固体撮像装置
【課題】撮像用画素及び焦点検出用画素を有し、Ｓ／Ｎの良い信号を得ることができる固体撮像装置を提供することを課題とする。
【解決手段】固体撮像装置は、光電変換により信号を生成する複数の画素と、前記複数の画素の信号を増幅する増幅部（３００）とを有し、前記複数の画素は、撮像用画素及び焦点検出用画素を有し、前記増幅部は、前記撮像用画素の信号を第１の増幅率で増幅し、前記焦点検出用画素の信号を前記第１の増幅率とは異なる第２の増幅率で増幅することを特徴とする。
【解決手段】固体撮像装置は、光電変換により信号を生成する複数の画素と、前記複数の画素の信号を増幅する増幅部（３００）とを有し、前記複数の画素は、撮像用画素及び焦点検出用画素を有し、前記増幅部は、前記撮像用画素の信号を第１の増幅率で増幅し、前記焦点検出用画素の信号を前記第１の増幅率とは異なる第２の増幅率で増幅することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像装置は、多くのデジタルスチルカメラやデジタルカムコーダーに用いられている。近年、デジタル一眼レフカメラにおいても、動画撮影機能の性能向上が求められている。その中で、特に、オートフォーカス（ＡＦ）機能は重要な項目である。撮像を行う画素の一部をオートフォーカス専用の画素として構造設計することで、撮像面に対し、右方向から入射する光と左方向から入射する光を別々に受光する技術が知られている。右からの信号と左からの信号のずれ量を計測することで、「位相差ＡＦ」を行う方式である。
【０００３】
特許文献１は、固体撮像素子内に配置されたオートフォーカス用画素の信号出力に基づいて位相差方式のオートフォーカスを行うアルゴリズムを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１４７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されている読み出しモードでは、撮像用画素からの信号を読み出す際に、焦点検出用画素の信号を同時に読み出す。この構成では、焦点検出用画素は他の撮像用画素と比較して開口率が低いため、同じ読み出し回路で読み出すと信号出力は小さくなる。通常、画像撮影時の撮影条件である露光時間及び感度設定などは、カメラを操作する者が恣意的に決定するので、焦点検出のために最適な条件が整っている保証はない。上記の場合、コントラストの小さい画像において、焦点検出用画素の信号を読み出すためには充分に高いＳ／Ｎが得られないという課題が生じる。焦点検出用画素の信号を増幅するために、焦点検出用画素の信号が固体撮像装置から出力された後に画像処理用のプロセッサーや、ソフトウエアで増幅するという方法もあるが、この場合も固体撮像装置で決定される以上のＳ／Ｎを得ることは難しい。撮影画像のＳ／Ｎを向上させるためには固体撮像装置から出力される信号のＳ／Ｎを向上させるのが有効である、ということは周知の事実である。
【０００６】
焦点検出用画素の感度を向上させるために、焦点検出用画素上には色フィルタを配置せず、透明な樹脂だけで被覆することが容易に考えられる。この方法により、焦点検出用画素の感度は色フィルタを有する場合の２〜３倍に増大する。しかしながら、この場合は感度が上がりすぎて、強い光信号が入った場合に光電変換のためのフォトダイオードが飽和してしまうという別の課題を生じる場合がある。また上述したように、カメラを操作する者が恣意的に決める撮影条件下で、信号が飽和しないという保証はない。以上により、撮影条件に左右されずに、焦点検出用画素の信号を読み出すために適した条件を設定できるようにするという課題は、撮像面上の信号を用いるオートフォーカス技術には重要な課題である。
【０００７】
本発明の目的は、撮像用画素及び焦点検出用画素を有し、Ｓ／Ｎの良い信号を得ることができる固体撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の固体撮像装置は、光電変換により信号を生成する複数の画素と、前記複数の画素の信号を増幅する増幅部とを有し、前記複数の画素は、撮像用画素及び焦点検出用画素を有し、前記増幅部は、前記撮像用画素の信号を第１の増幅率で増幅し、前記焦点検出用画素の信号を前記第１の増幅率とは異なる第２の増幅率で増幅することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
撮像用画素の信号と焦点検出用画素の信号とを異なる増幅率で増幅することができるので、Ｓ／Ｎの良い信号を得ることができ、様々な撮影条件に左右されにくいオートフォーカス動作が可能な固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態における固体撮像装置の画素ユニットの回路図である。
【図２】第１の実施形態の固体撮像装置の画素信号の読み出し回路を示す図である。
【図３】第１の実施形態の固体撮像装置の回路配置図である。
【図４】図３における領域２０１の画素配置例を示す図である。
【図５】図４の焦点検出用画素を含んでいる列の読み出し回路を示す図である。
【図６】図４の撮像用画素だけを有する列の読み出し回路を示す図である。
【図７】第１の実施形態における読み出し回路の出力信号波形を示す図である。
【図８】第１の実施形態における読み出し回路の駆動タイミングチャートである。
【図９】撮像用画素だけを有する列の読み出し回路を示す図である。
【図１０】第２の実施形態における読み出し回路の駆動タイミングチャートである。
【図１１】第３の実施形態における読み出し回路を示す図である。
【図１２】第４の実施形態における画素ユニットの回路図である。
【図１３】第５の実施形態における画素ユニットの回路図である。
【図１４】第６の実施形態における画素ユニットの回路図である。
【図１５】第７の実施形態における画素ユニットの回路図である。
【図１６】第８の実施形態における読み出し回路の構成図である。
【図１７】第８の実施形態におけるカウンタ回路の駆動タイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の画素ユニット１０７の一例を示す回路図である。以下、信号電荷が電子である場合を説明する。本実施形態では、画素の開口率を向上させるために、複数の画素でトランジスタの一部を共有する「アンプ共有型」画素を典型例として記述する。図１において、画素ユニット１０７は、２つの画素を有し、光電変換素子である２つのフォトダイオード１００ａ及び１００ｂと、転送ＭＯＳトランジスタ１０１ａ及び１０１ｂとを有する。そして、リセットＭＯＳトランジスタ１０２と、増幅ＭＯＳトランジスタ１０３と、選択ＭＯＳトランジスタ１０５とを有する。つまり、２つの画素、即ち２つのフォトダイオード１００ａ，１００ｂがリセットＭＯＳトランジスタ１０２と、増幅ＭＯＳトランジスタ１０３と、選択ＭＯＳトランジスタ１０５とを共有化している。複数のフォトダイオード（画素）１００ａ及び１００ｂは、光電変換により信号を生成する。それぞれの転送ＭＯＳトランジスタ１０１ａ及び１０１ｂは、それぞれの光電変換素子１００ａ及び１００ｂにて生じた信号電荷を浮遊拡散部１０４へ転送する。浮遊拡散部１０４は、光電変換素子１００ａ及び１００ｂの光電変換により生成された電荷を電圧に変換する。増幅ＭＯＳトランジスタ１０３は、浮遊拡散部１０４の電圧に応じた出力を、選択ＭＯＳトランジスタ１０５を介して垂直出力線１０６へ出力する。増幅ＭＯＳトランジスタ１０３は、ソースフォロワ回路の一部であり、そのゲート電極は浮遊拡散部１０４と接続されている。リセットＭＯＳトランジスタ１０２は、増幅ＭＯＳトランジスタ１０３のゲート電極のノード、すなわち浮遊拡散部１０４を規定の電位（リセット電位）にリセットする。転送ＭＯＳトランジスタ１０１ａのゲート電極には転送制御信号ＴＸ１が、転送ＭＯＳトランジスタ１０１ｂのゲート電極には転送制御信号ＴＸ２が供給される。リセットＭＯＳトランジスタ１０２のゲート電極にはリセット制御信号ＲＥＳが、選択ＭＯＳトランジスタ１０５のゲート電極には選択制御信号ＳＥＬが供給される。各制御信号によって、上述の信号電荷の読み出しが制御される。固体撮像装置は、１次元状又は２次元行列状に配列された複数の画素ユニット１０７により構成された撮像領域を有する。なお、画素ユニット１０７は、画素を２つ以上有していてもよく、任意のトランジスタ構成が適用可能である。
【００１２】
図２は、図１の複数の画素ユニット１０７を有する固体撮像装置の構成例を示す図である。図１において、画素ユニット１０７を駆動する信号であるＴＸ１、ＴＸ２、ＲＥＳ、ＳＥＬは、図２の垂直走査回路１０８によって制御されている。垂直走査回路１０８は、行毎に画素を走査し、画素ユニット１０７の信号を垂直出力線１０６に転送する。定電流源１０９は、垂直出力線１０６に接続される。複数の画素ユニット１０７は、２次元行列状に配列される。複数の読み出し回路１１０は、複数の画素ユニット１０７の列毎に設けられる。画素ユニット１０７から各列の垂直出力線１０６に転送された信号は、各列に配された読み出し回路１１０により読み出される。その後、読み出し回路１１０の信号は、水平走査回路１１１によって各列から順次、水平転送線１１２に転送され、出力アンプ１１３により増幅された信号が固体撮像装置から出力される。
【００１３】
図３は、本実施形態の固体撮像装置の回路配置図である。固体撮像装置は、２次元画素アレイ２００の他、垂直走査回路１０８、水平走査回路１１１、及びその他周辺回路が配置されている。画素アレイ２００は、図２の複数の画素ユニット１０７を有する。画素アレイ２００の中央部２０１の領域には、焦点検出用画素が配されている。
【００１４】
図４は、図３の領域２０１を拡大した図であり、撮像用画素と焦点検出用画素の配置を示した図である。行方向は、ｊ行目からｊ＋４行目まで、列方向は、ｉ列目からｉ＋７列目を記載している。「ＳＴＤ」と記された画素は撮像用画素であり、「ＡＦ」と記された画素が焦点検出（オートフォーカス）用画素である。焦点検出用画素は、あらかじめ決められた場所に配置されている。この例は、領域２０１内に４行４列周期で配置されている例である。本実施形態では、焦点検出用画素を含んで配置されている列と、撮像用画素だけが配置されている列とで異なる読み出し回路が配置されている。焦点検出用画素が配置される位置は、設計時に決定される。ここで示す読み出し回路は、図２の読み出し回路１１０に相当する。
【００１５】
図５は、図４の焦点検出用画素を含んでいる列の読み出し回路１１０を示す図である。また、図６は、図４の撮像用画素だけを有する列の読み出し回路１１０を示す図である。３００は列毎に配された列アンプ、３０４は読み出し回路１１０の入力端子、３０１及び３０２はそれぞれ入力容量、３０３は帰還容量である。３０５は、列アンプ３００の出力端子である。図５では、ＭＯＳトランジスタ３１１のゲート電極は端子ｐＡＦに接続されている。図６では、ＭＯＳトランジスタ３１１のゲート電極がグランド電位ノードに接続され、ＭＯＳトランジスタ３１１はオフ状態になっている。ここで、入力容量３０１の容量値をＣ１、入力容量３０２の容量値をＣ２、帰還容量３０３の容量値をＣ３とする。図６の構成では、入力端子３０４に振幅ΔＶの信号が入力されたとき、出力端子３０５における出力信号の振幅は、ΔＶ×Ｃ１／Ｃ３となる。つまり、列アンプ（増幅部）３００は、Ｃ１／Ｃ３の第１の増幅率で、撮像用画素の信号を増幅する。
【００１６】
図７は、焦点検出用画素を含む列に用いられる図５の読み出し回路１１０の動作を示す図である。図５及び図６の読み出し回路１１０は、同じタイミングで動作する。焦点検出用画素を含む行の信号を読み出すタイミングに、読み出し回路１１０の端子ｐＡＦにハイレベル信号が入力される。図６の読み出し回路１１０では、ＭＯＳトランジスタ３１１のゲート電極がグランド電位ノードに接続されるため、端子ｐＡＦの信号レベルとは無関係に信号が（Ｃ１／Ｃ３）倍される。一方、図５の回路では、端子ｐＡＦにハイレベル信号が入力されると、入力容量３０２によって、出力端子３０５の信号の振幅は、ΔＶ×（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃ３となる。つまり、列アンプ（増幅部）３００は、（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃ３の第２の増幅率で、焦点検出量画素の信号を増幅する。また、図５の回路では、端子ｐＡＦにローレベル信号が入力されると、出力端子３０５の信号の振幅は、ΔＶ×Ｃ１／Ｃ３となる。つまり、列アンプ（増幅部）３００は、（Ｃ１／Ｃ３）の第１の増幅率で、撮像用画素の信号を増幅する。第２の増幅率は、第１の増幅率とは異なる。
【００１７】
以上のように、端子ｐＡＦに入力される信号の制御により、撮像用画素だけが配された列と焦点検出用画素が配された列とで増幅率を変えることが可能となる。この場合は、撮像用画素の信号の第１の増幅率よりも焦点検出用画素の信号の第２の増幅率の方が大きくなる。読み出し回路１１０の端子ｐＡＦに入力される信号を焦点検出用画素が存在する列だけハイレベルとする駆動は、以下のようなカウンタ回路の構成でも実現可能である。例として、焦点検出用画素が、図３の領域２０１に配置されていて、図４と同じ４行４列周期で配置している場合を説明する。焦点検出用画素のある行でｉ＋２列目、ｉ＋６列目に図６の列読み出し回路１１０が配置されているとする。
【００１８】
図８は、カウンタ回路から端子ｐＡＦの信号が出力される際の駆動タイミングチャートである。外部信号ｐＡＦ１は、垂直走査回路１０８が焦点検出用画素を含む領域２０１を走査している期間だけハイレベルになる外部入力パルスである。また、信号ＰＨＳＴは、水平走査回路１１１のスタートパルスで、毎行入力されるパルスである。カウンタ回路は、外部信号ｐＡＦ１がハイレベルの期間において、パルスＰＨＳＴをカウントして、４行おきに端子ｐＡＦにハイレベルを出力する（ｊ行目、ｊ＋４行目、・・・）。これにより、焦点検出用画素と撮像用画素とで、異なる増幅率で読み出すことが可能となる。なお、本実施形態では水平走査回路１１１のスタートパルスでカウントを行っているが、毎行入るパルスであれば、これに限定されない。また、上記の説明では、ｎＭＯＳスイッチとＣＭＯＳスイッチを用いているが、これに限定されるものではない。
【００１９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、焦点検出用画素が特定の波長光のフィルタとはなっていない「ホワイト」画素で構成されることで、撮像用画素より高い感度を有する場合の実施形態である。撮像用画素は色フィルタを有し、焦点検出用画素は色フィルタを有さない。この場合、焦点検出用画素の出力信号が大きくなりすぎて、焦点検出用画素の出力信号が飽和し、充分なダイナミックレンジが確保できないという課題を解決することが可能となる。そのために、焦点検出用画素を含む列の読み出し回路１１０の増幅率を、撮像用画素だけを有する列の読み出し回路１１０の増幅率より小さく設定する。焦点検出用画素を含む列の読み出し回路は、図５と同じ回路である。
【００２０】
図９は、撮像用画素だけが配置されている列の読み出し回路１１０の構成例を示す図である。以下、図９の読み出し回路１１０が図６の読み出し回路１１０と異なる点を説明する。図９では、ＭＯＳトランジスタ３１１のゲート電極が、常時、固定電源電圧ノードに接続されていることにより、ＭＯＳトランジスタ３１１がオンしている。これにより、入力容量３０２が、常時、容量として付加される。出力端子３０５の信号の振幅は、ΔＶ×（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃ３となる。つまり、列アンプ（増幅部）３００は、（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃ３の第１の増幅率で、撮像用画素の信号を増幅する。図５の読み出し回路１１０内の列アンプ（増幅部）３００は、（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃ３の第１の増幅率で撮像用画素の信号を増幅し、（Ｃ１／Ｃ３）の第２の増幅率で、焦点検出用画素の信号を増幅する。第２の増幅率は、第１の増幅率より小さい。
【００２１】
図１０は、図９の読み出し回路１１０の駆動タイミングチャートである。焦点検出用画素を含む列の読み出し回路１１０では、焦点検出用画素を含む行を読み出すタイミングで、図５の端子ｐＡＦにローレベル信号が入力され、焦点検出用画素は、撮像用画素より小さい増幅率で読み出される。カウンタ回路は、外部信号ｐＡＦ１のハイレベル期間において、パルスＰＨＳＴをカウントすることにより、端子ｐＡＦの信号を生成することができる。焦点検出用画素がホワイト画素の場合、焦点検出用画素の信号の第２の増幅率を撮像用画素の信号の第１の増幅率より小さくすることにより、焦点検出用画素の出力信号の飽和を防止し、充分なダイナミックレンジを確保することができる。
【００２２】
（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の列毎の読み出し回路１１０の構成例を示す図である。図１１は、焦点検出用画素の信号を読み出す際の増幅率と撮像用画素の信号を読み出す際の増幅率を切り替えるために、帰還容量３０６と帰還容量３０６用のスイッチ３０７を用いる構成を示している。帰還容量３０６のスイッチ３０７は、これまでの実施形態と同様に、カウンタ回路で生成された端子ｐＡＦの信号で制御される。増幅率は、入力容量３０１と帰還容量３０３，３０６の比で決まる。スイッチ３０７を制御することにより、焦点検出用画素の信号の増幅率と撮像用画素の信号の増幅率を変えることができる。本実施形態によれば、第１の実施形態で入力容量を切り替える方法と比較して、より面積の小さい帰還容量３０６を追加することで、増幅率の切り替えが実現できる。
【００２３】
（第４の実施形態）
図１２は、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の画素ユニットの構成例を示す図である。４００ａ及び４００ｂは、各々の画素ユニットを示している。以下、図１２の回路が図１の回路と異なる点を説明する。図１と異なり、１つの増幅ＭＯＳトランジスタ１０３に対して、光電変換素子１００が１つ使用されている。また、図１２では、２つの画素ユニット４００ａと４００ｂの間に、両画素ユニット４００ａ及び４００ｂの各々の浮遊拡散部１０４を接続するための接続スイッチ４０１が存在する。画素ユニット４００ａの画素信号を読み出すときに、接続スイッチ４０１を導通されることによって、画素ユニット４００ａと４００ｂの浮遊拡散部１０４が接続される。そのため、浮遊拡散部１０４の寄生容量が大きくなるため、画素ユニット４００ａの光電変換素子１００の信号電荷による電圧振幅が小さくなる。その電圧振幅が、増幅ＭＯＳトランジスタ１０３によって読み出されるため、結果として読み出し時の増幅率が小さくなる。増幅ＭＯＳトランジスタ（増幅部）１０３は、接続スイッチ４０１を非導通にすることにより、増幅率が大きい第１の増幅率で撮像用画素の信号を増幅し、接続スイッチ４０１を導通させることにより、増幅率が小さい第２の増幅率で撮像用画素の信号を増幅する。第２の増幅率は、第１の増幅率より小さい。増幅ＭＯＳトランジスタ（増幅部）１０３は、接続スイッチ４０１により浮遊拡散部１０４の容量を変えることにより、第１の増幅率及び第２の増幅率を相互に異ならせる。
【００２４】
本実施形態によれば、焦点検出用画素からの信号が飽和しにくいように、焦点検出用画素を読み出す際の信号の第２の増幅率を、撮像用画素を読み出す際の信号の第１の増幅率より小さくするために、接続スイッチ４０１を導通させること増幅率を下げる。逆に、焦点検出用画素の感度を向上させるために、増幅率を上げることも可能である。他の実施形態と比較して、より前段で増幅することができるため、Ｓ／Ｎの高い信号を得ることができる。
【００２５】
ここでは、画素ユニット４００ａ及び４００ｂの浮遊拡散部１０４の間をスイッチ４０１で接続することにより、増幅率を変えているが、別途、容量を設けるなどで寄生容量を変化させることも可能である。また、本実施形態では、１つの光電変換素子１００に対して１つの増幅ＭＯＳトランジスタ１０３が対応しているが、接続スイッチ４０１を制御することで、複数の光電変換素子１００で増幅ＭＯＳトランジスタ１０３を共有してもよい。
【００２６】
（第５の実施形態）
図１３は、本発明の第５の実施形態の固体撮像装置の画素ユニットの構成例を示す図である。本実施形態では、画素ユニット５００ａ及び５００ｂの浮遊拡散部１０４の寄生容量を変えることで、撮像用画素と焦点検出用画素の読み出しの増幅率を変化させている。本実施形態が第４の実施形態と異なる点は、回路の増幅率ではなく、レイアウト段階で寄生容量を異なるように設計した点である。図１３において、５００ａと５００ｂは、それぞれ画素ユニットを表す。画素ユニット５００ａ及び５００ｂのどちらの浮遊拡散部１０４も、転送ＭＯＳトランジスタ１０１、リセットＭＯＳトランジスタ１０２、増幅ＭＯＳトランジスタ１０３と接続されている。これらのＭＯＳトランジスタのソース、ドレインの不純物拡散部領域の面積をパターンレイアウトで異なるようすることにより、画素ユニット５００ａと５００ｂの浮遊拡散部１０４の寄生容量に違いを作ることができる。好ましくは、転送ＭＯＳトランジスタ１０１、リセットＭＯＳトランジスタ１０２の拡散部のレイアウトで行うのがよい。これにより、画素ユニット内に追加で回路素子を必要としないため、レイアウトスペースを有効活用することが可能となる。
【００２７】
（第６の実施形態）
図１４は、本発明の第６の実施形態の固体撮像装置の読み出し回路１１０を示す図である。以下、図１４の読み出し回路１１０が図１１の読み出し回路１１０と異なる点を説明する。複数の保持容量６０２〜６０５は、複数の画素の各列の信号を保持する。第６の実施形態では、各列が持つ読み出し回路１１０の保持容量６０２〜６０５から水平転送線１１２（図２）へ信号を送る際のゲインを、撮像用画素と焦点検出用画素とで変えている。図１４は、図２の読み出し回路１１０を本実施形態に沿って示している。６００及び６０１は、接続スイッチであり、それぞれ、ゲイン変更用容量６０２及び６０３の接続を制御する。６０４は光信号を保持するための容量で、６０５はノイズ信号を保持するための容量である。保持容量６０４と６０５の容量値をともにＣ４とする。また、ゲイン変更用容量６０２と６０３の容量値を、それぞれＣ５とする。水平転送線１１２の寄生容量Ｃ６とする。通常、接続スイッチ６００及び６０１をオフし、保持容量６０４及び６０５の信号を容量分割で水平転送線１１２に転送すると、Ｃ４／（Ｃ４＋Ｃ６）のゲインがかかる。このゲインで、信号振幅が小さくなる。
【００２８】
接続スイッチ６００及び６０１をオンし、ゲイン変更用容量６０２及び６０３を接続することで、容量分割時のゲインは、（Ｃ４＋Ｃ５）／（Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６）となる。これにより、図８で示したカウンタ回路などによって、接続スイッチ６００、６０１を撮像用画素と焦点検出用画素とで、異なる制御をすることで、水平転送線１１２へ信号を送る際に個別にゲインを変えることが可能となる。ゲインを変えるということは、信号の増幅率を変えることと同じである。容量分割による増幅部は、第１の増幅率で撮像用画素の信号を増幅し、第２の増幅率で焦点検出用画素の信号を増幅する。水平転送線１１２は、保持容量６０２〜６０５の信号を容量分割で出力アンプ１１３に順次転送する。増幅部は、接続スイッチ６００及び６０１により保持容量６０２〜６０５の容量値を変えることにより、第１の増幅率及び第２の増幅率を相互に異ならせる。
【００２９】
ここでは、水平転送線１１２への容量分割を説明したが、水平転送線１１２への容量分割に限定されるものではなく、別途設けた容量との容量分割などでもよい。
【００３０】
図１のリセットＭＯＳトランジスタ１０２のオンにより浮遊拡散部１０４をリセットした状態で、選択ＭＯＳトランジスタ１０５をオンし、画素ユニット１０７が垂直出力線１０６に出力したときの列アンプ３００の出力信号がノイズ信号である。そのノイズ信号は保持容量６０３及び／又は６０５に保持される。また、図１のリセットＭＯＳトランジスタ１０２のオフ状態で、転送ＭＯＳトランジスタ１０１ａのオンにより、光電変換素子１００ａの電荷を浮遊拡散部１０４に転送する。その状態で、選択ＭＯＳトランジスタ１０５をオンし、画素ユニット１０７が垂直出力線１０６に出力したときの列アンプ３００の出力信号が光信号である。その光信号は保持容量６０２及び／又は６０４に保持される。保持容量６０３及び／又は６０５のノイズ信号は、図２の一方の水平転送線１１２に転送される。保持容量６０２及び／又は６０４の光信号は、図２の他方の水平転送線１１２に転送される。出力アンプ１１３は、２本の水平転送線１１２の光信号及びノイズ信号の差分を出力する。
【００３１】
（第７の実施形態）
図１５は、本発明の第７の実施形態の固体撮像装置の読み出し回路１１０の構成例を示す図である。以下、図１５の読み出し回路１１０が図１１及び図１４の読み出し回路１１０と異なる点を説明する。第７の実施形態では、動画用読み出し等のために水平方向にある周期で間引きや平均を行って出力する場合に、撮像用画素と焦点検出用画素で増幅率を変えることを可能にする。本実施形態では、同色の信号を３列周期で出力し、その他の列は出力しない場合を説明する。図１５は、３列分の読み出し回路１１０を示している。読み出し回路１１０は、保持容量６０５が隣の列の保持容量６０５と接続スイッチ７０１で接続されている。７０２は、垂直出力線１０６（図２）と入力容量３０１との接続スイッチである。例えば、焦点検出用画素のゲインを撮像用画素のゲインより大きくしたい場合は、接続スイッチ７０１を導通されることで、隣接の保持容量６０５を使用する。一方で、撮像用画素の信号を出力する列に関しては、接続スイッチ７０１を非導通とする。これにより、水平転送線１１２（図２）への容量分割時のゲインを撮像用画素と焦点検出用画素とで変えることができる。本実施形態の場合は、スイッチ７０２を使い、不使用列については、ゲインを変えるための容量より前で経路を遮断する必要がある。容量分割による増幅部は、接続スイッチ７０１により、隣接する複数の列の保持容量６０４，６０５を相互に接続することにより、撮像用画素の第１の増幅率及び焦点検出用画素の第２の増幅率を相互に異ならせる。また、本実施形態では、保持容量６０５と水平転送線１１２との間でゲインを変えたが、別途設けた容量との間の容量分割でもよい。さらには、隣接の列アンプ３００の入力容量３０１を利用して列アンプ３００自体のゲインを上げても良い。
【００３２】
（第８の実施形態）
図１６は、本発明の第８の実施形態の固体撮像装置の全体構成を示す図である。第８の実施形態では、出力アンプ１１３は、撮像用画素と焦点検出用画素とで、異なる増幅率で、水平転送線１１２の信号を増幅する。図１６の水平走査回路１１１には、水平走査パルスＰＨが入力される。カウンタ回路８００は、水平走査パルスＰＨをカウントして出力アンプ１１３に信号を出力する。また、信号ｐＡＦ２は、図８と同じタイミングで垂直方向のカウンタ回路から送られる信号である。
【００３３】
図１７は、カウンタ回路８００の出力を示す図である。画素配置は、図４と同じとする。焦点検出用画素が存在するｊ行目では、信号ｐＡＦ２がハイレベルとなる。このとき、カウンタ回路８００は、水平走査パルスＰＨをカウントし、ｉ＋２列目とｉ＋６列目のときに出力アンプ１１３へハイレベルパルスを出力する。撮像用画素だけを有するｊ＋１行目では、信号ｐＡＦ２がローレベルになり、カウンタ回路８００は、ｉ＋２列目とｉ＋６列目のときも出力アンプ１１３へハイレベルパルスを出力しない。出力アンプ（増幅部）１１３は、カウンタ回路８００の出力に応じて、撮像用画素と焦点検出用画素とで増幅率を変えることができる。出力アンプ１１３は、水平転送線１１２の信号を撮像用画素の第１の増幅率又は焦点検出用画素の第２の増幅率で増幅する。
【００３４】
焦点検出用画素が撮像用画素と比較して開口率が低い場合、焦点検出用画素の信号は撮像用画素の信号より小さくなる。その場合、焦点検出用画素の信号の増幅率を撮像用画素の信号の増幅率より大きくすればよい。これにより、コントラストの小さい画像であっても、焦点検出用画素の信号において高いＳ／Ｎを得ることができる。
【００３５】
また、焦点検出用画素の感度を向上させるために、焦点検出用画素上には色フィルタを配置せず、透明な樹脂だけで被覆することが考えられる。この方法により、焦点検出用画素の感度は色フィルタを有する場合の２〜３倍に増大する。しかしながら、この場合は感度が上がりすぎて、強い光信号が入った場合に光電変換のためのフォトダイオードが飽和してしまうという課題を生じる。その場合、焦点検出用画素の信号の増幅率を撮像用画素の信号の増幅率より小さくすればよい。これにより、焦点検出用画素の信号の飽和を防止することができる。
【００３６】
撮像用画素の信号と焦点検出用画素の信号とを異なる増幅率で増幅することができるので、Ｓ／Ｎの良い信号を得ることができ、様々な撮影条件に左右されにくいオートフォーカス動作が可能な固体撮像装置を提供することができる。
【００３７】
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。
【符号の説明】
【００３８】
１００ａ，１００ｂ 光電変換素子、１０１ａ，１０１ｂ 転送ＭＯＳトランジスタ、１０２ リセットＭＯＳトランジスタ、１０３ 増幅ＭＯＳトランジスタ、１０４ 浮遊拡散部、１０５ 選択ＭＯＳトランジスタ、１０６ 垂直出力線、１０７ 画素ユニット、１１０ 読み出し回路、３００ 列アンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像装置は、多くのデジタルスチルカメラやデジタルカムコーダーに用いられている。近年、デジタル一眼レフカメラにおいても、動画撮影機能の性能向上が求められている。その中で、特に、オートフォーカス（ＡＦ）機能は重要な項目である。撮像を行う画素の一部をオートフォーカス専用の画素として構造設計することで、撮像面に対し、右方向から入射する光と左方向から入射する光を別々に受光する技術が知られている。右からの信号と左からの信号のずれ量を計測することで、「位相差ＡＦ」を行う方式である。
【０００３】
特許文献１は、固体撮像素子内に配置されたオートフォーカス用画素の信号出力に基づいて位相差方式のオートフォーカスを行うアルゴリズムを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１４７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されている読み出しモードでは、撮像用画素からの信号を読み出す際に、焦点検出用画素の信号を同時に読み出す。この構成では、焦点検出用画素は他の撮像用画素と比較して開口率が低いため、同じ読み出し回路で読み出すと信号出力は小さくなる。通常、画像撮影時の撮影条件である露光時間及び感度設定などは、カメラを操作する者が恣意的に決定するので、焦点検出のために最適な条件が整っている保証はない。上記の場合、コントラストの小さい画像において、焦点検出用画素の信号を読み出すためには充分に高いＳ／Ｎが得られないという課題が生じる。焦点検出用画素の信号を増幅するために、焦点検出用画素の信号が固体撮像装置から出力された後に画像処理用のプロセッサーや、ソフトウエアで増幅するという方法もあるが、この場合も固体撮像装置で決定される以上のＳ／Ｎを得ることは難しい。撮影画像のＳ／Ｎを向上させるためには固体撮像装置から出力される信号のＳ／Ｎを向上させるのが有効である、ということは周知の事実である。
【０００６】
焦点検出用画素の感度を向上させるために、焦点検出用画素上には色フィルタを配置せず、透明な樹脂だけで被覆することが容易に考えられる。この方法により、焦点検出用画素の感度は色フィルタを有する場合の２〜３倍に増大する。しかしながら、この場合は感度が上がりすぎて、強い光信号が入った場合に光電変換のためのフォトダイオードが飽和してしまうという別の課題を生じる場合がある。また上述したように、カメラを操作する者が恣意的に決める撮影条件下で、信号が飽和しないという保証はない。以上により、撮影条件に左右されずに、焦点検出用画素の信号を読み出すために適した条件を設定できるようにするという課題は、撮像面上の信号を用いるオートフォーカス技術には重要な課題である。
【０００７】
本発明の目的は、撮像用画素及び焦点検出用画素を有し、Ｓ／Ｎの良い信号を得ることができる固体撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の固体撮像装置は、光電変換により信号を生成する複数の画素と、前記複数の画素の信号を増幅する増幅部とを有し、前記複数の画素は、撮像用画素及び焦点検出用画素を有し、前記増幅部は、前記撮像用画素の信号を第１の増幅率で増幅し、前記焦点検出用画素の信号を前記第１の増幅率とは異なる第２の増幅率で増幅することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
撮像用画素の信号と焦点検出用画素の信号とを異なる増幅率で増幅することができるので、Ｓ／Ｎの良い信号を得ることができ、様々な撮影条件に左右されにくいオートフォーカス動作が可能な固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態における固体撮像装置の画素ユニットの回路図である。
【図２】第１の実施形態の固体撮像装置の画素信号の読み出し回路を示す図である。
【図３】第１の実施形態の固体撮像装置の回路配置図である。
【図４】図３における領域２０１の画素配置例を示す図である。
【図５】図４の焦点検出用画素を含んでいる列の読み出し回路を示す図である。
【図６】図４の撮像用画素だけを有する列の読み出し回路を示す図である。
【図７】第１の実施形態における読み出し回路の出力信号波形を示す図である。
【図８】第１の実施形態における読み出し回路の駆動タイミングチャートである。
【図９】撮像用画素だけを有する列の読み出し回路を示す図である。
【図１０】第２の実施形態における読み出し回路の駆動タイミングチャートである。
【図１１】第３の実施形態における読み出し回路を示す図である。
【図１２】第４の実施形態における画素ユニットの回路図である。
【図１３】第５の実施形態における画素ユニットの回路図である。
【図１４】第６の実施形態における画素ユニットの回路図である。
【図１５】第７の実施形態における画素ユニットの回路図である。
【図１６】第８の実施形態における読み出し回路の構成図である。
【図１７】第８の実施形態におけるカウンタ回路の駆動タイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の画素ユニット１０７の一例を示す回路図である。以下、信号電荷が電子である場合を説明する。本実施形態では、画素の開口率を向上させるために、複数の画素でトランジスタの一部を共有する「アンプ共有型」画素を典型例として記述する。図１において、画素ユニット１０７は、２つの画素を有し、光電変換素子である２つのフォトダイオード１００ａ及び１００ｂと、転送ＭＯＳトランジスタ１０１ａ及び１０１ｂとを有する。そして、リセットＭＯＳトランジスタ１０２と、増幅ＭＯＳトランジスタ１０３と、選択ＭＯＳトランジスタ１０５とを有する。つまり、２つの画素、即ち２つのフォトダイオード１００ａ，１００ｂがリセットＭＯＳトランジスタ１０２と、増幅ＭＯＳトランジスタ１０３と、選択ＭＯＳトランジスタ１０５とを共有化している。複数のフォトダイオード（画素）１００ａ及び１００ｂは、光電変換により信号を生成する。それぞれの転送ＭＯＳトランジスタ１０１ａ及び１０１ｂは、それぞれの光電変換素子１００ａ及び１００ｂにて生じた信号電荷を浮遊拡散部１０４へ転送する。浮遊拡散部１０４は、光電変換素子１００ａ及び１００ｂの光電変換により生成された電荷を電圧に変換する。増幅ＭＯＳトランジスタ１０３は、浮遊拡散部１０４の電圧に応じた出力を、選択ＭＯＳトランジスタ１０５を介して垂直出力線１０６へ出力する。増幅ＭＯＳトランジスタ１０３は、ソースフォロワ回路の一部であり、そのゲート電極は浮遊拡散部１０４と接続されている。リセットＭＯＳトランジスタ１０２は、増幅ＭＯＳトランジスタ１０３のゲート電極のノード、すなわち浮遊拡散部１０４を規定の電位（リセット電位）にリセットする。転送ＭＯＳトランジスタ１０１ａのゲート電極には転送制御信号ＴＸ１が、転送ＭＯＳトランジスタ１０１ｂのゲート電極には転送制御信号ＴＸ２が供給される。リセットＭＯＳトランジスタ１０２のゲート電極にはリセット制御信号ＲＥＳが、選択ＭＯＳトランジスタ１０５のゲート電極には選択制御信号ＳＥＬが供給される。各制御信号によって、上述の信号電荷の読み出しが制御される。固体撮像装置は、１次元状又は２次元行列状に配列された複数の画素ユニット１０７により構成された撮像領域を有する。なお、画素ユニット１０７は、画素を２つ以上有していてもよく、任意のトランジスタ構成が適用可能である。
【００１２】
図２は、図１の複数の画素ユニット１０７を有する固体撮像装置の構成例を示す図である。図１において、画素ユニット１０７を駆動する信号であるＴＸ１、ＴＸ２、ＲＥＳ、ＳＥＬは、図２の垂直走査回路１０８によって制御されている。垂直走査回路１０８は、行毎に画素を走査し、画素ユニット１０７の信号を垂直出力線１０６に転送する。定電流源１０９は、垂直出力線１０６に接続される。複数の画素ユニット１０７は、２次元行列状に配列される。複数の読み出し回路１１０は、複数の画素ユニット１０７の列毎に設けられる。画素ユニット１０７から各列の垂直出力線１０６に転送された信号は、各列に配された読み出し回路１１０により読み出される。その後、読み出し回路１１０の信号は、水平走査回路１１１によって各列から順次、水平転送線１１２に転送され、出力アンプ１１３により増幅された信号が固体撮像装置から出力される。
【００１３】
図３は、本実施形態の固体撮像装置の回路配置図である。固体撮像装置は、２次元画素アレイ２００の他、垂直走査回路１０８、水平走査回路１１１、及びその他周辺回路が配置されている。画素アレイ２００は、図２の複数の画素ユニット１０７を有する。画素アレイ２００の中央部２０１の領域には、焦点検出用画素が配されている。
【００１４】
図４は、図３の領域２０１を拡大した図であり、撮像用画素と焦点検出用画素の配置を示した図である。行方向は、ｊ行目からｊ＋４行目まで、列方向は、ｉ列目からｉ＋７列目を記載している。「ＳＴＤ」と記された画素は撮像用画素であり、「ＡＦ」と記された画素が焦点検出（オートフォーカス）用画素である。焦点検出用画素は、あらかじめ決められた場所に配置されている。この例は、領域２０１内に４行４列周期で配置されている例である。本実施形態では、焦点検出用画素を含んで配置されている列と、撮像用画素だけが配置されている列とで異なる読み出し回路が配置されている。焦点検出用画素が配置される位置は、設計時に決定される。ここで示す読み出し回路は、図２の読み出し回路１１０に相当する。
【００１５】
図５は、図４の焦点検出用画素を含んでいる列の読み出し回路１１０を示す図である。また、図６は、図４の撮像用画素だけを有する列の読み出し回路１１０を示す図である。３００は列毎に配された列アンプ、３０４は読み出し回路１１０の入力端子、３０１及び３０２はそれぞれ入力容量、３０３は帰還容量である。３０５は、列アンプ３００の出力端子である。図５では、ＭＯＳトランジスタ３１１のゲート電極は端子ｐＡＦに接続されている。図６では、ＭＯＳトランジスタ３１１のゲート電極がグランド電位ノードに接続され、ＭＯＳトランジスタ３１１はオフ状態になっている。ここで、入力容量３０１の容量値をＣ１、入力容量３０２の容量値をＣ２、帰還容量３０３の容量値をＣ３とする。図６の構成では、入力端子３０４に振幅ΔＶの信号が入力されたとき、出力端子３０５における出力信号の振幅は、ΔＶ×Ｃ１／Ｃ３となる。つまり、列アンプ（増幅部）３００は、Ｃ１／Ｃ３の第１の増幅率で、撮像用画素の信号を増幅する。
【００１６】
図７は、焦点検出用画素を含む列に用いられる図５の読み出し回路１１０の動作を示す図である。図５及び図６の読み出し回路１１０は、同じタイミングで動作する。焦点検出用画素を含む行の信号を読み出すタイミングに、読み出し回路１１０の端子ｐＡＦにハイレベル信号が入力される。図６の読み出し回路１１０では、ＭＯＳトランジスタ３１１のゲート電極がグランド電位ノードに接続されるため、端子ｐＡＦの信号レベルとは無関係に信号が（Ｃ１／Ｃ３）倍される。一方、図５の回路では、端子ｐＡＦにハイレベル信号が入力されると、入力容量３０２によって、出力端子３０５の信号の振幅は、ΔＶ×（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃ３となる。つまり、列アンプ（増幅部）３００は、（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃ３の第２の増幅率で、焦点検出量画素の信号を増幅する。また、図５の回路では、端子ｐＡＦにローレベル信号が入力されると、出力端子３０５の信号の振幅は、ΔＶ×Ｃ１／Ｃ３となる。つまり、列アンプ（増幅部）３００は、（Ｃ１／Ｃ３）の第１の増幅率で、撮像用画素の信号を増幅する。第２の増幅率は、第１の増幅率とは異なる。
【００１７】
以上のように、端子ｐＡＦに入力される信号の制御により、撮像用画素だけが配された列と焦点検出用画素が配された列とで増幅率を変えることが可能となる。この場合は、撮像用画素の信号の第１の増幅率よりも焦点検出用画素の信号の第２の増幅率の方が大きくなる。読み出し回路１１０の端子ｐＡＦに入力される信号を焦点検出用画素が存在する列だけハイレベルとする駆動は、以下のようなカウンタ回路の構成でも実現可能である。例として、焦点検出用画素が、図３の領域２０１に配置されていて、図４と同じ４行４列周期で配置している場合を説明する。焦点検出用画素のある行でｉ＋２列目、ｉ＋６列目に図６の列読み出し回路１１０が配置されているとする。
【００１８】
図８は、カウンタ回路から端子ｐＡＦの信号が出力される際の駆動タイミングチャートである。外部信号ｐＡＦ１は、垂直走査回路１０８が焦点検出用画素を含む領域２０１を走査している期間だけハイレベルになる外部入力パルスである。また、信号ＰＨＳＴは、水平走査回路１１１のスタートパルスで、毎行入力されるパルスである。カウンタ回路は、外部信号ｐＡＦ１がハイレベルの期間において、パルスＰＨＳＴをカウントして、４行おきに端子ｐＡＦにハイレベルを出力する（ｊ行目、ｊ＋４行目、・・・）。これにより、焦点検出用画素と撮像用画素とで、異なる増幅率で読み出すことが可能となる。なお、本実施形態では水平走査回路１１１のスタートパルスでカウントを行っているが、毎行入るパルスであれば、これに限定されない。また、上記の説明では、ｎＭＯＳスイッチとＣＭＯＳスイッチを用いているが、これに限定されるものではない。
【００１９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、焦点検出用画素が特定の波長光のフィルタとはなっていない「ホワイト」画素で構成されることで、撮像用画素より高い感度を有する場合の実施形態である。撮像用画素は色フィルタを有し、焦点検出用画素は色フィルタを有さない。この場合、焦点検出用画素の出力信号が大きくなりすぎて、焦点検出用画素の出力信号が飽和し、充分なダイナミックレンジが確保できないという課題を解決することが可能となる。そのために、焦点検出用画素を含む列の読み出し回路１１０の増幅率を、撮像用画素だけを有する列の読み出し回路１１０の増幅率より小さく設定する。焦点検出用画素を含む列の読み出し回路は、図５と同じ回路である。
【００２０】
図９は、撮像用画素だけが配置されている列の読み出し回路１１０の構成例を示す図である。以下、図９の読み出し回路１１０が図６の読み出し回路１１０と異なる点を説明する。図９では、ＭＯＳトランジスタ３１１のゲート電極が、常時、固定電源電圧ノードに接続されていることにより、ＭＯＳトランジスタ３１１がオンしている。これにより、入力容量３０２が、常時、容量として付加される。出力端子３０５の信号の振幅は、ΔＶ×（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃ３となる。つまり、列アンプ（増幅部）３００は、（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃ３の第１の増幅率で、撮像用画素の信号を増幅する。図５の読み出し回路１１０内の列アンプ（増幅部）３００は、（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃ３の第１の増幅率で撮像用画素の信号を増幅し、（Ｃ１／Ｃ３）の第２の増幅率で、焦点検出用画素の信号を増幅する。第２の増幅率は、第１の増幅率より小さい。
【００２１】
図１０は、図９の読み出し回路１１０の駆動タイミングチャートである。焦点検出用画素を含む列の読み出し回路１１０では、焦点検出用画素を含む行を読み出すタイミングで、図５の端子ｐＡＦにローレベル信号が入力され、焦点検出用画素は、撮像用画素より小さい増幅率で読み出される。カウンタ回路は、外部信号ｐＡＦ１のハイレベル期間において、パルスＰＨＳＴをカウントすることにより、端子ｐＡＦの信号を生成することができる。焦点検出用画素がホワイト画素の場合、焦点検出用画素の信号の第２の増幅率を撮像用画素の信号の第１の増幅率より小さくすることにより、焦点検出用画素の出力信号の飽和を防止し、充分なダイナミックレンジを確保することができる。
【００２２】
（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の列毎の読み出し回路１１０の構成例を示す図である。図１１は、焦点検出用画素の信号を読み出す際の増幅率と撮像用画素の信号を読み出す際の増幅率を切り替えるために、帰還容量３０６と帰還容量３０６用のスイッチ３０７を用いる構成を示している。帰還容量３０６のスイッチ３０７は、これまでの実施形態と同様に、カウンタ回路で生成された端子ｐＡＦの信号で制御される。増幅率は、入力容量３０１と帰還容量３０３，３０６の比で決まる。スイッチ３０７を制御することにより、焦点検出用画素の信号の増幅率と撮像用画素の信号の増幅率を変えることができる。本実施形態によれば、第１の実施形態で入力容量を切り替える方法と比較して、より面積の小さい帰還容量３０６を追加することで、増幅率の切り替えが実現できる。
【００２３】
（第４の実施形態）
図１２は、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の画素ユニットの構成例を示す図である。４００ａ及び４００ｂは、各々の画素ユニットを示している。以下、図１２の回路が図１の回路と異なる点を説明する。図１と異なり、１つの増幅ＭＯＳトランジスタ１０３に対して、光電変換素子１００が１つ使用されている。また、図１２では、２つの画素ユニット４００ａと４００ｂの間に、両画素ユニット４００ａ及び４００ｂの各々の浮遊拡散部１０４を接続するための接続スイッチ４０１が存在する。画素ユニット４００ａの画素信号を読み出すときに、接続スイッチ４０１を導通されることによって、画素ユニット４００ａと４００ｂの浮遊拡散部１０４が接続される。そのため、浮遊拡散部１０４の寄生容量が大きくなるため、画素ユニット４００ａの光電変換素子１００の信号電荷による電圧振幅が小さくなる。その電圧振幅が、増幅ＭＯＳトランジスタ１０３によって読み出されるため、結果として読み出し時の増幅率が小さくなる。増幅ＭＯＳトランジスタ（増幅部）１０３は、接続スイッチ４０１を非導通にすることにより、増幅率が大きい第１の増幅率で撮像用画素の信号を増幅し、接続スイッチ４０１を導通させることにより、増幅率が小さい第２の増幅率で撮像用画素の信号を増幅する。第２の増幅率は、第１の増幅率より小さい。増幅ＭＯＳトランジスタ（増幅部）１０３は、接続スイッチ４０１により浮遊拡散部１０４の容量を変えることにより、第１の増幅率及び第２の増幅率を相互に異ならせる。
【００２４】
本実施形態によれば、焦点検出用画素からの信号が飽和しにくいように、焦点検出用画素を読み出す際の信号の第２の増幅率を、撮像用画素を読み出す際の信号の第１の増幅率より小さくするために、接続スイッチ４０１を導通させること増幅率を下げる。逆に、焦点検出用画素の感度を向上させるために、増幅率を上げることも可能である。他の実施形態と比較して、より前段で増幅することができるため、Ｓ／Ｎの高い信号を得ることができる。
【００２５】
ここでは、画素ユニット４００ａ及び４００ｂの浮遊拡散部１０４の間をスイッチ４０１で接続することにより、増幅率を変えているが、別途、容量を設けるなどで寄生容量を変化させることも可能である。また、本実施形態では、１つの光電変換素子１００に対して１つの増幅ＭＯＳトランジスタ１０３が対応しているが、接続スイッチ４０１を制御することで、複数の光電変換素子１００で増幅ＭＯＳトランジスタ１０３を共有してもよい。
【００２６】
（第５の実施形態）
図１３は、本発明の第５の実施形態の固体撮像装置の画素ユニットの構成例を示す図である。本実施形態では、画素ユニット５００ａ及び５００ｂの浮遊拡散部１０４の寄生容量を変えることで、撮像用画素と焦点検出用画素の読み出しの増幅率を変化させている。本実施形態が第４の実施形態と異なる点は、回路の増幅率ではなく、レイアウト段階で寄生容量を異なるように設計した点である。図１３において、５００ａと５００ｂは、それぞれ画素ユニットを表す。画素ユニット５００ａ及び５００ｂのどちらの浮遊拡散部１０４も、転送ＭＯＳトランジスタ１０１、リセットＭＯＳトランジスタ１０２、増幅ＭＯＳトランジスタ１０３と接続されている。これらのＭＯＳトランジスタのソース、ドレインの不純物拡散部領域の面積をパターンレイアウトで異なるようすることにより、画素ユニット５００ａと５００ｂの浮遊拡散部１０４の寄生容量に違いを作ることができる。好ましくは、転送ＭＯＳトランジスタ１０１、リセットＭＯＳトランジスタ１０２の拡散部のレイアウトで行うのがよい。これにより、画素ユニット内に追加で回路素子を必要としないため、レイアウトスペースを有効活用することが可能となる。
【００２７】
（第６の実施形態）
図１４は、本発明の第６の実施形態の固体撮像装置の読み出し回路１１０を示す図である。以下、図１４の読み出し回路１１０が図１１の読み出し回路１１０と異なる点を説明する。複数の保持容量６０２〜６０５は、複数の画素の各列の信号を保持する。第６の実施形態では、各列が持つ読み出し回路１１０の保持容量６０２〜６０５から水平転送線１１２（図２）へ信号を送る際のゲインを、撮像用画素と焦点検出用画素とで変えている。図１４は、図２の読み出し回路１１０を本実施形態に沿って示している。６００及び６０１は、接続スイッチであり、それぞれ、ゲイン変更用容量６０２及び６０３の接続を制御する。６０４は光信号を保持するための容量で、６０５はノイズ信号を保持するための容量である。保持容量６０４と６０５の容量値をともにＣ４とする。また、ゲイン変更用容量６０２と６０３の容量値を、それぞれＣ５とする。水平転送線１１２の寄生容量Ｃ６とする。通常、接続スイッチ６００及び６０１をオフし、保持容量６０４及び６０５の信号を容量分割で水平転送線１１２に転送すると、Ｃ４／（Ｃ４＋Ｃ６）のゲインがかかる。このゲインで、信号振幅が小さくなる。
【００２８】
接続スイッチ６００及び６０１をオンし、ゲイン変更用容量６０２及び６０３を接続することで、容量分割時のゲインは、（Ｃ４＋Ｃ５）／（Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６）となる。これにより、図８で示したカウンタ回路などによって、接続スイッチ６００、６０１を撮像用画素と焦点検出用画素とで、異なる制御をすることで、水平転送線１１２へ信号を送る際に個別にゲインを変えることが可能となる。ゲインを変えるということは、信号の増幅率を変えることと同じである。容量分割による増幅部は、第１の増幅率で撮像用画素の信号を増幅し、第２の増幅率で焦点検出用画素の信号を増幅する。水平転送線１１２は、保持容量６０２〜６０５の信号を容量分割で出力アンプ１１３に順次転送する。増幅部は、接続スイッチ６００及び６０１により保持容量６０２〜６０５の容量値を変えることにより、第１の増幅率及び第２の増幅率を相互に異ならせる。
【００２９】
ここでは、水平転送線１１２への容量分割を説明したが、水平転送線１１２への容量分割に限定されるものではなく、別途設けた容量との容量分割などでもよい。
【００３０】
図１のリセットＭＯＳトランジスタ１０２のオンにより浮遊拡散部１０４をリセットした状態で、選択ＭＯＳトランジスタ１０５をオンし、画素ユニット１０７が垂直出力線１０６に出力したときの列アンプ３００の出力信号がノイズ信号である。そのノイズ信号は保持容量６０３及び／又は６０５に保持される。また、図１のリセットＭＯＳトランジスタ１０２のオフ状態で、転送ＭＯＳトランジスタ１０１ａのオンにより、光電変換素子１００ａの電荷を浮遊拡散部１０４に転送する。その状態で、選択ＭＯＳトランジスタ１０５をオンし、画素ユニット１０７が垂直出力線１０６に出力したときの列アンプ３００の出力信号が光信号である。その光信号は保持容量６０２及び／又は６０４に保持される。保持容量６０３及び／又は６０５のノイズ信号は、図２の一方の水平転送線１１２に転送される。保持容量６０２及び／又は６０４の光信号は、図２の他方の水平転送線１１２に転送される。出力アンプ１１３は、２本の水平転送線１１２の光信号及びノイズ信号の差分を出力する。
【００３１】
（第７の実施形態）
図１５は、本発明の第７の実施形態の固体撮像装置の読み出し回路１１０の構成例を示す図である。以下、図１５の読み出し回路１１０が図１１及び図１４の読み出し回路１１０と異なる点を説明する。第７の実施形態では、動画用読み出し等のために水平方向にある周期で間引きや平均を行って出力する場合に、撮像用画素と焦点検出用画素で増幅率を変えることを可能にする。本実施形態では、同色の信号を３列周期で出力し、その他の列は出力しない場合を説明する。図１５は、３列分の読み出し回路１１０を示している。読み出し回路１１０は、保持容量６０５が隣の列の保持容量６０５と接続スイッチ７０１で接続されている。７０２は、垂直出力線１０６（図２）と入力容量３０１との接続スイッチである。例えば、焦点検出用画素のゲインを撮像用画素のゲインより大きくしたい場合は、接続スイッチ７０１を導通されることで、隣接の保持容量６０５を使用する。一方で、撮像用画素の信号を出力する列に関しては、接続スイッチ７０１を非導通とする。これにより、水平転送線１１２（図２）への容量分割時のゲインを撮像用画素と焦点検出用画素とで変えることができる。本実施形態の場合は、スイッチ７０２を使い、不使用列については、ゲインを変えるための容量より前で経路を遮断する必要がある。容量分割による増幅部は、接続スイッチ７０１により、隣接する複数の列の保持容量６０４，６０５を相互に接続することにより、撮像用画素の第１の増幅率及び焦点検出用画素の第２の増幅率を相互に異ならせる。また、本実施形態では、保持容量６０５と水平転送線１１２との間でゲインを変えたが、別途設けた容量との間の容量分割でもよい。さらには、隣接の列アンプ３００の入力容量３０１を利用して列アンプ３００自体のゲインを上げても良い。
【００３２】
（第８の実施形態）
図１６は、本発明の第８の実施形態の固体撮像装置の全体構成を示す図である。第８の実施形態では、出力アンプ１１３は、撮像用画素と焦点検出用画素とで、異なる増幅率で、水平転送線１１２の信号を増幅する。図１６の水平走査回路１１１には、水平走査パルスＰＨが入力される。カウンタ回路８００は、水平走査パルスＰＨをカウントして出力アンプ１１３に信号を出力する。また、信号ｐＡＦ２は、図８と同じタイミングで垂直方向のカウンタ回路から送られる信号である。
【００３３】
図１７は、カウンタ回路８００の出力を示す図である。画素配置は、図４と同じとする。焦点検出用画素が存在するｊ行目では、信号ｐＡＦ２がハイレベルとなる。このとき、カウンタ回路８００は、水平走査パルスＰＨをカウントし、ｉ＋２列目とｉ＋６列目のときに出力アンプ１１３へハイレベルパルスを出力する。撮像用画素だけを有するｊ＋１行目では、信号ｐＡＦ２がローレベルになり、カウンタ回路８００は、ｉ＋２列目とｉ＋６列目のときも出力アンプ１１３へハイレベルパルスを出力しない。出力アンプ（増幅部）１１３は、カウンタ回路８００の出力に応じて、撮像用画素と焦点検出用画素とで増幅率を変えることができる。出力アンプ１１３は、水平転送線１１２の信号を撮像用画素の第１の増幅率又は焦点検出用画素の第２の増幅率で増幅する。
【００３４】
焦点検出用画素が撮像用画素と比較して開口率が低い場合、焦点検出用画素の信号は撮像用画素の信号より小さくなる。その場合、焦点検出用画素の信号の増幅率を撮像用画素の信号の増幅率より大きくすればよい。これにより、コントラストの小さい画像であっても、焦点検出用画素の信号において高いＳ／Ｎを得ることができる。
【００３５】
また、焦点検出用画素の感度を向上させるために、焦点検出用画素上には色フィルタを配置せず、透明な樹脂だけで被覆することが考えられる。この方法により、焦点検出用画素の感度は色フィルタを有する場合の２〜３倍に増大する。しかしながら、この場合は感度が上がりすぎて、強い光信号が入った場合に光電変換のためのフォトダイオードが飽和してしまうという課題を生じる。その場合、焦点検出用画素の信号の増幅率を撮像用画素の信号の増幅率より小さくすればよい。これにより、焦点検出用画素の信号の飽和を防止することができる。
【００３６】
撮像用画素の信号と焦点検出用画素の信号とを異なる増幅率で増幅することができるので、Ｓ／Ｎの良い信号を得ることができ、様々な撮影条件に左右されにくいオートフォーカス動作が可能な固体撮像装置を提供することができる。
【００３７】
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。
【符号の説明】
【００３８】
１００ａ，１００ｂ 光電変換素子、１０１ａ，１０１ｂ 転送ＭＯＳトランジスタ、１０２ リセットＭＯＳトランジスタ、１０３ 増幅ＭＯＳトランジスタ、１０４ 浮遊拡散部、１０５ 選択ＭＯＳトランジスタ、１０６ 垂直出力線、１０７ 画素ユニット、１１０ 読み出し回路、３００ 列アンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換により信号を生成する複数の画素と、
前記複数の画素の信号を増幅する増幅部とを有し、
前記複数の画素は、撮像用画素及び焦点検出用画素を有し、
前記増幅部は、前記撮像用画素の信号を第１の増幅率で増幅し、前記焦点検出用画素の信号を前記第１の増幅率とは異なる第２の増幅率で増幅することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第２の増幅率は、前記第１の増幅率より大きいことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記撮像用画素は色フィルタを有し、
前記焦点検出用画素は色フィルタを有さず、
前記第２の増幅率は、前記第１の増幅率より小さいことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記複数の画素は、行列状に配列され、
前記増幅部は、前記複数の画素の列毎に設けられる増幅部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記複数の画素は、それぞれ、光電変換により生成された電荷を電圧に変換するための浮遊拡散部を有し、
前記増幅部は、前記浮遊拡散部の容量を変えることにより、前記第１の増幅率及び前記第２の増幅率を相互に異ならせることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記複数の画素は、行列状に配列され、
さらに、前記複数の画素の各列の信号を保持する複数の保持容量と、
前記複数の保持容量の信号を容量分割で順次転送する転送線とを有し、
前記増幅部は、前記保持容量の容量値を変えることにより、前記第１の増幅率及び前記第２の増幅率を相互に異ならせることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記増幅部は、複数の列の前記保持容量を相互に接続することにより、前記第１の増幅率及び前記第２の増幅率を相互に異ならせることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記複数の画素は、行列状に配列され、
さらに、前記複数の画素の各列の信号を保持する複数の保持容量と、
前記複数の保持容量の信号を容量分割で順次転送する転送線とを有し、
前記増幅部は、前記転送線の信号を前記第１の増幅率又は前記第２の増幅率で増幅することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１】
光電変換により信号を生成する複数の画素と、
前記複数の画素の信号を増幅する増幅部とを有し、
前記複数の画素は、撮像用画素及び焦点検出用画素を有し、
前記増幅部は、前記撮像用画素の信号を第１の増幅率で増幅し、前記焦点検出用画素の信号を前記第１の増幅率とは異なる第２の増幅率で増幅することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第２の増幅率は、前記第１の増幅率より大きいことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記撮像用画素は色フィルタを有し、
前記焦点検出用画素は色フィルタを有さず、
前記第２の増幅率は、前記第１の増幅率より小さいことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記複数の画素は、行列状に配列され、
前記増幅部は、前記複数の画素の列毎に設けられる増幅部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記複数の画素は、それぞれ、光電変換により生成された電荷を電圧に変換するための浮遊拡散部を有し、
前記増幅部は、前記浮遊拡散部の容量を変えることにより、前記第１の増幅率及び前記第２の増幅率を相互に異ならせることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記複数の画素は、行列状に配列され、
さらに、前記複数の画素の各列の信号を保持する複数の保持容量と、
前記複数の保持容量の信号を容量分割で順次転送する転送線とを有し、
前記増幅部は、前記保持容量の容量値を変えることにより、前記第１の増幅率及び前記第２の増幅率を相互に異ならせることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記増幅部は、複数の列の前記保持容量を相互に接続することにより、前記第１の増幅率及び前記第２の増幅率を相互に異ならせることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記複数の画素は、行列状に配列され、
さらに、前記複数の画素の各列の信号を保持する複数の保持容量と、
前記複数の保持容量の信号を容量分割で順次転送する転送線とを有し、
前記増幅部は、前記転送線の信号を前記第１の増幅率又は前記第２の増幅率で増幅することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−１０２３８３（Ｐ２０１３−１０２３８３Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４５７１６（Ｐ２０１１−２４５７１６）
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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