｍ２が第２メモリセル部４０１に与えられる。
In the period (13), the signal φFT is at a low level. When the signal / φPS22 becomes high level while the signal φFB is high level, the
期間（１４）に信号φＦＴをハイレベルとし、更に信号／φＳＬ２２と／φＬ２とをハイレベルとすると、反転アンプによって反転された−（Ｓ２＋Ｎｍ２）にノイズＮｍ２が加わって、信号−Ｓ２が転送部２０１に与えられる。この状態で、不図示のシフトレジスタから信号φＨが与えられるとバッファアンプ２０２を介して信号が読み出される。バッファアンプから読み出された信号は、図１に示したラインセンサ部の対において、どの位置（ビット）の単位画素で最大値あるいは最小値の信号が得られているのかを調べるために用いられ、この位置情報に基づいて、被写体のデフォーカス量（合焦位置からのずれ）を検出する。検出されたデフォーカス量に基づいて、不図示の制御部は撮像装置の光学系を調整して合焦させる。
When the signal φFT is set to the high level in the period (14) and the signals / φSL22 and / φL2 are set to the high level, the noise Nm2 is added to − (S2 + Nm2) inverted by the inverting amplifier, and the signal −S2 is transferred to the
ここまでは、図１３のタイミング図において実線で示した信号に従って、期間（１０）以降も高感度モードで動作する場合を説明してきた。以下では、破線で示した信号に従って、期間（１０）の途中から低感度モードで動作する場合を説明する。期間（１０）の途中から低感度モードに移行するのは、リアルタイムＡＧＣを行っている期間（１０）の前半で、ＰＫ比較器の出力が反転した場合、すなわち、ＰＥＡＫ出力３１８が飽和打ち切り電圧ＶＢＢに達した場合である。この場合には、ＰＫ比較器の出力が反転したことを受けて信号／φＳＷがハイレベルになり、ＣＰ１１７がＰＤ１１６に対して付加された状態になる。
Up to this point, the case has been described in which the operation is performed in the high sensitivity mode after the period (10) according to the signal indicated by the solid line in the timing chart of FIG. Below, the case where it operate | moves in a low sensitivity mode from the middle of a period (10) according to the signal shown with the broken line is demonstrated. The transition to the low sensitivity mode from the middle of the period (10) occurs when the output of the PK comparator is inverted in the first half of the period (10) in which the real-time AGC is performed, that is, the PEAK output 318 is saturated with the saturation cutoff voltage VBB. Is reached. In this case, in response to the output of the PK comparator being inverted, the signal / φSW becomes high level, and
期間（１１）以降では、利用するメモリが第１メモリセル部３０１に変更される点のみが先述の高感度モードと異なるので、詳細な動作の説明を省略する。 After the period (11), only the point that the memory to be used is changed to the first memory cell unit 301 is different from the above-described high-sensitivity mode, and thus detailed description of the operation is omitted.
期間（１０）から低感度モードに移行する動作で特徴的なのは、期間（１４）にバッファアンプ２０２から出力される信号−Ｓ３には、蓄積動作中にＭＯＳトランジスタ１１５を導通させたことによるノイズが含まれる。しかし、ＰＫ比較器の出力が反転するほどの高輝度条件においては、このノイズは無視することができる。
A characteristic of the operation to shift from the period (10) to the low sensitivity mode is that the signal -S3 output from the buffer amplifier 202 in the period (14) is caused by noise caused by the conduction of the
次に、図１４を参照しながら、ＡＦセンサ動作を示すフローチャートを説明する。 Next, a flowchart showing the AF sensor operation will be described with reference to FIG.
まず、ＡＦセンサの動作が開始されると、センサセル部１０１をリセットしたことによるノイズがメモリセル部に書き込まれる。ここで、ＣＰがＰＤと接続された低感度モードにおけるノイズは第１メモリセル部に、ＣＰがＰＤから切り離された高感度モードにおけるノイズは第２メモリセル部に書き込まれる（期間（１）〜（８））。 First, when the operation of the AF sensor is started, noise caused by resetting the sensor cell unit 101 is written into the memory cell unit. Here, the noise in the low sensitivity mode in which the CP is connected to the PD is written in the first memory cell unit, and the noise in the high sensitivity mode in which the CP is separated from the PD is written in the second memory cell unit (period (1) to (8)).
高感度モードにおけるノイズは第２メモリセル部に書き込まれたことに引き続いて高感度モードにおける蓄積動作が行われ、同時にモニタ部で信号のモニタリングを行いながら、可変ゲイン増幅部のゲインを制御するＡＧＣ動作が行われる（期間（９）〜（１０））。 AGC in which the noise in the high sensitivity mode is stored in the high sensitivity mode following the fact that the noise is written in the second memory cell unit, and the gain of the variable gain amplification unit is controlled while monitoring the signal at the same time. The operation is performed (periods (9) to (10)).
次に、期間（１０）にＡＧＣ動作が開始後の所定時間が経過するまでの期間にＰＢ比較器において、コントラストが閾値以上、すなわちＰＢ比較器の出力が反転した場合にはセンサセル部の蓄積動作が終了する。蓄積動作が終了したら、第２メモリセル部を用いてノイズ除去動作を行い（期間（１１）〜（１３））、その後バッファアンプ２０２から信号を読み出す（期間（１４））。 Next, in the period until the predetermined time after the AGC operation starts in the period (10), in the PB comparator, when the contrast is equal to or higher than the threshold, that is, the output of the PB comparator is inverted, the accumulation operation of the sensor cell unit Ends. When the accumulation operation ends, a noise removal operation is performed using the second memory cell portion (periods (11) to (13)), and then a signal is read from the buffer amplifier 202 (period (14)).
一方、期間（１０）にＡＧＣ動作が開始後の所定時間が経過するまでの期間にＰＢ比較器の出力が反転しなければ、ＰＫ比較器の出力が反転したか否かを判定する。前記所定時間は、用途に応じて設定しうるものである。ＰＢ比較器の出力が反転しない場合には、低輝度かつ低コントラストである状態なので、蓄積動作を強制的に終了し、可変ゲイン増幅部のゲインをより高い値に設定して再び高感度モードでの蓄積動作を開始する。一方、ＰＫ反転信号が反転した場合には、高輝度かつ低コントラストである状態を示すので、センサセル部において、ＣＰをＰＤと導通させて低感度モードに移行する。先述の通り、ＰＫ比較器に与えられる飽和打ち切り電圧ＶＢＢは高感度モードにおける飽和レベルよりも低い電圧に設定されているので、低感度モードに移行しても当然飽和レベル未満になる。従って、再び蓄積動作を最初から行う必要がなくなるので、高速な動作が可能となる。低感度モードに移行することにより、高輝度条件下でも蓄積時間を長く確保できるために十分なコントラストが得られる。 On the other hand, if the output of the PB comparator is not inverted during a period until the predetermined time after the AGC operation starts in the period (10), it is determined whether or not the output of the PK comparator is inverted. The predetermined time can be set according to the application. If the output of the PB comparator does not invert, it is in a low luminance and low contrast state, so the accumulation operation is forcibly terminated, the gain of the variable gain amplification unit is set to a higher value, and the high sensitivity mode is set again. The accumulation operation starts. On the other hand, when the PK inversion signal is inverted, it indicates a state of high brightness and low contrast. Therefore, in the sensor cell unit, the CP is brought into conduction with the PD to shift to the low sensitivity mode. As described above, the saturation cutoff voltage VBB supplied to the PK comparator is set to a voltage lower than the saturation level in the high sensitivity mode. Therefore, it is not necessary to perform the accumulation operation from the beginning again, and a high-speed operation is possible. By shifting to the low sensitivity mode, a long accumulation time can be secured even under high luminance conditions, so that sufficient contrast can be obtained.
次に、ＰＢ比較器の出力が反転したら蓄積動作を終了し、反転しなければ可変ゲイン増幅部のゲインをより高い値に設定して、低感度モードでの蓄積動作を再び初めから行う。 Next, when the output of the PB comparator is inverted, the accumulation operation is terminated, and when not inverted, the gain of the variable gain amplifying unit is set to a higher value, and the accumulation operation in the low sensitivity mode is performed again from the beginning.
低感度モードでのＡＧＣ動作においてＰＢ比較器の出力が反転したら、センサセル部の蓄積動作を終了して、第１メモリセル部を用いてノイズ除去動作を行い（期間（１１）〜（１３））、その後バッファアンプ２０２から信号を読み出す（期間（１４））。 When the output of the PB comparator is inverted in the AGC operation in the low sensitivity mode, the accumulation operation of the sensor cell unit is terminated, and the noise removal operation is performed using the first memory cell unit (periods (11) to (13)). Thereafter, a signal is read from the buffer amplifier 202 (period (14)).
以上で説明したように、本実施形態においてはセンサセル部の光信号をモニタするＡＧＣ期間に、センサセル部の蓄積動作を高感度モードから開始している。このため、高輝度低コントラストの被写体の焦点検出を行う場合であっても、センサセル部の蓄積動作を再度初期化することなく低感度モードに移行し、コントラストの検出を行うことが可能となり、ＡＦ動作を高速に実現することができる。 As described above, in the present embodiment, the accumulation operation of the sensor cell unit is started from the high sensitivity mode during the AGC period in which the optical signal of the sensor cell unit is monitored. For this reason, even when focus detection of a high-brightness low-contrast object is performed, it is possible to shift to the low-sensitivity mode without reinitializing the accumulation operation of the sensor cell unit, and to perform contrast detection. The operation can be realized at high speed.
（実施例４）
実施例３では、図１３に示すタイミング図に基づいて光電変換装置の動作を説明した。図１３においては、低感度モードと高感度モードとで、それぞれノイズキャンセル動作を行った上で、第１及び第２メモリセル部に独立に転送部でのノイズ２×Ｎｔを書き込んでいる。実施例１では詳述していないが、スイッチやＭＯＳトランジスタを駆動する際にはランダムノイズが発生する。従って、期間（４）で第１メモリセル部３０１に書き込まれるノイズと、期間（８）で第２メモリセル部４０１に書き込まれるノイズとは、スイッチ等で発生するランダムノイズに起因する成分が異なっている。図１３に示した動作によれば、期間（１４）で読み出される信号からはランダムノイズも除去されているので、高精度なＡＦ動作が可能となっている。
Example 4
In the third embodiment, the operation of the photoelectric conversion device has been described based on the timing chart shown in FIG. In FIG. 13, after performing noise canceling operation in each of the low sensitivity mode and the high sensitivity mode, the
本実施例では、上述のランダムノイズを考慮しない場合の動作を説明する。この場合には、図１３の期間（４）において、信号／φＰＳ２１とともに信号／φＰＳ２２をハイレベルにする。その後、図１３における期間（５）〜（８）に相当する動作を省略して、期間（９）の動作を行うことができるので、より高速なＡＦ動作が実現できる。本実施例においても、ＡＧＣ動作は高感度モードから開始されるので、実施例１と同様の効果が得られる。 In this embodiment, an operation when the above-described random noise is not considered will be described. In this case, the signal / φPS22 is set to the high level together with the signal / φPS21 in the period (4) of FIG. After that, the operation corresponding to the periods (5) to (8) in FIG. 13 can be omitted and the operation in the period (9) can be performed, so that a faster AF operation can be realized. Also in the present embodiment, since the AGC operation is started from the high sensitivity mode, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
なお、（１）〜（４）の動作を高感度モードで実行し、高感度モードにおけるノイズをメモリセル部に書き込んでも良い。この場合には、メモリセル部への書き込みからＡＧＣ動作の開始に至るまでの期間にＭＯＳトランジスタ１１５を動作させる必要がないので、ＭＯＳトランジスタ１１５に起因するランダムノイズを抑制できる利点がある。高感度モードは低輝度条件、すなわち信号成分が少ない条件で有効なものであるので、ノイズを抑制することで、高精度のＡＦ動作が可能となる。
The operations (1) to (4) may be executed in the high sensitivity mode, and noise in the high sensitivity mode may be written in the memory cell unit. In this case, since there is no need to operate the
さらに、本実施例においては、メモリセル部を各単位画素につき１つ設ければよくなるので、光電変換装置の小型化が図れるという利点もある。 Further, in this embodiment, it is only necessary to provide one memory cell portion for each unit pixel, so that there is an advantage that the photoelectric conversion device can be reduced in size.
また、精度を要求される場合には実施例１に係る動作を行い、高速な動作が求められる場合には本実施例に係る動作を行うように切り換えてもよい。 Further, the operation according to the first embodiment may be performed when accuracy is required, and the operation according to the present embodiment may be performed when high speed operation is required.
（実施例５）
図１５は本発明に係る光電変換装置を用いたＴＴＬ−ＳＩＲ（Ｔｈｒｏｕｇｈ ＴｈｅＬｅｎｓ−Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｍａｇｅ Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）型オートフォーカスシステムを搭載した撮像システムの光学系概略図を示している。ここでは一眼レフカメラを例示する。
(Example 5)
FIG. 15 is a schematic diagram of an optical system of an imaging system equipped with a TTL-SIR (Through TheLens-Secondary Image Registration) type autofocus system using the photoelectric conversion device according to the present invention. Here, a single-lens reflex camera is illustrated.
同図において、４０は被写体像をフィルムやイメージセンサ上に一次結像させるためのレンズ、４１はファインダースクリーン４２へ光を反射させるためのクイックリターンミラーであり、光を数１０％透過するハーフミラーとなっている。４３はＡＦ系へ光を導くためのサブミラー、４４は本発明に係る光電変換装置（ＡＦセンサー）である。４５はＡＦセンサー上に被写体像を再結像させるための二次結像レンズ（メガネレンズ）、４６はＡＦセンサー４４へ光を導く反射ミラー、４７はフォーカルプレーンシャッター、４８はフィルム又はイメージセンサ、４９は光線の主軸を示している。
In the figure,
本実施例において、実施例１または２に係る光電変換装置を用いることで、合焦スピードを低下させることなく、ダイナミックレンジが優れた撮像システムの実現が可能となる。
In this embodiment, by using the photoelectric conversion device according to
Ｌ１Ａ、Ｌ１Ｂ ラインセンサ部
１１Ａ、１２Ｂ 単位画素
１００ 光電変換装置
１０１ センサセル部
１０２ 共通出力線
２０１ 転送部
２０２ バッファアンプ
３０１ 第１メモリセル部
３３５ メモリ容量
４０１ 第２メモリセル部
L1A, L1B
上記目的を達成するための本発明は、各々が光電変換素子と前記光電変換素子の電荷を電圧に変換する検出容量とを有する複数のセンサセル部と、前記複数のセンサセル部が出力する信号をモニタするモニタ部とを有する光電変換装置であって、前記モニタ部は、前記複数のセンサセル部の各々が出力する信号のうちの最大値及び最小値を検出する最大値最小値検出部と、前記最大値と最小値との差と閾値とを比較する最大値最小値比較器と、前記最大値と第１のレベルとを比較する最大値比較器とを有し、前記複数のセンサセル部の各々の前記検出容量の容量値が第１の容量値である状態において、前記モニタ部が前記複数のセンサセル部からの信号のモニタを開始し、前記モニタする期間の開始後、前記最大値と最小値との差が前記閾値を超えず、かつ、前記最大値が前記第１のレベルに達した場合に、前記複数のセンサセル部の各々の前記検出容量の容量値を、前記第１の容量値よりも大きい第２の容量値とすることを特徴とする光電変換装置である。 In order to achieve the above object, the present invention monitors a plurality of sensor cell units each having a photoelectric conversion element and a detection capacitor for converting a charge of the photoelectric conversion element into a voltage, and signals output from the plurality of sensor cell units. And a monitor unit, wherein the monitor unit detects a maximum value and a minimum value among signals output from each of the plurality of sensor cell units, and the maximum value A maximum value / minimum value comparator that compares a difference between the value and the minimum value and a threshold value; and a maximum value comparator that compares the maximum value and the first level, and each of the plurality of sensor cell units. In a state where the capacitance value of the detected capacitance is the first capacitance value, the monitor unit starts monitoring signals from the plurality of sensor cell units, and after the start of the monitoring period, the maximum value and the minimum value Is the threshold value When the maximum value reaches the first level, the capacitance value of the detection capacitance of each of the plurality of sensor cell units is set to a second capacitance value that is larger than the first capacitance value. A photoelectric conversion device characterized in that
Claims (13)
前記単位画素から出力された信号を転送する複数の転送部と、
前記転送部から出力された、センサセル部からの信号をモニタするモニタ部を備えたこと
を特徴とする光電変換装置。 A plurality of unit pixels including a sensor cell unit operable in a low sensitivity mode and a high sensitivity mode to output a photoelectrically converted signal;
A plurality of transfer units that transfer signals output from the unit pixels;
A photoelectric conversion apparatus comprising: a monitor unit that monitors a signal output from the transfer unit and output from the sensor cell unit.
を特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。 2. The sensor cell unit according to claim 1, wherein the sensor unit is set to a high sensitivity mode at a start of a period in which the monitor unit monitors signals from the plurality of sensor cell units output from the plurality of transfer units. Photoelectric conversion device.
前記センサセル部が低感度モードである時に初期化されたことに起因するノイズを、前記転送部を介して一の前記メモリセル部に保持させ、さらに、前記センサセル部が高感度モードである時に初期化されたことに起因するノイズを、前記転送部を介して別の一の前記メモリセル部に保持させること
を特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。 Prior to the monitoring period,
Noise caused by being initialized when the sensor cell unit is in the low sensitivity mode is held in the one memory cell unit via the transfer unit, and further, the noise is initialized when the sensor cell unit is in the high sensitivity mode. 8. The photoelectric conversion device according to claim 7, wherein noise resulting from the conversion to the memory is held in another memory cell unit via the transfer unit. 9.
前記センサセル部が初期化されたことに起因するノイズを、前記複数のメモリセル部に対して同時に書き込むこと
を特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。 Prior to the monitoring period,
The photoelectric conversion device according to claim 7, wherein noise caused by the initialization of the sensor cell unit is simultaneously written in the plurality of memory cell units.
複数の前記転送部から出力された信号のうち、最大値及び最小値を検出する最大値最小値検出部と、
前記最大値と最小値との差が閾値を超えたか否かを判定する最大値最小値比較器と、
前記最大値が第１のレベルに達したか否かを判定する最大値比較器と、をさらに有し、前記モニタする期間の開始後の所定時間が経過する間に、前記最大値と最小値との差が前記閾値を超えず、かつ、前記最大値が前記第１のレベルに達したら、前記センサセル部を低感度モードにする
ことを特徴とする光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 1,
Among the signals output from the plurality of transfer units, a maximum value and minimum value detection unit for detecting a maximum value and a minimum value;
A maximum / minimum value comparator for determining whether a difference between the maximum value and the minimum value exceeds a threshold;
A maximum value comparator for determining whether or not the maximum value has reached a first level, and the maximum value and the minimum value during a predetermined time after the start of the monitoring period. When the difference between the threshold value and the maximum value reaches the first level, the sensor cell unit is set to a low sensitivity mode.
前記低感度モードでは前記容量素子が前記光電変換素子と電気的に接続され、
前記高感度モードでは前記容量素子が前記光電変換素子と電気的に絶縁されること
を特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の光電変換装置。 The unit pixel includes a photoelectric conversion element and a capacitive element provided in parallel with the photoelectric conversion element,
In the low sensitivity mode, the capacitive element is electrically connected to the photoelectric conversion element,
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the capacitive element is electrically insulated from the photoelectric conversion element in the high sensitivity mode.
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