JP6457822B2 - 光電変換装置及び撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置及び撮像システムに関する。

一般に、光電変換装置には、感度が高いことや入射光量に対する信号出力範囲（ダイナミックレンジ）が広いことが求められている。

特許文献１には、撮像領域に配置された複数の単位画素のそれぞれに光電変換部と一対の転送素子とを設け、垂直方向に隣り合う２つの単位画素の間で電荷保持部を共有した光電変換装置が記載されている。そして、この２つの単位画素の光電変換部の一方から長時間蓄積に基づく信号電荷を、他方から短時間蓄積に基づく信号電荷を、電荷保持部に同時に読み出すことで、入射光量に対する信号出力範囲の拡大を図っている。

特許文献２には、一対の光電変換部に対して電荷保持部とリセット部とを共有化した単位画素を有する光電変換装置が記載されている。特許文献１及び特許文献２に記載の光電変換装置によれば、２つの光電変換部に蓄積された信号電荷を１つの電荷保持部に読み出すことで、入射光量に対する信号振幅を拡大することができる。

特開２００６−０４１８６６号公報 特開２０１２−０４９９０４号公報

特許文献１および特許文献２の技術では、同一の電荷保持部に対し、１つのみの光電変換部から信号電荷を読み出す場合と、複数の光電変換部から信号電荷を読み出す場合との両方において、信号電荷が読み出される。そのため、当該電荷保持部は、１つのみの光電変換部から信号電荷を読み出す場合と、複数の光電変換部から信号電荷を読み出す場合の両方に対応できるように設計する制約があった。例えば、当該電荷保持部の容量値を、複数の光電変換部の読み出しに対応できるように容量値を大きくした場合には、１つのみの光電変換部から信号を読み出す場合において感度が不足する。一方、１つのみの光電変換部からの信号を読み出す場合に、高い感度が得られるように当該電荷保持部の容量値を小さくした場合には、複数の光電変換部の読み出しにおいて、少ない光量でも飽和しやすくなる。

本発明の目的は、感度の向上と入射光量に対する信号出力範囲の拡大との両立を容易に実現しうる光電変換装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、より高精細な画像の取得が可能な撮像システムを提供することにある。

本発明の一観点によれば、複数の光電変換部と、複数の電荷保持部と、を有する単位画素セルを備え、前記単位画素セルは、各々が前記複数の光電変換部の一部である、第１光電変換部及び第２光電変換部と、各々が前記複数の電荷保持部の一部である、第１電荷保持部、第２電荷保持部及び第３電荷保持部と、前記第１光電変換部と前記第１電荷保持部との間の電気的経路に設けられた第１転送部と、前記第１光電変換部と前記第３電荷保持部との間の電気的経路に設けられた第２転送部と、前記第２光電変換部と前記第２電荷保持部との間の電気的経路に設けられた第３転送部と、前記第２光電変換部と前記第３電荷保持部との間の電気的経路に設けられた第４転送部と、を有し、前記第１電荷保持部、前記第２電荷保持部及び前記第３電荷保持部に対して接続可能な全ての光電変換部の個数が、前記第１電荷保持部、前記第２電荷保持部及び前記第３電荷保持部の個数である３よりも少ない光電変換装置が提供される。
また、本発明の他の一観点によれば、第１光電変換部と、前記第１光電変換部に接続された第１転送部及び第２転送部と、前記第１転送部に接続され、前記第１光電変換部で生成された信号電荷が転送される第１電荷保持部と、第２光電変換部と、前記第２光電変換部に接続された第３転送部及び第４転送部と、前記第３転送部に接続され、前記第２光電変換部で生成された信号電荷が転送される第２電荷保持部と、前記第２転送部及び前記第４転送部に接続され、前記第１光電変換部で生成された信号電荷及び前記第２光電変換部で生成された信号電荷が転送される第３電荷保持部とを有する単位画素セルを有し、前記第１電荷保持部の第１の容量及び前記第２電荷保持部の第２の容量は、前記第３電荷保持部の第３の容量よりも小さい光電変換装置が提供される。

本発明によれば、感度の向上と入射光量に対する信号出力範囲の拡大との両立を容易に実現することができる。

本発明の第１実施形態による光電変換装置を構成する単位画素セルの概略図である。 本発明の第１実施形態による光電変換装置の単位画素セルの具体的な構成例を示す等価回路図である。 本発明の第２実施形態による光電変換装置を構成する単位画素セルの概略図である。 本発明の第３実施形態による光電変換装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態による光電変換装置の画素部の構成例を示す概略図である。 本発明の第４実施形態による焦点位置検出装置の構成例を示す概略図である。 本発明の第４実施形態による光電変換装置の構成例を示す平面図である。 本発明の第５実施形態による撮像システムの構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態による光電変換装置、撮像システムを説明する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による光電変換装置及びその駆動方法について、図１及び図２を用いて説明する。

図１は、本実施形態による光電変換装置を構成する単位画素セルの概略図である。図２は、本実施形態による光電変換装置の単位画素セルの具体的な構成例を示す等価回路図である。

はじめに、本実施形態による光電変換装置の構造について、図１及び図２を用いて説明する。

本実施形態による光電変換装置は、図１に示す単位画素セル１００を含む。単位画素セル１００は、図１に示すように、第１画素１１０と、第２画素１２０とを含む。第１画素１１０は、第１光電変換部１１１と、第１転送部１１２と、第２転送部１１３と、第１電荷保持部１１４と、第１信号出力部１１５とを備えている。第２画素１２０は、第２光電変換部１２１と、第３転送部１２２と、第４転送部１２３と、第２電荷保持部１２４と、第２信号出力部１２５とを備えている。単位画素セル１００は、また、第１画素１１０と第２画素１２０とで共有された第３電荷保持部１２６と、第３信号出力部１２７とを更に備えている。

第１光電変換部１１１は長方形の形状を有しており、その対向する短辺にそれぞれ第１転送部１１２及び第２転送部１１３が配置されている。第１光電変換部１１１は、第１転送部１１２を介して第１電荷保持部１１４に、第２転送部１１３を介して第３電荷保持部１２６に、それぞれ接続されている。第１電荷保持部１１４は、第１信号出力部１１５に接続されている。

同様に、第２光電変換部１２１は長方形の形状を有しており、その対向する短辺にそれぞれ第３転送部１２２及び第４転送部１２３が配置されている。第２光電変換部１２１は、第３転送部１２２を介して第２電荷保持部１１４に、第４転送部１２３を介して第３電荷保持部１２６に、それぞれ接続されている。第２電荷保持部１２４は、第２信号出力部１２５に接続されている。

第２転送部１１３と第４転送部１２３とは、第３電荷保持部１２６を挟んで対向するように配置されている。第３電荷保持部１２６は、第３信号出力部１２７に接続されている。

第１光電変換部１１１及び第２光電変換部１２１は、入射光量に応じた信号電荷を生成し、蓄積するように構成されている。第１転送部１１２は、所定の動作により、第１光電変換部１１１に蓄積された信号電荷を第１電荷保持部１１４に転送するように構成されている。第１信号出力部１１５は、第１電荷保持部１１４に保持された信号電荷の量に応じた電気信号（画素信号）を出力するように構成されている。同様に、第３転送部１２２は、所定の動作により、第２光電変換部１２１に蓄積された信号電荷を第２電荷保持部１２４に転送するように構成されている。第２信号出力部１２５は、第２電荷保持部１２４に保持された信号電荷の量に応じた電気信号（画素信号）を出力するように構成されている。

また、第２転送部１１３は、所定の動作により、第１光電変換部１１１に蓄積された信号電荷を第３電荷保持部１２６に転送するように構成されている。同様に、第４転送部１２３は、所定の動作により、第２光電変換部１２１に蓄積された信号電荷を第３電荷保持部１２６に転送するように構成されている。そして、第３信号出力部１２７は、第３電荷保持部１２６に保持された信号電荷の量に応じた電気信号（画素信号）を出力するように構成されている。

図２は、図１に示した単位画素セル１００の具体的な構成例を示した等価回路図である。

図２において、フォトダイオード２００は、第１光電変換部１１１に相当する。フォトダイオード２００のカソードは、電源電圧線ＶＤＤに接続されている。フォトダイオード２００のアノードは、第１転送部１１２を構成する転送トランジスタ２０２のソース及び第２転送部１１３を構成する転送トランジスタ２０３のソースに接続されている。増幅トランジスタ２０６、選択トランジスタ２０９及びリセットトランジスタ２１２は、第１信号出力部１１５を構成する。転送トランジスタ２０２のドレインは、増幅トランジスタ２０６のゲート及びリセットトランジスタ２１２のドレインに接続されている。増幅トランジスタ２０６のドレインは、電源電圧線ＶＤＤに接続されている。増幅トランジスタ２０６のソースは、選択トランジスタ２０９のドレインに接続されている。リセットトランジスタ２１２のソースは、リセット電圧線ＶＲＥＳに接続されている。転送トランジスタ２０２のドレインと、増幅トランジスタ２０６のゲートと、リセットトランジスタ２１２のドレインとの接続ノードは、第１電荷保持部１１４を構成する。図２には、第１電荷保持部１１４を、接地電圧線との間に形成された容量Ｃ_ＦＤ１で表している。容量Ｃ_ＦＤ１は、第１信号出力部１１５から見た第１電荷保持部１１４の容量である。

同様に、フォトダイオード２０１は、第２光電変換部１２１に相当する。フォトダイオード２０１のカソードは、電源電圧線ＶＤＤに接続されている。フォトダイオード２０１のアノードは、第３転送部１２２を構成する転送トランジスタ２０４のソース及び第４転送部１２３を構成する転送トランジスタ２０５のソースに接続されている。増幅トランジスタ２０７、選択トランジスタ２１０及びリセットトランジスタ２１３は、第２信号出力部１２５を構成する。転送トランジスタ２０４のドレインは、増幅トランジスタ２０７のゲート及びリセットトランジスタ２１３のドレインに接続されている。増幅トランジスタ２０７のドレインは、電源電圧線ＶＤＤに接続されている。増幅トランジスタ２０７ソースは、選択トランジスタ２１０のドレインに接続されている。リセットトランジスタ２１３のソースは、リセット電圧線ＶＲＥＳに接続されている。転送トランジスタ２０４のドレインと、増幅トランジスタ２０７のゲートと、リセットトランジスタ２１３のドレインとの接続ノードは、第２電荷保持部１２４を構成する。図２には、第２電荷保持部１２４を、接地電圧線との間に形成された容量Ｃ_ＦＤ２で表している。容量Ｃ_ＦＤ２は、第２信号出力部１２５から見た第２電荷保持部１２４の容量である。

増幅トランジスタ２０８、選択トランジスタ２１１及びリセットトランジスタ２１４は、第３信号出力部１２７を構成する。転送トランジスタ２０３，２０５のドレインは、増幅トランジスタ２０８のゲート及びリセットトランジスタ２１４のドレインに接続されている。増幅トランジスタ２０８のドレインは、電源電圧線ＶＤＤに接続されている。増幅トランジスタ２０８のソースは、選択トランジスタ２１１のドレインに接続されている。リセットトランジスタ２１４のソースは、リセット電圧線ＶＲＥＳに接続されている。転送トランジスタ２０３，２０５のドレインと、増幅トランジスタ２０８のゲートと、リセットトランジスタ２１４のドレインとの接続ノードは、第３電荷保持部１２６を構成する。図２には、第３電荷保持部１２６を、接地電圧線との間に形成された容量Ｃ_ＦＤ３で表している。容量Ｃ_ＦＤ３は、第３信号出力部１２７から見た第３電荷保持部１２６の容量である。ここで、第１電荷保持部１１４の容量Ｃ_ＦＤ１及び第２電荷保持部１２４の容量Ｃ_ＦＤ２の各々が、第３電荷保持部１２６の容量Ｃ_ＦＤ３よりも小さくなるように構成されている。

転送トランジスタ２０２，２０３，２０４，２０５のゲートは、制御線ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３，ＴＸ４に、それぞれ接続されている。これにより、制御線ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３，ＴＸ４に印加する制御信号ＰＴＸ１，ＰＴＸ２，ＰＴＸ３，ＰＴＸ４により、対応する転送トランジスタ２０２，２０３，２０４，２０５を駆動できるようになっている。

選択トランジスタ２０９，２１０，２１１のゲートは、制御線ＳＥＬ１，ＳＥＬ２，ＳＥＬ３にそれぞれ接続されている。これにより、制御線ＳＥＬ１，ＳＥＬ２，ＳＥＬ３に印加する制御信号ＰＳＥＬ１，ＰＳＥＬ２，ＰＳＥＬ３により、対応する選択トランジスタ２０９，２１０，２１１を駆動できるようになっている。

リセットトランジスタ２１２，２１３，２１４のゲートは、制御線ＲＥＳ１，ＲＥＳ２，ＲＥＳ３にそれぞれ接続されている。これにより、制御線ＲＥＳ１，ＲＥＳ２，ＲＥＳ３に印加する制御信号ＰＲＥＳ１，ＰＲＥＳ２，ＰＲＥＳ３により、対応するリセットトランジスタ２１２，２１３，２１４を駆動できるようになっている。

選択トランジスタ２０９，２１０，２１１のソースは、信号出力線２２１に接続されている。信号出力線２２１には、定電流回路２３０が接続されている。

なお、図１は、各部分の接続関係を模式的に示したものである。また、図２は、各部分を構成する回路の一例を示したものである。各部分の配置や構成は、図１及び図２に示したものに限定されるものではない。例えば、第１電荷保持部１１４、第２電荷保持部１２４、第３電荷保持部１２６は、不純物拡散領域として形成され、メタル配線を介して増幅トランジスタ２０６，２０７，２０８のゲートに電気的に接続する構成を取りうる。また、第３電荷保持部１２６は、一つの領域として示されているが、必ずしも連続する一つの領域である必要はなく、分割された領域が配線によって電気的に接続されていてもよい。

また、トランジスタのソースとドレインの呼称は、トランジスタの導電型や着目する機能等に応じて異なることもあり、上述のソース及びドレインの全部又は一部が逆の名称で呼ばれることもある。

次に、本実施形態による光電変換装置の動作について、図１及び図２を用いて説明する。

図示しない制御部から制御線ＲＥＳ１にＬｏｗレベルの制御信号ＰＲＥＳ１が出力されると、リセットトランジスタ２１２がオン状態となり、第１電荷保持部１１４がリセットトランジスタ２１２を介してリセット電圧線ＶＲＥＳに接続される。これにより、第１電荷保持部１１４がリセットレベルの電位にリセットされる。この際、制御部から制御線ＴＸ１にＬｏｗレベルの制御信号ＰＴＸ１を出力して転送トランジスタ２０２をオン状態にすれば、フォトダイオード２００をリセットレベルの電位にリセットすることも可能である。

第１光電変換部１１１であるフォトダイオード２００に光が入射すると、フォトダイオード２００における光電変換によって、入射光量に応じた信号電荷が生成される。生成された信号電荷は、フォトダイオード２００に蓄積される。同様に、第２光電変換部１２１であるフォトダイオード２０１に光が入射すると、フォトダイオード２０１における光電変換によって、入射光量に応じた信号電荷が生成される。生成された信号電荷は、フォトダイオード２０１に蓄積される。

制御部から制御線ＴＸ１にＬｏｗレベルの制御信号ＰＴＸ１が出力されると、転送トランジスタ２０２がオン状態となり、フォトダイオード２００に蓄積されていた信号電荷（本実施形態の例では正孔）が第１電荷保持部１１４に転送される。これにより、第１電荷保持部１１４は容量Ｃ_ＦＤ１及び転送された信号電荷の量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタ２０６のゲートに印加される。

この状態で、制御部から制御線ＳＥＬ１にＨｉｇｈレベルの制御信号ＰＳＥＬ１が出力されると、選択トランジスタ２０９がオン状態となり、増幅トランジスタ２０６のソースが選択トランジスタ２０９を介して信号出力線２２１に接続される。これにより、増幅トランジスタ２０６は、選択トランジスタ２０９及び信号出力線２２１を介して定電流回路２３０からソースにバイアス電流が供給された状態となり、ソースフォロワ回路を構成する。そしてこれによって、第１電荷保持部１１４に転送された信号電荷の量に応じた画素信号が、選択トランジスタ２０９を介して信号出力線２２１に出力される。

また、制御部から制御線ＴＸ３にＬｏｗレベルの制御信号ＰＴＸ３が出力されると、転送トランジスタ２０４がオン状態となり、フォトダイオード２０１に蓄積されていた信号電荷が第２電荷保持部１２４に転送される。これにより、第２電荷保持部１２４は容量Ｃ_ＦＤ２及び転送された信号電荷の量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタ２０７のゲートに印加される。

この状態で、制御部から制御線ＳＥＬ２にＨｉｇｈレベルの制御信号ＰＳＥＬ２が出力されると、選択トランジスタ２１０がオン状態となり、増幅トランジスタ２０７のソースが選択トランジスタ２１０を介して信号出力線２２１に接続される。これにより、増幅トランジスタ２０７は、選択トランジスタ２１０及び信号出力線２２１を介して定電流回路２３０からソースにバイアス電流が供給された状態となり、ソースフォロワ回路を構成する。そしてこれによって、第２電荷保持部１２４に転送された信号電荷の量に応じた画素信号が、選択トランジスタ２１０を介して信号出力線２２１に出力される。

或いは、制御部から制御線ＴＸ２，ＴＸ４にＬｏｗレベルの制御信号ＰＴＸ２，ＰＴＸ４が出力されると、転送トランジスタ２０３，２０５がオン状態となり、フォトダイオード２００，２０１に蓄積されていた信号電荷が第３電荷保持部１２６に転送される。これにより、第３電荷保持部１２６は容量Ｃ_ＦＤ３及び転送された信号電荷の量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタ２０８のゲートに印加される。

この状態で、制御部から制御線ＳＥＬ３にＨｉｇｈレベルの制御信号ＰＳＥＬ３が出力されると、選択トランジスタ２１１がオン状態となり、増幅トランジスタ２０８のソースが選択トランジスタ２１１を介して信号出力線２２１に接続される。これにより、増幅トランジスタ２０８は、選択トランジスタ２１１及び信号出力線２２１を介して定電流回路２３０からソースにバイアス電流が供給された状態となり、ソースフォロワ回路を構成する。そしてこれによって、第３電荷保持部１２６に転送された信号電荷の量に応じた画素信号が、選択トランジスタ２１１を介して信号出力線２２１に出力される。

ここで、本実施形態による光電変換装置では、前述のように、容量Ｃ_ＦＤ１及び容量Ｃ_ＦＤ２が、容量Ｃ_ＦＤ３よりも小さくなるように、第１電荷保持部１１４、第２電荷保持部１２４及び第３電荷保持部１２６が構成されている。このため、フォトダイオード２００に蓄積された信号電荷を第１信号出力部１１５から出力する場合、第３信号出力部１２７から出力する場合と比較して変換効率が高くなり、より高感度での撮像が可能となる。フォトダイオード２０１に蓄積された信号電荷を第２信号出力部１２５から出力する場合も同様である。

第３電荷保持部１２６のように電荷保持部を複数の画素で共有する場合、接続される素子数やレイアウトの都合上、この電荷保持部に寄生する容量を小さくするのには限界がある。この点、本実施形態による光電変換装置では、光電変換部に２つの転送部を設け、それぞれに接続して、画素毎に独立した電荷保持部と２つの画素で共有される電荷保持部とを設けている。画素毎に独立した電荷保持部の容量は、複数の画素で共有する電荷保持部の容量よりも容易に小さくすることができるため、複数の画素で共有される電荷保持部のみで構成した場合よりも容易に電荷保持部の容量を小さくすることができる。これにより、より高感度の撮像が可能となり、光電変換装置の低照度環境下における性能を向上することが可能となる。

一方、フォトダイオード２００に蓄積された信号電荷を第３信号出力部１２７から出力する場合には、容量Ｃ_ＦＤ３が容量Ｃ_ＦＤ１よりも大きいため、第１信号出力部１１５から出力する場合よりも入射光量に対する画素信号出力範囲を広げることができる。これにより、光電変換装置の高照度環境下に対する性能を向上することが可能となる。フォトダイオード２０１に蓄積された信号電荷を第３信号出力部１２７から出力する場合も同様である。また、第３信号出力部１２７からは、フォトダイオード２００に蓄積された信号電荷とフォトダイオード２０１に蓄積された信号電荷とを合算した画素信号を出力することもできるため、光電変換装置の高速化や高機能化を図ることも可能となる。

このように、本実施形態では、光電変換部に２つの転送部を設け、それぞれに接続して、画素毎に独立した電荷保持部と、２つの画素で共有される電荷保持部とを設けている。これにより、独立した電荷保持部の容量を、２つの画素で共有される電荷保持部の容量よりも小さくすることができ、感度の向上と、入射光量に対する信号出力範囲の拡大との両立を図ることができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による光電変換装置について、図３を用いて説明する。図１及び図２に示す第１実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図３は、本実施形態による光電変換装置を構成する単位画素セルの概略図である。

本実施形態による光電変換装置は、図３に示すように、第１画素１１０と第２画素１２０との配置関係が、図１に示す第１実施形態による光電変換装置とは異なっている。

すなわち、第１実施形態による光電変換装置において、第１画素１１０と第２画素１２０とは、第１方向に隣接して、第１方向と交差する第２方向の同じ位置に配置されている。ここで、第１方向は、図面において縦方向、一例では垂直方向或いは列方向である。また、第２方向は、図面において横方向、一例では水平方向或いは行方向である。第１方向と第２方向とは、典型例では直交する関係にある。

これに対し、本実施形態による光電変換装置において、第１画素１１０と第２画素１２０とは、第１方向に隣接した位置から第２方向に互いに半ピッチずれるように配置されている。なお、第１画素１１０と第２画素１２０とを第２方向に互いに半ピッチずれるように配置することは、第１光電変換部１１１と第２光電変換部１２１とが第１方向に沿って配置された位置から第２方向に互いに半ピッチずらして配置されることを意味する。

第１画素１１０と第２画素１２０とをこのような配置とすることで、第２光電変換部１２１の第２方向の位置は、第２方向に隣接する２つの第１光電変換部１１１の間の位置となる。つまり、第２方向に沿って見ると、半ピッチおきに第１光電変換部１１１と第２光電変換部１２１とが交互に配置された状態となる。したがって、１ピッチおきに第１光電変換部１１１及び第２光電変換部１２１が配置された第１実施形態の光電変換装置と比較して、第２方向の解像度を向上することができる。

また、第１方向に隣接する画素を第２方向に互いに半ピッチずれるように配置し、且つ、これら画素において電荷保持部を共有するような構成とした場合、この電荷保持部の容量は、レイアウトの都合上大きくせざるを得ない。しかしながら、本実施形態による光電変換装置では、第３電荷保持部とは別に、第１電荷保持部１１４及び第２電荷保持部１２４を独立した電荷保持部として形成するため、これら電荷保持部の容量は小さくすることができ、感度の向上を図ることが可能である。

このように、本実施形態によれば、第１画素と第２画素とを第２方向に半ピッチずらして配置するので、感度を低下することなく第２方向の解像度を向上することができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による光電変換装置について、図４及び図５を用いて説明する。図１乃至図３に示す第１及び第２実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図４は、本実施形態による光電変換装置のブロック図である。図５は、本実施形態による光電変換装置の画素部の構成例を示す概略図である。

はじめに、本実施形態による光電変換装置の構造について、図４及び図５を用いて説明する。

本実施形態による光電変換装置１は、図４に示すように、センサ部２と、制御部３とを有している。センサ部２は、複数の単位画素セル１００が２次元アレイ状に配置された画素部２１と、信号処理部２３とを有している。信号処理部２３は、信号処理回路２４と、走査回路２５とを有している。

画素部２１は、各画素に入射した光をその光量に応じた電気信号に変換することにより得た画素信号を、信号処理部２３に伝達するように構成されている。信号処理回路２４は、画素部２１から伝達された画素信号に対して所定の信号処理を行い、処理後の画素信号をセンサ信号として保持するように構成されている。信号処理部２３における処理としては、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling）処理や、増幅処理等が挙げられる。走査回路２５は、信号処理回路２４に保持された画素信号に基づくセンサ信号を順次選択し、センサ信号ＳＯＵＴとして出力するように構成されている。制御部３は、センサ部２を駆動するための制御信号を出力するように構成されている。

図５は、図１に示した第１実施形態による光電変換装置の単位画素セル１００により画素部２１を構成した一例である。ここでは、単位画素セル１００を２行３列の行列状に配列した例を示しているが、単位画素セル１００を配列する行数及び列数はこれに限定されるものではない。図５では、説明の便宜上、各単位画素セル１００に対して、行番号及び列番号に対応した符号を付している。例えば、画素セルＰ１２は１行２列目の単位画素セル１００を表し、画素セルＰ２３は２行３列目の単位画素セル１００を表している。

画素部２１内において、第１光電変換部１１１及び第２光電変換部１２１は、それらの中心が列方向（第１方向）及び行方向（第２方向）に対してそれぞれ等間隔になるように配置されていることが望ましい。

画素部２１には、行方向に延在して、複数の制御線ＴＸ１１，ＴＸ１２，ＴＸ１３，ＴＸ１４，ＴＸ２１，ＴＸ２２，ＴＸ２３，ＴＸ２４が配されている。制御線ＴＸ１１，ＴＸ１２，ＴＸ１３，ＴＸ１４，ＴＸ２１，ＴＸ２２，ＴＸ２３，ＴＸ２４はそれぞれ、行方向に並ぶ画素セルに共通の信号線をなしている。制御線ＴＸ１１〜ＴＸ１４及び制御線ＴＸ２１〜ＴＸ２４は、転送部を制御するための制御線であり、図２の制御線ＴＸ１〜ＴＸ４にそれぞれ対応している。すなわち、制御線ＴＸ１１，ＴＸ１２，ＴＸ１３，ＴＸ１４はそれぞれ、画素セルＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３の第１転送部１１２、第２転送部１１３、第３転送部１２２及び第４転送部１２３に接続されている。また、制御線ＴＸ２１，ＴＸ２２，ＴＸ２３，ＴＸ２４はそれぞれ、画素セルＰ２１，Ｐ２２，Ｐ２３の第１転送部１１２、第２転送部１１３、第３転送部１２２及び第４転送部１２３に接続されている。制御線ＴＸ１１〜ＴＸ１４及びＴＸ２１〜ＴＸ２４は、制御部３に接続されている。制御部３から各制御線ＴＸ１１〜ＴＸ１４及びＴＸ２１〜ＴＸ２４に所定のタイミングで所定の制御信号を出力することにより、各画素セルの光電変換部に蓄積された信号電荷の転送動作が行われる。

また、画素部２１には、列方向に延在して、複数の信号出力線２２１，２２２，２２３が配されている。信号出力線２２１，２２２，２２３はそれぞれ、列方向に並ぶ画素セルに共通の信号線をなしている。すなわち、信号出力線２２１は、画素セルＰ１１，Ｐ２１の第１信号出力部１１５、第２信号出力部１２５及び第３信号出力部１２７に接続されている。また、信号出力線２２２は、画素セルＰ１２，Ｐ２２の第１信号出力部１１５、第２信号出力部１２５及び第３信号出力部１２７に接続されている。また、信号出力線２２３は、画素セルＰ１３，Ｐ２３の第１信号出力部１１５、第２信号出力部１２５及び第３信号出力部１２７に接続されている。

次に、本実施形態による光電変換装置の動作について、図４及び図５を用いて説明する。本実施形態による光電変換装置の駆動方法としては、例えば、以下の２つの駆動方法が挙げられる。

第１の駆動方法では、制御部３から、行毎に、第１転送部１１２に接続された制御線と、第３転送部１２２に接続された制御線とに、順次、制御信号を出力する。例えば図５の例では、制御線ＴＸ１１，ＴＸ１３，ＴＸ２１，ＴＸ２３に順次、制御信号を出力する。そして、行毎に、第１電荷保持部１１４に転送された信号電荷及び第２電荷保持部１２４に転送された信号電荷を、第１信号出力部１１５及び第２信号出力部１２５を介して順次、画素信号として信号出力線２２１，２２２，２２３へ出力する。これにより、第１光電変換部１１１に蓄積された信号電荷に基づく画素信号と、第２光電変換部１２１に蓄積された信号電荷に基づく画素信号とを、行毎に順次、読み出すことができる。第１実施形態において説明したように、第１光電変換部１１１及び第２光電変換部１２１に蓄積された信号電荷に基づく画素信号を第１信号出力部１１５及び第２信号出力部１２５から出力することにより、高感度の撮像が可能である。

また、第２の駆動方法では、制御部３から、行毎に、第２転送部１１３に接続された信号線と第４転送部１２３に接続された信号線とに、同時に制御信号を出力する。例えば図５の例では、制御線ＴＸ１２，ＴＸ１４と、制御線ＴＸ２２，ＴＸ２４とに、順次、制御信号を出力する。そして、行毎に、第３電荷保持部１２６に転送された信号電荷を、第３信号出力部１２７を介して、画素信号として信号出力線２２１，２２２，２２３へ出力する。これにより、第１光電変換部１１１に蓄積された信号電荷に基づく画素信号と第２光電変換部１２１に蓄積された信号電荷に基づく画素信号とを合算して、行毎に順次、読み出すことができる。第１光電変換部１１１及び第２光電変換部１２１に蓄積された信号電荷に基づく画素信号を第３信号出力部１２７出力することにより、入射光量に対する信号出力範囲を拡大することができる。

このように、本実施形態の光電変換装置では、光電変換部に２つの転送部を設け、これら転送部に接続して、画素毎に独立した電荷保持部と、２つの画素で共有される電荷保持部とを設けた単位画素セルを二次元アレイに配置している。これにより、感度の向上やダイナミックレンジの拡大が可能となり、低照度環境下や高照度環境下においても高品質の画像を取得することができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による光電変換装置及び焦点位置検出装置について、図６及び図７を用いて説明する。図１乃至図５に示す第１乃至第３実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図６は、本実施形態による焦点位置検出装置の構成例を示す概略図である。図７は、本実施形態による光電変換装置の構成例を示す平面図である。

本実施形態では、第３実施形態による光電変換装置を焦点位置検出装置に適用した例について説明する。

本実施形態による焦点位置検出装置は、図６に示すように、光電変換装置１と、撮像レンズ１０と、二次結像レンズ１１，１２とを有している。光電変換装置１は、例えば第３実施形態による光電変換装置であり、複数の単位画素セル１００を有している。

被写体１３から撮像レンズ１０を通して入射される被写体像は、２つの二次結像レンズ１１，１２により２つの像に分離され、光電変換装置１の異なる領域にそれぞれ入射するようになっている。これにより、光電変換装置１からは、２つの被写体像に対応した２つの被写体信号を得ることができ、それらの間隔を計測することで撮像面１４に対する焦点のずれを計測することができる。そして、焦点のずれの計測値に基づき撮像レンズ１０の位置を動かすことで、被写体像を撮像面１４において合焦させることが可能となる。

図７は、焦点位置検出装置に適用する光電変換装置１の具体的な構成例を示している。

光電変換装置１は、センサ部３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８と、制御部３とを有している。各センサ部３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８の構成は、図４に示した第３実施形態による光電変換装置のセンサ部２と同様である。センサ部３１，３２，３５，３６，３７，３８は、例えば、第１方向が水平方向（図面において横方向）と平行になり、第２方向が垂直方向（図面において縦方向）と平行になるように配置することができる。また、センサ部３３，３４は、第１方向が垂直方向と平行になり、第２方向が水平方向と平行になるように配置することができる。

センサ部３１とセンサ部３２はセンサ対４１を構成し、センサ部３３とセンサ部３４はセンサ対４２を構成し、センサ部３５とセンサ部３６はセンサ対４３を構成し、センサ部３７とセンサ部３８はセンサ対４４を構成している。各センサ対４１，４２，４３，４４には、図６に示すような二次結像レンズ１１、１２によって２つに分けられた被写体像がそれぞれ入射されるように配置されている。これにより、各センサ対４１，４２，４３，４４からそれぞれ被写体１３に対する距離情報を取得することができる。

このように、本実施形態による焦点位置検出装置の光電変換装置１には、オートフォーカス（ＡＦ）センサのセンサ部に、第３実施形態による光電変換装置のセンサ部２を適用している。これにより、感度の向上やダイナミックレンジの拡大が可能となり、低照度環境下に対する焦点検出精度、高照度環境下に対する焦点検出精度を向上することが可能となる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による撮像システムについて、図８を用いて説明する。図１乃至図７に示す第１乃至第４実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図８は、本実施形態による撮像システムの構成例を示すブロック図である。

はじめに、本実施形態による撮像システムの構造について、図８を用いて説明する。

本実施形態による撮像システム９００は、図８に示すように、バリア９０１と、レンズ９０２と、絞り９０３と、固体撮像装置９０４と、ＡＦセンサ９０５とを有している。レンズ９０２は、被写体の光学像を結像するための光学系である。バリア９０１は、レンズ９０２のプロテクトを行うものである。絞り９０３は、レンズ９０２を通過する光の光量を調整するためのものである。固体撮像装置９０４は、レンズで結像された被写体の光学像を画像信号として取得するためのものである。ＡＦセンサ９０５は、これまでの実施形態で説明した光電変換装置を用いた焦点位置検出装置である。

また、撮像システム９００は、アナログ信号処理装置９０６、Ａ／Ｄ変換器９０７、デジタル信号処理部９０８を更に有している。アナログ信号処理装置９０６は、固体撮像装置９０４やＡＦセンサ９０５から出力された信号を処理するためのものである。Ａ／Ｄ変換器９０７は、アナログ信号処理装置９０６から出力された信号をアナログデジタル変換するためのものである。デジタル信号処理部９０８は、Ａ／Ｄ変換器９０７から出力された画像データに対して各種の補正を行い或いはデータを圧縮する処理を行うためのものである。

また、撮像システム９００は、メモリ部９０９、外部Ｉ／Ｆ回路９１０、タイミング発生部９１１、全体制御・演算部９１２、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９１３を更に有している。メモリ部９０９は、画像データを一時記憶するためのものである。外部Ｉ／Ｆ回路９１０は、外部コンピュータ９１５などの外部機器と通信するためのものである。タイミング発生部９１１は、デジタル信号処理部９０８などに各種タイミング信号を出力するためのものである。全体制御・演算部９１２は、各種演算とカメラ全体を制御するためのものである。記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９１３は、取得した画像データを記録し、又は画像データの読み出しを行うための半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体９１４との間でデータのやりとりを行うためのものである。

次に、本実施形態による撮像システムの撮影時における動作について、図８を用いて説明する。

バリア９０１がオープンされると、被写体からの光学像がレンズ９０２及び絞り９０３を介してＡＦセンサ９０５に入射される。全体制御・演算部９１２は、ＡＦセンサ９０５からの出力信号をもとに、前記した位相差検出の手法により被写体までの距離を算出する。その後、全体制御・演算部９１２は、演算結果に基づいてレンズ９０２を駆動し、再び合焦しているか否かを判断し、合焦していないと判断したときには、再びレンズ９０２を駆動するオートフォーカス制御を行う。

次いで、合焦が確認された後に、固体撮像装置９０４による電荷蓄積動作が開始される。固体撮像装置９０４の電荷蓄積動作が終了すると、固体撮像装置９０４から出力された画像信号は、アナログ信号処理装置９０６で所定の処理が行われた後、Ａ／Ｄ変換器９０７でアナログデジタル変換される。アナログデジタル変換された画像信号は、デジタル信号処理部９０８を介して全体制御・演算部９１２によってメモリ部９０９に書き込まれる。

その後、メモリ部９０９に蓄積されたデータは、全体制御・演算部９１２の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９１３を介して記録媒体９１４に記録される。或いは、メモリ部９０９に蓄積されたデータは、外部Ｉ／Ｆ回路９１０を介して、直接に外部コンピュータ９１５などに入力してもよい。

第４実施形態において説明したように、これまでの実施形態に示した光電変換装置を用いてＡＦセンサを構成することにより、低照度環境下に対する焦点検出精度、並びに、高照度環境下に対する焦点検出精度を向上することができる。したがって、このＡＦセンサを用いた本実施形態の撮像システムによれば、より高精度の焦点合わせが可能となり、より高精細な画像を取得することが可能となる。

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記第１実施形態では、信号電荷として正孔を用いた光電変換装置について説明したが、信号電荷として電子を用いた光電変換装置についても同様に適用可能である。

また、図２に示した第１実施形態による光電変換装置の単位画素セル１００の回路構成は、適用可能な画素回路の典型例を示したものであり、本発明の光電変換装置に適用可能な単位画素セル１００の回路構成はこれに限定されるものではない。

また、上記第３実施形態では、第１実施形態による光電変換装置の単位画素セル１００を２次元アレイ状に配列して画素部２１を構成する例を示したが、画素部２１を構成する単位画素セル１００は、これに限定されるものではない。例えば、第２実施形態による光電変換装置の単位画素セル１００を２次元アレイ状に配列して画素部２１を構成するようにしてもよい。

また、上記第４実施形態では、センサ対を４つ設けた焦点位置検出装置を示したが、センサ対の数は、適宜増減することができる。また、センサ対のレイアウトも、図７に示すものに限定されるものではない。

また、第５実施形態では、本発明の光電変換装置によってＡＦセンサ９０５を構成した例を示したが、本発明の光電変換装置によって固体撮像装置９０４を構成するようにしてもよい。

また、第５実施形態に示した撮像システムは、本発明の光電変換装置を適用しうる撮像システムの一例を示したものであり、本発明の光電変換装置を適用可能な撮像システムは図８に示した構成に限定されるものではない。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１００ 単位画素セル
１１０ 第１画素
１１１ 第１光電変換部
１１２ 第１転送部
１１３ 第２転送部
１１４ 第１電荷保持部
１１５ 第１信号出力部
１２０ 第２画素
１２１ 第２光電変換部
１２２ 第３転送部
１２３ 第４転送部
１２４ 第２電荷保持部
１２５ 第２信号出力部
１２６ 第３電荷保持部
１２７ 第３信号出力部

Claims (14)

1. 複数の光電変換部と、複数の電荷保持部と、を有する単位画素セルを備え、
   前記単位画素セルは、
   各々が前記複数の光電変換部の一部である、第１光電変換部及び第２光電変換部と、
   各々が前記複数の電荷保持部の一部である、第１電荷保持部、第２電荷保持部及び第３電荷保持部と、
   前記第１光電変換部と前記第１電荷保持部との間の電気的経路に設けられた第１転送部と、
   前記第１光電変換部と前記第３電荷保持部との間の電気的経路に設けられた第２転送部と、
   前記第２光電変換部と前記第２電荷保持部との間の電気的経路に設けられた第３転送部と、
   前記第２光電変換部と前記第３電荷保持部との間の電気的経路に設けられた第４転送部と、を有し、
   前記第１電荷保持部、前記第２電荷保持部及び前記第３電荷保持部に対して接続可能な全ての光電変換部の個数が、前記第１電荷保持部、前記第２電荷保持部及び前記第３電荷保持部の個数である３よりも少ない
   ことを特徴とする光電変換装置。
2. 第１光電変換部と、
   前記第１光電変換部に接続された第１転送部及び第２転送部と、
   前記第１転送部に接続され、前記第１光電変換部で生成された信号電荷が転送される第１電荷保持部と、
   第２光電変換部と、
   前記第２光電変換部に接続された第３転送部及び第４転送部と、
   前記第３転送部に接続され、前記第２光電変換部で生成された信号電荷が転送される第２電荷保持部と、
   前記第２転送部及び前記第４転送部に接続され、前記第１光電変換部で生成された信号電荷及び前記第２光電変換部で生成された信号電荷が転送される第３電荷保持部と
   を有する単位画素セルを有し、
   前記第１電荷保持部の第１の容量及び前記第２電荷保持部の第２の容量は、前記第３電荷保持部の第３の容量よりも小さい
   ことを特徴とする光電変換装置。
3. 前記第２転送部及び前記第４転送部は、前記第３電荷保持部を挟んで対向するように配置されている
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の光電変換装置。
4. 前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部は、長方形の形状を有し、
   前記第１転送部及び前記第２転送部は、前記第１光電変換部の前記長方形の対向する短辺にそれぞれ配置されており、
   前記第３転送部及び前記第４転送部は、前記第２光電変換部の前記長方形の対向する短辺にそれぞれ配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記単位画素セルは、
   前記第１電荷保持部に転送された信号電荷に応じた電気信号を出力する第１信号出力部と、
   前記第２電荷保持部に転送された信号電荷に応じた電気信号を出力する第２信号出力部と、
   前記第３電荷保持部に転送された信号電荷に応じた電気信号を出力する第３信号出力部と、を更に有する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 前記第１光電変換部と前記第２光電変換部とは、第１方向に沿って配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. 第１方向及び前記第１方向と交差する第２方向に沿って２次元アレイ状に配列された複数の前記単位画素セルを有する
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 前記第１光電変換部と前記第２光電変換部とは、第１方向に沿って配置された位置から、前記第２方向に互いに半ピッチずらして配されている
   ことを特徴とする請求項７記載の光電変換装置。
9. 各々が前記第１方向に延在する複数の信号出力線を有し、
   前記複数の信号出力線のそれぞれは、前記第１方向に配列された複数の前記単位画素セルに接続されている
   ことを特徴とする請求項８記載の光電変換装置。
10. 各々が前記第２方向に延在する、複数の第１制御線、複数の第２制御線、複数の第３制御線及び複数の第４制御線と、
    前記複数の第１制御線、前記複数の第２制御線、前記複数の第３制御線及び前記複数の第４制御線に接続された制御部とを更に有し、
    前記複数の第１制御線のそれぞれは、前記第２方向に配列された複数の前記単位画素セルの前記第１転送部に接続され、
    前記複数の第２制御線のそれぞれは、前記第２方向に配列された複数の前記単位画素セルの前記第２転送部に接続され、
    前記複数の第３制御線のそれぞれは、前記第２方向に配列された複数の前記単位画素セルの前記第３転送部に接続され、
    前記複数の第４制御線のそれぞれは、前記第２方向に配列された複数の前記単位画素セルの前記第４転送部に接続されており、
    前記制御部は、前記第２転送部及び前記第４転送部を同時に駆動するように構成されている
    ことを特徴とする請求項８又は９記載の光電変換装置。
11. 前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部は、それらの中心が前記第１方向及び前記第２方向に対してそれぞれ等間隔になるように配置されている
    ことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
12. 複数の前記単位画素セルが第１方向及び前記第２方向に沿って２次元アレイ状に配列されてなる第１センサ部及び第２センサ部を有し、
    それぞれの前記単位画素セルにおいて、前記第１光電変換部と前記第２光電変換部とは、前記第１方向に沿って配置されており、
    前記第１センサ部と前記第２センサ部とは、前記第２方向に沿って配置されている
    ことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
13. 前記単位画素セルに接続された出力線と、
    前記第１電荷保持部から転送される信号電荷に基づく信号を出力する第１の信号出力部と、
    前記第２電荷保持部から転送される信号電荷に基づく信号を出力する第２の信号出力部と、
    前記第３電荷保持部から転送される信号電荷に基づく信号を出力する第３の信号出力部と、を更に有し、
    前記第１の信号出力部、前記第２の信号出力部及び前記第３の信号出力部は、同じ前記出力線に接続されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
14. 請求項１２記載の光電変換装置と、
    被写体からの像を前記光電変換装置の前記第１センサ部及び前記第２センサ部にそれぞれ結像する光学系と、
    前記第１センサ部から出力された信号及び前記第２センサ部から出力された信号に基づき前記被写体との間の距離を算出する演算部と、
    前記演算部により算出された前記被写体との間の前記距離に基づき、撮像面に合焦するように前記光学系を制御する光学系制御部と
    を有することを特徴とする撮像システム。

Images