JP2016042623A - Imaging device and camera - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像素子およびカメラに関する。 The present invention relates to an image sensor and a camera.
一対の光電変換部が設けられた焦点検出用画素が複数配置され、像面位相差方式による焦点検出が可能な撮像素子が知られている（特許文献１参照）。このような焦点検出用画素の出力を読み出す読み出し回路の例として、特許文献１には、一対の光電変換部のそれぞれに読み出し回路が設けられた（すなわち１画素につき２つの読み出し回路が設けられた）第１の例（図８）と、一対の光電変換部に対して共通の読み出し回路が１つ設けられた（すなわち１画素につき１つの読み出し回路が設けられた）第２の例（図９）とが開示されている。
There is known an imaging device in which a plurality of focus detection pixels provided with a pair of photoelectric conversion units are arranged and focus detection by an image plane phase difference method is possible (see Patent Document 1). As an example of a readout circuit that reads out the output of such a focus detection pixel,
上記第１の例の場合、一対の光電変換部の電荷を時間差なく同時転送できるので、像面位相差方式による焦点検出を高精度に行うことができ、特に動体に対して有効である。しかしながら上記第１の例の場合、１画素あたり８個のトランジスタを必要とし、垂直信号線を２本必要とするため、光電変換部を小さく作らざるを得ない。光電変換部の面積が小さくなると飽和電子数が少なくなり、飽和出力低下など通常の撮像特性に悪影響を及ぼす。また、像面位相差方式による焦点検出の精度にも不利に働く。光電変換部の出力が小さいことで合焦時に焦点検出の誤判定を起こしやすくなる。一方、上記第２の例の場合、トランジスタの数は１画素あたり５個と少なく、垂直信号線も１本で済むので、その分光電変換部の面積を確保することができる。しかしながら上記第２の例の場合、一対の光電変換部の電荷をそれぞれ読み出す際に電荷の転送に時間差を設けなければならず、同時に読み出すことができない。これにより、特に動体に対して合焦時に焦点検出の誤判定を起こしやすくなる。 In the case of the first example, since the charges of the pair of photoelectric conversion units can be transferred simultaneously without time difference, focus detection by the image plane phase difference method can be performed with high accuracy, and is particularly effective for moving objects. However, in the case of the first example, since eight transistors are required per pixel and two vertical signal lines are required, the photoelectric conversion unit must be made small. If the area of the photoelectric conversion unit is reduced, the number of saturated electrons is reduced, which adversely affects normal imaging characteristics such as a decrease in saturated output. Further, it also disadvantageously affects the accuracy of focus detection by the image plane phase difference method. Since the output of the photoelectric conversion unit is small, an erroneous determination of focus detection is likely to occur during focusing. On the other hand, in the case of the second example, since the number of transistors is as small as five per pixel and only one vertical signal line is required, the area of the photoelectric conversion portion can be ensured accordingly. However, in the case of the second example, when reading the charges of the pair of photoelectric conversion units, a time difference must be provided in the transfer of charges, and the charges cannot be read simultaneously. Thereby, it becomes easy to raise | generate the misjudgment of a focus detection especially at the time of focusing on a moving body.
（１）請求項１に記載の撮像素子は、一対の光電変換部を有する画素が二次元状に複数配列された画素部と、画素部において互いに隣接する二つの画素毎に共通して設けられ、二つの画素のうちの一方の画素における一対の光電変換部の片方の出力信号と、他方の画素における一対の光電変換部の片方の出力信号とを読み出す読み出し部と、を備える。
（２）請求項９に記載のカメラは、請求項１〜８のいずれか一項に記載の撮像素子を備える。
(1) The image pickup device according to
(2) A camera according to a ninth aspect includes the imaging device according to any one of the first to eighth aspects.
本発明によれば、光電変換部の面積を確保しつつ、一対の光電変換部からの出力信号を同時に読み出すことができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the output signal from a pair of photoelectric conversion part can be read simultaneously, ensuring the area of a photoelectric conversion part.
以下、図面を参照して本発明を実施するため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の構成を示すブロック図である。図１のデジタルカメラは、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。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an interchangeable lens digital camera including an image sensor according to the present embodiment. The digital camera shown in FIG. 1 includes an
交換レンズ１１０は、レンズ制御装置１１１、ズームレンズ１１２、フォーカスレンズ１１３、防振レンズ１１４、絞り１１５、レンズ操作部１１６などを備えている。レンズ制御装置１１１は、ＣＰＵとメモリなどの周辺部品とを含み、フォーカスレンズ１１３および絞り１１５の駆動制御、ズームレンズ１１２やフォーカスレンズ１１３の位置検出、カメラボディ１００へのレンズ情報の送信およびカメラボディ１００からのカメラ情報の受信などを行う。
The
カメラボディ１００は、撮像素子１０１、ボディ制御装置１０２、ボディ操作部１０３、および表示部１０４などを有している。撮像素子１０１は、交換レンズ１１０の予定結像面（予定焦点面）に配置され、交換レンズ１１０により結像された被写体像を光電変換する。ボディ操作部１０３は、シャッターボタンや、焦点検出エリアの設定部材などを含む。表示部１０４は、カメラボディ１００の背面に搭載された液晶モニタ（背面モニタ）である。
The
ボディ制御装置１０２は、ＣＰＵとメモリなどの周辺部品とを含む。ボディ制御装置１０２は、撮像素子１０１の駆動制御、画像信号および焦点検出信号の読み出し、焦点検出信号に基づく焦点検出演算および交換レンズ１１０の焦点調節、画像信号の処理および記録、デジタルカメラの動作制御などを行う。ボディ制御装置１０２は、レンズ取り付け部１０５に設けられた電気接点１０６を介してレンズ制御装置１１１と通信を行い、レンズ情報の受信およびカメラ情報（デフォーカス量や絞り値など）の送信を行う。
The
交換レンズ１１０を通過した光束により、撮像素子１０１の受光面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子１０１により光電変換され、画像信号と焦点検出信号とがボディ制御装置１０２へ送られる。
A subject image is formed on the light receiving surface of the
ボディ制御装置１０２は、撮像素子１０１からの焦点検出信号に基づ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とにより、交換レンズ１１０の焦点調節状態（デフォーカス量）を検出し、このデフォーカス量をレンズ制御装置１１１へ送る。レンズ制御装置１１１は、受信したデフォーカス量に基づいてフォーカスレンズ１１３の駆動量を算出し、この駆動量に基づいてフォーカスレンズ１１３を不図示のモーター等で駆動して合焦位置へ移動させる。
The
また、ボディ制御装置１０２は、撮像素子１０１からの画像信号を処理して画像データを生成し、不図示のメモリカードに格納する。それとともに、ボディ制御装置１０２は、撮像素子１０１からのスルー画像信号に基づくスルー画像を表示部１０４に表示させる。
The
（撮像素子の構成）
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）に二次元状に配列されている。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。
(Configuration of image sensor)
FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of the
各画素２００は、１つのマイクロレンズ（不図示）の下に設けられた一対の光電変換部（フォトダイオード）ＰＤ_１、ＰＤ_２を有する。光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２は、電荷蓄積型の光電変換部である。１画素当たり２つの光電変換部を有する２ＰＤ構成の場合、２つの光電変換部が水平方向に並ぶ場合（水平分割と呼ぶ）と、２つの光電変換部が垂直方向に並ぶ場合（垂直分割と呼ぶ）とが存在する。図２は、水平分割の場合を例示した図である。垂直分割の場合は、行方向および列方向を入れ替えて考えればよい。
Each
また、各画素位置には、ベイヤー配列の規則に従って色フィルタ（Ｒ：赤色フィルタ、Ｇ：緑色フィルタ、Ｂ：青色フィルタ）が配置されている。すなわち、画素２００として、赤色成分の分光感度を有する（すなわち赤色フィルタが配置された）Ｒ画素と緑色成分の分光感度を有する（すなわち緑色フィルタが配置された）Ｇ画素と青色成分の分光感度を有する（すなわち青色フィルタが配置された）Ｂ画素とが設けられている。画素２００は、撮影用画素と焦点検出用画素とを兼ねており、画素２００が撮像素子１０１の全面に配置されている。したがって、撮影画面上の任意の位置で焦点検出を行うことが可能である。また、撮影時には、各画素２００の一対の光電変換部ＰＤ_１およびＰＤ_２の出力を加算することで、撮影画像データを生成することが可能である。
Further, color filters (R: red filter, G: green filter, B: blue filter) are arranged at each pixel position according to the rules of the Bayer arrangement. That is, as the
また、撮像素子１０１では、互いに隣接する２列の画素列ごとに共通して、光電変換部からの出力信号を読み出すための垂直信号線３００（３００１〜３００ｎ＋１）が設けられている。たとえば、１列目の画素２００および２列目の画素２００には垂直信号線３００２が共通に設けられており、垂直信号線３００２には、１列目の画素２００の右側の光電変換部ＰＤ_２と、２列目の画素２００の左側の光電変換部ＰＤ_１とが接続されている。なお、１列目の画素２００は画素エリアの左端であり左側に隣接する画素２００がないため、左端の垂直信号線３００１には１列目の画素２００の左側の光電変換部ＰＤ_１のみが接続されている。また、ｎ列目の画素２００は画素エリアの右端であり右側に隣接する画素２００がないため、右端の垂直信号線３００ｎ＋１にはｎ列目の画素２００の右側の光電変換部ＰＤ_２のみが接続されている。
Further, in the
このような構成により、１つの画素２００内の２つの光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２は、それぞれ別の垂直信号線３００に読み出される。たとえば、１列目の画素２００では、左側の光電変換部ＰＤ_１が垂直信号線３００１に読み出され、右側の光電変換部ＰＤ_２が垂直信号線３００２に読み出される。また、このような構成では、画素２００がｎ列配置されているのに対し、垂直信号線３００はｎ＋１本必要となるが、全体の面積に対する影響は小さい。
With such a configuration, the two photoelectric conversion units PD_1 and PD_2 in one
図３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。撮像素子１０１では、各画素行内において互いに隣接する２つの画素２００ごとに共通して、光電変換部からの出力信号を読み出すための読み出し部４００（４００１〜４００ｎ＋１）が設けられている。たとえば、１列目の画素２００と２列目の画素２００には読み出し部４００２が共通に設けられており、１列目の画素２００の右側の光電変換部ＰＤ_２と、２列目の画素２００の左側の光電変換部ＰＤ_１とが接続されている。すなわち、読み出し部４００２は、１列目の画素２００の右側の光電変換部ＰＤ_２からの出力信号と、２列目の画素２００の左側の光電変換部ＰＤ_１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。なお、１列目の画素２００は画素エリアの左端であり、左側に隣接する画素２００がないため、左端の読み出し部４００１には１列目の画素２００の左側の光電変換部ＰＤ_１のみが接続されている。また、画素エリアの右端であるｎ列目の画素２００についても同様である。
FIG. 3 is a diagram showing details of FIG. 2 and shows connections at the transistor level. In the
このような構成により、１つの画素２００内の一対の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２は、それぞれ別の読み出し部４００に読み出される。たとえば、１列目の画素２００では、左側の光電変換部ＰＤ_１が読み出し部４００１に読み出され、右側の光電変換部ＰＤ_２が読み出し部４００２に読み出される。これにより、同一画素内にある２つの光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２を同時に読み出すことが可能である。また、このような構成では、ｎ列分の画素２００に対し、ｎ＋１列分の読み出し部４００が必要となるが、全体の面積に対する影響は小さい。
With such a configuration, the pair of photoelectric conversion units PD_1 and PD_2 in one
各読み出し部４００は、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＳＦ、選択トランジスタＳＥＬ、フローティングディフュージョンＦＤ、転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２を有している。フローティングディフュージョンＦＤは、光電変換部における光電変換により得られる信号電荷を蓄積する電荷蓄積部として動作する。増幅トランジスタＳＦは、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号を増幅する増幅部として動作する。各転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２は、光電変換部からフローティングディフュージョンＦＤに電荷を転送する転送部として動作する。リセットトランジスタＲＳＴは、フローティングディフュージョンＦＤの電位や光電変換部の電荷をリセットするリセット部として動作する。選択トランジスタＳＥＬは、画素２００を選択するための選択部として動作する。これらの各部は、図３に示すように接続されている。また、図３においてＶＤＤは電源電圧である。
Each readout unit 400 includes a reset transistor RST, an amplification transistor SF, a selection transistor SEL, a floating diffusion FD, and transfer transistors TX1 and TX2. The floating diffusion FD operates as a charge accumulation unit that accumulates signal charges obtained by photoelectric conversion in the photoelectric conversion unit. The amplification transistor SF operates as an amplification unit that amplifies a signal corresponding to the potential of the floating diffusion FD. Each of the transfer transistors TX1 and TX2 operates as a transfer unit that transfers charges from the photoelectric conversion unit to the floating diffusion FD. The reset transistor RST operates as a reset unit that resets the potential of the floating diffusion FD and the charge of the photoelectric conversion unit. The selection transistor SEL operates as a selection unit for selecting the
各画素２００の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２は、それぞれ別の読み出し部４００の転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２に接続される。たとえば、１列目の画素２００において、左側の光電変換部ＰＤ_１は読み出し部４００１の転送トランジスタＴＸ１に接続され、右側の光電変換部ＰＤ_２は読み出し部４００２の転送トランジスタＴＸ２に接続される。
The photoelectric conversion units PD_1 and PD_2 of each
また、１列目（奇数列目）の画素２００の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２に接続された転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２のゲートは、制御パルスＶｔｘ_ｏｄｄが供給される配線５００ａに接続される。一方、２列目（偶数列目）の画素２００の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２にそれぞれ接続された転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２のゲートは、制御パルスＶｔｘ_ｅｖｅｎが供給される配線５００ｂに接続される。すなわち、奇数列目の画素２００については、制御パルスＶｔｘ_ｏｄｄにより転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２の制御が行われ、偶数列目の画素２００については、制御パルスＶｔｘ_ｅｖｅｎにより転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２の制御が行われる。
The gates of the transfer transistors TX1 and TX2 connected to the photoelectric conversion units PD_1 and PD_2 of the
（全画素読み出しモード）
次に、本実施形態の撮像素子１０１の全画素から出力信号を読み出す全画素読み出しモードについて説明する。全画素読み出しモードでは、１行選択中にフローティングディフュージョンＦＤを２回リセットする第１方式と、１行選択中にフローティングディフュージョンＦＤを１回リセットする第２方式とがある。撮像素子１０１の全画素の読み出しを行う際、第１方式および第２方式のいずれを用いてもよい。
(All-pixel readout mode)
Next, an all-pixel reading mode for reading output signals from all the pixels of the
＜第１方式＞
図４は、１行選択中にフローティングディフュージョンＦＤを２回リセットする第１方式における駆動タイミングを説明する図である。図４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_ｏｄｄは、奇数列目の画素２００に対応する転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２の制御パルスを示す。Ｖｔｘ_ｅｖｅｎは、偶数列目の画素２００に対応する転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２の制御パルスを示す。なお、これらの点は後述する図５〜７においても同様である。
<First method>
FIG. 4 is a diagram illustrating drive timing in the first method in which the floating diffusion FD is reset twice during selection of one row. In FIG. 4, Vsel represents a control pulse of the selection transistor SEL. Vrst represents a control pulse of the reset transistor RST. Vtx_odd represents a control pulse of the transfer transistors TX1 and TX2 corresponding to the
図４を参照して、第１方式における駆動タイミングを以下説明する。
（１）出力信号の読み出しを行う画素行の選択を行う。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４は、１行ずつ選択が行われる例を示している。
With reference to FIG. 4, the drive timing in the first method will be described below.
(1) A pixel row from which an output signal is read is selected. Vsel is switched from Low level to High level, and the selection transistor SEL is turned on. Thereby, the floating diffusion FD to the
（２）ＶｒｓｔをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替えて、リセットトランジスタＲＳＴをオンして、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットする。これがフローティングディフュージョンＦＤの１回目のリセットである。その後、ＶｒｓｔをＬｏｗレベルに切り替えてリセットトランジスタＲＳＴをオフした後、所定の静定時間を設けて、フローティングディフュージョンＦＤの電位レベルを静定させる。この静定したレベルが１回目のリセットによるダークレベルであり、奇数列目の画素２００に対応するダーク信号となる。ここで、各垂直信号線３００１〜３００ｎには、１回目のリセットによる奇数列目（１列目、３列目、５列目、・・・、ｎ−１列目）の画素２００内の左右の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２用のダーク信号「Ｄａｒｋ_１１、１２、３１、３２、５１、５２、・・・、（ｎ−１）１、（ｎ−１）２」が同時に出力される。なお、右端の垂直信号線３００ｎ＋１にもダーク信号が出力されるが、その出力は画像情報には利用されない。
(2) Vrst is switched from Low level to High level, the reset transistor RST is turned on, and the potential of the floating diffusion FD is reset. This is the first reset of the floating diffusion FD. Thereafter, Vrst is switched to the Low level and the reset transistor RST is turned off, and then a predetermined stabilization time is provided to stabilize the potential level of the floating diffusion FD. This settled level is a dark level by the first reset, and becomes a dark signal corresponding to the
（３）上記ダークレベルの静定後、Ｖｔｘ_ｏｄｄをＨｉｇｈレベルに切り替えて奇数列目の画素２００に接続された転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２をオンする。これにより、Ｖｔｘ_ｏｄｄのＨｉｇｈレベル期間において、奇数列目の画素２００の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。そして、Ｖｔｘ_ｏｄｄをＬｏｗレベルに切り替えて奇数列目の画素２００に接続された転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２をオフした後、所定の静定時間を設けて、フローティングディフュージョンＦＤの電位レベルを静定させる。この静定した電位レベルがＶｔｘ_ｏｄｄでの読み出しによるシグナルレベルであり、奇数列目の画素２００に対応するシグナル信号となる。ここで、各垂直信号線３００１〜３００ｎには、Ｖｔｘ_ｏｄｄでの電荷転送による奇数列目（１列目、３列目、５列目、・・・、ｎ−１列目）の画素２００内の左右の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２用のシグナル信号「Ｓｉｇ_１１、１２、３１、３２、５１、５２、・・・、（ｎ−１）１、（ｎ−１）２」が同時に出力される。なお、右端の垂直信号線３００ｎ＋１には、１回目のリセットによるダーク信号がそのまま出力されるが、その出力は画像情報には利用されない。
(3) After the dark level is settled, Vtx_odd is switched to the high level to turn on the transfer transistors TX1 and TX2 connected to the odd-numbered
（４）上記シグナルレベルの静定後、ＶｒｓｔをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替えて、リセットトランジスタＲＳＴをオンして、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットする。これがフローティングディフュージョンＦＤの２回目のリセットである。その後、ＶｒｓｔをＬｏｗレベルに切り替えてリセットトランジスタＲＳＴをオフした後、所定の静定時間を設けて、フローティングディフュージョンＦＤの電位レベルを静定させる。この静定したレベルが２回目のリセットによるダークレベルであり、偶数列目の画素２００に対応するダーク信号となる。ここで、各垂直信号線３００２〜３００ｎ＋１には、２回目のリセットによる偶数列目（２列目、４列目、６列目、・・・、ｎ列目）の画素２００内の左右の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２用のダーク信号「Ｄａｒｋ_２１、２２、４１、４２、６１、６２、・・・、ｎ１、ｎ２」が同時に出力される。なお、左端の垂直信号線３００１にもダーク信号が出力されるが、その出力は画像情報には利用されない。
(4) After the signal level is settled, Vrst is switched from Low level to High level, the reset transistor RST is turned on, and the potential of the floating diffusion FD is reset. This is the second reset of the floating diffusion FD. Thereafter, Vrst is switched to the Low level and the reset transistor RST is turned off, and then a predetermined stabilization time is provided to stabilize the potential level of the floating diffusion FD. This settled level is the dark level by the second reset, and becomes a dark signal corresponding to the
（５）上記ダークレベルの静定後、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎをＨｉｇｈレベルに切り替えて偶数列目の画素２００に接続された転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２をオンする。これにより、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎのＨｉｇｈレベル期間において、偶数列目の画素２００の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。そして、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎをＬｏｗレベルに切り替えて偶数列目の画素２００に接続された転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２をオフした後、所定の静定時間を設けて、フローティングディフュージョンＦＤの電位レベルを静定させる。この静定した電位レベルがＶｔｘ_ｅｖｅｎの読み出しによるシグナルレベルであり、偶数列目の画素２００に対応するシグナル信号となる。ここで、各垂直信号線３００２〜３００ｎ＋１には、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎでの電荷転送による偶数列目（２列目、４列目、６列目、・・・、ｎ列目）の画素２００内の左右の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２用のシグナル信号「Ｓｉｇ_２１、２２、４１、４２、６１、６２、・・・、ｎ１、ｎ２」が出力される。なお、左端の垂直信号線３００１には、２回目のリセットによるダーク信号がそのまま出力されるが、その出力は画像情報には利用されない。
(5) After the dark level is settled, Vtx_even is switched to the high level to turn on the transfer transistors TX1 and TX2 connected to the
このようにして垂直信号線３００から出力された奇数列目の画素２００に対応するダーク信号とシグナル信号との差分が、奇数列目の画素２００における各光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２の読み出し信号となる。また、偶数列目の画素２００に対応するダーク信号とシグナル信号との差分が、偶数列目の画素２００における各光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２の読み出し信号となる。これらの差分処理は、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。
Thus, the difference between the dark signal corresponding to the odd-numbered
＜第２方式＞
次に、図５を参照して、１行選択中にフローティングディフュージョンＦＤを１回リセットする第２方式における駆動タイミングを説明する。
（１）出力信号の読み出しを行う画素行の選択を行う。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。
<Second method>
Next, with reference to FIG. 5, the drive timing in the second method for resetting the floating diffusion FD once during selection of one row will be described.
(1) A pixel row from which an output signal is read is selected. Vsel is switched from Low level to High level, and the selection transistor SEL is turned on. Thereby, the floating diffusion FD to the
（２）ＶｒｓｔをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替えて、リセットトランジスタＲＳＴをオンして、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットする。第２方式では、第１方式と異なり、フローティングディフュージョンＦＤのリセットはこの１回のみである。その後、ＶｒｓｔをＬｏｗレベルに切り替えてリセットトランジスタＲＳＴをオフした後、所定の静定時間を設けて、フローティングディフュージョンＦＤの電位レベルを静定させる。この静定したレベルがリセットによるダークレベルであり、奇数列目の画素２００に対応するダーク信号となる。ここで、各垂直信号線３００１〜３００ｎ＋1には、リセットによるダーク信号「Ｄａｒｋ_１、２、３、・・・、（ｎ＋１）」が同時に出力される。
(2) Vrst is switched from Low level to High level, the reset transistor RST is turned on, and the potential of the floating diffusion FD is reset. In the second method, unlike the first method, the floating diffusion FD is reset only once. Thereafter, Vrst is switched to the Low level and the reset transistor RST is turned off, and then a predetermined stabilization time is provided to stabilize the potential level of the floating diffusion FD. This settled level is a dark level due to reset, and becomes a dark signal corresponding to the
（３）上記ダークレベルの静定後、Ｖｔｘ_ｏｄｄをＨｉｇｈレベルに切り替えて奇数列目の画素２００に接続された転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２をオンする。これにより、Ｖｔｘ_ｏｄｄのＨｉｇｈレベル期間において、奇数列目の画素２００の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。そして、Ｖｔｘ_ｏｄｄをＬｏｗレベルに切り替えて奇数列目の画素２００に接続された転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２をオフした後、所定の静定時間を設けて、フローティングディフュージョンＦＤの電位レベルを静定させる。この静定した電位レベルがＶｔｘ_ｏｄｄでの読み出しによるシグナルレベルであり、奇数列目の画素２００に対応するシグナル信号となる。ここで、各垂直信号線３００１〜３００ｎには、Ｖｔｘ_ｏｄｄでの電荷転送による奇数列目（１列目、３列目、５列目、・・・、ｎ−１列目）の画素２００内の左右の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２用のシグナル信号「Ｓｉｇ_１１、１２、３１、３２、５１、５２、・・・、（ｎ−１）１、（ｎ−１）２」が同時に出力される。ただし、右端の垂直信号線３００ｎ＋１には、リセットによるダーク信号Ｄａｒｋ_ｎ＋１がそのまま出力され続ける。
(3) After the dark level is settled, Vtx_odd is switched to the high level to turn on the transfer transistors TX1 and TX2 connected to the odd-numbered
（４）上記シグナルレベルの静定後、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎをＨｉｇｈレベルに切り替えて偶数列目の画素２００に接続された転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２をオンする。これにより、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎのＨｉｇｈレベル期間において、偶数列目の画素２００の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。そして、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎをＬｏｗレベルに切り替えて偶数列目の画素２００に接続された転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２をオフした後、所定の静定時間を設けて、フローティングディフュージョンＦＤの電位レベルを静定させる。この静定した電位レベルがＶｔｘ_ｏｄｄの読み出しによるシグナルレベルにＶｔｘ_ｅｖｅｎの読み出しによるシグナルレベルを加算したものとなる。ここで、各垂直信号線３００２〜３００ｎには、読み出し部４００を共有している画素２００の左右の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２の加算出力が加算シグナル信号「Ｓｉｇ_（１２＋２１）、（３１＋２２）、（３２＋４１）、・・・、（（ｎ−１）２＋ｎ１）」として出力される。ただし、左端の垂直信号線３００１と右端の垂直信号線３００ｎ＋１には、シグナル信号の加算信号は出力されない。左端の垂直信号線３００１には、Ｖｔｘ_ｏｄｄで読み出されたシグナル信号Ｓｉｇ_１１のみが継続して出力される。また、右端の垂直信号線３００ｎ＋１には、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎで読み出されたシグナル信号Ｓｉｇ_ｎ２のみが出力される。
(4) After the signal level is settled, Vtx_even is switched to the High level to turn on the transfer transistors TX1 and TX2 connected to the
このようにして垂直信号線３００から出力されたダーク信号と奇数列目の画素２００に対応するシグナル信号との差分が、奇数列目の画素２００における各光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２の読み出し信号となる。また、奇数列目の画素２００に対応するシグナル信号と上記加算シグナル信号（Ｖｔｘ_ｅｖｅｎのタイミングでのシグナル信号）との差分が、偶数列目の画素２００における各光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２の読み出し信号となる。なお、ｎ列目の右側の光電変換部ＰＤ_２の読み出し信号については、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎのタイミングでのシグナル信号Ｓｉｇ_ｎ２とリセットによるダーク信号Ｄａｒｋ_ｎ＋１との差分となる。これらの差分処理は、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。
Thus, the difference between the dark signal output from the
以上説明した第２方式では、フローティングディフュージョンＦＤのリセットが１回のみであるため、リセットを２回行う第１方式と比較して高速に読み出しを行うことができる。 In the second method described above, since the floating diffusion FD is reset only once, reading can be performed at a higher speed than the first method in which the reset is performed twice.
（一部読み出しモード）
また、本実施形態では、撮像素子１０１において奇数列目および偶数列目のいずれか一方の画素２００のみを読み出す一部読み出しモードが設けられている。この一部読み出しモードについて、以下説明する。
(Partial readout mode)
In the present embodiment, a partial readout mode is provided in which only one of the odd-numbered and even-numbered
＜奇数列目の画素のみを読み出す一部読み出しモード＞
図６を参照して、奇数列目の画素２００のみを読み出す際の駆動タイミングを説明する。
（１）出力信号の読み出しを行う画素行の選択を行う。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６は、１行ずつ選択が行われる例を示している。
<Partial readout mode for reading out only odd-numbered pixels>
With reference to FIG. 6, the drive timing when only the
(1) A pixel row from which an output signal is read is selected. Vsel is switched from Low level to High level, and the selection transistor SEL is turned on. Thereby, the floating diffusion FD to the
（２）ＶｒｓｔをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替えて、リセットトランジスタＲＳＴをオンして、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットする。その後、ＶｒｓｔをＬｏｗレベルに切り替えてリセットトランジスタＲＳＴをオフした後、所定の静定時間を設けて、フローティングディフュージョンＦＤの電位レベルを静定させる。この静定したレベルがリセットによるダークレベルであり、奇数列目の画素２００に対応するダーク信号となる。ここで、各垂直信号線３００１〜３００ｎには、リセットによるダーク信号「Ｄａｒｋ_１１、１２、３１、３２、５１、５２、・・・、（ｎ−１）１、（ｎ−１）２」が同時に出力される。ただし、右端の垂直信号線３００ｎ＋１にも、リセットによるダーク信号がそのまま出力されるが、その出力は画像情報には利用されない。
(2) Vrst is switched from Low level to High level, the reset transistor RST is turned on, and the potential of the floating diffusion FD is reset. Thereafter, Vrst is switched to the Low level and the reset transistor RST is turned off, and then a predetermined stabilization time is provided to stabilize the potential level of the floating diffusion FD. This settled level is a dark level due to reset, and becomes a dark signal corresponding to the
（３）上記ダークレベルの静定後、Ｖｔｘ_ｏｄｄをＨｉｇｈレベルに切り替えて奇数列目の画素２００に接続された転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２をオンする。これにより、Ｖｔｘ_ｏｄｄのＨｉｇｈレベル期間において、奇数列目の画素２００の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。そして、Ｖｔｘ_ｏｄｄをＬｏｗレベルに切り替えて奇数列目の画素２００に接続された転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２をオフした後、所定の静定時間を設けて、フローティングディフュージョンＦＤの電位レベルを静定させる。この静定した電位レベルがＶｔｘ_ｏｄｄでの読み出しによるシグナルレベルであり、奇数列目の画素２００に対応するシグナル信号となる。ここで、各垂直信号線３００１〜３００ｎには、Ｖｔｘ_ｏｄｄでの電荷転送による奇数列目（１列目、３列目、５列目、・・・、ｎ−１列目）の画素２００内の左右の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２用のシグナル信号「Ｓｉｇ_１１、１２、３１、３２、５１、５２、・・・、（ｎ−１）１、（ｎ−１）２」が同時に出力される。ただし、右端の垂直信号線３００ｎ＋１には、リセットによるダーク信号がそのまま出力されるが、その出力は画像情報には利用されない。
(3) After the dark level is settled, Vtx_odd is switched to the high level to turn on the transfer transistors TX1 and TX2 connected to the odd-numbered
このようにして垂直信号線３００から出力された奇数列目の画素２００に対応するダーク信号とシグナル信号との差分が、奇数列目の画素２００における各光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２の読み出し信号となる。この差分処理は、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。以上の処理では、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎが常時Ｌｏｗレベルであるため、偶数列目の画素２００に対応する転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２が動作せず、１列おきの読み出しとなるが、その分、全画素読み出しの場合と比較して高速に動作させることができる。
Thus, the difference between the dark signal corresponding to the odd-numbered
＜偶数列目の画素のみを読み出す一部読み出しモード＞
次に、図７を参照して、偶数列目の画素２００のみを読み出す際の駆動タイミングを説明する。
（１）出力信号の読み出しを行う画素行の選択を行う。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７は、１行ずつ選択が行われる例を示している。
<Partial readout mode for reading out even-numbered pixels only>
Next, with reference to FIG. 7, the driving timing when only the
(1) A pixel row from which an output signal is read is selected. Vsel is switched from Low level to High level, and the selection transistor SEL is turned on. Thereby, the floating diffusion FD to the
（２）ＶｒｓｔをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替えて、リセットトランジスタＲＳＴをオンして、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットする。その後、ＶｒｓｔをＬｏｗレベルに切り替えてリセットトランジスタＲＳＴをオフした後、所定の静定時間を設けて、フローティングディフュージョンＦＤの電位レベルを静定させる。この静定したレベルがリセットによるダークレベルであり、偶数列目の画素２００に対応するダーク信号となる。ここで、各垂直信号線３００２〜３００ｎ＋１には、リセットによるダーク信号「Ｄａｒｋ_２１、２２、４１、４２、６１、６２、・・・、ｎ１、ｎ２」が同時に出力される。ただし、左端の垂直信号線３００１にも、リセットによるダーク信号が出力されるが、その出力は画像情報には利用されない。
(2) Vrst is switched from Low level to High level, the reset transistor RST is turned on, and the potential of the floating diffusion FD is reset. Thereafter, Vrst is switched to the Low level and the reset transistor RST is turned off, and then a predetermined stabilization time is provided to stabilize the potential level of the floating diffusion FD. This settled level is a dark level by resetting, and becomes a dark signal corresponding to the
（３）上記ダークレベルの静定後、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎをＨｉｇｈレベルに切り替えて偶数列目の画素２００に接続された転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２をオンする。これにより、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎのＨｉｇｈレベル期間において、偶数列目の画素２００の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。そして、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎをＬｏｗレベルに切り替えて偶数列目の画素２００に接続された転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２をオフした後、所定の静定時間を設けて、フローティングディフュージョンＦＤの電位レベルを静定させる。この静定した電位レベルがＶｔｘ_ｅｖｅｎでの読み出しによるシグナルレベルであり、偶数列目の画素２００に対応するシグナル信号となる。ここで、各垂直信号線３００２〜３００ｎ＋１には、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎでの電荷転送による偶数列目（２列目、４列目、６列目、・・・、ｎ列目）の画素２００内の左右の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２用のシグナル信号「Ｓｉｇ_２１、２２、４１、４２、６１、６２、・・・、ｎ１、ｎ２」が同時に出力される。ただし、左端の垂直信号線３００１には、リセットによるダーク信号がそのまま出力されるが、その出力は画像情報には利用されない。
(3) After the dark level is settled, Vtx_even is switched to the high level to turn on the transfer transistors TX1 and TX2 connected to the
このようにして垂直信号線３００から出力された偶数列目の画素２００に対応するダーク信号とシグナル信号との差分が、偶数列目の画素２００における各光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２の読み出し信号となる。この差分処理は、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。以上の処理では、Ｖｔｘ_ｏｄｄが常時Ｌｏｗレベルであるため、奇数列目の画素２００に対応する転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２が動作せず、１列おきの読み出しとなるが、その分、全画素読み出しの場合と比較して高速に動作させることができる。
In this way, the difference between the dark signal corresponding to the even-numbered
上述した一部読み出しモードは、焦点検出の際に用いることができる。たとえば図２に示したようにＧ画素、Ｒ画素、Ｂ画素がベイヤー配列で配置されている場合において、ボディ制御装置１０２が、Ｇ画素の一対の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２の出力信号を用いて、像面位相差方式による焦点検出演算を行うとする。この場合、ボディ制御装置１０２は、撮像素子１０１からＧ画素の出力信号のみを読み出すように一部読み出しモードを設定する。図２に示した撮像素子１０１において、奇数行目（１行目、３行目、・・・）では奇数列目（１列目、３列目、・・・）にＧ画素が配置されているので、図６に示したように奇数列目の画素２００のみを読み出す。また、偶数行目（２行目、４行目、…）では偶数列目（２列目、４列目、・・・）にＧ画素が配置されているので、図７に示したように偶数列目の画素２００のみを読み出す。このように、撮像素子１０１において、奇数列目の画素２００のみの読み出しと偶数列目の画素２００のみの読み出しとを画素行ごとに交互に行うことで、Ｇ画素の出力信号のみを高速に読み出すことができ、焦点検出を高速に行うことができる。
The partial readout mode described above can be used for focus detection. For example, as shown in FIG. 2, when the G pixel, the R pixel, and the B pixel are arranged in a Bayer array, the
また、上述した全画素読み出しモードでは、たとえばＧ画素の一対の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２の出力信号を用いて焦点検出を行うこともでき、且つ各画素の一対の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２の出力信号を加算して撮影画像データを生成することもできる。したがってボディ制御装置１０２の３０ｆｐｓの動画（スルー画または記録用の動画のどちらでもよい）設定に対し、例えば、３０ｆｐｓで全画素読み出すことができる撮像素子１０１であれば、３０ｆｐｓの全画素読み出しモードで動画取得と焦点検出とを両方行うことができる。
In the all-pixel readout mode described above, for example, focus detection can be performed using the output signals of the pair of photoelectric conversion units PD_1 and PD_2 of the G pixel, and the output of the pair of photoelectric conversion units PD_1 and PD_2 of each pixel. The captured image data can also be generated by adding the signals. Accordingly, for example, if the
さらに、全画素読み出しモードと一部読み出しモードとを組み合わせて用いてもよい。ボディ制御装置１０２の３０ｆｐｓの動画（スルー画または記録用の動画のどちらでもよい）設定に対し、例えば、６０ｆｐｓで全画素読み出すことができる撮像素子１０１であれば、６０ｆｐｓの全画素読み出しモードで動画取得と焦点検出とを両方行い、更に、１２０ｆｐｓの一部読み出しモードを残りの時間内に２回実施することで、焦点検出を２回追加できる（すなわち焦点検出を計３回行うことができる）。このように動画の取得よりも高速に焦点検出を行うことができ、動きの速い被写体に対応して精度よく焦点検出を行うことができる。
Furthermore, a combination of the all-pixel readout mode and the partial readout mode may be used. For example, in the case of the
（垂直信号線のダイナミックレンジ）
次に、垂直信号線３００のダイナミックレンジ（許容信号振幅）について説明する。上記全画素読み出しモードの第２方式（図５）では、上述したように、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎのＨｉｇｈレベル期間後において、垂直信号線３００に、読み出し部４００を共有している２つの画素２００の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２の加算出力が加算シグナル信号として出力される。この加算シグナル信号が垂直信号線３００のダイナミックレンジを超えると（すなわち飽和してしまうと）、垂直信号線３００上で加算シグナル信号が頭打ちとなってしまうので、各光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２の出力を正確に読み出すことができない。そのため、各光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２から垂直信号線３００上へ出力可能な最大信号量は、加算シグナル信号が垂直信号線３００のダイナミックレンジを超えないように設定されることが必要である。
(Dynamic range of vertical signal line)
Next, the dynamic range (allowable signal amplitude) of the
以上の点について、図８を用いて説明する。図８では、垂直信号線のダイナミックレンジ（許容信号振幅）を規格化して示しており、説明を簡単にするため、図８（ａ）に示すように、「１画素につき１つの光電変換部が設けられている場合の当該光電変換部の飽和出力量＝垂直信号線のダイナミックレンジ」とする。つまり、光電変換部の飽和出力がちょうど垂直信号線の許容信号振幅になるとし、このときの垂直信号線のダイナミックレンジを基準１００とする。また、図８（ａ）ではＧ画素出力の場合を示している。
The above points will be described with reference to FIG. In FIG. 8, the dynamic range (allowable signal amplitude) of the vertical signal line is shown in a standardized manner. To simplify the description, as shown in FIG. It is assumed that the saturation output amount of the photoelectric conversion unit in the case of being provided = the dynamic range of the vertical signal line. That is, it is assumed that the saturated output of the photoelectric conversion unit is exactly the allowable signal amplitude of the vertical signal line, and the dynamic range of the vertical signal line at this time is set as the
ここで、従来技術のように、１画素につき一対の光電変換部が設けられ、同一の画素内における一対の光電変換部で垂直信号線を共有する場合について考える。この場合、同色の光を受光する一対の光電変換部の加算出力が垂直信号線に出力される。そのため、図８（ｂ）に示すように、Ｇ画素では一対の光電変換部から出力可能な最大信号量（飽和出力量）はそれぞれ５０となる（１００の半分である）。なお、ここでは、製造ばらつき等は考えず、一対の光電変換部から同出力が得られるものとする。 Here, a case is considered in which a pair of photoelectric conversion units are provided for each pixel and a pair of photoelectric conversion units in the same pixel shares a vertical signal line as in the conventional technique. In this case, the addition output of the pair of photoelectric conversion units that receive light of the same color is output to the vertical signal line. Therefore, as shown in FIG. 8B, in the G pixel, the maximum signal amount (saturated output amount) that can be output from the pair of photoelectric conversion units is 50 (half of 100). Here, it is assumed that the same output is obtained from a pair of photoelectric conversion units without considering manufacturing variations and the like.
一方、本実施形態のように、１画素につき一対の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２が設けられ、隣接する画素２００の間で垂直信号線３００を共有する場合について考える。たとえば図２に示した垂直信号線３００２では、１行目において、１列目Ｇ画素の右側の光電変換部ＰＤ_２と２列目Ｒ画素の左側の光電変換部ＰＤ_１との加算出力が出力される。これらの光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２に白色光が入射した場合、Ｇ画素の光電変換部ＰＤ_２が先に飽和するが、Ｒ画素の光電変換部ＰＤ_１はまだ飽和に達しない。これは、カラーフィルターの分光特性によるもので、Ｇ画素の出力に対し、Ｒ画素やＢ画素では出力が小さいためである。たとえば、図８（ｃ）に示すように、Ｇ画素の光電変換部ＰＤ_２の信号出力量が５０である場合に、Ｒ画素の光電変換部ＰＤ_１の信号出力量は４０であるとする。この場合、Ｇ画素の光電変換部ＰＤ_２とＲ画素の光電変換部ＰＤ_１の加算出力９０（＝５０＋４０）が垂直信号線３００２に出力されるので、垂直信号線３００２のダイナミックレンジ１００に対し、１０の信号振幅の余裕がある。
On the other hand, a case where a pair of photoelectric conversion units PD_1 and PD_2 are provided per pixel and the
そのため、この信号振幅の余裕分をＧ画素の光電変換部ＰＤ_２とＲ画素の光電変換部ＰＤ_１とに割り振ることができる。たとえば、図８（ｄ）に示すように、Ｇ画素の光電変換部ＰＤ_２が出力可能な最大信号量（飽和出力量）を５５とし、Ｒ画素の光電変換部ＰＤ_１が出力可能な最大信号量（飽和出力量）を４４とすることができる。このように、図８（ｂ）に示した従来技術の場合と比べて、光電変換部から出力可能な最大信号量（飽和出力量）を１割向上することができる。この場合でも、Ｇ画素の光電変換部ＰＤ_２の飽和出力とＲ画素の光電変換部ＰＤ_１の飽和出力の加算出力が９９（＝５５＋４４）となり、垂直信号線３００２のダイナミックレンジ１００を超えることはなく、垂直信号線３００２上で出力信号が頭打ちとなることはない。
Therefore, this signal amplitude margin can be allocated to the G pixel photoelectric conversion unit PD_2 and the R pixel photoelectric conversion unit PD_1. For example, as shown in FIG. 8D, the maximum signal amount (saturated output amount) that can be output by the photoelectric conversion unit PD_2 of the G pixel is 55, and the maximum signal amount (output that can be output by the photoelectric conversion unit PD_1 of the R pixel ( Saturation output amount) can be set to 44. In this way, the maximum signal amount (saturated output amount) that can be output from the photoelectric conversion unit can be improved by 10% compared to the case of the conventional technique shown in FIG. In this case, not the sum output of the saturation output of the photoelectric conversion unit PD_1 saturated output and the R pixel of the photoelectric conversion unit PD_2 of G pixels exceeds 99 (= 55 + 44), and the
上述の例では、白色光が入射された場合を考えたが、緑光が入射された場合にも同様のことが言える。また、赤光が入射された場合は、逆にＲ画素の出力が先に飽和するが、Ｇ画素の出力はまだ飽和に達しないことになり、同様のことが成り立つ。また、Ｇ画素とＢ画素とで垂直信号線３００を共有する場合についても、上述のＲ画素をＢ画素に置き換え、且つ上述の赤光を青光に置き換えて考えれば、同様のことが成り立つのがわかる。
In the above example, the case where white light is incident is considered, but the same can be said when green light is incident. On the other hand, when red light is incident, the output of the R pixel is saturated first, but the output of the G pixel has not yet reached saturation, and the same is true. Further, when the
従来技術において、光電変換部の飽和よりも先に垂直信号線が飽和（許容信号振幅越え）してしまう場合、垂直信号線上で出力信号が頭打ちになってしまうので、光電変換部の出力を正確に読み出すことができない。このような場合に本実施形態は有効である。また、垂直信号線３００が光電変換部の飽和よりも先に飽和してしまう場合には、フローティングディフュージョンＦＤの容量を増やす機能（たとえばフローティングディフュージョンＦＤ連結スイッチなど）を付加して読み出すことが考えられるが、本実施形態を用いれば、その機能付加の頻度や制御の複雑さを簡素化できる。
In the prior art, if the vertical signal line is saturated (exceeds the allowable signal amplitude) before the saturation of the photoelectric conversion unit, the output signal reaches a peak on the vertical signal line, so the output of the photoelectric conversion unit is accurate. Cannot be read. This embodiment is effective in such a case. In addition, when the
以上のように、本実施形態では、異なる色の画素の光電変換部で読み出し部４００および垂直信号線３００を共有するので、従来技術のように同一画素の同色の光電変換部で読み出し部４００および垂直信号線３００を共有する場合よりも、垂直信号線３００への信号出力量を増やすことができる。つまり、光電変換部の飽和出力量を増やしたり、フローティングディフュージョンＦＤの容量を減らしたり（すなわち変換ゲインを増加したり）しても、垂直信号線３００上での信号出力の飽和（頭打ち）がし難くなる。
As described above, in the present embodiment, the readout unit 400 and the
（垂直信号線のクリップ回路）
また、上記全画素読み出しモードの第２方式（図５）では、上述したように、垂直信号線３００には、奇数列目画素の光電変換部に対応するシグナル信号が出力された後、奇数列目画素の光電変換部に対応するシグナル信号および偶数列目画素の光電変換部に対応するシグナル信号の加算シグナル信号が出力される。したがって、先に読み出す奇数列目画素の光電変換部に対応するシグナル信号が垂直信号線３００の信号振幅の１つの光電変換部あたりに許された許容範囲を超えてしまうと、後に読み出す偶数列目画素の光電変換部の信号出力を十分に読み出すことができない場合がある（後に読み出す光電変換部の信号出力が頭打ちになるのが早まる）。
(Clip circuit for vertical signal line)
In the second method of the all-pixel reading mode (FIG. 5), as described above, a signal signal corresponding to the photoelectric conversion unit of the odd-numbered pixel is output to the
たとえば、図８（ｄ）に示した場合について考えると、製造ばらつき等で先に読み出すＧ画素の光電変換部ＰＤ_２の飽和出力が目標値５５よりも増えてしまい６０になったとする。この場合、垂直信号線３００の許容信号振幅１００に対し、先に読み出すＧ画素の光電変換部ＰＤ_２で信号振幅６０を使ってしまい、後に読み出すＲ画素の光電変換部ＰＤ_１からは信号振幅４０（＝１００−６０）までは読み出せるが、残りの信号振幅４は垂直信号線３００上で頭打ちになってしまい、後に読み出す光電変換部の飽和出力を正確に読み出すことができなくなってしまう。
For example, considering the case shown in FIG. 8D, it is assumed that the saturation output of the photoelectric conversion unit PD_2 of the G pixel that is read first due to manufacturing variation or the like increases from the
このことは、像面位相差方式による焦点検出の際に問題となり、光電変換部の出力が本来の出力よりも低く読み出されてしまうことで、合焦判定に悪影響を及ぼす。たとえば合焦しているはずの画素でも、合焦していないと判定されるおそれがある。 This becomes a problem when focus detection is performed by the image plane phase difference method, and the output of the photoelectric conversion unit is read lower than the original output, which adversely affects the focus determination. For example, even a pixel that should be in focus may be determined to be out of focus.
そこで、本実施形態の撮像素子１０１では、図９に示すように、撮像素子１０１の周辺回路エリアにおいて、垂直信号線３００上にクリップ回路５００を設ける。クリップ回路５００は、垂直信号線３００上にクリップ電圧を設定することができ、その電圧値よりも信号電位が下がらない（信号出力がそれ以上出ない）ようにする効果がある。
Therefore, in the
クリップ回路５００は、たとえば、ダーククリップ電圧と、中間電位クリップ電圧と、シグナルクリップ電圧の３種類のクリップ電圧を、垂直信号線３００上に設定可能に構成される。クリップ回路５００は、入力されるクリップ電圧切り替え制御信号に応じて、これら３種類のクリップ電圧を択一的に切り替えて垂直信号線３００上に設定する。
The
中間電位クリップ電圧は、先に読み出す奇数列目画素の光電変換部において垂直信号線３００上の許容信号振幅レベルを決めると共に、後に読み出す偶数列目画素の光電変換部における許容信号振幅の確保に用いられる。垂直信号線３００上に奇数列目画素のシグナル信号が出力されるタイミングで、クリップ回路５００が中間電位クリップ電圧を設定することで、奇数列目画素のシグナル信号が中間電位クリップ電圧よりも下がらないようにクリップする。たとえば、図８（ｄ）に示した場合、５５の位置に中間電位クリップ電圧を設定すればよい。このようにすることで、製造ばらつき等で光電変換部の飽和出力が増えた場合であっても、後に読み出す光電変換部における垂直信号線３００上の許容信号振幅を確保することができる。また、状況に合わせて、中間電位クリップ電圧を変更してもよく、像面位相差方式による焦点検出を行わない場合（画像信号のみ取得する場合）に、中間電位クリップ電圧によるクリップを行わないようにしてもよい。
The intermediate potential clip voltage is used to determine the allowable signal amplitude level on the
また、ダーククリップ電圧は、ダーク信号取得時に転送ゲートを超えて漏れ出した電荷などにより、垂直信号線３００のダーク電位（ダークレベル）が下がり過ぎることを抑えるために用いられる。垂直信号線３００上にダーク信号が出力されるタイミングで、クリップ回路５００がダーククリップ電圧を設定することで、垂直信号線３００上のダーク信号がダーククリップ電圧よりも下がらないようにクリップする。
The dark clip voltage is used to prevent the dark potential (dark level) of the
また、シグナルクリップ電圧は、垂直信号線３００の電位が大きく振れたときに画素電流源の動作範囲を超えて下がり過ぎないように用いられる。垂直信号線３００上に加算シグナル信号が出力されるタイミングで、クリップ回路５００がシグナルクリップ電圧を設定することで、垂直信号線３００上の加算シグナル信号がシグナルクリップ電圧よりも下がらないようにクリップする。
Further, the signal clip voltage is used so that it does not drop too much beyond the operating range of the pixel current source when the potential of the
上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）撮像素子１０１において、読み出し部４００は、各画素行内の互いに隣接する二つの画素毎に共通して設けられ、当該二つの画素のうちの一方の画素における一対の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２の片方の出力信号と、他方の画素における一対の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２の片方の出力信号とを読み出す。このような構成により、１画素列あたりの垂直信号線が１本となり、１画素あたりのトランジスタ数を少なくできるので、光電変換部の面積を確保できる。これは、画素ピッチが細かくなるほど効果的である。さらに、１画素における一対の光電変換部からの出力信号を同時に読み出すことができるので、像面位相差方式による焦点検出を高精度に行うことができる。
According to the embodiment described above, the following operational effects can be obtained.
(1) In the
（２）撮像素子１０１において、奇数列目の画素の一対の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２からの出力信号は、Ｖｔｘ_ｏｄｄによる読み出しタイミングで、当該画素に対応する２つの読み出し部４００によってそれぞれ読み出される。偶数列目の画素の一対の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２からの出力信号は、Ｖｔｘ_ｅｖｅｎによる読み出しタイミングで、当該画素に対応する二つの読み出し部４００によってそれぞれ読み出される。このような構成により、一対の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２からの出力信号を同時に読み出すことができ、且つ全画素の出力信号を読み出すことができる。
(2) In the
（３）撮像素子１０１において、奇数列目及び偶数列目の画素を読み出す全画素読み出しモードと、奇数列目及び偶数列目の一方の画素を読み出す一部読み出しモードとが択一的に設定される。これにより、全画素読み出しモードに設定された場合は、画像信号と焦点検出信号の両方を取得でき、一部読み出しモードに設定された場合は、焦点検出信号を高速に読み出すことができる。
(3) In the
（４）全画素読み出しモードの上記第２の方式において、読み出し部４００では、フローティングディフュージョンＦＤを１回リセットしてダーク信号を読み出し、Ｖｔｘ_ｏｄｄによる読み出しタイミングでダーク信号と奇数列目画素の出力信号とを含む奇数列目画素用のシグナル信号を読み出し、Ｖｔｘ_ｏｄｄによる読み出しタイミングの後のＶｔｘ_ｅｖｅｎによる読み出しタイミングで奇数列目画素用のシグナル信号との偶数列目画素の出力信号とを含む加算シグナル信号を読み出す。これにより、全画素の読み出しを高速に行うことができる。 (4) In the second method of the all-pixel readout mode, the readout unit 400 resets the floating diffusion FD once to read out the dark signal, and at the readout timing by Vtx_odd, Read out the signal signal for the odd-numbered column pixels, and read out the addition signal signal including the signal signal for the odd-numbered column pixels and the output signal of the even-numbered column pixels at the read timing by Vtx_even after the read timing by Vtx_odd. . Thereby, all pixels can be read at high speed.
（５）撮像素子１０１において、奇数列目画素用のシグナル信号が所定レベル（中間電位クリップ電圧）よりも下がらないようにクリップするクリップ回路５００を設ける。これにより、先に読み出す光電変換部と後に読み出す光電変換部の垂直信号線３００上の許容信号振幅を設定することができる。特に、高出力時の像面位相差方式による焦点検出性能の向上に効果がある。
(5) In the
次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（変形例１）
上述した実施の形態では、全画素読み出しモードの第２方式（図５）において、先にＶｔｘ_ＯｄｄパルスをＨｉｇｈレベルに切り替えて奇数列目の画素２００に対応するシグナル信号を読み出す例について説明した。しかしながら、先にＶｔｘ_ｅｖｅｎパルスをＨｉｇｈレベルに切り替えて偶数列目の画素２００に対応するシグナル信号を読み出し、その後、Ｖｔｘ_ＯｄｄパルスをＨｉｇｈレベルに切り替えて加算シグナル信号を読み出すようにしてもよい。
The following modifications are also within the scope of the present invention, and one or a plurality of modifications can be combined with the above-described embodiment.
(Modification 1)
In the embodiment described above, in the second method (FIG. 5) of the all-pixel reading mode, the example in which the signal signal corresponding to the
（変形例２）
上述した実施の形態では、撮像素子１０１の例として、撮像面の全域に焦点検出用の画素（一対の光電変換部を有する画素）が設けられる例について説明した。しかしながら、撮像素子１０１において、ＡＦエリアに対応する位置にのみ焦点検出用の画素が配置され、その他の位置には通常の画素（１つの光電変換部を有する画素）が配置されていてもよい。
(Modification 2)
In the embodiment described above, an example in which pixels for focus detection (pixels having a pair of photoelectric conversion units) are provided in the entire imaging surface as an example of the
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。 Although various embodiments and modifications have been described above, the present invention is not limited to these contents. Other embodiments conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention.
１００…カメラボディ、１０１…撮像素子、１０２…ボディ制御装置、１１０…交換レンズ、１１３…フォーカスレンズ、２００…画素、３００…垂直信号線、４００…読み出し部、５００…クリップ回路、ＦＤ…フローティングディフュージョン、ＰＤ_１、ＰＤ_２…光電変換部、ＲＳＴ…リセットトランジスタ、ＴＸ１、ＴＸ２…転送トランジスタ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記画素部において互いに隣接する二つの画素毎に共通して設けられ、前記二つの画素のうちの一方の画素における一対の光電変換部の片方の出力信号と、他方の画素における一対の光電変換部の片方の出力信号とを読み出す読み出し部と、
を備える撮像素子。 A pixel portion in which a plurality of pixels having a pair of photoelectric conversion portions are arranged two-dimensionally;
Provided in common for every two adjacent pixels in the pixel unit, one output signal of a pair of photoelectric conversion units in one of the two pixels, and a pair of photoelectric conversion units in the other pixel A readout unit for reading out one of the output signals,
An imaging device comprising:
前記光電変換部は、電荷蓄積型光電変換部であり、
前記読み出し部は、一つの電荷蓄積部と、前記二つの画素のうちの一方の画素における一対の光電変換部の片方の蓄積電荷と他方の画素における一対の光電変換部の片方の蓄積電荷とを前記電荷蓄積部にそれぞれ転送する二つの転送部とを有する撮像素子。 The imaging device according to claim 1,
The photoelectric conversion unit is a charge storage type photoelectric conversion unit,
The readout unit includes one charge accumulation unit, one accumulated charge of a pair of photoelectric conversion units in one of the two pixels, and one accumulated charge of a pair of photoelectric conversion units in the other pixel. An image pickup device having two transfer units respectively transferring to the charge storage unit.
前記読み出し部は、前記画素部において互いに行方向に隣接する奇数列目の画素と偶数列目の画素とに共通して設けられ、
前記奇数列目の画素の一対の光電変換部からの第一の出力信号は、第一の読み出しタイミングで、当該奇数列目の画素に対応する二つの読み出し部によってそれぞれ読み出され、
前記偶数列目の画素の一対の光電変換部からの第二の出力信号は、前記第一の読み出しタイミングとは異なった第二の読み出しタイミングで、当該偶数列目の画素に対応する二つの読み出し部によってそれぞれ読み出される撮像素子。 The imaging device according to claim 2,
The readout unit is provided in common to the pixels in the odd-numbered columns and the pixels in the even-numbered columns adjacent to each other in the row direction in the pixel unit,
The first output signals from the pair of photoelectric conversion units of the pixels in the odd-numbered columns are respectively read out by the two reading units corresponding to the pixels in the odd-numbered columns at the first reading timing,
The second output signals from the pair of photoelectric conversion units of the pixels in the even-numbered columns are two readouts corresponding to the pixels in the even-numbered columns at a second readout timing different from the first readout timing. Image sensors that are read by each unit.
前記奇数列目及び偶数列目の画素を読み出す全画素読み出しモードと、前記奇数列目及び偶数列目のうち一方の画素を読み出す一部読み出しモードとが択一的に設定され、
前記読み出し部は、前記全画素読み出しモードに設定された場合には、前記奇数列目の画素の読み出しを前記第一の読み出しタイミングで行うと共に前記偶数列目の画素の読み出しを前記第二の読み出しタイミングで行い、前記一部読み出しモードに設定された場合には前記奇数列目及び偶数列目のうち一方の画素の読み出しを行う撮像素子。 The imaging device according to claim 3,
An all-pixel reading mode for reading out the pixels in the odd-numbered columns and the even-numbered columns and a partial reading mode for reading out one pixel in the odd-numbered columns and the even-numbered columns are alternatively set,
When the all-pixel readout mode is set, the readout unit reads out the pixels in the odd-numbered columns at the first readout timing and reads out the pixels in the even-numbered columns in the second readout. An image sensor that reads out one pixel of the odd-numbered columns and even-numbered columns when the timing is set and the partial readout mode is set.
前記複数の画素は、Ｒ画素とＧ画素とＢ画素とを有し、ベイヤー配列され、
前記読み出し部は、前記一部読み出しモードに設定された場合に、前記奇数列目のＧ画素の読み出しと前記偶数列目のＧ画素の読み出しとを画素行ごとに交互に行う撮像素子。 The imaging device according to claim 4,
The plurality of pixels include an R pixel, a G pixel, and a B pixel, and are arranged in a Bayer array.
The read-out unit is an image sensor that alternately reads out the G pixels in the odd columns and the G pixels in the even columns for each pixel row when the partial read mode is set.
前記読み出し部は、前記電荷蓄積部をリセットするリセット部を更に有し、
前記リセット部は、前記第一の読み出しタイミングの前の第一のリセットタイミングで前記電荷蓄積部をリセットし、前記第二の読み出しタイミングの前の第二のリセットタイミングで前記電荷蓄積部をリセットし、
前記読み出し部は、前記第一のリセットタイミングで第一のダーク信号を読み出し、前記第一の読み出しタイミングで前記第一のダーク信号と前記第一の出力信号とを含む第三の出力信号を読み出し、前記第二のリセットタイミングで第二のダーク信号を読み出し、前記第二の読み出しタイミングで前記第二のダーク信号と前記第二の出力信号とを含む第四の出力信号を読み出す撮像素子。 The imaging device according to claim 2,
The readout unit further includes a reset unit that resets the charge storage unit,
The reset unit resets the charge storage unit at a first reset timing before the first read timing, and resets the charge storage unit at a second reset timing before the second read timing. ,
The reading unit reads a first dark signal at the first reset timing, and reads a third output signal including the first dark signal and the first output signal at the first read timing. An image sensor that reads a second dark signal at the second reset timing and reads a fourth output signal including the second dark signal and the second output signal at the second read timing.
前記読み出し部は、前記電荷蓄積部をリセットするリセット部を更に有し、
前記リセット部は、前記第一の読み出しタイミングの前のリセットタイミングで前記電荷蓄積部をリセットし、
前記読み出し部は、前記リセットタイミングでダーク信号を読み出し、前記第一の読み出しタイミングで前記ダーク信号と前記第一の出力信号とを含む第三の出力信号を読み出し、前記第一の読み出しタイミングの後の前記第二の読み出しタイミングで前記第三の出力信号と前記第二の出力信号とを含む第四の出力信号を読み出す撮像素子。 The imaging device according to claim 2,
The readout unit further includes a reset unit that resets the charge storage unit,
The reset unit resets the charge storage unit at a reset timing before the first read timing,
The read unit reads a dark signal at the reset timing, reads a third output signal including the dark signal and the first output signal at the first read timing, and after the first read timing An image sensor that reads a fourth output signal including the third output signal and the second output signal at the second read timing.
前記第三の出力信号が所定レベルよりも下がらないようにクリップするクリップ部を更に備える撮像素子。 The image pickup device according to claim 7,
An image pickup device further comprising: a clip unit that clips the third output signal so as not to fall below a predetermined level.
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