JP6421342B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本開示は、固体撮像装置に関する。

最近、高感度、高速の特長により多くの一眼レフデジタルカメラ、レンズ固定型デジタルカメラの撮像装置にはＣＭＯＳイメージセンサが使われている。ＣＭＯＳイメージセンサは、光電変換を行う画素を２次元に配置した画素部、画素部から読み出した画素信号をデジタル変換する列ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）回路、及び、デジタル化された画素信号を駆動モードに応じて平均するデジタル平均部を備える。駆動モードには静止画像撮影に用いられるフルスキャンモードとライブビュー（電子ファインダ）などに用いられるモニター画像撮影のための混合モードがある。フルスキャンモードではデジタル平均部で平均を行わず各画素信号を独立に出力するが、混合モードではデジタル平均部で複数の画素信号を加算して出力する。なお、列ＡＤＣの基本単位の数は列数と同数以上である。

一般に画素部を構成する画素の数を増やすと撮影画像の解像度が向上するため、イメージセンサの画素数は数千万まで膨大になってきている。また、画素部の面積が大きいほど入力される光の量が増えるので、画素部の面積が大きいほど画質の向上に適している。そのため、画素部の面積が大きいセンサを用いたカメラの需要が高まってきている。例えば、３５ｍｍフルサイズフォーマットのカメラでは画素部の面積は３６ｍｍ×２４ｍｍとなる。このような大面積に膨大な画素を配置すると、読出し線の負荷の増大ならびに読み出すべき信号数の増大により１枚の画像を撮像する時間が遅くなるという課題が発生している。

これに対し、特許文献１の図１には、画素部の中央での垂直信号線の分割による速度向上が示されている。具体的には、特許文献１に開示されている構成では、画素部の上半分と下半分とで、画素信号を２つの垂直信号線（分割前の１つの垂直信号線）を使って同時に読み出すことにより、各垂直信号線の負荷が低減する。これにより、当該構成では、読出しを速くできる。なお、列ＡＤＣの基本単位の数は列数の２倍以上である。

また、特許文献２の図５には、各列に２本の垂直信号線を並列に配置することにより読み出し速度を向上する構成が示されている。具体的には、特許文献２に開示されている構成では、奇数行と偶数行の信号を２つの垂直信号線を使って同時に読み出すことにより、読み出し速度を向上できる。なお、列ＡＤＣの基本単位の数は列数の２倍以上である。

特開２０１０−９８５１６号公報 特開２００５−３４７９３２号公報

本開示の一態様に係る固体撮像装置は、受光量に応じた画素信号を出力する画素が行列状に複数個配列されている画素部と、前記画素部周辺の上部及び下部に配置され、当該画素部から出力された前記画素信号を読み出す複数の列読出し回路とを備え、前記画素部の各列には、１本以上の垂直信号線が配置されており、かつ、各垂直信号線は前記画素部の上領域と下領域との間で２つの部分に分割されおり、各列の複数の前記画素から出力された画素信号は、当該列に配置された前記１本以上の垂直信号線の前記２つの部分を含む２本以上の垂直信号線の部分を介して前記複数の列読出し回路に読み出され、前記画素部に配置された複数の前記垂直信号線のうち一の垂直信号線の分割位置と、他の一の垂直信号線の分割位置とは、行方向において互いに異なる。

このように、垂直信号線が分割され、かつ、各列の画素から出力された画素信号が２本以上の垂直信号線を介して読み出されることにより、画素信号の読み出しに要する時間を低減できる。つまり、高速読み出しが可能となる。また、一の垂直信号線の分割位置と他の一の垂直信号線の分割位置とが行方向において互いに異なることにより、これら垂直信号線が行方向において同一の位置で分割されている場合と比較して、複数の画素から出力された複数の画素信号を混合して読み出した場合におけるモアレの発生を抑制できる。つまり、高画質なモニター画像撮像が可能となる。したがって、本開示の一態様に係る固体撮像装置は、高速読み出しを可能としつつ、高画質なモニター画像撮像を可能とする。

例えば、前記画素部の各列には、２本以上の垂直信号線が配置されており、各列の複数の前記画素から出力された画素信号は、当該列に配置された２本以上の垂直信号線の部分を介して前記複数の列読出し回路に読み出され、各列に配置された２本以上の垂直信号線のうち一の垂直信号線の分割位置と、他の一の垂直信号線の分割位置とは、行方向において互いに異なってもよい。

これにより、互いに異なる色に対応する複数の画素が同一列に配置されている場合であっても、複数の画素から出力された複数の画素信号を混合して読み出した場合におけるモアレの発生を抑制できる。

また、例えば、前記画素部の各列には、行方向において分割位置が互いに異なる複数の垂直信号線からなる垂直信号線組が複数配置されており、各列の複数の前記画素から出力された画素信号は、当該列に配置された複数の垂直信号線組を介して前記複数の列読出し回路に読み出されてもよい。

これにより、同一列に配置された複数組の垂直信号線のうち一の組に対応する画素の画素信号と、他の組の垂直信号線に対応する画素の画素信号とを同時に読み出すことができるので、一層高速に読み出すことが可能となる。

また、例えば、列方向に隣り合う２つの画素は、前記画素信号を出力するための選択トランジスタを共有し、各列の複数の前記画素から出力された画素信号は、当該列に隣り合う列に配置された前記１本以上の垂直信号線を介して読み出され、各列に配置された前記１本以上の垂直信号線の分割位置と、当該列に隣り合う列に配置された前記１本以上の垂直信号線の分割位置とは、行方向において互いに異なってもよい。

つまり、列方向に隣り合う２つの画素は１つの出力を有する。これにより、画素構成要素を隣り合う２つの画素で共用し、フォトダイオード面積を大きくすることができる。よって、固体撮像装置の受光量に対する画素信号（感度）を向上できる。

また、例えば、前記画素部の各列には、当該列及び当該列に隣り合う列で共有される１本の垂直信号線が配置されており、隣り合う列に配置された２本の垂直信号線の分割位置は、行方向において互いに異なってもよい。

また、例えば、前記固体撮像装置は、全画素の画素信号を独立に読み出す駆動モードであるフルスキャンモードと、複数の画素から出力された複数の前記画素信号を混合して読み出す駆動モードである混合モードとを有してもよい。

これにより、当該固体撮像装置は、解像度の高い画像を高速に得ることが可能となるフルスキャンモードと、モアレの少ない画像を高速に得ることが可能となる混合モードとを両立できる。

また、例えば、前記画素部には、赤色の光に基づいて前記画素信号を出力する赤色画素、青色の光に基づいて前記画素信号を出力する青色画素、及び、緑色の光に基づいて前記画素信号を出力する緑色画素がベイヤー配置されており、前記垂直信号線は、前記赤色画素を含む複数の行から出力された画素信号の混合後の重心と前記青色画素を含む複数の行から出力された画素信号の混合後の重心との位置関係に応じた位置で分割されていてもよい。

また、例えば、前記垂直信号線は、前記赤色画素を含む複数の行から出力された画素信号の混合後の重心と前記青色画素を含む行から出力された画素信号の混合後の重心とが等ピッチになるような位置で分割されていてもよい。

これにより、混合モードにおけるモアレの発生を一層抑制できる。

本開示に係る固体撮像装置によれば、高速読み出しを可能としつつ、高画質なモニター画像撮像を可能とする。

図１は、第１の実施の形態における固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。 図２は、第１の実施の形態における固体撮像装置の画素部及び列読出し回路の詳細な構成を示す回路図である。 図３は、第１の実施の形態における固体撮像装置の画素信号の読み出しに関する各制御信号のタイミングを示す図である。 図４は、第１の実施の形態における固体撮像装置の列ＡＤＣの詳細構成を示すブロック図である。 図５は、第１の実施の形態における固体撮像装置の列ＡＤＣのＡＤ変換動作を示すタイミングチャートである。 図６は、第１の実施の形態における固体撮像装置の画素部１列の画素、垂直信号線、列読出し回路の接続を示す図である。 図７は、第１の実施の形態における固体撮像装置のフルスキャンモードの各水平期間における画素のアクセスを示す図である。 図８は、第１の実施の形態における固体撮像装置の画素部１列の画素、垂直信号線、列読出し回路の接続と、混合モードでの混合行の組み合わせとを示す図である。 図９は、第１の実施の形態における固体撮像装置の混合モードの各水平期間における画素のアクセスを示す図である。 図１０Ａは、第１の実施の形態における固体撮像装置の垂直信号線の他の分割方法を示す図である。 図１０Ｂは、第１の実施の形態における固体撮像装置の垂直信号線のさらに他の分割方法を示す図である。 図１０Ｃは、第１の実施の形態における固体撮像装置の垂直信号線のさらに他の分割方法を示す図である。 図１０Ｄは、第１の実施の形態における固体撮像装置の垂直信号線のさらに他の分割方法を示す図である。 図１１Ａは、第１の実施の形態における固体撮像装置の断面構造の一例を示す図である。 図１１Ｂは、第１の実施の形態における固体撮像装置の断面構造の他の一例を示す図である。 図１２は、第１の実施の形態における固体撮像装置の断面構造のさらに他の一例を示す図である。 図１３は、第２の実施の形態における固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。 図１４は、第３の実施の形態における固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。 図１５は、第３の実施の形態における固体撮像装置の画素の詳細な構成を示す回路図である。 図１６は、第３の実施の形態における固体撮像装置の画素読み出しに関する各制御信号のタイミングを示す図である。 図１７は、第３の実施の形態における固体撮像装置の画素部の１列（Ｇｒ／Ｂ列）の画素、垂直信号線、列読出し回路の接続を示す図である。 図１８は、第３の実施の形態における固体撮像装置のフルスキャンモードの各水平期間における画素のアクセスを示す図である。 図１９は、第３の実施の形態における固体撮像装置の画素部の１列（Ｇｒ／Ｂ列）の画素、垂直信号線、列読出し回路の接続と混合モードでの混合行の組み合わせを示す図である。 図２０は、第３の実施の形態における固体撮像装置の混合モードの各水平期間における画素のアクセスを示す図である。 図２１は、比較例における固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。 図２２は、比較例における固体撮像装置の画素部の１列（Ｇｒ／Ｂ列）の画素と垂直信号線との接続、及び、混合モードでの混合行の組み合わせを示す図である。

まず、従来技術における課題について述べる。

特許文献１に開示されているような画素部の中央で垂直信号線が分割されている構成と、特許文献２に開示されているような各列に２本の垂直信号線を並列に配置する構成とを組み合わせることにより、読み出し速度のさらなる向上が期待できる。

ここで、上述したように、固体撮像装置が混合モードで駆動する場合には、複数の画素から出力される画素信号が加算されることにより、モニター画像に用いられる混合信号が得られる。

しかしながら、特許文献１に開示されている構成と特許文献２に開示されている構成とを組み合わせた構成では、混合信号に基づくモニター画像の画質が劣化する虞がある。つまり、高画質なモニター画像撮像ができないという課題がある。

本開示は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高速読み出しを可能としつつ、高画質なモニター画像撮像が可能な固体撮像装置を提供する。

（本開示の基礎となった知見）
本発明者らは、「背景技術」の欄において記載した従来の固体撮像装置に関し、次のような問題が生じることを見出した。以下、特許文献１に開示されている構成、及び、特許文献２に開示されている構成を同時に適用した構成を有する固体撮像装置を、本開示に対する比較例の固体撮像装置として説明する。図２１は、比較例における固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。

同図に示すように、比較例に係る固体撮像装置９００では、画素部９０１の各列に２本の垂直信号線９１８ａ、９１８ｂを並列に配置するとともに、各垂直信号線９１８ａ、９１８ｂを中央で上下に分割している。これにより、比較例に係る固体撮像装置９００は、従来の固体撮像装置と比較して、４行の画素信号を同時に読み出すことができるので、さらなる高速化が実現できる。なお、列ＡＤＣの基本単位の数は列数の４倍以上である。

一眼レフデジタルカメラ用のイメージセンサの駆動モードとしては、フルスキャンモードに加え、混合モードが必須である。ここで、例えば、垂直３画素混合する場合を考える。図２２は、比較例における固体撮像装置９００の画素部９０１の１列（Ｇｒ／Ｂ列）の画素９０２と垂直信号線９１８ａ、９１８ｂとの接続、及び、混合モードでの混合行の組み合わせを示す図である。

比較例に係る固体撮像装置９００では、図２２に示すＧｒ画素とＢ（１）画素との組み合わせの混合は列ＡＤＣ９０５の出力を受け取るデジタル平均部９０６での簡単な信号処理で３行の混合信号が得られる。ただし、この組み合わせはＧｒの重心とＢの重心が等ピッチにならないためモアレが課題となる。一方、モアレ改善に適したＧｒ画素とＢ（２）画素との組み合わせの混合は、（ｎ＋３）行、（ｎ＋５）行、（ｎ＋７）行の混合が上下で分割された垂直信号線９１８ａ、９１８ｂをまたがる処理になるため実行できない。

すなわち、比較例に係る固体撮像装置９００では、２本の垂直信号線９１８ａ、９１８ｂが分割されることにより形成された４つの垂直信号線９１８ａ、９１８ｂにより、従来の固体撮像装置と比較して、全画素読出しの高速化は実現できるが、モアレが抑制された高画質な混合モードが実現できないという課題がある。

このような問題を解決するために、本開示の一態様に係る固体撮像装置は、受光量に応じた画素信号を出力する画素が行列状に複数個配列されている画素部と、画素部周辺の上部及び下部に配置され、当該画素部から出力された画素信号を読み出す複数の列読出し回路とを備え、画素部の各列には、１本以上の垂直信号線が配置されており、かつ、各垂直信号線は画素部の上領域と下領域との間で２つに分割されおり、各列の複数の画素から出力された画素信号は、当該列に配置された１本以上の垂直信号線の２つの部分を含む２本以上の垂直信号線の部分を介して複数の列読出し回路に読み出され、画素部に配置された複数の垂直信号線のうち一の垂直信号線の分割位置と、他の一の垂直信号線の分割位置とは、行方向において互いに異なる。

これにより、本態様によれば、高速読み出しを可能としつつ、高画質なモニター画像撮像が可能となる。具体的には、全画素読出しの高速化を可能としつつ、モアレが抑制された高画質な混合モードを実現できる。つまり、高画質かつ高速な静止画像撮像とモニター画像撮像が可能となる。

以下、本開示の実施の形態に係る固体撮像装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定するものではない。

（第１の実施の形態）
まず、本開示の第１の実施の形態に係る固体撮像装置の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本開示の第１の実施の形態における固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。

同図に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置１００は、画素部１、行選択回路３、列読出し回路４、列ＡＤＣ５、及び、デジタル平均部６を備える。列読出し回路４、列ＡＤＣ５、及び、デジタル平均部６は、画素部１周辺の上部と下部に１組ずつ配置されている。なお、以下では、上下方向を垂直信号線１８ａ、１８ｂの延設方向（紙面の上下方向）として説明する。また、行方向を、上下方向と同様に垂直信号線１８ａ、１８ｂの延設方向（紙面の上下方向）として説明し、列方向を垂直信号線１８ａ、１８ｂの延設方向に直交する方向（紙面の左右方向）として説明する。つまり、行方向は画素行の並び方向、列方向は画素列の並び方向として説明する。

この固体撮像装置１００は、全ての画素２の画素信号を独立に読み出す駆動モードであるフルスキャンモードと、複数の画素２から出力された複数の画素信号を混合して読み出す駆動モードである混合モードとを有する。つまり、当該固体撮像装置１００は、カメラの静止画像撮影に用いられるフルスキャンモードと、カメラのモニター画像に用いられる、例えば垂直３画素及び水平３画素の混合モードとを備えている。

具体的には、フルスキャンモードにおいて、当該固体撮像装置１００は、デジタル平均部６による処理を行うことなく画素信号を外部に出力する。これにより、当該固体撮像装置１００を例えばチップとして備えるカメラ等は、静止画像に適した全画素画像を得ることができる。一方、混合モードにおいて、当該固体撮像装置１００は、画素信号を読み出してデジタル変換を実施した後、デジタル値の画素信号をデジタル平均部６で保持する。その後、このような処理を繰り返した後、デジタル平均部６が保持している画素信号を平均化することにより、複数の画素信号が混合された信号である混合信号を得て、当該混合信号を固体撮像装置１００の外部に出力する。これにより、当該固体撮像装置１００を備えるカメラ等は、ライブビュー（電子ファインダ）などに用いられるモニター画像に適した混合画像を得ることができる。

以下、固体撮像装置１００が有する各構成要素について、詳細に説明する。

画素部１は、光電変換を行う画素２が２次元状に配置された撮像領域である。具体的には、画素部１には、赤色の光に基づいて画素信号を出力するＲ画素（赤色画素）、青色の光に基づいて画素信号を出力するＢ画素（青色画素）、及び、緑色の光に基づいて画素信号を出力するＧｒ画素及びＧｂ画素（緑色画素）がベイヤー配置されている。以下では、Ｒ画素、Ｂ画素、Ｇｒ画素及びＧｂ画素を特に区別する必要がない場合には、単に画素２と記載する場合がある。各画素２は、光電変換によって受光量に応じた画素信号を出力する。

図１では２×１２の２次元状に配列された２４個の画素２の例が示されているが、実際の総画素数は数百万個以上である。各列には２本の垂直信号線１８ａ、１８ｂが並列に配置され、各垂直信号線１８ａ、１８ｂは上下に分割され、合計４本の垂直信号線１８ａ、１８ｂになる。また、垂直信号線１８ａの分割の位置と垂直信号線１８ｂの分割の位置とは２行ずれている。各行の画素２は交互に２つの垂直信号線１８ａ、１８ｂの一方に接続されている。なお、画素部１の詳細な説明については後述する。また、以下、垂直信号線１８ａと垂直信号線１８ｂとを特に区別する必要がない場合には、単に垂直信号線１８と記載する場合がある。

ここで、「分割されている」とは、電気的に接続されていない状態を意味し、物理的に離間されている構成だけでなく、電気的に非導通となっている構成も含まれる。つまり、例えば、垂直信号線１８ａが分割されている、とは、当該垂直信号線１８ａを形成する配線が物理的に離間されている構成や、当該垂直信号線１８ａを形成する配線が組成又は回路素子等により電気的に非導通となっている構成も含まれる。

行選択回路３は、横１行毎にＳＥＬ、ＲＳＴ、ＴＲＡＳの３本の制御線を備え、画素部１の各画素２に対して、行単位でリセット（初期化）、リード（読み出し）、およびラインセレクト（行選択）を制御する。

列読出し回路４は、列方向に基本単位がアレイ状にならび、画素部１からの行単位で画素信号を読み出すとともに、画素２で発生する固定パターンノイズ成分を除去し、除去後の画素信号を保持する。列読出し回路４の基本単位は各列２個ずつ設けられており、各垂直信号線１８ａ、１８ｂが各基本単位に接続されている。なお、列読出し回路４の詳細な説明については後述する。

列ＡＤＣ５は列方向に基本単位がアレイ状にならび、列読出し回路４に保持された行単位のアナログ値の画素信号をデジタル値の画素信号に変換する。列ＡＤＣ５の基本単位は各列２個ずつ設けられている。なお、列ＡＤＣ５の詳細な説明については後述する。

デジタル平均部６は列方向に基本単位がアレイ状にならび、列ＡＤＣ５の出力データである画素信号を保持するとともに複数の画素信号の平均処理を行う。ただし、上述したように、デジタル平均部６は、フルスキャンモードでは平均処理を行わない。つまり、デジタル平均部６は、フルスキャンモードでは平均処理を実行せず、混合モードでは平均処理を実行する。このデジタル平均部６の基本単位は各列２個ずつ設けられている。

次に、画素部１及び列読出し回路４について、図２を用いて詳細に説明する。図２は、第１の実施の形態における固体撮像装置１００の画素部１及び列読出し回路４の詳細な構成を示す回路図である。なお、図２では、同一列に配置された２本の垂直信号線１８のうちの一方に接続された画素２である画素２ａの構成については省略し、他方に接続された画素２である画素２ｂの構成について詳細に示しているが、画素２ａの構成と画素２ｂの構成とは、接続される垂直信号線１８が異なる以外は同一である。

図１及び図２に示すように、画素部１には、受光量に応じた画素信号を出力する画素２が行列状に複数個配列されている。具体的には、当該画素２は、電源線１６を介して供給される初期化時の電圧を増幅したリセット電圧と読み出し時の電圧を増幅したリード電圧とを対応する垂直信号線１８に出力する。また、当該画素２は、入射した光を光電変換し電荷を出力するフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ；ＰＤ）１０と、ＰＤ１０により発生した電荷を蓄積し、蓄積した電荷を電圧信号として出力するフローティングディフュージョン（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ；ＦＤ）１２と、ＦＤ１２の示す電圧が初期電圧（ここではＶＤＤ）になるようにリセットするリセットトランジスタ１３と、ＰＤ１０により出力される電荷をＦＤ１２に供給する転送トランジスタ１１と、ＦＤ１２の示す電圧に追従して変化する電圧を出力する増幅トランジスタ１４と、行選択回路３からラインセレクト信号（図２中のＳＥＬ［１］〜ＳＥＬ［３］）を受けたときに増幅トランジスタ１４の出力を垂直信号線１８に接続する選択トランジスタ１５とを含む。

列読出し回路４の機能は、画素２から出力されるリセット電圧とリード電圧との差分を示す信号を一時保持した後に列ＡＤＣ５に出力することである。当該列読出し回路４の基本単位は、各垂直信号線１８に１個ずつ配置されており、各画素２の増幅トランジスタ１４の出力を垂直信号線１８に供給するための電流を生成する画素電流源トランジスタ２２と、画素２からの出力を入力しリセット電圧とリード電圧との差分すなわち画素信号を求めるクランプ容量２４（容量値Ｃｃｌ）と、ゲートにクランプ信号が供給されクランプ容量２４のＳ／Ｈ容量２９側の端子電位をクランプ電位ＶＣＬに設定するためのクランプトランジスタ２５と、ゲートにＳ／Ｈ容量入力信号が供給され画素信号を一時保持するＳ／Ｈ容量２９（容量値Ｃｓｈ）と、Ｓ／Ｈ容量２９に信号を入力するＳ／Ｈ容量入力トランジスタ２８とを含む。つまり、画素電流源トランジスタ２２は、画素２の増幅トランジスタ１４と共に、ソースフォロアアンプ（画素ソースフォロア）として動作する。

ここで、各画素２には、画素リセット信号（ＲＳＴ）、電荷転送信号（ＴＲＡＮ）、および、行選択信号（ＳＥＬ）が、列読出し回路４には、クランプ信号、Ｓ／Ｈ容量入力信号が決められたタイミングで供給され、これら各制御信号にそれぞれ対応するトランジスタが開閉（オンオフ）される。

次に、以上のように構成された固体撮像装置１００の動作について、図３を用いて説明する。具体的には、本実施の形態に係る固体撮像装置１００全体の撮像動作を構成する基本動作の１つである画素２からの信号読出し動作について説明する。図３は、第１の実施の形態における固体撮像装置１００の画素２からの画素信号の読出し動作について説明するためのタイミングチャートである。具体的には、同図には、画素部１及び列読出し回路４に供給される各制御信号、及び、画素部１及び列読出し回路４の各点における電圧が示されている。

同図に示すように、時刻ｔ１においては、電荷転送信号（ＴＲＡＮ）がＬ（ロー）かつ画素リセット信号（ＲＳＴ）がＨ（ハイ）となっているので、転送トランジスタ１１がオフでリセットトランジスタ１３はオンとなる。よって、ＦＤ１２の電位（以下ではＶｆｄ）はＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。

次に、時刻ｔ２では、電荷転送信号（ＴＲＡＮ）がＬかつ画素リセット信号（ＲＳＴ）がＬとなっているので、転送トランジスタ１１及びリセットトランジスタ１３がオフとなる。よって、ＦＤ１２の電位のリセット状態（初期化された状態）は保持される。このとき、行選択信号（ＳＥＬ）がＨとなっているので選択トランジスタ１５はオンとなっている。よって、増幅トランジスタ１４と画素電流源トランジスタ２２とがソースフォロア回路を構成し、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈがリセット電圧として垂直信号線１８に出力される（正確にはＶｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ−αであるが、ここではαは省略）。さらに、このリセット電圧Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈはクランプ容量２４の一方の端子に入力する。一方、クランプ信号とＳ／Ｈ容量入力信号はＨであり、クランプ容量２４の他方の端子ならびにＳ／Ｈ容量２９の電位はＶＣＬに設定される。

時刻ｔ３では、電荷転送信号（ＴＲＡＮ）がＨとなっているので、転送トランジスタがオンとなる。よって、ＰＤ１０に蓄積された電荷がＦＤ１２に転送され、Ｖｆｄはこの信号電荷量に応じた電圧Ｖｆｄｓｉｇだけ低下しＶｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇとなる。

時刻ｔ４では、電荷転送信号（ＴＲＡＮ）がＬかつ行選択信号（ＳＥＬ）がＨとなっているので、転送トランジスタ１１がオフで選択トランジスタ１５がオンとなる。よって、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇ−Ｖｔｈがリード電圧として垂直信号線１８に出力される。これは垂直信号線１８がＶｆｄｓｉｇだけ変化することを意味する。この垂直信号線１８の出力はクランプ容量２４の一方の端子に入力される。さらに、クランプ信号がＬとなっているのでクランプトランジスタ２５はオフとなっている。よって、クランプ容量２４の他方の端子の電位、すなわちＳ／Ｈ容量２９の電位はＶｆｄｓｉｇ×Ｃｃｌ／（Ｃｃｌ＋Ｃｓｈ）だけ上昇する。この電位変化は垂直信号線１８におけるリセット電圧とリード電圧との差分に対応した電圧、すなわち画素信号である。

その後、時刻ｔ５でＳ／Ｈ容量入力信号がＬとなっていることにより、この画素信号がＳ／Ｈ容量２９に書き込まれる。

以上のような画素信号の読出し動作により、１行分の画素信号がＳ／Ｈ容量２９に保持されることになる。このようにＳ／Ｈ容量２９に保持されたアナログ値の画素信号は、以下で詳細に説明する列ＡＤＣ５によって、デジタル値に変換される。図４は、本開示の第１の実施の形態における固体撮像装置１００の列ＡＤＣ５の詳細な構成を示すブロック図である。

同図に示すように、列ＡＤＣ５は、ランプ波形を生成するランプ波形生成回路３３と、列読出し回路４からの画素信号が入力され当該ランプ波形と比較を行い、当該ランプ波形が画素信号よりも高いときにＨとなるラッチ信号３４を出力するコンパレータ３２と、ランプ波形に同期してカウントアップを行うカウンタ３６と、ＡＤ変換後のデジタル値のビット数に応じた基本単位を有し、各基本単位はカウンタ３６の出力が入力されコンパレータ３２からのラッチ信号がＨからＬに切り替わったときにそれを書き込むラッチ３５とを有する。

ここで、このように構成された列ＡＤＣ５による動作について図５を用いて説明する。具体的には、本実施の形態に係る固体撮像装置１００全体の撮像動作を構成する基本動作の他の１つであるＡＤ変換動作について説明する。図５は、本開示の第１の実施の形態における固体撮像装置１００の列ＡＤＣ５のＡＤ変換動作を示すタイミングチャートである。

まず、時刻ｔ１０において、Ｓ／Ｈ容量２９に保持されていた画素信号を入力し、ランプ波形は画素信号の最小値に、カウンタ３６は０に設定する。このとき、ランプ波形は画素信号より高いレベルなのでラッチ信号はＨである。

次に時刻ｔ１１において、ランプ波形のレベルは下降し始める。ここで、ランプ波形の下降の傾きは、時刻ｔ１３で画素信号の最大値に達するように設定されている。また、時刻ｔ１１において、カウンタ３６もランプ波形の下降に同期させてカウントアップを開始する。

その後、時刻ｔ１２において、ランプ波形が画素信号より低くなるので、ラッチ信号３４がＬレベルに切り替わり、そのときのカウンタ値がラッチ３５に書き込まれる。先に述べたように、ランプ波形の下降とカウントアップとは同期しているので、ラッチ３５に書き込まれたデジタル値は画素信号に対応した値になっている。

このようなＡＤ変換動作により、画素信号はアナログ値からデジタル値へと変換される。このＡＤ変換動作は、各列で並列に行われており、１行分のアナログ画素信号が並列にＡＤ変換され、各列のラッチ３５に保持される。具体的には、本実施の形態では、各画素列に２本の垂直信号線１８ａ、１８ｂが配置され、各垂直信号線１８ａ、１８ｂは画素部１の上下で分割されている。よって、本実施の形態における固体撮像装置１００では、４行分のアナログ画素信号が並列にＡＤ変換されるので、高速読み出しが可能となる。

以上説明したような信号読出し動作及びＡＤ変換動作を含む撮像動作によって、本実施の形態における固体撮像装置１００は、画素部１の各画素２の受光量に応じたデジタル値の画素信号を出力することができる。以下、固体撮像装置１００の全体動作について、説明する。

上述したように、固体撮像装置１００は、駆動モードとして、カメラ静止画像撮影に用いられるフルスキャンモードと、カメラのモニター画像に用いられる垂直３画素及び水平３画素の混合モードとを備えている。

具体的には、固体撮像装置１００は、フルスキャンモードでは、４つの垂直信号線１８ａ、１８ｂ（分割前の２つの垂直信号線１８ａ、１８ｂ）、列読出し回路４及び列ＡＤＣ５により、４行単位で画素信号を読出してデジタル変換を実施し、デジタル平均部６では処理なしで外部に出力する。このような処理を画素部１全体に対して繰り返すことにより、画素部１の全ての画素２の画素信号を互いに独立して高速に出力することができる。つまり、固体撮像装置１００を例えばチップとして備えるカメラ等では、固体撮像装置１００をフルスキャンモードで駆動させた場合に、全画素画像を高速に得ることができる。

一方、固体撮像装置１００は、混合モードでは、４つの垂直信号線１８ａ、１８ｂ（分割前の２つの垂直信号線１８ａ、１８ｂ）、列読出し回路４及び列ＡＤＣ５により、４行単位で画素信号を読出してデジタル変換を実施し、デジタル平均部６で保持する。この処理を３回繰り返した後、デジタル平均部６で保持されている垂直３画素及び水平３画素を平均し、平均して得られた画素信号である混合信号を外部に出力する。このような処理を画素部１全体に対して繰り返すことにより、画素部１の全ての画素２の画素信号を、垂直３画素及び水平３画素の組で混合して高速に出力することができる。つまり、固体撮像装置１００を例えばチップとして備えるカメラ等では、固体撮像装置１００を混合モードで駆動させた場合に、混合画像を高速に得ることができる。

このように、固体撮像装置１００は、各列に配置された垂直信号線１８が分割されていることにより、フルスキャンモード及び混合モードのいずれにおいても、画素信号を高速に読み出すことができる。さらに、当該固体撮像装置１００は、各列に２本の垂直信号線１８ａ、１８ｂが配置されていることにより、フルスキャンモード及び混合モードのいずれにおいても、画素信号を一層高速に読み出すことができる。つまり、当該固体撮像装置１００は、画素部１に行列状に配置された複数の画素２の画素信号を４行単位で読み出すことができるので、フルスキャンモード及び混合モードのいずれにおいても画素信号を高速に読み出すことができる。

次に、フルスキャンモード及び混合モードそれぞれの場合における固体撮像装置１００の画素アクセスの流れについて、図６〜図９を用いて説明する。

まず、図６に示す１列分の画素２を混合なしで読み出すフルスキャンモードを考える。図６は、本開示の第１の実施の形態における固体撮像装置１００の画素部１の１列の画素２、垂直信号線１８ａ、１８ｂ、及び、列読出し回路４の接続を示す図である。なお、図中では、列読出し回路４の基本単位及び列ＡＤＣ５の基本単位を有する回路構成を列回路（第１列回路〜第４列回路）として記載している。

ここで、本実施の形態における固体撮像装置１００では、画素部１の各列に２本の垂直信号線１８ａ、１８ｂが配置されており、かつ、当該垂直信号線１８ａ、１８ｂが画素部１の上領域と下領域との間で分割されている。各列の複数の画素２から出力された画素信号は、当該列に配置された垂直信号線１８ａと当該列に隣接する垂直信号線１８ｂとを介して、複数の列読出し回路４及び列ＡＤＣ５に読み出される。これにより、本実施の形態における固体撮像装置１００は、当該上領域及び当該下領域の各々において、２つの画素行の画素信号を並列に読み出すことができる。

上記の信号読出し動作後にＡＤ変換動作を行うことが１つの水平（Ｈ）期間動作に相当する。各Ｈ期間にどの画素２の画素信号をどの回路に読み出すかを図７に示す。図７は、本開示の第１の実施の形態における固体撮像装置１００のフルスキャンモードの各水平期間における画素２のアクセスを示す図である。

図７に示すように、各列の画素２からは、各Ｈ期間において、４つの垂直信号線（分割前の２つの垂直信号線１８ａ、１８ｂ）及び４つの列回路（第１列回路〜第４列回路）を用いて４つの画素信号が読み出される。これは高速な動作が実現できることを意味する。すなわち、各Ｈ期間において、列読出し回路４及び列ＡＤＣ５は、画素部１から４行単位で画素信号を読み出してＡＤ変換することができる。つまり、固体撮像装置１００は、フルスキャンモードにおいて高速読み出しが可能となる。

なお、画素部１端では２画素のみ同時の読出しになるが（残り２本は使わない、つまり分割前の２つの垂直信号線１８ａ、１８ｂの一方は使わない）、例えば画素部１の行数を１０００行とすると、必要なＨ期間は２５０回が２５１回に増加するだけである。この端処理での速度低下の影響は０．４％と非常に小さく実使用上は問題ない。

次に、１列分の画素２を垂直３画素を混合しながら読み出す混合モードを考える。図８は、本開示の第１の実施の形態における固体撮像装置１００の画素部１の１列の画素２、垂直信号線１８ａ、１８ｂ、及び、列読出し回路４の接続と、混合モードでの混合行の組み合わせとを示す図である。

ここで、本実施の形態における固体撮像装置１００では、画素部１の各列に２本の垂直信号線１８ａ、１８ｂが配置されており、かつ、当該２本の垂直信号線１８ａ、１８ｂの各々が画素部１の上領域と下領域との間で分割されている。これにより、当該上領域及び当該下領域の各々において２つの画素行の画素信号を並列に読み出すことができるとともに、当該上領域における画素信号の混合と、当該下領域における画素信号の混合とを、並列に実施することができる。

具体的には、混合モードでは、各画素列において隣接する同色の３つの画素が混合される。例えば、図８に示すように、Ｇｒ／Ｂ画素が配列された列では、画素部１の上領域における垂直信号線１８ａに接続された偶数行の画素信号が３行ずつ混合される。つまり、例えば、ｎ行、（ｎ＋２）行、及び、（ｎ＋４）行の画素２の画素信号が混合される。これにより、当該上領域に配置されたＧｒ画素の画素信号が３つずつ混合される。このとき同時に、画素部１の下領域における垂直信号線１８ａに接続された偶数行の画素信号が３行ずつ混合される。つまり、例えば、（ｎ＋６）行、（ｎ＋８）行、及び、（ｎ＋１０）行の画素２の画素信号が混合される。これにより、当該下領域に配置されたＧｒ画素の画素信号が３つずつ混合される。

さらに、このとき同時に、画素部１の上領域における垂直信号線１８ｂに接続された奇数行の画素信号が３行ずつ混合される。つまり、例えば（ｎ＋３）行、（ｎ＋５）行、及び、（ｎ＋７）行の画素２の画素信号が混合される。これにより、当該上領域に配置されたＢ画素の画素信号が３つずつ混合される。このとき同時に、画素部１の下領域における垂直信号線１８ｂに接続された奇数行の画素信号が３行ずつ混合される。つまり、例えば、（ｎ＋９）行、（ｎ＋１１）行、及び、（ｎ＋１３）行の画素２の画素信号が混合される。これにより、当該下領域に配置されたＢ画素の画素信号が３つずつ混合される。

このように、固体撮像装置１００は、混合モードにおいて、画素部１の上領域及び下領域の各々において２つの画素行の画素信号を並列に読み出すことができるとともに、当該上領域における画素信号の混合と、当該下領域における画素信号の混合とを、並列に実施することができる。これにより、当該固体撮像装置１００は、フルスキャンモードと同様に、混合モードにおいても高速読み出しが可能となる。

混合モードにおいても、フルスキャンモード同様に上記の信号読出し動作後にＡＤ変換動作を行うことが１つの水平（Ｈ）期間動作に相当する。各Ｈ期間にどの画素がどの回路に読み出すかを図９に示す。図９は、本開示の第１の実施の形態における固体撮像装置１００の混合モードの各水平期間における画素２のアクセスを示す図である。

同図に示すように、各Ｈ期間において４つの垂直信号線（分割前の２つの垂直信号線１８ａ、１８ｂ）及び４つの列回路（第１列回路〜第４列回路）を用いて４つの画素信号が読み出される。さらに３つのデジタル画素信号が得られたらデジタル平均部６で平均処理を行う。つまり、４行単位で画素信号を読出してデジタル変換を実施し、デジタル平均部６で保持するという処理を３回繰り返した後、デジタル平均部６で保持されている画素信号を平均する。これにより、垂直３画素の画素信号が混合される。なお、図９の混合欄の記載のＡ＋Ｂ＋ＣはＡ、Ｂ、Ｃの平均を意味する。例えば、（Ｎ＋４）行＋（Ｎ＋２）行＋Ｎ行は、（Ｎ＋４）行目の出力、（Ｎ＋２）行目の出力、Ｎ行目の出力の平均を意味する。もちろん、加算処理で平均処理を代替してもかまわない。デジタル平均部６はラッチを有しているので、平均処理は次の行の画素２からの読み出しと同時に実行できるので速度低下にはならない。

ここで、デジタル平均部６により平均された得られた画素信号である混合信号の重心は、垂直信号線１８ａの分割位置と垂直信号線１８ｂの分割位置とが２行ずれていることにより、次のようになる。すなわち、Ｇｒ画素とＢ画素とが配列された画素列において、複数のＧｒ画素の混合信号の重心と複数のＢ画素の混合信号との重心とは、等ピッチになる。同様に、Ｒ画素とＧｂ画素とが配列された画素列においても、複数のＧｒ画素の混合信号の重心と複数のＢ画素の混合信号との重心とは、等ピッチになる。

これにより、本実施の形態に係る固体撮像装置１００から出力される混合信号を用いて生成される画像である混合画像は、モアレが抑制された高画質な画像となる。

つまり、本実施の形態に係る固体撮像装置１００は、各垂直信号線１８ａ、１８ｂが、Ｒ画素を含む複数の画素行から出力された画素信号の混合後の重心と、Ｂ画素を含む行から出力された画素信号の混合後の重心とが等ピッチになるような位置で分割されていることにより、モアレが抑制された高画質な混合モードを実現することができる。すなわち、当該固体撮像装置１００は、高画質なモニター画像撮像を可能とする。

言い換えると、本実施の形態に係る固体撮像装置１００は、一の垂直信号線１８ａの分割位置と他の一の垂直信号線１８ｂの分割位置とが行方向において互いに異なることにより、比較例に係る固体撮像装置９００のように垂直信号線９１８ａ、９１８ｂが行方向において同一の位置で分割されている場合と比較して、固体撮像装置１００を混合モードで駆動した場合におけるモアレの発生を抑制できる。つまり、本実施の形態に係る固体撮像装置１００は、比較例に係る固体撮像装置９００と比較して、高画質なモニター画像撮像が可能となる。

以上説明したように、本実施の形態に係る固体撮像装置１００において、画素部１の各列には、１本以上の垂直信号線１８が配置されており、かつ、各垂直信号線１８は画素部１の上領域と下領域との間で分割されおり、各列の複数の画素２から出力された画素信号は、当該列に配置された１本以上の垂直信号線１８を含む２本以上の垂直信号線１８を介して複数の列ＡＤＣ５に読み出され、画素部１に配置された複数の垂直信号線１８のうち一の垂直信号線１８ａの分割位置と、他の一の垂直信号線１８ｂの分割位置とは、行方向において互いに異なる。

このように、垂直信号線１８ａ、１８ｂが分割され、かつ、各列の画素２から出力された画素信号が２本以上の垂直信号線１８ａ、１８ｂを介して読み出されることにより、画素信号の読み出しに要する時間を低減できる。つまり、高速読み出しが可能となる。また、一の垂直信号線１８ａの分割位置と他の一の垂直信号線１８ａの分割位置とが行方向において互いに異なることにより、これら垂直信号線１８ａ、１８ｂが行方向において同一の位置で分割されている場合と比較して、複数の画素２から出力された複数の画素信号を混合して読み出した場合におけるモアレの発生を抑制できる。つまり、高画質なモニター画像撮像が可能となる。したがって、本実施の形態に係る固体撮像装置１００は、高速読み出しを可能としつつ、高画質なモニター画像撮像を可能とする。

具体的には、画素部１の各列には、２本の垂直信号線１８ａ、１８ｂが配置されており、各列の複数の画素２から出力された画素信号は、当該列に配置された２本の垂直信号線１８ａ、１８ｂを介して複数の列ＡＤＣ５に読み出され、各列に配置された２本の垂直信号線１８ａ、１８ｂのうち一の垂直信号線１８ａの分割位置と、他の一の垂直信号線１８ｂの分割位置とは、行方向において互いに異なる。

これにより、互いに異なる色に対応する複数の画素２が同一列に配置されている場合であっても、複数の画素２から出力された複数の画素信号を混合して読み出した場合におけるモアレの発生を抑制できる。

また、固体撮像装置１００は、全ての画素２の画素信号を独立に読み出す駆動モードであるフルスキャンモードと、複数の画素から出力された複数の画素信号を混合して読み出す駆動モードである混合モードとを有する。

これにより、固体撮像装置１００は、解像度の高い画像を高速に得ることが可能となるフルスキャンモードと、モアレの少ない画像を高速に得ることが可能となる混合モードとを両立できる。

また、画素部１には、赤色の光に基づいて画素信号を出力するＲ画素（赤色画素）、青色の光に基づいて画素信号を出力するＢ画素（青色画素）、及び、緑色の光に基づいて画素信号を出力するＧｒ画素、Ｇｂ画素（緑色画素）がベイヤー配置されており、垂直信号線１８ａ、１８ｂは、Ｒ画素を含む複数の行から出力された画素信号の混合後の重心とＢ画素を含む行から出力された画素信号の混合後の重心との位置関係に応じた位置で分割されている。

つまり、垂直信号線１８ａ、１８ｂは、Ｒ画素の画素信号の混合後の重心（Ｒ画素の混合信号の重心）及びＧｒ画素の画素信号の混合後の重心（Ｇｒ画素の混合信号の重心）と、Ｇｂ画素の画素信号の混合後の重心（Ｇｂ画素の混合信号の重心）及びＢ画素の画素信号の混合後の重心（Ｂ画素の混合信号の重心）との位置関係に応じた位置で分割されている。

具体的には、垂直信号線１８ａ、１８ｂは、Ｒ画素を含む複数の行から出力された画素信号の混合後の重心と青色画素を含む行から出力された画素信号の混合後の重心とが等ピッチになるような位置で分割されている。

これにより、固体撮像装置１００は、混合モードにおけるモアレの発生を一層抑制できる。

なお、列ＡＤＣ５は各基本単位にカウンタを設けた構成にしてもよい。ラッチ信号でカウンタを止めればそれがデジタル変換値になる。この場合はカウンタを初期化せずに連続してデジタル変換すれば、列ＡＤＣ５で加算も実行することができる（ビット幅は増えるが混合画像として使える）。

また、本実施の形態では垂直信号線１８ａの分割位置と垂直信号線１８ｂの分割位置とを２行ずらしているが、ＧｒとＢの混合が等ピッチになれば図１０Ａ〜図１０Ｄに示す他の分割でもかまわない。具体的には、第１の実施の形態では、垂直信号線１８ａの分割位置は（ｎ＋５）行目と（ｎ＋６）行目との間であり、垂直信号線１８ｂの分割位置は（ｎ＋７）行目と（ｎ＋８）行目との間であったが、垂直信号線１８ａ、１８ｂの分割位置はこれに限らない。図１０Ａ〜図１０Ｄは、本開示の第１の実施の形態における固体撮像装置の垂直信号線の他の分割方法を示す図である。

図１０Ａに示すように、垂直信号線１８ａの分割位置は（ｎ＋５）行目と（ｎ＋６）行目との間であり、垂直信号線１８ｂの分割位置は（ｎ＋８）行目と（ｎ＋９）行目との間であってもよい。つまり、垂直信号線１８ａの分割位置と垂直信号線１８ｂの分割位置とが３行ずれていてもよい。なお、同図に示す構成であっても、混合モードにおいて混合される画素信号を出力する画素の組み合わせは、第１の実施の形態と同様である。

また、図１０Ｂに示すように、垂直信号線１８ａの分割位置は（ｎ＋５）行目と（ｎ＋６）行目との間であり、垂直信号線１８ｂの分割位置は（ｎ＋１）行目と（ｎ＋２）行目との間であってもよい。つまり、垂直信号線１８ａの分割位置と垂直信号線１８ｂの分割位置とが４行ずれていてもよい。なお、同図に示す構成であっても、混合モードにおいて混合される画素信号を出力する画素の組み合わせは、第１の実施の形態と同様である。

また、図１０Ｃに示すように、垂直信号線１８ａの分割位置は（ｎ＋４）行目と（ｎ＋５）行目との間であり、垂直信号線１８ｂの分割位置は（ｎ＋７）行目と（ｎ＋８）行目との間であってもよい。つまり、垂直信号線１８ａの分割位置と垂直信号線１８ｂの分割位置とが３行ずれていてもよい。なお、同図に示す構成であっても、混合モードにおいて混合される画素信号を出力する画素の組み合わせは、第１の実施の形態と同様である。

また、図１０Ｄに示すように、垂直信号線１８ａの分割位置は（ｎ＋４）行目と（ｎ＋５）行目との間であり、垂直信号線１８ｂの分割位置は（ｎ＋１）行目と（ｎ＋２）行目との間であってもよい。つまり、垂直信号線１８ａの分割位置と垂直信号線１８ｂの分割位置とが３行ずれていてもよい。なお、同図に示す構成であっても、混合モードにおいて混合される画素信号を出力する画素の組み合わせは、第１の実施の形態と同様である。

また、ＧｒとＢの混合の重心に等ピッチ以外の関係を持たせたい場合はそれに応じた量だけ垂直信号線１８ａの分割位置と垂直信号線１８ｂの分割位置とをずらせばよい。つまり、垂直信号線１８ａの分割位置に対する垂直信号線１８ｂの分割位置のずれ量は、Ｇｒ画素の混合信号の重心とＢ画素の混合信号との重心との位置関係に基づいていればよい。

また、本実施の形態では、固体撮像装置１００は、クランプ機能を有する列読出し回路４を備えているが、本開示に係る固体撮像装置は、当該列読出し回路４を省略して垂直信号線１８が列ＡＤＣ５に直接接続されていてもよい。つまり、本実施の形態では、列ＡＤＣ５は、画素部１から出力された画素信号を、列読出し回路４を介して読み出していたが、当該列読出し回路４を介さずに、画素部１から出力された画素信号を読み出してもよい。

また、本開示に係る固体撮像装置は、図１１Ａに示す表面照射型イメージセンサ（表面照射型固体撮像装置）だけでなく、図１１Ｂに示す裏面照射型イメージセンサ（裏面照射型固体撮像装置）にも適用できる。つまり、本開示に係る固体撮像装置は、ＰＤ１０がシリコン基板の表面、すなわち、回路素子が形成された面と同じ面側に形成される構造だけでなく、ＰＤ１０がシリコン基板の裏面、すなわち、回路素子が形成された面に対して裏面側に形成される構造にも適用できる。図１１Ａは、本開示の第１の実施の形態における固体撮像装置１００の断面構造の一例を示す図であり、図１１Ｂは、本開示の第１の実施の形態における固体撮像装置の断面構造の他の一例を示す図である。

図１１Ａに示す表面照射型イメージセンサは、シリコン基板１０１と配線層１０２との積層構造を有し、シリコン基板１０１に形成されたＰＤ１０は、配線層１０２側から照射された光を受光する。具体的には、画素部１では、シリコン基板１０１にＰＤ１０が形成され、列読出し回路４及び列ＡＤＣ５を含む回路部１１１では、シリコン基板１０１にトランジスタ及び容量等の回路素子１１２が形成されている。

これに対して、図１１Ｂに示す裏面照射型イメージセンサは、支持基板１０３とシリコン基板１０１と配線層１０２との積層構造を有し、シリコン基板１０１に形成されたＰＤ１０は、配線層１０２側と反対側から照射された光を受光する。このように、裏面照射型イメージセンサは、シリコン基板１０１を３ｕｍ程度まで薄くし、裏面から光が照射される構造である。この裏面照射型イメージセンサは、ＰＤ１０と重ねて配線を配置することが可能であり、本開示における複数の垂直信号線１８のレイアウト自由度が高いという利点がある。これにより、２つの垂直信号線１８ａ、１８ｂ間のスペースを大きくとることができるので、当該垂直信号線１８ａ、１８ｂ間のクロストークをさげることができる。

また、本開示は図１２に示す積層型イメージセンサにも適用できる。図１２は、本開示の第１の実施の形態における固体撮像装置１００の断面構造のさらに他の一例を示す図である。

同図に示す積層型イメージセンサでは、垂直信号線１８の上部にシリコンとは異なる光電変換膜１０Ａを配置する構造で、光電変換膜１０Ａで生成された電荷は電荷読出し部１１３を介してシリコン基板１０１に形成された回路部１１１に転送され画素信号として読み出される。このような積層型イメージセンサは、光電変換膜１０Ａと重ねて垂直信号線１８を配置することが可能であり、本開示における複数の垂直信号線１８のレイアウト自由度が高くなるという利点がある。これにより、積層型イメージセンサは、裏面照射型イメージセンサと同様に、２つの垂直信号線１８ａ、１８ｂ間のスペースを大きくとることができるので、当該垂直信号線１８ａ、１８ｂ間のクロストークを低減することができる。

（第２の実施の形態）
次に、本開示の第２の実施の形態について、説明する。図１３は、本開示の第２の実施の形態における固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。

同図に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ａは、画素部１Ａ、行選択回路３、列読出し回路４Ａ、列ＡＤＣ５Ａ、及び、デジタル平均部６Ａを備える。列読出し回路４Ａ、列ＡＤＣ５Ａ、デジタル平均部６Ａは画素部１Ａの上下に１組ずつ配置されている。

画素部１Ａは、光電変換を行う画素２が２次元状に配置された撮像領域である。この画素部１Ａは、第１の実施の形態における画素部１とほぼ同様であるが、当該画素部１と比較して、各列には４本の垂直信号線１８ａ〜１８ｄが並列に配置され、各垂直信号線１８ａ〜１８ｄは上下に分割され、合計８本の垂直信号線１８ａ〜１８ｄになっている点が異なる。また、分割の位置は２行ずれた２種類がある。各行の画素２は順番に４つの垂直信号線１８ａ〜１８ｄのいずれかに接続されている。なお、以下では、垂直信号線１８ａ〜１８ｄを特に区別する必要がない場合には、単に垂直信号線１８と記載する場合がある。

言い換えると、画素部１Ａの各列には、行方向において分割位置が互いに異なる複数の垂直信号線１８からなる組が２組配置されている。具体的には、垂直信号線１８ｃの分割位置は垂直信号線１８ａの分割位置と同じであり、垂直信号線１８ｄの分割位置は垂直信号線１８ｂの分割位置と同じである。つまり、画素部１Ａの各列に４本の垂直信号線１８ａ〜１８ｄが配置されていることは、画素部１Ａの各列に垂直信号線１８ａ、１８ｂからなる組が２組配置されていることと同じである。

これにより、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ａは、同一列に配置された複数組の垂直信号線１８ａ〜１８ｄのうち一の組（垂直信号線１８ａ、１８ｂからなる組）に対応する画素２の画素信号と、他の組の垂直信号線（垂直信号線１８ｃ、１８ｄからなる組）に対応する画素２の画素信号とを同時に読み出すことができる。よって、当該固体撮像装置１００Ａは、第１の実施の形態に係る固体撮像装置１００と比較して、一層高速に読み出すことが可能となる。

行選択回路３、列読出し回路４Ａ、列ＡＤＣ５Ａ、及び、デジタル平均部６Ａは、第１の実施の形態とほぼ同等であるが、列読出し回路４Ａ、列ＡＤＣ５Ａ、及び、デジタル平均部６Ａは、第１の実施の形態における列読出し回路４、列ＡＤＣ５、及び、デジタル平均部６と比較して、基本単位が各列４個である点が異なる。

なお、本実施の形態では、固体撮像装置１００Ａは、クランプ機能を有する列読出し回路４Ａを備えているが、本開示に係る固体撮像装置は、当該列読出し回路４Ａを省略して垂直信号線１８ａ〜１８ｄが列ＡＤＣ５Ａに直接接続されていてもよい。つまり、本実施の形態では、列ＡＤＣ５Ａは、画素部１Ａから出力された画素信号を、列読出し回路４Ａを介して読み出していたが、当該列読出し回路４Ａを介さずに、画素部１Ａから出力された画素信号を読み出してもよい。

本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ａには、第１の実施の形態に係る固体撮像装置１００と同様に、駆動モードとして、カメラ静止画像撮影に用いられるフルスキャンモードと、カメラのモニター画像に用いられる垂直３画素及び水平３画素の混合モードとを備えている。

具体的には、固体撮像装置１００Ａは、フルスキャンモードでは、８つの垂直信号線１８ａ〜１８ｄ（分割前の４つの垂直信号線１８ａ〜１８ｄ）、列読出し回路４Ａ及び列ＡＤＣ５Ａにより、８行単位で画素信号を読出してデジタル変換を実施し、デジタル平均部６Ａでは処理なしで外部に出力する。このような処理を画素部１Ａ全体に対して繰り返すことにより、画素部１Ａの全ての画素２の画素信号を互いに独立して出力することができる。つまり、固体撮像装置１００Ａを例えばチップとして備えるカメラ等では、固体撮像装置１００Ａをフルスキャンモードで駆動させた場合に、全画素画像を得ることができる。

一方、固体撮像装置１００Ａは、混合モードでは、８つの垂直信号線１８ａ〜１８ｄ（分割前の４つの垂直信号線１８ａ〜１８ｄ）、列読出し回路４Ａ及び列ＡＤＣ５Ａにより、８行単位で画素信号を読出してデジタル変換を実施し、デジタル平均部６Ａで保持する。この処理を３回繰り返した後、デジタル平均部６Ａで保持されている垂直３画素及び水平３画素を平均し、平均して得られた画素信号である混合信号を外部に出力する。このような処理を画素部１Ａ全体に対して繰り返すことにより、画素部１Ａの全ての画素２の画素信号を、垂直３画素及び水平３画素の組で混合して出力することができる。つまり、固体撮像装置１００Ａを例えばチップとして備えるカメラ等では、固体撮像装置１００Ａを混合モードで駆動させた場合に、混合画像を得ることができる。

このように、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ａは、フルスキャンモードでは８画素が並列に読み出されるので第１の実施の形態に係る固体撮像装置１００に比べさらに高速撮像が可能である。また、混合モードでは分割位置が２行ずれていることにより、Ｇｒ画素とＢ画素の重心は等ピッチとなりモアレが小さい高画質なモニター画像が得られる。

以上説明したように、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ａによれば、上記第１の実施の形態と同様に、画素部１Ａの各列には、１本以上の垂直信号線１８ａ〜１８ｄが配置されており、かつ、各垂直信号線１８ａ〜１８ｄは画素部１Ａの上領域と下領域との間で分割されおり、各列の複数の画素２から出力された画素信号は、当該列に配置された１本以上の垂直信号線１８ａ〜１８ｄを含む２本以上の垂直信号線１８ａ〜１８ｄを介して複数の列ＡＤＣ５Ａに読み出され、画素部１Ａに配置された複数の垂直信号線１８ａ〜１８ｄのうち一の垂直信号線１８ａ、１８ｃの分割位置と、他の一の垂直信号線１８ｂ、１８ｄの分割位置とは、行方向において互いに異なる。

これにより、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ａは、上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

具体的には、画素部１Ａの各列には、行方向において分割位置が互いに異なる複数の垂直信号線１８からなる組が複数組（本実施の形態では２組）配置されており、各列の複数の画素２から出力された画素信号は、当該列に配置された複数組の垂直信号線１８を介して複数の列ＡＤＣ５Ａに読み出される。

これにより、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ａは、同一列に配置された複数組の垂直信号線１８ａ〜１８ｄのうち一の組（垂直信号線１８ａ、１８ｂからなる組）に対応する画素２の画素信号と、他の組の垂直信号線（垂直信号線１８ｃ、１８ｄからなる組）に対応する画素２の画素信号とを同時に読み出すことができる。よって、当該固体撮像装置１００Ａは、第１の実施の形態に係る固体撮像装置１００と比較して、一層高速に読み出すことが可能となる。

なお、本実施の形態では、画素部１Ａの各列に、行方向において分割位置が互いに異なる複数の垂直信号線１８からなる組が２組配置されていたが、当該各列に配置される垂直信号線１８の組の数は複数であればよく、例えば、３組であってもよい。

（第３の実施の形態）
次に、本開示の第３の実施の形態について、説明する。図１４は、本開示の第３の実施の形態における固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。

同図に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ｂは、画素部１Ｂ、行選択回路３、列読出し回路４Ｂ、列ＡＤＣ５Ｂ、及び、デジタル平均部６Ｂを備える。列読出し回路４Ｂ、列ＡＤＣ５Ｂ、及び、デジタル平均部６Ｂは画素部１Ｂの上下に１組ずつ配置されている。

画素部１Ｂは、光電変換を行う画素２Ｂが２次元状に配置された撮像領域である。この画素２Ｂは横２画素を組として１つの出力を有し、各列に１本ずつ配置された垂直信号線１８に接続されている。横２画素の組み合わせは奇数行と偶数行とで１列ずれた配置になっている。また、各垂直信号線１８は上下に分割され各列あたり２本の垂直信号線になる。分割の位置は奇数列と偶数列とで２行ずれている。つまり、各列の複数の画素２Ｂから出力された画素信号は、当該列に配置された垂直信号線１８、及び、当該列に隣り合う列に配置された垂直信号線１８を介して読み出され、各列に配置された垂直信号線１８の分割位置と、当該列に隣り合う列に配置された垂直信号線１８の分割位置とは、行方向において互いに異なっている。なお、画素２Ｂの詳細な説明については後述する。

行選択回路３、列読出し回路４Ｂ、列ＡＤＣ５Ｂ、デジタル平均部６Ｂは、第１の実施の形態とほぼ同等であるが、列読出し回路４Ｂ、列ＡＤＣ５Ｂ、デジタル平均部６Ｂは、第１の実施の形態における列読出し回路４、列ＡＤＣ５、及び、デジタル平均部６と比較して、基本単位が各列１個である点が異なる。つまり、列方向に隣り合う２つの画素２Ｂが１つの出力を有することにより、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ｂは、第１の実施の形態に係る固体撮像装置１００と比較して、画素部１Ａの周辺回路の数を削減することができる。よって、小型化できる。

次に、画素２Ｂの構成について説明する。図１５は、本開示の第３の実施の形態における固体撮像装置１００Ｂの画素２Ｂの詳細な構成を示す回路図である。同図には、隣接する２つの画素２Ｂの画素回路が示されている。

同図に示す２つの画素２Ｂは、初期化時の電圧を増幅したリセット電圧と読み出し時の電圧を増幅したリード電圧とを対応する垂直信号線１８に出力する。また、当該２つの画素２Ｂは、入射した光を光電変換し電荷を出力する２つのフォトダイオード（ＰＤ）１０ａ、１０ｂと、ＰＤ１０ａもしくは１０ｂにより発生した電荷を蓄積し、蓄積した電荷を電圧信号として出力するフローティングディフュージョン（ＦＤ）１２と、ＦＤ１２の示す電圧が初期電圧（ここではＶＤＤ）になるようにリセットするリセットトランジスタ１３と、ＰＤ１０ａもしくは１０ｂにより出力される電荷をＦＤ１２に供給する２つの転送トランジスタ１１ａ、１１ｂと、ＦＤ１２の示す電圧に追従して変化する電圧を出力する増幅トランジスタ１４と、行選択回路３からラインセレクト信号（図１５中のＳＥＬ）を受けたときに増幅トランジスタ１４の出力を垂直信号線１８に接続する選択トランジスタ１５とを含む。

ここで、ＰＤと転送トランジスタは各画素にあるが、他の３種類のトランジスタは２つの画素で共有された構成である。具体的には、図中左に配置された画素２Ｂａは、ＰＤ１０ａと転送トランジスタ１１ａとを有し、図中右に配置された画素２Ｂｂは、ＰＤ１０ｂ、転送トランジスタ１１ｂ、ＦＤ１２、リセットトランジスタ１３、増幅トランジスタ１４及び選択トランジスタ１５を有する。すなわち、つまり、列方向に隣り合う２つの画素２Ｂａ、２Ｂｂは、リセットトランジスタ１３、増幅トランジスタ１４及び選択トランジスタ１５を共有している。つまり、列方向に隣り合う２つの画素２Ｂがトランジスタを共有することにより、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ｂは、第１の実施の形態に係る固体撮像装置１００と比較して、フォトダイオードの面積を大きくできる。よって、感度を向上できる。

なお、図１５に示す共有トランジスタ（リセットトランジスタ１３、増幅トランジスタ１４及び選択トランジスタ１５）がすべて右の画素２Ｂｂ内におかれた配置は一例であり、これら３個の共有トランジスタを１個と２個に分けて画素２Ｂａ及び画素２Ｂｂに配置するなど他の配置でもよい。

次に、以上のように構成された固体撮像装置１００Ｂの動作について、図１６を用いて説明する。具体的には、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ｂ全体の撮像動作を構成する基本動作の１つである画素２Ｂからの信号読出し動作について説明する。図１６は、第１の実施の形態における固体撮像装置１００Ｂの画素２Ｂからの画素信号の読出し動作について説明するためのタイミングチャートである。具体的には、同図には、画素部１Ｂに供給される各制御信号が示されている。なお、列読出し回路４Ｂに供給される各制御信号のタイミングは第１の実施の形態と同様のため省略する。

固体撮像装置１００Ｂは、時刻ｔ２１からｔ２５の期間に左の画素２Ｂａの画素信号を読み出し、時刻ｔ２６からｔ３０の期間に右の画素２Ｂｂの画素信号を読み出す。以下、各時刻における動作について詳細に説明する。

同図に示すように、時刻ｔ２１においては、電荷転送信号（ＴＲＡＮａ、ＴＲＡＮｂ）がＬ（ロー）かつ画素リセット信号（ＲＳＴ）がＨ（ハイ）となっているので、２つの転送トランジスタ１１ａ、１１ｂがオフでリセットトランジスタ１３はオンとなる。よって、ＦＤ１２の電位（以下ではＶｆｄ）はＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。

次に、時刻ｔ２２では、電荷転送信号（ＴＲＡＮａ、ＴＲＡＮｂ）がＬかつ画素リセット信号（ＲＳＴ）がＬとなっているので、転送トランジスタ１１ａ、１１ｂ、リセットトランジスタ１３がオフとなる。よって、ＦＤ１２の電位のリセット状態（初期化された状態）は保持される。このとき、行選択信号（ＳＥＬ）がＨとなっているので選択トランジスタ１５はオンとなっている。よって、増幅トランジスタ１４と画素電流源トランジスタ２２とがソースフォロア回路を構成し、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈがリセット電圧として垂直信号線１８に出力される（正確にはＶｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ−αであるが、ここではαは省略）。

時刻ｔ２３では、電荷転送信号（ＴＲＡＮａ）がＨとなっているので、左の画素２Ｂａの転送トランジスタ１１ａがオンとなる。よって、左の画素２ＢａのＰＤ１０ａに蓄積された電荷がＦＤ１２に転送され、Ｖｆｄはこの信号電荷量に応じた電圧Ｖｆｄｓｉｇだけ低下しＶｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇとなる。

時刻ｔ２４では、電荷転送信号（ＴＲＡＮａ、ＴＲＡＮｂ）がＬかつ行選択信号（ＳＥＬ）がＨとなっているので、両画素２Ｂａ、２Ｂｂの転送トランジスタ１１ａ、１１ｂがオフで選択トランジスタ１５がオンとなる。よって、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇ−Ｖｔｈがリード電圧として垂直信号線１８に出力される。その結果、列読出し回路４Ｂではリセット電圧とリード電圧の差分に対応した電圧、すなわち左の画素２Ｂａの画素信号が得られる。

その後、時刻ｔ２５でこの画素信号がＳ／Ｈ容量に書き込まれる。さらにこの画素信号は列ＡＤＣ５ＢでＡＤ変換されることにより、左の画素２Ｂａの画素信号のデジタル値が得られる。つまり、列ＡＤＣ５ＢによるＡＤ変換動作により、左の画素２Ｂａの画素信号はアナログ値からデジタル値へと変換される。

このように、時刻ｔ２１から時刻ｔ２５の期間に、左の画素２Ｂａの画素信号の信号読出し動作及びＡＤ変換動作が行われる。

同様にして、時刻ｔ２６から時刻ｔ３０の期間に右の画素２Ｂｂの画素信号のデジタル値が得られる。つまり、時刻ｔ２６から時刻ｔ３０の期間に、右の画素２Ｂｂの画素信号の信号読出し動作及びＡＤ変換動作が行われる。

以上説明したような左の画素２Ｂａ及び右の画素２Ｂｂの信号読出し動作及びＡＤ変換動作を含む撮像動作によって、本実施の形態における固体撮像装置１００Ｂは、画素部１Ｂの各画素２Ｂの受光量に応じたデジタル値の画素信号を出力することができる。以下、本固体撮像装置１００Ｂの全体動作について、説明する。

上記第１の実施の形態と同様に、本固体撮像装置１００Ｂは、駆動モードとして、カメラ静止画像撮影に用いられるフルスキャンモードとカメラのモニター画像に用いられる垂直３画素及び水平３画素の混合モードを備えている。

具体的には、固体撮像装置１００Ｂは、フルスキャンモードでは２つの垂直信号線１８（分割前の１つの垂直信号線１８）、列読出し回路４Ｂ及び列ＡＤＣ５Ｂにより、４行のＢ／Ｇｒ画素の画素信号を読出してデジタル変換を実施し、デジタル平均部６Ｂでは処理なしで外部に出力する。次に、同じ４行のＲ／Ｇｂ画素の画素信号を、同様の処理で出力する。このような処理を画素部１Ｂ全体に対して繰り返すことにより、画素部１Ｂの全画素２Ｂの画素信号を互いに独立して出力することができる。つまり、固体撮像装置１００Ｂを例えばチップとして備えるカメラ等では、固体撮像装置１００Ｂをフルスキャンモードで駆動させた場合に、全画素画像が得られる。

一方、固体撮像装置１００Ｂは、混合モードでは、２つの垂直信号線１８（分割前の１つの垂直信号線１８）、列読出し回路４Ｂ及び列ＡＤＣ５Ｂにより、４行のＢ／Ｇｒ画素の画素信号を読出してデジタル変換を実施し、デジタル平均部６Ｂで保持する。この処理を３回繰り返した後、デジタル平均部６Ｂで保持されている垂直３画素及び水平３画素を平均し、平均して得られた画素信号である混合信号を外部に出力する。次に、同じ４行のＲ／Ｇｂ画素の画素信号の読出し、平均及び出力を行う。このような処理を画素部１Ｂ全体に対して繰り返すことにより、画素部１Ｂの全画素２Ｂの画素信号を、垂直３画素及び水平３画素の組で混合して出力することができる。つまり、固体撮像装置１００Ｂを例えばチップとして備えるカメラ等では、固体撮像装置１００Ｂを混合モードで駆動させた場合に、混合画像を得ることができる。

次に、フルスキャンモード及び混合モードそれぞれの場合における固体撮像装置１００Ｂの画素アクセスの流れについて、図１７〜図２０を用いて説明する。

まず、図１７に示す１つのＧｒ／Ｂ画素が配列された列分の画素２Ｂを混合なしで読み出すフルスキャンモードを考える。図１７は、本開示の第３の実施の形態における固体撮像装置１００Ｂの画素部１Ｂの１列（Ｇｒ／Ｂ列）の画素２Ｂ、垂直信号線１８、及び、列読出し回路４Ｂの接続を示す図である。なお、図中では、列読出し回路４Ｂ及び列ＡＤＣ５Ｂの基本単位を有する回路構成を列回路（第１列回路〜第４列回路）として記載している。また、上述したように、回路構成としては列方向に隣り合う２つの画素２Ｂａ、２Ｂｂで１つの出力を有しているが、ここではＧｒ／Ｂ画素が配列された列の読出しを説明するために各画素２Ｂａ、２Ｂｂに出力があるように記載している。

ここで、本実施の形態における固体撮像装置１００Ｂでは、画素部１Ｂの各列に１本の垂直信号線１８が配置されており、かつ、当該垂直信号線１８が画素部１Ｂの上領域と下領域との間で分割されている。各列の複数の画素２Ｂから出力された画素信号は、当該列に配置された垂直信号線１８と当該列に隣接する垂直信号線１８とを介して、複数の列読出し回路４Ｂ及び列ＡＤＣ５Ｂに読み出される。これにより、本実施の形態における固体撮像装置１００Ｂは、第１の実施の形態と同様に、当該上領域及び当該下領域の各々において、２つの画素行の画素信号を並列に読み出すことができる。

上記の信号読出し動作後にＡＤ変換動作を行うことが１つの水平（Ｈ）期間動作に相当する。各Ｈ期間にどの画素２Ｂの画素信号をどの回路に読み出すかを図１８に示す。奇数ＨでＧｒ／Ｂ画素の読出しを行う（偶数ＨではＲ／Ｇｂ画素を読み出す）。図１８は、本開示の第３の実施の形態における固体撮像装置１００Ｂのフルスキャンモードの各水平期間における画素２Ｂのアクセスを示す図である。

図１８に示すように、各列の画素２Ｂからは、各Ｈ期間において４つの垂直信号線（分割前の２つの垂直信号線１８）及び４つの列回路（第１列回路〜第４列回路）を用いて４つの画素信号が読み出される。これは高速な動作が実現できることを意味する。すなわち、各Ｈ期間において、列読出し回路４Ｂ及び列ＡＤＣ５Ｂは、画素部１Ｂから４行単位で画素信号を読み出してＡＤ変換することができる。つまり、固体撮像装置１００Ｂは、第１の実施の形態と同様に、フルスキャンモードにおける高速読み出しが可能となる。

次に、１列分の画素２Ｂを垂直３画素を混合しながら読み出す混合モードを考える。図１９は、本開示の第３の実施の形態における固体撮像装置１００Ｂの画素部１Ｂの１列（Ｇｒ／Ｂ列）の画素２Ｂ、垂直信号線１８、及び、列読出し回路４Ｂの接続と、混合モードでの混合行の組み合わせとを示す図である。

ここで、上述したように、本実施の形態における固体撮像装置１００Ｂでは、各列の複数の画素２Ｂから出力された画素信号は、当該列に配置された垂直信号線１８と当該列に隣接する列に配置された垂直信号線１８とを介して、複数の列読出し回路４Ｂ及び列ＡＤＣ５に読み出される。これにより、本実施の形態における固体撮像装置１００Ｂは、第１の実施の形態と同様に、画素部１Ｂの上領域及び下領域の各々において２つの画素行の画素信号を並列に読み出すことができるとともに、当該上領域における画素信号の混合と、当該下領域における画素信号の混合とを、並列に実施することができる。これにより、固体撮像装置１００Ｂは、第１の実施の形態と同様に、混合モードにおいても高速読み出しが可能となる。

混合モードにおいても、フルスキャンモード同様に上記の信号読出し動作後にＡＤ変換動作を行うことが１つの水平（Ｈ）期間動作に相当する。各Ｈ期間にどの画素がどの回路に読み出すかを図２０に示す。図２０は、本開示の第３の実施の形態における固体撮像装置１００Ｂの混合モードの各水平期間における画素２Ｂのアクセスを示す図である。

同図に示すように、各Ｈ期間において４つの垂直信号線（分割前の２つの垂直信号線１８）及び４つの列回路（第１列回路〜第４列回路）を用いて４つの画素信号が読み出される。さらに３つのデジタル画素信号が得られたらデジタル平均部６Ｂで平均処理を行う。つまり、４行単位で画素信号を読出してデジタル変換を実施し、デジタル平均部６Ｂで保持するという処理を３回繰り返した後、デジタル平均部６Ｂで保持されている画素信号を平均する。これにより、垂直３画素の画素信号が混合される。なお、図２０の混合欄の記載のＡ＋Ｂ＋ＣはＡ、Ｂ、Ｃの平均を意味する。例えば、（Ｎ＋４）行＋（Ｎ＋２）行＋Ｎ行は、（Ｎ＋４）行目の出力、（Ｎ＋２）行目の出力、Ｎ行目の出力の平均を意味する。もちろん、加算処理で平均処理を代替してもかまわない。

固体撮像装置１００Ｂは、Ｇｒ／Ｂ画素に対して画素信号の読み出し及び混合を行った後の３Ｈ期間において、Ｒ／Ｇｂ画素に対して画素信号の読み出し及び混合を行う。

ここで、デジタル平均部６Ｂにより平均された得られた画素信号である混合信号の重心は、各列に配置された垂直信号線１８の分割位置と、当該列に隣り合う列に配置された垂直信号線１８の分割位置とが２行ずれていることにより、次のようになる。すなわち、Ｇｒ画素とＢ画素とが配列された画素列において、複数のＧｒ画素の混合信号の重心と複数のＢ画素の混合信号との重心とは、等ピッチになる。同様に、Ｒ画素とＧｂ画素とが配列された画素列においても、複数のＧｒ画素の混合信号の重心と複数のＢ画素の混合信号との重心とは、等ピッチになる。

これにより、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ｂから出力される混合信号を用いて生成される画像である混合画像は、第１の実施の形態と同様に、モアレが抑制された高画質な画像となる。つまり、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ｂは、第１の実施の形態に係る固体撮像装置１００と同様に、高画質なモニター画像撮像を可能とする。

なお、本実施の形態では、固体撮像装置１００Ｂは、クランプ機能を有する列読出し回路４Ｂを備えているが、本開示に係る固体撮像装置は、当該列読出し回路４Ｂを省略して垂直信号線１８が列ＡＤＣ５Ｂに直接接続されていてもよい。つまり、本実施の形態では、列ＡＤＣ５Ｂは、画素部１Ｂから出力された画素信号を、列読出し回路４Ｂを介して読み出していたが、当該列読出し回路４Ｂを介さずに、画素部１Ｂから出力された画素信号を読み出してもよい。

以上説明したように、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ｂによれば、上記第１の実施の形態と同様に、画素部１Ｂの各列には、１本の垂直信号線１８が配置されており、かつ、各垂直信号線１８は画素部１Ｂの上領域と下領域との間で分割されおり、各列の複数の画素２Ｂから出力された画素信号は、当該列に配置された１本の垂直信号線１８を含む２本の垂直信号線１８を介して列ＡＤＣ５Ｂに読み出され、一の垂直信号線１８の分割位置と、他の一の垂直信号線１８の分割位置とは、行方向において互いに異なる。

これにより、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ｂは、上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

具体的には、列方向に隣り合う２つの画素２Ｂａ、２Ｂｂは、画素信号を出力するための選択トランジスタ１５を共有し、各列の複数の画素２Ｂから出力された画素信号は、さらに、当該列に隣り合う列に配置された１本の垂直信号線１８を介して読み出され、各列に配置された１本の垂直信号線１８の分割位置と、当該列に隣り合う列に配置された１本の垂直信号線１８の分割位置とは、行方向において互いに異なる。

つまり、列方向に隣り合う２つの画素２Ｂａ、２Ｂｂは１つの出力を有する。これにより、画素部１Ｂの周辺回路の数を削減することができる。よって、固体撮像装置１００Ｂを小型化できる。また、列方向に隣り合う２つの画素２Ｂがトランジスタを共有することにより、本実施の形態に係る固体撮像装置１００Ｂは、第１の実施の形態に係る固体撮像装置１００と比較して、フォトダイオードの面積を大きくできる。よって、感度を向上できる。

より具体的には、画素部１Ｂの各列には、当該列及び当該列に隣り合う列で共有される１本の垂直信号線１８が配置されており、隣り合う列に配置された２本の垂直信号線１８の分割位置は、行方向において互いに異なる。

このように、本実施の形態では列読出し回路４Ｂ、列ＡＤＣ５Ｂ及びデジタル平均部６Ｂの基本単位の数は各列１個と第１の実施の形態に比べ半分である。このように、画素部１Ｂの周辺回路（列読出し回路４Ｂ、列ＡＤＣ５Ｂ及びデジタル平均部６Ｂ）が半減できるのでチップサイズが小さくでき、低価格な固体撮像装置１００Ｂが実現できる利点がある。

なお、本実施の形態では、画素部１Ｂの各列には、１本の垂直信号線１８が配置されていたが、２本以上の垂直信号線が配置されていてもよい。また、本実施の形態では、列方向に隣り合う２つの画素２Ｂａ、２Ｂｂは、リセットトランジスタ１３、増幅トランジスタ１４及び選択トランジスタ１５を共有していたが、リセットトランジスタ１３及び増幅トランジスタ１４は共有していなくてもよい。

つまり、列方向に隣り合う２つの画素２Ｂａ、２Ｂｂは、選択トランジスタ１５を共有し、各列の複数の画素２Ｂから出力された画素信号は、当該列に配置された１本以上の垂直信号線、及び、当該列に隣り合う列に配置された１本以上の垂直信号線を介して読み出され、各列に配置された１本以上の垂直信号線の分割位置と、当該列に隣り合う列に配置された１本以上の垂直信号線の分割位置とは、行方向において互いに異なっていてもよい。

このように構成された固体撮像装置であっても、列方向に隣り合う２つの画素２Ｂａ、２Ｂｂが１つの出力を有することにより、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。

以上、本開示の固体撮像装置について上記実施の形態に基づいて説明してきたが、本開示の固体撮像装置は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本開示の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示の固体撮像装置を内蔵した各種機器も本開示に含まれる。

例えば、上記実施の形態では、垂直信号線の分割位置は、互いに隣接する一の画素行（例えば、（ｎ＋５）行）と他の画素行（例えば、（ｎ＋６）行）との間であったが、当該分割位置はこれに限らず、当該一の画素行内又は当該他の画素行内であってもよい。つまり、垂直信号線の分割位置は、当該一の画素行から出力される画素信号と当該他の画素行から出力される画素信号とが、分割後の同一の垂直信号線に出力されないような位置であればよい。

また、上記実施の形態では、各トランジスタがＮＭＯＳトランジスタである例について説明したが、各トランジスタはＰＭＯＳトランジスタであってもよい。

また、上記実施の形態では、列読出し回路が増幅回路を持たない例について説明したが、列読出し回路は増幅回路を備えてもよい。

本開示に係る固体撮像装置は、例えば、一眼レフデジタルカメラ、高級コンパクトデジタルカメラなど高画質、高速撮影が求められる撮像機器向けイメージセンサとして有用である。

１，１Ａ，１Ｂ，９０１ 画素部
２，２ａ，２ｂ，２Ｂ，２Ｂａ，２Ｂｂ，９０２ 画素
３ 行選択回路
４，４Ａ，４Ｂ 列読出し回路
５，５Ａ，５Ｂ，９０５ 列ＡＤＣ
６，６Ａ，６Ｂ，９０６ デジタル平均部
１０，１０ａ，１０ｂ フォトダイオード（ＰＤ）
１０Ａ 光電変換膜
１１，１１ａ，１１ｂ 転送トランジスタ
１２ フローティングディフュージョン（ＦＤ）
１３ リセットトランジスタ
１４ 増幅トランジスタ
１５ 選択トランジスタ
１６ 電源線
１８，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，９１８ａ，９１８ｂ 垂直信号線
２２ 画素電流源トランジスタ
２４ クランプ容量
２５ クランプトランジスタ
２８ Ｓ／Ｈ容量入力トランジスタ
２９ Ｓ／Ｈ容量
３２ コンパレータ
３３ ランプ波形生成回路
３４ ラッチ信号
３５ ラッチ
３６ カウンタ
１００，１００Ａ，１００Ｂ，９００ 固体撮像装置
１０１ シリコン基板
１０２ 配線層
１０３ 支持基板
１１１ 回路部
１１２ 回路素子
１１３ 電荷読出し部

Claims (8)

1. 受光量に応じた画素信号を出力する画素が行列状に複数個配列されている画素部と、
   前記画素部周辺の上部及び下部に配置され、当該画素部から出力された前記画素信号を読み出す複数の列読出し回路とを備え、
   前記画素部の各列には、１本以上の垂直信号線が配置されており、かつ、各垂直信号線は前記画素部の上領域と下領域との間で２つの部分に分割されており、
   各列の複数の前記画素から出力された画素信号は、当該列に配置された前記１本以上の垂直信号線の前記２つの部分を含む２本以上の垂直信号線の部分を介して前記複数の列読出し回路に読み出され、
   前記画素部に配置された複数の前記垂直信号線のうち一の垂直信号線の分割位置と、他の一の垂直信号線の分割位置とは、行方向において互いに異なる、
   固体撮像装置。
2. 前記画素部の各列には、２本以上の垂直信号線が配置されており、
   各列の複数の前記画素から出力された画素信号は、当該列に配置された２本以上の垂直信号線の部分を介して前記複数の列読出し回路に読み出され、
   各列に配置された２本以上の垂直信号線のうち一の垂直信号線の分割位置と、他の一の垂直信号線の分割位置とは、行方向において互いに異なる、
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記画素部の各列には、行方向において分割位置が互いに異なる複数の垂直信号線からなる垂直信号線組が複数配置されており、
   各列の複数の前記画素から出力された画素信号は、当該列に配置された複数の垂直信号線組を介して前記複数の列読出し回路に読み出される、
   請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 列方向に隣り合う２つの画素は、前記画素信号を出力するための選択トランジスタを共有し、
   各列の複数の前記画素から出力された画素信号は、当該列に隣り合う列に配置された前記１本以上の垂直信号線を介して読み出され、
   各列に配置された前記１本以上の垂直信号線の分割位置と、当該列に隣り合う列に配置された前記１本以上の垂直信号線の分割位置とは、行方向において互いに異なる、
   請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 前記画素部の各列には、当該列及び当該列に隣り合う列で共有される１本の垂直信号線が配置されており、
   隣り合う列に配置された２本の垂直信号線の分割位置は、行方向において互いに異なる、
   請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記固体撮像装置は、全画素の画素信号を独立に読み出す駆動モードであるフルスキャンモードと、複数の画素から出力された複数の前記画素信号を混合して読み出す駆動モードである混合モードとを有する、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記画素部には、赤色の光に基づいて前記画素信号を出力する赤色画素、青色の光に基づいて前記画素信号を出力する青色画素、及び、緑色の光に基づいて前記画素信号を出力する緑色画素がベイヤー配置されており、
   前記垂直信号線は、前記赤色画素を含む複数の行から出力された画素信号の混合後の重心と前記青色画素を含む行から出力された画素信号の混合後の重心との位置関係に応じた位置で分割されている、
   請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 前記垂直信号線は、前記赤色画素を含む複数の行から出力された画素信号の混合後の重心と前記青色画素を含む複数の行から出力された画素信号の混合後の重心とが等ピッチになるような位置で分割されている、
   請求項７に記載の固体撮像装置。

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