JP2017103712A - 撮像素子、焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光電変換部の受光部面積の減少を抑え、撮像特性の悪化を防ぐ。【解決手段】撮像素子は、第１の方向と前記第１の方向に交差する第２の方向に２個ずつ配置された４個の光電変換部と、光電変換部の電荷が転送される第１および第２の電荷保持部と、を備え、４個の光電変換部は、第１の方向に順に配置された第１光電変換部と第２光電変換部、第２の方向に順に配置された第１光電変換部と第３光電変換部、第２の方向に順に配置された第２光電変換部と第４光電変換部を有し、第１光電変換部と第４光電変換部とで生成された電荷は第１電荷保持部に転送され、第２光電変換部と第３光電変換部で生成された電荷は第２電荷保持部に転送される。【選択図】図２

Description

本発明は、撮像素子、焦点検出装置および撮像装置に関する。

複数対の光電変換部が設けられた画素が複数配列され、画素からの出力を用いて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（たとえば特許文献１）。このような撮像素子は、光電変換部の受光面積が減少する問題がある。

特開２０１２−２１５７８５号公報

本発明の第１の態様によると、撮像素子は、第１の方向と前記第１の方向に交差する第２の方向に２個ずつ配置された４個の光電変換部と、前記光電変換部の電荷が転送される第１および第２の電荷保持部と、を備え、前記４個の光電変換部は、前記第１の方向に順に配置された第１光電変換部と第２光電変換部、前記第２の方向に順に配置された前記第１光電変換部と第３光電変換部、前記第２の方向に順に配置された前記第２光電変換部と第４光電変換部を有し、前記第１光電変換部と前記第４光電変換部とで生成された電荷は前記第１の電荷保持部に転送され、前記第２光電変換部と前記第３光電変換部で生成された電荷は前記第２の電荷保持部に転送される。
本発明の第２の態様によると、撮像素子は、第１の方向と前記第１の方向に交差する第２の方向に２個ずつ配置された４個の光電変換部と、前記光電変換部の電荷による信号が出力される第１および第２信号線とを備え、前記４個の光電変換部は、前記第１の方向に順に配置された第１光電変換部と第２光電変換部、前記第２の方向に順に配置された前記第１光電変換部と第３光電変換部、前記第２の方向に順に配置された前記第２光電変換部と第４光電変換部を有し、前記第１光電変換部と前記第４光電変換部とで生成された電荷による前記信号は前記第１信号線に出力され、前記第２光電変換部と前記第３光電変換部とで生成された電荷による前記信号は前記第２信号線に出力される。
本発明の第３の態様によると、焦点検出装置は、第１または第２の態様の撮像素子と、前記４個の光電変換部からの電荷の転送を制御する制御部と、前記４個の光電変換部のうち、前記第１の方向に順に配置された前記光電変換部、または前記第２の方向に順に配置された前記光電変換部で生成された信号に基づき位相差焦点検出を行う焦点検出部と、を備える。
本発明の第４の態様によると、撮像装置は、第３の態様の焦点検出装置と、前記第１及び第２の光電変換部の電荷と、前記第３及び第４の光電変換部の電荷とに基づき、画像データを生成する画像生成部と、を備える。

本発明の実施の形態によるデジタルカメラの構成例を示す図 撮像素子の概略的な構成を示す図 撮像素子上の第１領域と第２領域とを模式的に示す図 第１の実施の形態における撮像素子の回路構成を模式的に示す図 第１の実施の形態における画素から出力信号を読み出すための駆動タイミングを示す図 第１の実施の形態における撮像素子の回路構成を模式的に示す図 第１の実施の形態における画素から出力信号を読み出すための駆動タイミングを示す図 比較例における撮像素子の概略的な構成を示す図 比較例における撮像素子の回路構成を模式的に示す図 比較例における撮像素子の概略的な構成を示す図 比較例における撮像素子の回路構成を模式的に示す図 第２の実施の形態における撮像素子の回路構成を模式的に示す図 第２の実施の形態における画素から出力信号を読み出すための駆動タイミングを示す図 第２の実施の形態における画素から出力信号を読み出すための駆動タイミングを示す図

−第１の実施の形態−
以下、図面を参照して一実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態における撮像素子を含むレンズ交換式のデジタルカメラ１の構成を示すブロック図である。図１のデジタルカメラ１は、交換レンズ１１０とカメラボディ１００とから構成され、交換レンズ１１０がレンズ取り付け部１０５を介してカメラボディ１００に装着される。

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。

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。

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、制御プログラムに基づいて、デジタルカメラ１の各構成要素を制御したり、各種のデータ処理を実行する演算装置である。ボディ制御装置１０２は、駆動制御部１０２ａと、焦点検出部１０２ｂと、画像処理部１０２ｃとを機能として有している。駆動制御部１０２ａは、撮像素子１０１の駆動制御を制御して、撮像素子１０１から画像信号および焦点検出信号の読み出しを行わせる。焦点検出部１０２ｂは、撮像素子１０１からの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の焦点調節を行わせる。画像処理部１０２ｃは、撮像素子１０１からの画像信号の処理および記録を行う。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。

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。

ボディ制御装置１０２の焦点検出部１０２ｂ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）を検出する。ボディ制御装置１０２は、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。換言すると、撮像素子１０１と駆動制御部１０２ａと焦点検出部１０２ｂとにより本実施の形態における焦点検出装置２が構成される。

また、ボディ制御装置１０２の画像処理部１０２ｃは、撮像素子１０１からの画像信号を処理して撮影画像データを生成し、不図示のメモリカードに格納する。画像処理部１０２ｃは、撮像素子１０１からのスルー画像（ライブビュー画像）信号に基づくスルー画像（ライブビュー画像）を表示部１０４に表示させる。

（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）に二次元状に設けられている。以下、水平方向に並んだ複数の画素２００を画素行、垂直方向に並んだ複数の画素２００を画素列とも表記する。

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４個の光電変換部（フォトダイオード）ＰＤ_１、ＰＤ_２、ＰＤ_３、ＰＤ_４を有する。各光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２、ＰＤ_３、ＰＤ_４は、交換レンズ１１０の射出瞳の異なる領域を通過した４つの光束をそれぞれ受光する。なお、以下の説明において、光電変換部ＰＤ_１〜ＰＤ_４を総称する場合には、光電変換部ＰＤと表記する。光電変換部ＰＤは、電荷蓄積型の光電変換部である。１画素当たり４つの光電変換部ＰＤを有する４ＰＤ構成の場合、２つの光電変換部ＰＤが水平方向に並び（水平分割と呼ぶ）と、２つの光電変換部ＰＤが垂直方向に並ぶ（垂直分割と呼ぶ）。図２に示す例では、光電変換部ＰＤ_１およびＰＤ_３が水平方向に並び、光電変換部ＰＤ_２およびＰＤ_４が水平方向に並ぶ。光電変換部ＰＤ_１およびＰＤ_４が垂直方向に並び、光電変換部ＰＤ_２およびＰＤ_３が垂直方向に並ぶ。すなわち、４つの光電変換部ＰＤは２行２列に配置される。

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の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２、ＰＤ_３およびＰＤ_４からの出力信号を加算することで、撮影画像データを生成することが可能である。

撮像素子１０１は、光電変換部ＰＤからの出力信号を読み出すための垂直信号線３００を有する。撮像素子１０１では、各画素列につき２つの垂直信号線３００（３００_１〜３００_２ｎ）が設けられている。たとえば、１列目の画素２００には、垂直信号線３００_１と垂直信号線３００_２とが設けられる。垂直信号線３００_１には、１列目の画素２００の左側の光電変換部ＰＤ_４と右側の光電変換部ＰＤ_３とが接続される。垂直信号線３００_２には、１列目の画素２００の左側の光電変換部ＰＤ_１と右側の光電変換部ＰＤ_２とが接続される。すなわち、垂直信号線３００_１には、対角方向に配置された光電変換部ＰＤ_３とＰＤ_４とが接続され、垂直信号線３００_２には上記とは異なる対角方向に配置された光電変換部ＰＤ_１とＰＤ_２とが接続される。

１つの画素２００内の行方向に配置された２つの光電変換部ＰＤ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３００_２に読み出され、右側の光電変換部ＰＤ_３が垂直信号線３００_１に読み出される。左側の光電変換部ＰＤ_４は垂直信号線３００_１に読み出され、右側の光電変換部ＰＤ_２が垂直信号線３００_２に読み出される。上記構成では、画素２００がｎ列配置されているのに対し、垂直信号線３００は２ｎ本必要となるが、全体の面積に対する影響は小さい。

駆動制御部１０２ａは、上記の構成を有する画素２００に対し、垂直方向に配置された光電変換部ＰＤから同一のタイミングで出力信号を読み出す制御（第１制御）と、水平方向に配置された光電変換部ＰＤから同一のタイミングで出力信号を読み出す制御（第２制御）とを行う。
図３に、撮像素子１０１上で第１制御により制御される画素群として複数の画素２００が配置される領域（第１領域）Ｒ１と、第２制御により制御される画素群として複数の画素２００が配置される領域（第２領域）Ｒ２とを模式的に示す。第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とは垂直方向に複数の画素行を含み、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とは垂直方向に沿って交互に設けられる。なお、図３に示す第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との配置は一例であり、この配置例に限定されるものではない。以下、第１領域Ｒ１に配置される画素２００と第２領域Ｒ２に配置される画素２００とに分けて説明を行う。なお、以下の説明においては、同一タイミングや同時性等の用語を用いるが、厳密な意味での同一タイミングや同時に限られず、焦点検出演算の精度低下を招かない程度の時間幅を含むものとする。

−第１領域Ｒ１に配置される画素−
図４は、図２の詳細を示す図であり、トランジスタレベルでの接続を示す。図４においては、図２に示す複数の画素２００のうち、第１領域Ｒ１に含まれる１つの画素２００の回路構成を示している。撮像素子１０１の各画素２００は、光電変換部ＰＤからの出力信号を読み出すための読み出し部４００を有している。各画素２００には、２個の読み出し部４００_１と４００_２とが設けられ、それぞれ対角方向に配置された２個の光電変換部ＰＤに対して共通に設けられる。たとえば、光電変換部ＰＤ_３とＰＤ_４とには読み出し部４００_１が共通に設けられており、光電変換部ＰＤ_１とＰＤ_２とには読み出し部４００_２が共通に設けられている。すなわち、読み出し部４００_１は、光電変換部ＰＤ_３からの出力信号と、光電変換部ＰＤ_４からの出力信号とを読み出す。読み出し部４００_２は、光電変換部ＰＤ_１からの出力信号と、光電変換部ＰＤ_２からの出力信号とを読み出す。各読み出し部４００から読み出された出力信号は、対応する垂直信号線３００を介して出力される。たとえば、読み出し部４００_１から読み出された出力信号は、垂直信号線３００_１を介して出力され、読み出し部４００_２から読み出された出力信号は、垂直信号線３００_２を介して出力される。

各読み出し部４００は、リセットトランジスタＲＳＴ（ＲＳＴ_１、ＲＳＴ_２）、増幅トランジスタＳＦ（ＳＦ_１、ＳＦ_２）、選択トランジスタＳＥＬ（ＳＥＬ_１、ＳＥＬ_２）、フローティングディフュージョンＦＤ（ＦＤ_１、ＦＤ_２）、転送トランジスタＴＸ１（ＴＸ１_１、ＴＸ１_２）、ＴＸ２（ＴＸ２_１、ＴＸ２_２）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ＰＤにおける光電変換により得られる信号電荷を蓄積（保持）する電荷蓄積部または電荷保持部として動作する。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４に示すように接続されている。また、図４においてＶＤＤは電源電圧である。

各画素２００の行方向に配置された光電変換部ＰＤ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、画素２００において、左側の光電変換部ＰＤ_１は読み出し部４００_２の転送トランジスタＴＸ１_２に接続され、右側の光電変換部ＰＤ_２は読み出し部４００_２の転送トランジスタＴＸ２_２に接続される。右側の光電変換部ＰＤ_３は読み出し部４００_１の転送トランジスタＴＸ１_１に接続され、左側の光電変換部ＰＤ_４は読み出し部４００_１の転送トランジスタＴＸ２_１に接続される。

画素２００の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４に接続された転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ２_１のゲートは、ローカル制御線２１１によって制御パルスＶｔｘ_１が供給される制御線２１０に接続される。一方、画素２００の光電変換部ＰＤ_３、ＰＤ_２にそれぞれ接続された転送トランジスタＴＸ１_１、ＴＸ２_２のゲートは、ローカル制御線２２１によって制御パルスＶｔｘ_２が供給される制御線２２０に接続される。すなわち、画素２００の左側の光電変換部ＰＤについては制御パルスＶｔｘ_１により転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２の制御が行われ、右側の光電変換部ＰＤについては、制御パルスＶｔｘ_２により転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２の制御が行われる。

（出力信号の読み出し）
図５に示すタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の撮像素子１０１の画素２００から出力信号を読み出す際の制御について説明する。図５において、Ｖｓｅｌは、選択トランジスタＳＥＬの制御パルスを示す。ＶｒｓｔはリセットトランジスタＲＳＴの制御パルスを示す。Ｖｔｘ_１は、画素２００の左側の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４に対応する転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ２_１の制御パルスを示す。Ｖｔｘ_２は、画素２００の右側の光電変換部ＰＤ_３、ＰＤ_２に対応する転送トランジスタＴＸ１_１、ＴＸ２_２の制御パルスを示す。なお、これらの点は後述する図７、１３、１４においても同様である。

図５に示すように、駆動制御部１０２ａは読み出し部４００へ各種制御パルスを出力することにより画素２００からの出力信号の読み出しのための駆動タイミングを制御する。 駆動制御部１０２ａは、出力信号の読み出しを行う画素行の選択を行う。駆動制御部１０２ａは、ＶｓｅｌをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替えて、選択トランジスタＳＥＬをオンする。これにより、フローティングディフュージョンＦＤから垂直信号線３００までが接続される。なお、図５は、１行ずつ選択が行われる例を示している。

駆動制御部１０２ａは、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、駆動制御部１０２ａは、ＶｒｓｔをＬｏｗレベルに切り替えてリセットトランジスタＲＳＴをオフする。リセットトランジスタＲＳＴがオフされた後、所定の静定時間でフローティングディフュージョンＦＤの電位レベルが静定する。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、画素２００の左側の光電変換部ＰＤ_１およびＰＤ_４に対応するダーク信号となる。ここで、各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、１回目のリセットによる各列の画素２００内の左側の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４用のダーク信号「Ｄａｒｋ_４_１、１_２、４_３、１_４、４_５、１_６、・・・、４_{（２ｎ―１）}、１_２ｎ」が同時に出力される。

上記ダークレベルの静定後、駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_１をＨｉｇｈレベルに切り替えて画素２００の左側の光電変換部ＰＤ_１およびＰＤ_４に接続された転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ２_１をオンする。Ｖｔｘ_１のＨｉｇｈレベル期間において、画素２００の光電変換部ＰＤ_１に蓄積された信号電荷はフローティングディフュージョンＦＤ_２に転送され、光電変換部ＰＤ_４に蓄積された信号電荷はフローティングディフュージョンＦＤ_１に転送される。駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_１をＬｏｗレベルに切り替えて画素２００の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４に接続された転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ２_１をオフする。

転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ２_１がオフされた後、所定の静定時間でフローティングディフュージョンＦＤ_１、ＦＤ_２の電位レベルが静定する。この静定した電位レベルがＶｔｘ_１での読み出しによるシグナルレベルであり、画素２００の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４にそれぞれ対応するシグナル信号となる。ここで、各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、Ｖｔｘ_１での電荷転送による各列の画素２００内の左側の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４用のシグナル信号「Ｓｉｇ_４_１、１_２、４_３、１_４、４_５、１_６、・・・、４_{（２ｎ―１）}、１_２ｎ」が同時に出力される。

このようにして各垂直信号線３００から出力されたダーク信号とシグナル信号との差分が、画素２００における各光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４の読み出し信号量、すなわち出力信号となる。したがって、同一の画素行に配置される複数の画素２００において、垂直方向に並ぶ光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４の出力信号は時間的な同時性を有する。
なお、上記のダーク信号とシグナル信号との差分を求める相関二重サンプリング（ＣＤＳ）動作は、撮像素子１０１のセンサーチップ内の後段回路で行ってもよいし、センサーチップ外の後段回路で行ってもよい。

上記シグナルレベルの静定後、駆動制御部１０２ａは、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、駆動制御部１０２ａは、ＶｒｓｔをＬｏｗレベルに切り替えてリセットトランジスタＲＳＴをオフする。リセットトランジスタＲＳＴがオフされた後、所定の静定時間でフローティングディフュージョンＦＤの電位レベルが静定する。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、画素２００の右側の光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_３に対応するダーク信号となる。ここで、各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、２回目のリセットによる各列の画素２００内の右側の光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_３用のダーク信号「Ｄａｒｋ_３_１、２_２、３_３、２_４、３_５、２_６、・・・、３_{（２ｎ−１）}、２_２ｎ」が同時に出力される。

上記ダークレベルの静定後、駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_２をＨｉｇｈレベルに切り替えて画素２００の右側の光電変換部ＰＤ_３、ＰＤ_２に接続された転送トランジスタＴＸ１_１、ＴＸ２_２をオンする。Ｖｔｘ_２のＨｉｇｈレベル期間において、画素２００の光電変換部ＰＤ_３に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョンＦＤ_１に転送され、光電変換部ＰＤ_２に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョンＦＤ_２に転送される。駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_２をＬｏｗレベルに切り替えて画素２００の光電変換部ＰＤ_３、ＰＤ_２に接続された転送トランジスタＴＸ１_１、ＴＸ２_２をオフする。

転送トランジスタＴＸ１_１、ＴＸ２_２がオフされた後、所定の静定時間でフローティングディフュージョンＦＤの電位レベルが静定する。この静定した電位レベルがＶｔｘ_２の読み出しによるシグナルレベルであり、画素２００の光電変換部ＰＤ_３、ＰＤ_２に対応するシグナル信号となる。各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、Ｖｔｘ_２での電荷転送による各列の画素２００内の右側の光電変換部ＰＤ_３、ＰＤ_２用のシグナル信号「Ｓｉｇ_３_１、２_２、３_３、２_４、３_５、２_６、・・・、３_{（２ｎ−１）}、２_２ｎ」が出力される。

このようにして各垂直信号線３００から出力されたダーク信号とシグナル信号との差分が、画素２００における各光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_３の読み出し信号量、すなわち出力信号となる。したがって、同一の画素行に配置される複数の画素２００において、垂直方向に並ぶ光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_３の出力信号は時間的な同時性を有する。
なお、上記のダーク信号とシグナル信号との差分を求める相関二重サンプリング（ＣＤＳ）動作は、撮像素子１０１のセンサーチップ内の後段回路で行ってもよいし、センサーチップ外の後段回路で行ってもよい。

上述したように、画素２００においては、駆動制御部１０２ａは、垂直方向に配置された光電変換部ＰＤ_１とＰＤ_４とから同一のタイミングにて出力信号を出力させる。駆動制御部１０２ａは、垂直方向に配置された光電変換部ＰＤ_２とＰＤ_３とから同一のタイミングにて出力信号を出力させる。すなわち、駆動制御部１０２ａは、転送トランジスタＴＸ１_２とＴＸ２_１とに対して同一のタイミングにて光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４からの電荷転送を許可し、転送トランジスタＴＸ１_１とＴＸ２_２とに対して同一のタイミングにて光電変換部ＰＤ_３、ＰＤ_２からの電荷転送を許可する。したがって、駆動制御部１０２ａは、画素２００の対角線方向に配置された光電変換部ＰＤ_１とＰＤ_２とのそれぞれに接続された転送トランジスタＴＸ１_２とＴＸ２_２とに対して、電荷転送を択一的に許可する。駆動制御部１０２ａは、画素２００の対角線方向に配置された光電変換部ＰＤ_３とＰＤ_４とのそれぞれに接続された転送トランジスタＴＸ１_１とＴＸ２_１とに対して、電荷転送を択一的に許可する。
これにより、それぞれの光電変換部ＰＤ_１〜ＰＤ_４に対してフローティングディフュージョンを設けることなく電荷転送を行うことができるので、部品数を減らし、光電変換部ＰＤ_１〜ＰＤ_４の受光面の面積を増加させることができる。

なお、上述の説明では、駆動制御部１０２ａは、第１領域Ｒ１の画素２００について、光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４から出力信号を出力させた後、光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_３から出力信号を出力させるように駆動タイミングを制御したが、この例に限定されない。駆動制御部１０２ａが、第１領域Ｒ１の画素２００について、光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_３から出力信号を出力させた後、光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４から出力信号を出力させるように駆動タイミングを制御しても良い。

駆動制御部１０２ａは、撮像素子１０１の第１領域Ｒ１に含まれる各画素行ごとに上記の制御を行い、出力信号の読み出しを行う。
（焦点検出）
ユーザによるシャッターボタンの半押し操作に応じて焦点調節を行う場合には、焦点検出部１０２ｂは、上述のようにして読み出された出力信号を焦点検出信号として用いて、公知の像面位相差方式による焦点検出演算を行う。この場合、焦点検出部１０２ｂは、時間的な同時性を有する複数の出力信号を用いて信号列を生成する。たとえば、焦点検出部１０２ｂは、各行の光電変換部ＰＤ_１からの出力信号を用いて第１信号列｛ａｎ｝を生成し、各行の光電変換部ＰＤ_４からの出力信号を用いて第２信号列｛ｂｎ｝を生成する。焦点検出部１０２ｂは、生成した第１信号列｛ａｎ｝および第２信号列｛ｂｎ｝との相対的な像ズレ量を検出することによって交換レンズ１１０の焦点調節状態、すなわちデフォーカス量を検出する。

焦点検出部１０２ｂは、各行の光電変換部ＰＤ_３からの出力信号を用いて第１信号列｛ｃｎ｝を生成し、各行の光電変換部ＰＤ_２からの出力信号を用いて第２信号列｛ｄｎ｝を生成しても良い。特に、撮像素子１０１の周辺部では、撮像素子１０１の中央部と比較して、被写体からの光束がケラレ等の影響を受けやすい。焦点検出部１０２ｂは、撮像素子１０１の周辺部に配置された画素２００からの出力信号のうち、ケラレの影響の少ない対の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４、または光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_３からの出力信号を選択して焦点検出信号として用いればよい。撮像素子１０１の中央部に配置された画素２００については、焦点検出部１０２ｂは、光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４、または光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_３の何れか一方の対からの出力信号を焦点検出信号として用いることができる。

なお、上述したように、撮像素子１０１の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が配置されている。したがって、焦点検出部１０２ｂは、一対の信号列｛ａｎ｝、｛ｂｎ｝または一対の信号列｛ｃｎ｝、｛ｄｎ｝を生成する際に、同一の色フィルタが配置された画素２００からの出力信号を用いる。たとえば、図２に示すように第１列目に配置された画素２００からの出力信号を用いて焦点検出演算を行う場合には、焦点検出部１０２ｂは、一例として、Ｇの色フィルタが配置された第１行目、第３行目、…の画素２００からの出力信号を用いる。

−第２領域Ｒ２に配置される画素−
図６は、第２領域Ｒ２に配置される各画素２００のトランジスタレベルでの接続を示す回路図であり、図２を詳細に示した図である。なお、図６においても、図２に示す複数の画素２００のうち、第２領域Ｒ２に含まれる１つの画素２００の回路構成を示している。
画素２００の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３に接続された転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ１_１のゲートは、それぞれローカル制御線２５１および２５２によって制御パルスＶｔｘ_１が供給される制御線２１０に接続される。画素２００の光電変換部ＰＤ_４、ＰＤ_２に接続された転送トランジスタＴＸ２_１、ＴＸ２_２のゲートは、それぞれローカル制御線２５３および２５４によって制御パルスＶｔｘ_２が供給される制御線２２０に接続される。すなわち、画素２００の上側の光電変換部ＰＤについては制御パルスＶｔｘ_１により転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２の制御が行われ、下側の光電変換部ＰＤについては、制御パルスＶｔｘ_２により転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２の制御が行われる。他の構成、すなわち光電変換部ＰＤに蓄積された電荷を垂直信号線３００に読み出すための信号回路については、第１領域Ｒ１に配置される画素２００と同一である。

（出力信号の読み出し）
図７に示すタイミングチャートを参照しながら、第２領域Ｒ２に配置された画素２００から出力信号を読み出す際の制御について説明する。なお、以下の説明においては、第１領域Ｒ１に配置された画素２００からの出力信号の読み出し時の駆動タイミングとの相違点を主に行う。
図７において、Ｖｔｘ_１は、画素２００の上側の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３に対応する転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ１_１の制御パルスを示す。Ｖｔｘ_２は、画素２００の下側の光電変換部ＰＤ_４、ＰＤ_２に対応する転送トランジスタＴＸ２_１、ＴＸ２_２の制御パルスを示す。

図７に示すように、駆動制御部１０２ａは、第１領域Ｒ１の画素２００の場合と同様にして、選択トランジスタＳＥＬをオンすることにより、出力信号の読み出しを行う画素行の選択を行う。なお、図７においても、１行ずつ選択が行われる例を示している。駆動制御部１０２ａは、第１領域Ｒ１の画素２００の場合と同様にして、１回目のフローティングディフュージョンＦＤの電位のリセットを行う。所定の静定時間が経過すると、各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、１回目のリセットによる各列の画素２００内の上側の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３用のダーク信号「Ｄａｒｋ_３_１、１_２、３_３、１_４、３_５、１_６、・・・、３_{（２ｎ−１）}、１_２ｎ」が同時に出力される。

駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_１をＨｉｇｈレベルに切り替えて転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ１_１をオンする。Ｖｔｘ_１のＨｉｇｈレベル期間において、画素２００の光電変換部ＰＤ_１に蓄積された信号電荷はフローティングディフュージョンＦＤ_２に転送され、光電変換部ＰＤ_３に蓄積された信号電荷はフローティングディフュージョンＦＤ_１に転送される。駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_１をＬｏｗレベルに切り替えて転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ１_１をオフする。その後、所定の静定時間でフローティングディフュージョンＦＤ_１、ＦＤ_２の電位レベルは静定し、Ｖｔｘ_１での読み出しによるシグナルレベルとなる。各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、Ｖｔｘ_１での電荷転送による各列の画素２００内の上側の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３用のシグナルレベルに対応したシグナル信号「Ｓｉｇ_３_１、１_２、３_３、１_４、３_５、１_６、・・・、３_{（２ｎ−１）}、１_２ｎ」が同時に出力される。

上記のようにして各垂直信号線３００から出力されたダーク信号とシグナル信号との差分が、画素２００における各光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３の出力信号となる。したがって、同一の画素行に配置される複数の画素２００において、水平方向に並ぶ光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３の出力信号は時間的な同時性を有する。
なお、上記のダーク信号とシグナル信号との差分を求める相関二重サンプリング（ＣＤＳ）動作は、撮像素子１０１のセンサーチップ内の後段回路で行ってもよいし、センサーチップ外の後段回路で行ってもよい。

上記シグナルレベルの静定後、駆動制御部１０２ａは、第１領域Ｒ１の画素２００の場合と同様にして、２回目のフローティングディフュージョンＦＤの電位のリセットを行う。所定の静定時間が経過すると、各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、２回目のリセットによる各列の画素２００内の下側の光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_４用のダーク信号「Ｄａｒｋ_４_１、２_２、４_３、２_４、４_５、２_６、・・・、４_{（２ｎ−１）}、２_２ｎ」が同時に出力される。

上記ダークレベルの静定後、駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_２をＨｉｇｈレベルに切り替えて転送トランジスタＴＸ２_１、ＴＸ２_２をオンする。Ｖｔｘ_２のＨｉｇｈレベル期間において、画素２００の光電変換部ＰＤ_４に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョンＦＤ_１に転送され、光電変換部ＰＤ_２に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョンＦＤ_２に転送される。駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_２をＬｏｗレベルに切り替えて転送トランジスタＴＸ２_１、ＴＸ２_２をオフする。その後、所定の静定時間でフローティングディフュージョンＦＤの電位レベルは静定し、Ｖｔｘ_２の読み出しによるシグナルレベルとなる。各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、Ｖｔｘ_２での電荷転送による各列の画素２００内の下側の光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_４用のシグナル信号「Ｓｉｇ_４_１、２_２、４_３、２_４、４_５、２_６、・・・、４_{（２ｎ−１）}、２_２ｎ」が出力される。

各垂直信号線３００から出力されたダーク信号とシグナル信号との差分が、画素２００における各光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_４の出力信号となる。したがって、同一の画素行に配置される複数の画素２００において、水平方向に並ぶ光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_４の出力信号は時間的な同時性を有する。
なお、上記のダーク信号とシグナル信号との差分を求める相関二重サンプリング（ＣＤＳ）動作は、撮像素子１０１のセンサーチップ内の後段回路で行ってもよいし、センサーチップ外の後段回路で行ってもよい。

なお、駆動制御部１０２ａは、第２領域Ｒ２の画素２００については、光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３から出力信号を出力させた後、光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_４から出力信号を出力させるように駆動タイミングを制御したが、この例に限定されない。駆動制御部１０２ａが、第２領域Ｒ２の画素２００について、光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_４から出力信号を出力させた後、光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３から出力信号を出力させるように駆動タイミングを制御しても良い。

（焦点検出）
焦点検出部１０２ｂは、上述のようにして読み出された出力信号を焦点検出信号として用いて、公知の像面位相差方式による焦点検出演算を行う。この場合、焦点検出部１０２ｂは、時間的な同時性を有する複数の出力信号を用いて信号列を生成する。たとえば、焦点検出部１０２ｂは、各列の光電変換部ＰＤ_１からの出力信号を用いて第１信号列｛ａｎ｝を生成し、各列の光電変換部ＰＤ_３からの出力信号を用いて第２信号列｛ｂｎ｝を生成する。焦点検出部１０２ｂは、生成した第１信号列｛ａｎ｝および第２信号列｛ｂｎ｝との相対的な像ズレ量を検出することによって交換レンズ１１０の焦点調節状態、すなわちデフォーカス量を検出する。なお、焦点検出部１０２ｂは、各列の光電変換部ＰＤ_４からの出力信号を用いて第１信号列｛ｃｎ｝を生成し、各列の光電変換部ＰＤ_２からの出力信号を用いて第２信号列｛ｄｎ｝を生成しても良い。

なお、焦点検出部１０２ｂは、撮像素子１０１の周辺部に配置された画素２００からの出力信号のうち、ケラレの影響の少ない対の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３、または光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_４からの出力信号を選択して焦点検出信号として用いればよい。また、焦点検出部１０２ｂは、一対の信号列｛ａｎ｝、｛ｂｎ｝または一対の信号列｛ｃｎ｝、｛ｄｎ｝を生成する際に、同一の色フィルタが配置された画素２００からの出力を用いる。たとえば、図２に示すように第１行目に配置された画素２００からの出力信号を用いて焦点検出演算を行う場合には、焦点検出部１０２ｂは、一例として、Ｇの色フィルタが配置された第１列目、第３列目、…の画素２００からの出力信号を用いる。

上述したように、第１領域Ｒ１に設けられた複数の画素２００からの出力信号については、焦点検出部１０２ｂは、垂直方向に沿って一対の信号列を生成して、信号列間の像ズレ量を検出することによってデフォーカス量を算出する。第２領域Ｒ２に設けられた複数の画素２００からの出力信号については、焦点検出部１０２ｂは、水平方向に沿って一対の信号列を生成して、信号列間の像ズレ量を検出することによってデフォーカス量を算出する。したがって、同一の回路構成を有する画素２００により構成される撮像素子１０１において、被写体像の垂直方向の像ズレの検出と、水平方向の像ズレの検出とを、同一フレームの出力信号を用いて行うことができる。

−撮影用画像生成−
ユーザのシャッターボタンの全押し操作に応じて撮影動作を行う場合には、画像処理部１０２ｃは、上述のようにして読み出された出力信号を画像信号として使用する。この場合、画像処理部１０２ｃは、それぞれの画素２００について、光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_２、ＰＤ_３およびＰＤ_４から出力された出力信号を加算して、画像信号を生成する。画像処理部１０２ｃは、この画像信号に対して各種の画像処理を施して、撮影用画像データを生成する。

（比較例）
図８、９に比較例における画素５００の構成を、図１０、１１に比較例における画素５０１の構成を示す。図８、図１０は、比較例における画素５００、５０１の概略的な構成を説明する図である。なお、図８、図１０では、画素５００、５０１と垂直信号線６００（６００_１、６００_２）との接続を分かりやすくするため、読み出しに用いられるトランジスタなどは省略している。図８、図１０は、複数の画素列のうち、第１列の一部の画素５００、５０１について示す。図９、１１は、それぞれ図８、１０の詳細を示す図であり、トランジスタレベルでの接続を示す。各画素５００、５０１には、４個の光電変換部ＰＤ’（ＰＤ’_１、ＰＤ’_２、ＰＤ’_３、ＰＤ’_４）が２行２列に配置される。

画素５００では、垂直方向に配置された光電変換部ＰＤ’_１、ＰＤ’_４から出力信号が画素５００の垂直信号線６００_１に読み出され、垂直方向に配置された光電変換部ＰＤ’_２、ＰＤ’_３から出力信号が垂直信号線６００_２に読み出される。すなわち、光電変換部ＰＤ’_１、ＰＤ’_４からは、両者に共通に設けられたリセットトランジスタＲＳＴ’_１、増幅トランジスタＳＦ’_１、選択トランジスタＳＥＬ’_１、フローティングディフュージョンＦＤ’_１を介して、出力信号が読み出される。光電変換部ＰＤ’_２、ＰＤ’_３からは、両者に共通に設けられたリセットトランジスタＲＳＴ’_２、増幅トランジスタＳＦ’_２、選択トランジスタＳＥＬ’_２、フローティングディフュージョンＦＤ’_２を介して、出力信号が読み出される。したがって、画素５００においては光電変換部ＰＤ’_１、ＰＤ’_３からの出力信号が時間的な同時性を有し、光電変換部ＰＤ’_２、ＰＤ’_４からの出力信号が時間的な同時性を有する。

画素５０１では、水平方向に配置された光電変換部ＰＤ’_１、ＰＤ’_３から出力信号が画素５０１の垂直信号線６００_１に読み出され、水平方向に配置された光電変換部ＰＤ’_２、ＰＤ’_４から出力信号が垂直信号線６００_２に読み出される。すなわち、光電変換部ＰＤ’_１、ＰＤ’_３からは、両者に共通に設けられたリセットトランジスタＲＳＴ’_１、増幅トランジスタＳＦ’_１、選択トランジスタＳＥＬ’_１、フローティングディフュージョンＦＤ’_１を介して、出力信号が読み出される。光電変換部ＰＤ’_２、ＰＤ’_４からは、両者に共通に設けられたリセットトランジスタＲＳＴ’_２、増幅トランジスタＳＦ’_２、選択トランジスタＳＥＬ’_２、フローティングディフュージョンＦＤ’_２を介して、出力信号が読み出される。したがって、画素５０１においては光電変換部ＰＤ’_１、ＰＤ’_４からの出力信号が時間的な同時性を有し、光電変換部ＰＤ’_２、ＰＤ’_３からの出力信号が時間的な同時性を有する。

上述したように、画素５００では水平方向に時間的な同時性を有する出力信号が得られ、画素５０１では垂直方向に時間的な同時性を有する出力信号が得られる。しかしながら、画素５００と画素５０１との回路構成はそれぞれ異なる。

上述した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）画素２００は、行方向と列方向とに２個ずつ配置された光電変換部ＰＤと、２個のフローティングディフュージョンＦＤとを有する。４個の光電変換部ＰＤは、行方向に順に光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３が配置され、列方向に順に光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４が配置され、列方向に順に光電変換部ＰＤ_３、ＰＤ_２が配置される。光電変換部ＰＤ_１および光電変換部ＰＤ_２で生成された電荷はフローティングディフュージョンＦＤ_２に転送され、光電変換部ＰＤ_３および光電変換部ＰＤ_４で生成された電荷はフローティングディフュージョンＦＤ_１転送される。したがって、４個の光電変換部のそれぞれに対してフローティングディフュージョンを設ける従来の技術と比較して、１個の画素に必要となるトランジスタの個数を１６個から１０個に減らすことができる。このため、本実施の形態の光電変換部ＰＤのそれぞれの受光面の面積を、上記の従来の技術の光電変換部の受光面の面積と比較して大きくすることができる。すなわち、本実施の形態では、受光面の面積を減少に伴う飽和電子数の減少と、これに伴う飽和出力低下による撮像特性への悪影響を抑制できる。これにより、たとえば画素２００からの出力を焦点検出に用いる場合には、焦点検出精度の低下を防ぐことができる。

（２）画素２００は、行方向と列方向とに２個ずつ配置された光電変換部ＰＤと、光電変換部ＰＤの電荷による信号が出力される垂直信号線３００とを有する。４個の光電変換部ＰＤは、行方向に順に光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３が配置され、列方向に順に光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４が配置され、列方向に順に光電変換部ＰＤ_３、ＰＤ_２が配置される。光電変換部ＰＤ_１および光電変換部ＰＤ_２で生成された電荷による信号は垂直信号線３００_２に出力され、光電変換部ＰＤ_３および光電変換部ＰＤ_４で生成された電荷による信号は垂直信号線３００_１に出力される。したがって、１個の画素に必要となる部品数を少なくできるので、光電変換部ＰＤのそれぞれの受光面の面積を、上記の従来の技術の光電変換部の受光面の面積と比較して大きくすることができる。すなわち、上記の作用効果（１）と同様に、受光面の面積を減少に伴う飽和電子数の減少と、これに伴う飽和出力低下による撮像特性への悪影響を抑制できる。

（３）光電変換部ＰＤ_１からの電荷の転送と、光電変換部ＰＤ_２からの電荷の転送とが択一的に行われ、光電変換部ＰＤ_３からの電荷の転送と、光電変換部ＰＤ_４からの電荷の転送とが択一的に行われる。さらに、同一の回路構成を有する画素２００から、水平方向に時間的な同時性を有する出力信号または垂直方向に時間的な同時性を有する出力信号を出力することが可能となる。したがって、比較例のような画素５００や５０１を用いる場合と異なり、水平方向に時間的な同時性を有する出力信号と、垂直方向に時間的な同時性を有する出力信号との間で、回路構成の相違により異なる静電容量に応じた出力信号となることを防ぐことができる。

（４）第１領域Ｒ１の画素２００に対しては、制御パルスＶｔｘ_１が供給される制御線２１０を介して、転送トランジスタＴＸ１_２による光電変換部ＰＤ_１の電荷の転送と、転送トランジスタＴＸ２_１による光電変換部ＰＤ_４の電荷の転送とが同時に行われる。制御パルスＶｔｘ_２が供給される制御線２２０を介して、転送トランジスタＴＸ１_１による光電変換部ＰＤ_３の電荷の転送と、転送トランジスタＴＸ２_２による光電変換部ＰＤ_２の電荷の転送とが同時に行われる。
第２領域Ｒ２の画素２００に対しては、制御パルスＶｔｘ_１が供給される制御線２１０を介して、転送トランジスタＴＸ１_２による光電変換部ＰＤ_１の電荷の転送と、転送トランジスタＴＸ１_１による光電変換部ＰＤ_３の電荷の転送とが同時に行われる。制御パルスＶｔｘ_２が供給される制御線２２０を介して、転送トランジスタＴＸ２_１による光電変換部ＰＤ_４の電荷の転送と、転送トランジスタＴＸ２_２による光電変換部ＰＤ_２の電荷の転送とが同時に行われる。したがって、比較例の場合と異なり、信号を読み出すための回路構成が同一の画素２００から、垂直方向に配置された光電変換部ＰＤまたは水平方向に配置された光電変換部ＰＤから同一のタイミングにて出力信号を読み出すことが可能となる。

（５）制御線２１０および２２０は複数の画素２００からなる画素列に対して共通に設けられ、第１領域Ｒ１の画素２００に対しては、制御線２１０は転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ２_１に接続され、制御線２２０は転送トランジスタＴＸ１_１、ＴＸ２_２に接続される。第２領域Ｒ２の画素２００に対しては、制御線２１０は転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ１_１に接続され、制御線２２０は転送トランジスタＴＸ２_１、ＴＸ２_２に接続される。したがって、制御線２１０、２２０からのローカル制御線２１１、２２１、２５１〜２５４と接続される転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２を異ならせることにより、画素２００を第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の何れか含まれるようにすることができる。すなわち、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との配置の自由度を向上できる。

−第２の実施の形態−
図面を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、制御線と画素の転送トランジスタとを結ぶローカル制御線の接続が第１の実施の形態と異なる。

図１２は、第２の実施の形態における撮像素子１０１の各画素２００のトランジスタレベルでの接続を示す回路図であり、図２を詳細に示した図である。
画素２００の光電変換部ＰＤ_１に接続された転送トランジスタＴＸ１_２のゲートは、ローカル制御線２６１によって制御パルスＶｔｘ_１が供給される制御線２１０に接続される。光電変換部ＰＤ_３に接続された転送トランジスタＴＸ１_１のゲートは、ローカル制御線２６２によって制御パルスＶｔｘ_２が供給される制御線２２０に接続される。光電変換部ＰＤ_４に接続された転送トランジスタＴＸ２_１のゲートは、ローカル制御線２６３によって制御パルスＶｔｘ_３が供給される制御線２３０に接続される。光電変換部ＰＤ_２に接続された転送トランジスタＴＸ２_２のゲートは、ローカル制御線２６４によって制御パルスＶｔｘ_４が供給される制御線２４０に接続される。すなわち、画素２００の４個の光電変換部ＰＤのそれぞれについて、制御パルスＶｔｘ_１、Ｖｔｘ_２、Ｖｔｘ_３、Ｖｔｘ_４のそれぞれにより転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２の制御が行われる。他の構成については、第１の実施の形態による画素２００と同一である。

（出力信号の読み出し）
図１３、１４に示すタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の撮像素子１０１の画素２００から出力信号を読み出す際の制御について説明する。図１３は、光電変換部ＰＤから垂直方向に時間的な同時性を有する出力信号を読み出す（第１制御）場合を示し、図１４は、光電変換部ＰＤから水平方向に時間的な同時性を有する出力信号を読み出す（第２制御）場合を示す。図１３、１４において、Ｖｔｘ_１は、画素２００の光電変換部ＰＤ_１に対応する転送トランジスタＴＸ１_２の制御パルスを示す。Ｖｔｘ_２は、光電変換部ＰＤ_３に対応する転送トランジスタＴＸ１_１の制御パルスを示す。Ｖｔｘ_３は、光電変換部ＰＤ_４に対応する転送トランジスタＴＸ２_１の制御パルスを示す。Ｖｔｘ_４は、光電変換部ＰＤ_２に対応する転送トランジスタＴＸ２_２の制御パルスを示す。

まず、光電変換部ＰＤから垂直方向に時間的な同時性を有する出力信号を読み出す第１制御について説明する。なお、以下の説明においては、第１の実施の形態における第１領域Ｒ１に配置された画素２００からの出力信号の読み出し時の駆動タイミングとの相違点を主に行う。
図１３に示すように、駆動制御部１０２ａは、第１の実施の形態と同様にして、１回目のフローティングディフュージョンＦＤの電位のリセットを行う。所定の静定時間が経過すると、各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、１回目のリセットによる各列の画素２００内の左側の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４用のダーク信号「Ｄａｒｋ_４_１、１_２、４_３、１_４、４_５、１_６、・・・、４_{（２ｎ−１）}、１_２ｎ」が同時に出力される。

駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_１およびＶｔｘ_３を同じタイミングにてＨｉｇｈレベルに切り替えて画素２００の左側の光電変換部ＰＤ_１およびＰＤ_４に接続された転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ２_１をオンする。Ｖｔｘ_１のＨｉｇｈレベル期間において、画素２００の光電変換部ＰＤ_１に蓄積された信号電荷はフローティングディフュージョンＦＤ_２に転送され、Ｖｔｘ_３のＨｉｇｈレベル期間において、光電変換部ＰＤ_４に蓄積された信号電荷はフローティングディフュージョンＦＤ_１に転送される。駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_１およびＶｔｘ_３を同じタイミングにてＬｏｗレベルに切り替えて転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ２_１をオフする。その後、所定の静定時間でフローティングディフュージョンＦＤの電位レベルは静定し、Ｖｔｘ_１、Ｖｔｘ_３の読み出しによるシグナルレベルとなる。各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、各列の画素２００内の左側の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４用のシグナル信号「Ｓｉｇ_４_１、１_２、４_３、１_４、４_５、１_６、・・・、４_{（２ｎ−１）}、１_２ｎ」が出力される。

各垂直信号線３００から出力されたダーク信号とシグナル信号との差分が、画素２００における各光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４の出力信号となる。したがって、同一の画素行に配置される複数の画素２００において、垂直方向に並ぶ光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_４の出力信号は時間的な同時性を有する。

上記シグナルレベルの静定後、駆動制御部１０２ａは、第１の実施の形態と同様にして、２回目のフローティングディフュージョンＦＤの電位のリセットを行う。所定の静定時間が経過すると、各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、２回目のリセットによる各列の画素２００内の右側の光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_３用のダーク信号「Ｄａｒｋ_３_１、２_２、３_３、２_４、３_５、２_６、・・・、３_{（２ｎ−１）}、２_２ｎ」が同時に出力される。

上記ダークレベルの静定後、駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_２およびＶｔｘ_４を同じタイミングにてＨｉｇｈレベルに切り替えて転送トランジスタＴＸ１_１、ＴＸ２_２をオンする。Ｖｔｘ_２のＨｉｇｈレベル期間において、画素２００の光電変換部ＰＤ_３に蓄積された信号電荷はフローティングディフュージョンＦＤ_１に転送され、Ｖｔｘ_４のＨｉｇｈレベル期間において、光電変換部ＰＤ_２に蓄積された信号電荷はフローティングディフュージョンＦＤ_２に転送される。駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_２およびＶｔｘ_４を同じタイミングにてＬｏｗレベルに切り替えて転送トランジスタＴＸ１_１、ＴＸ２_２をオフする。その後、所定の静定時間でフローティングディフュージョンＦＤの電位レベルは静定し、Ｖｔｘ_２およびＶｔｘ_４の読み出しによるシグナルレベルとなる。各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、各列の画素２００内の右側の光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_３用のシグナル信号「Ｓｉｇ_３_１、２_２、３_３、２_４、３_５、２_６、・・・、３_{（２ｎ−１）}、２_２ｎ」が出力される。

このようにして各垂直信号線３００から出力されたダーク信号とシグナル信号との差分が、画素２００における各光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_３の出力信号となる。したがって、同一の画素行に配置される複数の画素２００において、垂直方向に並ぶ光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_３の出力信号は時間的な同時性を有する。

次に、光電変換部ＰＤから水平方向に時間的な同時性を有する出力信号を読み出す第２制御について説明する。なお、以下の説明においては、第１の実施の形態における第２領域Ｒ２に配置された画素２００からの出力信号の読み出し時の駆動タイミングとの相違点を主に行う。
図１４に示すように、駆動制御部１０２ａは、第１の実施の形態と同様にして、１回目のフローティングディフュージョンＦＤの電位のリセットを行う。所定の静定時間が経過すると、各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、１回目のリセットによる各列の画素２００内の上側の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３用のダーク信号「Ｄａｒｋ_３_１、１_２、３_３、１_４、３_５、１_６、・・・、３_{（２ｎ−１）}、１_２ｎ」が同時に出力される。

駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_１およびＶｔｘ_２を同じタイミングにてＨｉｇｈレベルに切り替えて転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ１_１をオンする。Ｖｔｘ_１のＨｉｇｈレベル期間において、画素２００の光電変換部ＰＤ_１に蓄積された信号電荷はフローティングディフュージョンＦＤ_２に転送され、Ｖｔｘ_２のＨｉｇｈレベル期間において、光電変換部ＰＤ_３に蓄積された信号電荷はフローティングディフュージョンＦＤ_１に転送される。駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_１およびＶｔｘ_２を同じタイミングにてＬｏｗレベルに切り替えて転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ１_１をオフする。その後、所定の静定時間でフローティングディフュージョンＦＤの電位レベルは静定し、Ｖｔｘ_１、Ｖｔｘ_２の読み出しによるシグナルレベルとなる。各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、各列の画素２００内の上側の光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３用のシグナル信号「Ｓｉｇ_３_１、１_２、３_３、１_４、３_５、１_６、・・・、３_{（２ｎ−１）}、１_２ｎ」が出力される。

このようにして各垂直信号線３００から出力されたダーク信号とシグナル信号との差分が、画素２００における各光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３の出力信号となる。したがって、同一の画素行に配置される複数の画素２００において、水平方向に並ぶ光電変換部ＰＤ_１、ＰＤ_３の出力信号は時間的な同時性を有する。

上記シグナルレベルの静定後、駆動制御部１０２ａは、第１の実施の形態と同様にして、２回目のフローティングディフュージョンＦＤの電位のリセットを行う。所定の静定時間が経過すると、各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、２回目のリセットによる各列の画素２００内の下側の光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_４用のダーク信号「Ｄａｒｋ_４_１、２_２、４_３、２_４、４_５、２_６、・・・、４_{（２ｎ−１）}、２_２ｎ」が同時に出力される。

上記ダークレベルの静定後、駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_３およびＶｔｘ_４を同じタイミングにてＨｉｇｈレベルに切り替えて転送トランジスタＴＸ２_１、ＴＸ２_２をオンする。Ｖｔｘ_３のＨｉｇｈレベル期間において、画素２００の光電変換部ＰＤ_４に蓄積された信号電荷はフローティングディフュージョンＦＤ_１に転送され、Ｖｔｘ_４のＨｉｇｈレベル期間において、光電変換部ＰＤ_２に蓄積された信号電荷はフローティングディフュージョンＦＤ_２に転送される。駆動制御部１０２ａは、Ｖｔｘ_３およびＶｔｘ_４を同じタイミングにてＬｏｗレベルに切り替えて転送トランジスタＴＸ２_１、ＴＸ２_２をオフする。その後、所定の静定時間でフローティングディフュージョンＦＤの電位レベルは静定し、Ｖｔｘ_３およびＶｔｘ_４の読み出しによるシグナルレベルとなる。各垂直信号線３００_１〜３００_２ｎには、各列の画素２００内の下側の光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_４用のシグナル信号「Ｓｉｇ_４_１、２_２、４_３、２_４、４_５、２_６、・・・、４_{（２ｎ−１）}、２_２ｎ」が出力される。

このようにして各垂直信号線３００から出力されたダーク信号とシグナル信号との差分が、画素２００における各光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_４の出力信号となる。したがって、同一の画素行に配置される複数の画素２００において、水平方向に並ぶ光電変換部ＰＤ_２、ＰＤ_４の出力信号は時間的な同時性を有する。

以上で説明した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態で得られた（１）の作用効果に加えて、次の作用効果を得られる。
制御線２１０、２２０、２３０、２４０は、行方向に並んだ複数の画素２００からなる画素列に対して共通に設けられる。転送トランジスタＴＸ１_１、ＴＸ１_２、ＴＸ２_１、ＴＸ２_２はそれぞれローカル制御線２６２、２６１、２６３、２６４を介して制御線２２０、２１０、２３０、２４０に接続される。駆動制御部１０２ａは、制御線２１０と２３０とを介して転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ２_１を同時にオンするとともに、制御線２２０と２４０とを介して転送トランジスタＴＸ１_１、ＴＸ２_２を同時にオンして第１制御を行う。駆動制御部１０２ａは、制御線２１０と２２０とを介して転送トランジスタＴＸ１_２、ＴＸ１_１を同時にオンするとともに、制御線２３０と２４０とを介して転送トランジスタＴＸ２_１、ＴＸ２_２を同時にオンして第２制御を行う。ローカル制御線２６１〜２６４の接続も含めて同一の回路構成を有する画素２００に対して、制御パルスの変更のみで水平方向に時間的な同時性を有する出力信号を出力させることも、垂直方向に同時性を有する出力信号を出力させることも可能となる。

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。
（１）１つの画素２００に４個の光電変換部ＰＤが配置されるものに限定されない。たとえば、２行２列の光電変換部ＰＤを１組として、２組の光電変換部ＰＤを垂直方向に配置して４行２列の光電変換部ＰＤを１つの画素２００に設けるものや、２組の光電変換部ＰＤを水平方向に配置して２行４列の光電変換部ＰＤを１つの画素２００に設けても良い。

（２）複数の光電変換部ＰＤが配置された画素２００が撮像素子１０１の全領域に設けられるものに限定されない。撮像素子１０１の一部の領域に画素２００を設け、他の領域には、１つの光電変換部が配置された画素を配置しても良い。この場合、たとえば、画素２００をＧの色フィルタが設けられた位置に設けることができる。また、撮像素子１０１の一部の領域に画素２００を設ける場合には、画素２００に色フィルタを設けないようにしても良い。この場合、撮影用画像データを生成する際には、画素２００の位置における画像信号を、画素２００の周囲に配置された画素からの画像信号にて補間することにより生成すれば良い。

本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１…デジタルカメラ、２…焦点検出装置、１０１…撮像素子、
１０２…ボディ制御装置、１０２ａ…駆動制御部、１０２ｂ…焦点検出部、
１０２ｃ…画像処理部、２００…画素、３００…垂直信号線、
２１０、２２０、２３０、２４０…制御線、
２１１、２２１、２５１、２５２、２５３、２５４、２６１、２６２、２６３、２６４…ローカル制御線、
ＦＤ…フローティングディフュージョン、ＴＸ１、ＴＸ２…転送トランジスタ、
ＰＤ…光電変換部、ＲＳＴ…リセットトランジスタ

Claims (9)

1. 第１の方向と前記第１の方向に交差する第２の方向に２個ずつ配置された４個の光電変換部と、
   前記光電変換部の電荷が転送される第１および第２の電荷保持部と、を備え、
   前記４個の光電変換部は、前記第１の方向に順に配置された第１光電変換部と第２光電変換部、前記第２の方向に順に配置された前記第１光電変換部と第３光電変換部、前記第２の方向に順に配置された前記第２光電変換部と第４光電変換部を有し、
   前記第１光電変換部と前記第４光電変換部とで生成された電荷は前記第１の電荷保持部に転送され、前記第２光電変換部と前記第３光電変換部で生成された電荷は前記第２の電荷保持部に転送される撮像素子。
2. 第１の方向と前記第１の方向に交差する第２の方向に２個ずつ配置された４個の光電変換部と、
   前記光電変換部の電荷による信号が出力される第１および第２信号線とを備え、
   前記４個の光電変換部は、前記第１の方向に順に配置された第１光電変換部と第２光電変換部、前記第２の方向に順に配置された前記第１光電変換部と第３光電変換部、前記第２の方向に順に配置された前記第２光電変換部と第４光電変換部を有し、
   前記第１光電変換部と前記第４光電変換部とで生成された電荷による前記信号は前記第１信号線に出力され、前記第２光電変換部と前記第３光電変換部とで生成された電荷による前記信号は前記第２信号線に出力される撮像素子。
3. 請求項１または２に記載の撮像素子において、
   前記第１光電変換部の電荷の転送と、前記第４光電変換部の電荷の転送とが択一的に行われるとともに、前記第２光電変換部の電荷の転送と、前記第３光電変換部の電荷の転送とが択一的に行われる撮像素子。
4. 請求項３に記載の撮像素子において、
   前記４個の光電変換部を有する画素を複数備え、
   前記複数の画素は、撮像面の第１及び第２の領域にそれぞれ配置された第１及び第２の画素群を有し、
   前記第１の画素群に対しては、前記第１光電変換部の電荷の転送と前記第３光電変換部の電荷の転送とが同時に行われるとともに、前記第２光電変換部の電荷の転送と前記第４光電変換部の電荷の転送とが同時に行われ、
   前記第２の画素群に対しては、前記第１光電変換部の電荷の転送と前記第２光電変換部の電荷の転送とが同時に行われるとともに、前記第３光電変換部の電荷の転送と前記第４光電変換部の電荷の転送とが同時に行われる撮像素子。
5. 請求項４に記載の撮像素子において、
   前記第１〜第４の光電変換部から電荷をそれぞれ転送する第１〜第４の電荷転送部と、
   前記第１の画素群について前記第１の方向に設けられた複数の画素に対して共通の第１及び第２の制御線と、
   前記第２の画素群について前記第１の方向に設けられた複数の画素に対して共通の第３及び第４の制御線と、を有し、
   前記第１の制御線は、前記第１の方向に設けられた前記複数の画素のそれぞれの前記第１及び第３の電荷転送部に接続され、
   前記第２の制御線は、前記第１の方向に設けられた前記複数の画素のそれぞれの前記第２及び第４の電荷転送部に接続され、
   前記第３の制御線は、前記第１の方向に設けられた前記複数の画素のそれぞれの前記第１及び第２の電荷転送部に接続され、
   前記第４の制御線は、前記第１の方向に設けられた前記複数の画素のそれぞれの前記第３及び第４の電荷転送部に接続される、撮像素子。
6. 請求項４に記載の撮像素子において、
   前記第１〜第４の光電変換部から電荷をそれぞれ転送する第１〜第４の電荷転送部と、
   前記第１及び第２の画素群について前記第１の方向に設けられた複数の画素に対して共通の第１〜第４の制御線とを有し、
   前記第１の制御線は、前記第１の方向に設けられた前記複数の画素のそれぞれの前記第１の電荷転送部に接続され、
   前記第２の制御線は、前記第１の方向に設けられた前記複数の画素のそれぞれの前記第２の電荷転送部に接続され、
   前記第３の制御線は、前記第１の方向に設けられた前記複数の画素のそれぞれの前記第３の電荷転送部に接続され、
   前記第４の制御線は、前記第１の方向に設けられた前記複数の画素のそれぞれの前記第４の電荷転送部に接続され、
   前記第１の画素群に対して、前記第１の制御線を介して前記第１の電荷転送部と前記第３の制御線を介して前記第３の電荷転送部とが同時にＯＮ制御されると共に、前記第２の制御線を介して前記第２の電荷転送部と前記第４の制御線を介して前記第４の電荷転送部とが同時にＯＮ制御され、
   前記第２の画素群に対して、前記第１の制御線を介して前記第１の電荷転送部と前記第２の制御線を介して前記第２の電荷転送部とが同時にＯＮ制御されると共に、前記第３の制御線を介して前記第３の電荷転送部と前記第４の制御線を介して前記第４の電荷転送部とが同時にＯＮ制御される、撮像素子。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の撮像素子において、
   前記４個の光電変換部は光学系の瞳の４つの領域を通過した４つの光束をそれぞれ受光し電荷を生成する撮像素子。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載の撮像素子と、
   前記４個の光電変換部からの電荷の転送を制御する制御部と、
   前記４個の光電変換部のうち、前記第１の方向に順に配置された前記光電変換部、または前記第２の方向に順に配置された前記光電変換部で生成された信号に基づき位相差焦点検出を行う焦点検出部と、を備える焦点検出装置。
9. 請求項８に記載の焦点検出装置と、
   前記第１及び第２の光電変換部の電荷と、前記第３及び第４の光電変換部の電荷とに基づき、画像データを生成する画像生成部と、を備える撮像装置。
   
   
   

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