JP5968146B2 - 固体撮像装置およびカメラ - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置およびカメラに関する。

近年、固体撮像装置の多画素化、高フレームレート化の要求に伴い、画素からの信号の読み出し時間を短縮する技術の重要性が高まっている。特許文献１には、複数の光電変換素子に対して１つの増幅素子を設けた固体撮像装置が記載されている。以下、説明の便宜のために、複数の光電変換素子のうちの１つを「第１光電変換素子」、他の１つを「第２光電変換素子」として説明する。特許文献１に記載された固体撮像装置では、第１光電変換素子の電荷を増幅素子の入力部に転送して信号（以下、説明の便宜のために、「第１光信号」という。）を読み出した後に、該入力部をリセットすることなく第２光電変換素子の電荷を該入力部に転送して信号（以下、説明の便宜のために、「第２光信号」という。）を読み出すことが記載されている。ここで、第２光電変換素子の電荷を入力部に転送した後に読み出される信号は、第１光電変換素子の電荷と第２光電変換素子の電荷との合計に相当する信号である。

特開2004-134867号公報

特許文献１に記載された方式では、第１光信号よりも第２光信号の方が大きい。したがって、第１光信号の収束に要する時間よりも第２光信号の収束に要する時間の方が長い。第１光信号を読み出すための時間と第２光信号を読み出すための時間とを同様に定めるとすれば、第２光信号を十分な精度で読み出すことができるように当該時間が設定されるべきである。しかしながら、その場合、第１光信号を読み出すための時間は必要以上に長く設定されることになる。あるいは、読み出し時間の短縮を優先しつつ第１光信号を読み出すための時間と第２光信号を読み出すための時間とを同様に定めるとすれば、第２光信号の読み出しの精度は第１光信号の読み出しの精度よりも低くなる。特許文献１には、このような考察やそれに基づく改善に関する思想は記載されていない。

本発明は、本発明者等による上記の考察に基づいてなされたものであり、読み出し時間の短縮と読み出し精度の向上とに有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、固体撮像装置に係り、該固体撮像装置は、画素ユニットと、前記画素ユニットから信号線を介して信号を読み出す読み出し部と、前記読み出し部によって読み出される信号を保持する保持部とを備え、前記画素ユニットが、入射した光に応じた第１電荷を発生する第１光電変換部と、入射した光に応じた第２電荷を発生する第２光電変換部と、前記第１光電変換部および前記第２光電変換部に対して共通に設けられていて、入力部を有し、前記入力部に与えられた電荷に応じた信号を前記信号線に出力する増幅部と、前記第１光電変換部で発生した前記第１電荷を前記入力部に転送する第１転送トランジスタと、前記第２光電変換部で発生した前記第２電荷を前記入力部に転送する第２転送トランジスタとを有し、前記読み出し部によって読み出される信号は、前記入力部に対して前記第１転送トランジスタによって前記第１光電変換部から前記第１電荷が転送された状態で読み出される第１光信号と、前記第１光信号が読み出された後に、前記第１光電変換部から転送された前記第１電荷を保持している前記入力部に対して前記第２転送トランジスタによって前記第２光電変換部から前記第２電荷が転送された状態で読み出される第２光信号とを含み、前記読み出し部が前記第１光信号の読み出しを開始してから、前記保持部への前記第１光信号の書き込みを終了するまでの時間をＴ１、前記読み出し部が前記第２光信号の読み出しを開始してから、前記保持部への前記第２光信号の書き込みを終了するまでの時間をＴ２とすると、Ｔ１＜Ｔ２が成り立つ。

本発明によれば、読み出し時間の短縮と読み出し精度の向上とに有利な技術が提供される。

第１実施形態の固体撮像装置の構成を示す図。 第１乃至第３実施形態の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャート。 第２実施形態の固体撮像装置の構成を示す図。 第３実施形態の固体撮像装置の構成を示す図。 第４実施形態の固体撮像装置の構成を示す図。 第４実施形態の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャート。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

図１および図２を参照しながら本発明の第１実施形態の固体撮像装置ＩＳ１について説明する。固体撮像装置ＩＳ１は、複数の画素ユニット１０１と、複数の読み出し部１１３と、複数の保持部１５０と、水平走査回路１３４と、アンプ１３３とを備えうる。固体撮像装置ＩＳ１はまた、不図示の垂直走査回路を備えうる。

複数の画素ユニット１０１は、複数行および複数列を構成するように配置されうるが、図１には１つのみ示されている。各画素ユニット１０１は、複数の光電変換部として、第１光電変換部１０２ａおよび第２光電変換部１０２ｂとを含む。各画素ユニット１０１はまた、複数の光電変換部としての第１光電変換部１０２ａおよび第２光電変換部１０２ｂに対して共通に設けられた増幅部（増幅トランジスタ）１０５を含む。各画素ユニット１０１はまた、増幅部１０５の入力部１０４であるフローティングディフュージョンに第１光電変換部１０２ａ、第２光電変換部１０２ｂで発生した電荷をそれぞれ転送する第１転送トランジスタ１０３ａ、第２転送トランジスタ１０３ｂを含む。各画素ユニット１０１はまた、増幅部１０５の入力部１０４の電位をリセットするリセットトランジスタ１０６を含みうる。各画素ユニット１０１はまた、画素ユニット１０１を列信号線１１１に接続する選択トランジスタ１０７を含みうる。画素ユニット１０１が列信号線１１１に接続された状態は、画素ユニット１０１が選択された状態であり、画素ユニット１０１が列信号線１１１に接続されていない状態は、画素ユニット１０１が選択されていない状態である。

第１転送トランジスタ１０３ａ、第２転送トランジスタ１０３ｂ、リセットトランジスタ１０６および選択トランジスタ１０７のゲートには、前述の不図示の垂直走査回路によって駆動される駆動線１０８ａ、１０８ｂ、１０９、１１０がそれぞれ接続されている。第１実施形態では、画素ユニット１０１の複数の光電変換部としての第１光電変換部１０２ａ、第２光電変換部１０２ｂに対して共通のマイクロレンズ１３５が設けられている。

第１光電変換部１０２ａ、第２光電変換部１０２ｂに光が入射すると、その光の量に応じた電荷が発生する。第１光電変換部１０２ａ、第２光電変換部１０２ｂで発生した電荷は、それぞれ第１、第２転送トランジスタ１０３ａ、１０３ｂによって入力部１０４に転送される。入力部１０４の電位は、第１光電変換部１０２ａ、第２光電変換部１０２ｂから電荷が転送されてくることによって変化する。増幅部１０５は、入力部１０４の電位に応じた信号を列信号線１１１に出力する。列信号線１１１に接続された定電流源１１２と増幅部１０５とによってソースフォロワが構成されうる。

読み出し部（列アンプ）１１３は、画素ユニット１０１から列信号線１１１に出力される信号を読み出しノードＲＮに読み出す。読み出し部１１３は、例えば、差動増幅器（ＯＰアンプ）１１６と、クランプ容量１１４と、フィードバック容量１１５と、スイッチ１１７とを含みうる。差動増幅器１１６は、第１入力端子、第２入力端子および出力端子を有し、フィードバック容量１１５およびスイッチ１１７は、差動増幅器１１６の第１入力端子と差動増幅器１１６の出力端子との間に並列に配置される。クランプ容量１１４は、差動増幅器１１６の第１入力端子と読み出し部１１３の入力端子との間に配置される。差動増幅器１１６の第２入力端子には、基準電圧源１１８から基準電圧が供給される。差動増幅器１１６の出力端子は、読み出しノードＲＮに接続されている。

保持部１５０は、読み出し部１１３によって読み出しノードＲＮに読み出される信号を保持する。保持部１５０は、メモリ１２３、１２４、１２５、１２６と、スイッチ１１９、１２０、１２１、１２２と、スイッチ１２７、１２８、１２９、１３０とを含む。メモリ１２３、１２４、１２５、１２６は、例えば容量で構成されうる。スイッチ１１９、１２０、１２１、１２２は、それぞれ、読み出しノードＲＮとメモリ１２３、１２４、１２５、１２６との間に配置されている。スイッチ１２７、１２８は、それぞれ、水平信号線１３１とメモリ１２３、１２４との間に配置されている。スイッチ１２９、１３８は、それぞれ、水平信号線１３２とメモリ１２５、１２６との間に配置されている。

アンプ１３３は、差動増幅器であり、水平信号線１３１、１３２は、アンプ１３３の入力端子に接続されている。各保持部１５０のスイッチ１２７、１２８、１２９、１３０は、水平走査回路１３４によって制御される。

以下、図２を参照しながら図１に示す第１実施形態の固体撮像装置ＩＳ１の動作（駆動方法）を説明する。図２のＰＴＸＡ、ＰＴＸＢ、ＰＲＥＳ、ＰＳＥＬは、駆動線１０８ａ、１０８ｂ、１０９、１１０にそれぞれ印加される信号ある。ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢ、ＰＲＥＳ、ＰＳＥＬがハイレベルであるときに、第１転送トランジスタ１０３ａ、第２転送トランジスタ１０３ｂ、リセットトランジスタ１０６および選択トランジスタ１０７がそれぞれオンする。ＰＣ０Ｒは、読み出し部（列アンプ）１１３のスイッチ１１７を制御する信号である。ＰＣ０Ｒがハイレベルであるときに、スイッチ１１７がオンする。ＰＨは、水平走査回路１３４を駆動するためのクロック信号である。

時刻Ｔ２０１において、第１光電変換部１０２ａ、第２光電変換部１０２ｂには電荷が蓄積されている。時刻Ｔ２０１において、第１、第２転送トランジスタ１０３ａ、１０３ｂはオフ状態であり、リセットトランジスタ１０６はオン状態であり、増幅部１０５の入力部１０４がリセット電位にリセットされている。また、時刻Ｔ２０１において、選択トランジスタ１０７はオフ状態であり、画素ユニット１０１は非選択状態である。また、時刻Ｔ２０１において、読出し部１１３のスイッチ１１７はオン状態であり、読み出し部１１３は、ユニティゲインバッファとして動作する。基準電圧源１１８が差動増幅器１１６の第２入力端子に供給する電圧を基準電圧ＶＣ０Ｒとすると、差動増幅器１１６の第１入力端子、第２入力端子および出力端子の電圧はＶＣ０Ｒとなっている。また、時刻Ｔ２０１において、スイッチ１１９〜１２２および１２７〜１３０はオフ状態である。

時刻Ｔ２０２において、ＰＳＥＬがハイレベルとなり、これにより選択トランジスタ１０７がオン状態になる。これによって画素ユニット１０１と列信号線１１１とが接続され、増幅部１０５と定電流源１１２とによってソースフォロワが形成される。

時刻Ｔ２０３において、ＰＲＥＳがローレベルとなり、これによってリセットトランジスタ１０６がオフ状態となり、増幅部１０５の入力部１０４がフローティング状態となる。

時刻Ｔ２０４〜Ｔ２０５の期間において、ＰＴＮ、ＰＴＳＡ、ＰＴＳＡＢがハイレベルとなり、スイッチ１１９〜１２２がオン状態となる。これによって、読み出し部１１３から読み出しノードＲＮに出力されている信号（ＶＣ０Ｒ）が保持部１５０のメモリ１２３〜１２６によって保持される。

時刻Ｔ２０６において、ＰＣ０Ｒがローレベルとなり、読み出し部１１３のスイッチ１１７がオフ状態になる。これによって、読み出し部１１３のユニティゲインバッファ状態が解除され、ゲインが（−Ｃ０／Ｃｆ）の反転アンプとして動作する。ここで、Ｃ０はクランプ容量１１４の値、Ｃｆはフィードバック容量１１５の値である。

時刻Ｔ２０７〜Ｔ２０８の期間において、ＰＴＮがハイレベルとなり、これによってスイッチ１１９、１２０がオン状態になる。これにより、入力部１０４に第１光電変換部１０２ａ、第２光電変換部１０２ｂの電荷が転送されていない状態において読み出し部１１３から読み出しノードＲＮに出力される信号（ノイズ信号）がメモリ１２３、１２４によって保持される。

時刻Ｔ２０９〜Ｔ２１０の期間において、ＰＴＸＡがハイレベルとなり、これによって第１転送トランジスタ１０３ａがオン状態になり、第１光電変換部１０２ａで発生した電荷が増幅部１０５の入力部１０４に転送される。増幅部１０５は、電荷の転送による入力部１０４の電位の変化に応じた信号を列信号線１１１に出力する。読み出し部１１３は、列信号線１１１に出力された信号を（−Ｃ０／Ｃｆ）のゲインで増幅した信号（第１光信号）を読み出しノードＲＮに出力する動作を開始する。

時刻Ｔ２１１〜Ｔ２１２において、ＰＴＳＡがハイレベルとなり、これによって保持部１５０のスイッチ１２１がオン状態になる。これによって、第１光電変換部１０２ａで発生した電荷に応じた第１光信号がメモリ１２５によって保持される。図２には、時刻Ｔ２１１においてＰＴＳＡを立ち上げる例が示されているが、ＰＴＳＡは、時刻Ｔ２０８〜Ｔ２０９の期間における任意の時刻において立ち上げられてもよい。

時刻Ｔ２１３〜Ｔ２１４の期間において、ＰＴＸＡおよびＰＴＸＢがハイレベルとなり、これによって第１、第２転送トランジスタ１０３ａ、１０３ｂがともにオン状態になる。これによって、Ｔ２１０以降に第１光電変換部１０２ａで発生した電荷と、ＰＴＸＢが最後にハイレベルからローレベルになった以降に第２光電変換部１０２ｂで発生した電荷とが増幅部１０５の入力部１０４に転送される。増幅部１０５は、電荷の転送による入力部１０４の電位の変化に応じた信号を列信号線１１１に出力する。読み出し部１１３は、列信号線１１１に出力された信号を（−Ｃ０／Ｃｆ）のゲインで増幅した信号（第２光信号）を読み出しノードＲＮに出力する動作を開始する。なお、第１光電変換部１０２ａによる電荷蓄積期間と第２光電変換部１０２ｂによる電荷蓄積期間とが時間的にずれていてもよい場合には、時刻Ｔ２１３〜Ｔ２１４の期間において、ＰＴＸＡおよびＰＴＸＢのうちＰＴＸＢのみをハイレベルにしてもよい。

時刻Ｔ２１５〜Ｔ２１６の期間において、ＰＴＳＡＢがハイレベルとなり、これによって保持部１５０のスイッチ１２２がオン状態になる。これによって、第１光電変換部１０２ａおよび第２光電変換部１０２ｂで発生した電荷の和に応じた信号（第２光信号）がメモリ１２６によって保持される。図２には、時刻Ｔ２１５においてＰＴＳＡＢを立ち上げた例が示されているが、ＰＴＳＡＢは、時刻Ｔ２１２〜Ｔ２１３の期間における任意の時刻において立ち上げられてもよい。

時刻Ｔ２１７において、ＰＲＥＳがハイレベルとなり、これによってリセットトランジスタ１０６がオン状態となり、増幅部１０５の入力部１０４がリセット電位にリセットされる。また、時刻Ｔ２１７において、ＰＣ０Ｒもハイレベルとなり、読み出し部１１３のスイッチ１１７がオン状態となり、これによって読み出し部１１３がユニティゲインバッファ状態となる。

時刻２１８において、ＰＳＥＬがローレベルとなり、これによって選択トランジスタ１０７がオフ状態となり、選択されていた画素ユニット１０１の選択が解除される。時刻２１９において、水平走査回路１３４が動作を開始する。図２には示されていないが、水平走査回路１３４は、保持部１５０のスイッチ１２７、１２９をオン状態にし、メモリ１２３、１２５に保持された信号を水平信号線１３１、１３２に転送させる。アンプ１３３は、水平信号線１３１、１３２に出力された信号を差動増幅した信号を出力する。この差動増幅によって、読み出し部１１３の出力オフセットや、水平信号線１３１、１３２に共通にのるノイズがキャンセルされる。次に、水平信号線１３１、１３２がリセットされた後に、水平走査回路１３４は、スイッチ１２８、１３０をオン状態にし、メモリ１２４、１２６に保持された信号を水平信号線１３１、１３２に転送させる。アンプ１３３は、水平信号線１３１、１３２に出力された信号を差動増幅した信号を出力する。以上の動作が、画素ユニット１０１の各行について実行される。

読み出し部１１３が第１光信号の読み出しを開始してから保持部１５０が第１光信号の保持を終了するまでの時間をＴ１、読み出し部１１３が第１光信号の読み出しを開始してから保持部１５０が第２光信号の保持を終了するまでの時間をＴ２とする。この場合において、Ｔ１＜Ｔ２が成り立つことが好ましい。ここで、第１光信号は、第１光電変換部１０２ａで発生した電荷の量に相当する信号であり、より具体的には、第１光電変換部１０２ａで発生した電荷が入力部１０４に転送された状態で読み出し部１１３によって読み出しノードＲＮに読み出される信号である。第２光信号は、第１光電変換部１０２ａおよび第２光電変換部１０２ｂで発生した電荷の量に相当する信号である。より具体的には、第２光信号は、第１光電変換部１０２ａおよび第２光電変換部１０２ｂで発生した電荷が入力部１０４に転送された状態で読み出し部１１３によって読み出しノードＲＮに読み出される信号である。

また、読み出し部１１３がノイズ信号の読み出しを開始してから保持部１５０がノイズ信号の保持を終了するまでの時間をＴ０とすると、Ｔ０＜Ｔ１＜Ｔ２が成り立つことが好ましい。ここで、ノイズ信号は、リセットトランジスタ１０６による入力部１０４のリセットが解除された状態における入力部１０４の電位に相当する信号である。より具体的には、ノイズ信号は、リセットトランジスタ１０６による入力部１０４のリセットが解除された状態で読み出し部１１３によって読み出しノードＲＮに読み出される信号である。

読み出し部１１３が第１光信号の読み出しを開始してから保持部１５０が第１光信号の保持を終了するまでの時間Ｔ１は、時刻Ｔ２０９から時刻Ｔ２１２までの時間である。ここで、時刻Ｔ２０９は、第１光電変換部１０２ａから入力部１０４への電荷の転送が開始される時刻であり、読み出し部１１３は、時刻２０９において、第１光信号の読み出しを開始する。読み出し部１１３が第２光信号の読み出しを開始してから保持部１５０が第２光信号の保持を終了するまでの時間Ｔ２は、時刻Ｔ２１３から時刻Ｔ２１６までの時間である。ここで、時刻２１３は、第２光電変換部１０２ｂから入力部１０４への電荷の転送が開始される時刻である。読み出し部１１３は、時刻２１３において、第２光信号の読み出しを開始する（時刻２１３よりも前では、読み出し部１１３は第１光信号の読み出しをしているに過ぎない）。読み出し部１１３がノイズ信号の読み出しを開始してから保持部１５０がノイズ信号の保持を終了するまでの時間Ｔ０は、時刻Ｔ２０６から時刻Ｔ２０８までの時間である。ここで、時刻Ｔ２０６は、ＰＣ０Ｒがローレベルになり、読み出し部１１３が（−Ｃ０／Ｃｆ）のゲインで増幅を開始する時刻である。

以下、上記のようなＴ１＜Ｔ２又はＴ０＜Ｔ１＜Ｔ２を満たす駆動方法が好ましい理由を具体的に説明する。読み出し部１１３などのアンプが動作を開始してからその出力が収束するまでの時間は、セトリング時間と呼ばれる。信号の保持（書き込み）を終了する時刻Ｔ２０８、Ｔ２１２、Ｔ２１６において、読み出し部１１３の出力信号の値が許容範囲内に収束している必要がある。読み出し部１１３に小信号が入力された場合、読み出し部１１３の出力信号（出力電圧）の値の変化ΔＶｏｕｔは、入力電圧の変化ΔＶｉｎに比例し、
ΔＶｏｕｔ＝−ΔＶｉｎ・Ｃ０／Ｃｆ・（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ）） ・・・（式１）
と表すことができる。ここで、τは、読み出し部１１３の差動増幅器１１６を構成するトランジスタの特性と、差動増幅器１１６に流す電流と、差動増幅器１１６の出力端子に接続された負荷とによって決まる時定数であり、ｔは時間である。読み出し部１１３に大信号が入力された場合、読み出し部１１３の出力信号（出力電圧）は、入力電圧に依存せず、差動増幅器１１６のスルーレートに従って上昇し、出力電圧の変化ΔＶｏｕｔは、
ΔＶｏｕｔ＝Ｉｓｓ／Ｃｏｕｔ・ｔ ・・・（式２）
と表すことができる。ここで、Ｉｓｓは差動増幅器１１６の出力電流、Ｃｏｕｔは差動増幅器１１６の出力端子に接続された容量である。出力の変化が入力にフィードバックされ、差動増幅器１１６の２つの入力端子の間の電圧が小さくなると、出力電圧は、（式１）にしたがって変化するようになる。このことから、（式２）に従う場合、出力電圧がΔＶだけ小さければ、
ｔ＝ΔＶ・Ｃｏｕｔ／Ｉｓｓ
だけ、読み出し部１１３のセトリング時間が短くなる。また、（式１）に従う場合、読み出し部１１３の出力信号があるエラー範囲εに収まるまでに要する時間は、
ｔ＝−τ・ｌｎ（ε／ΔＶｏｕｔ（ｔ→∞））
となる。ΔＶｏｕｔ（ｔ→∞）は、ΔＶｏｕｔが収束する電圧である。この式から、出力電圧が小さいほど読み出し部１１３のセトリング時間が短くなることが分かる。

上記のような読出し方法では、第２光信号は、第１光信号に対して第２光電変換部１０２ｂで発生した電荷の量に相当する信号を加算した信号である。よって、第２光信号の値は第１光信号の値より常に大きい。したがって、第１光信号の読み出し時の読み出し部１１３の出力信号のセトリング時間は、第２光信号の読み出し時の読み出し部１１３の出力信号のセトリング時間よりも短い。よって、Ｔ１＜Ｔ２を満たすように固体撮像装置ＩＳ１を動作させることが好ましい。また、ノイズ信号は、第１光信号および第２光信号よりも小さいので、Ｔ０＜Ｔ１＜Ｔ２を満たすように固体撮像装置ＩＳ１を動作させることが好ましい。これは、読み出し時間を短縮しつつ読み出し精度を向上させるために有利である。

更に、図１に示す固体撮像装置ＩＳ１では、第１光電変換部１０２ａ、第２光電変換部１０２ｂに対して共通のマイクロレンズ１３５が設けられている。このような構成を有する固体撮像装置ＩＳ１は、位相差方式の焦点検出に応用されうる。第１光電変換部１０２ａ、第２光電変換部１０２ｂに対して共通のマイクロレンズ１３５を設けることによって、瞳の第１領域を通過した光線を第１光電変換部１０２ａに入射させ、該瞳の第２領域を通過した光線を第２光電変換部１０２ｂに入射させることができる。瞳の第１領域を通過した光線によって形成される像をＡ像、瞳の第２領域を通過した光線によって形成される像をＢ像とすると、第１光電変換部１０２ａから読み出された信号がＡ像の信号、第２光電変換部１０２ｂから読み出された信号がＢ像の信号である。

前述の第１光信号はＡ像の信号に相当し、前述の第２光信号は、Ａ像の信号とＢ像の信号との和に相当する。したがって、第２光信号から第１光信号を減じることによってＢ像の信号を得ることができる。このようにして得られたＡ像の信号とＢ像の信号に基づいて焦点検出を行うことができる。また、第２光信号を画像信号として利用することができる。

撮像用の画像にはノイズの少ない画質が要求され、Ａ像の信号とＢ像の信号とを足し合わせた信号、すなわち第２光信号には高いＳ／Ｎが要求される。しかし、焦点検出用の信号である第１光信号（Ａ像の信号）には焦点検出できる精度があればよく、高いＳ／Ｎは要求されない。したがって、第１光信号の読み出し時間を短くして、第１光信号のＳ／Ｎを犠牲にすることで、画像情報を劣化させることなく、高速化することができる。

図３を参照しながら本発明の第２実施形態の固体撮像装置ＩＳ２について説明する。なお、図１に示された第１実施形態の固体撮像装置ＩＳ１における構成要素と同様の構成要素には同様の符号が付されている。また、第２実施形態として言及しない事項は、第１実施形態にしたがいうる。第２実施形態の固体撮像装置ＩＳ２は、第１画素ユニット１０１の光電変換部と第２画素ユニット３０１の光電変換部とに対して共通のマイクロレンズが設けられている。

第２実施形態の固体撮像装置ＩＳ２は、第１画素ユニット１０１と第２画素ユニット３０１からなる単位ユニットを行列状に配置した構成を有する。なお、図３には、簡単化のために１つの単位ユニットのみが示されている。第２実施形態の固体撮像装置ＩＳ２は、複数の読み出し部１１３、３１３と、複数の保持部１５０、３５０と、水平走査回路１３４と、アンプ１３３とを備えうる。固体撮像装置ＩＳ２はまた、不図示の垂直走査回路を備えうる。

第１画素ユニット１０１は、第１実施形態の第１画素ユニット１０１と同様の構成を有する。第２画素ユニット３０１は、第１画素ユニット３０１と同様の構成要素で構成されているが、第２画素ユニット３０１の構成要素の配置と第１画素ユニット３０１の構成要素の配置とはミラー対称でありうる。第２画素ユニット３０１は、複数の光電変換部として、第３光電変換部３０２ａおよび第４光電変換部３０２ｂとを含む。各画素ユニット３０１はまた、複数の光電変換部としての第３光電変換部３０２ａおよび第４光電変換部３０２ｂに対して共通に設けられた第２増幅部３０５を含む。各画素ユニット３０１はまた、第２増幅部３０５の入力部（第２入力部）３０４に第３光電変換部３０２ａ、第４光電変換部３０２ｂで発生した電荷をそれぞれ転送する第３転送トランジスタ３０３ａ、第４転送トランジスタ３０３ｂを含む。各画素ユニット３０１はまた、第２増幅部３０５の入力部３０４の電位をリセットするリセットトランジスタ３０６を含みうる。各画素ユニット３０１はまた、画素ユニット３０１を列信号線３１１に接続する選択トランジスタ３０７を含みうる。

第１画素ユニット１０１の第１光電変換部１０２ａと第２画素ユニット３０１の第３光電変換部３０２ａとには、共通のマイクロレンズ１３５が設けられている。第１画素ユニット１０１の第２光電変換部１０２ｂと第２画素ユニット３０１の第４光電変換部３０２ｂとには、共通のマイクロレンズ１３６が設けられている。

読み出し部１１３は、第１実施形態の読み出し部１１３と同様の構成を有し、画素ユニット１０１から列信号線１１１に出力される信号を読み出しノードＲＮに読み出す。読み出し部（第２読み出し部）３１３は、読み出し部１１３と同様の構成を有し、画素ユニット３０１から列信号線３１１に出力される信号を読み出しノードＲＮ２に読み出す。読み出し部３１３は、例えば、差動増幅器（ＯＰアンプ）３１６と、クランプ容量３１４と、フィードバック容量３１５と、スイッチ３１７とを含みうる。差動増幅器３１６は、第１入力端子、第２入力端子および出力端子を有し、フィードバック容量３１５およびスイッチ３１７は、差動増幅器３１６の第１入力端子と差動増幅器３１６の出力端子との間に並列に配置される。クランプ容量３１４は、差動増幅器３１６の第１入力端子と読み出し部３１３の入力端子との間に配置される。差動増幅器３１６の第２入力端子には、基準電圧源３１８から基準電圧が供給される。差動増幅器３１６の出力端子は、読み出しノードＲＮ２に接続されている。

保持部（第２保持部）３５０は、読み出し部３１３によって読み出しノードＲＮ２に読み出される信号を保持する。保持部３５０は、メモリ３２３、３２４、３２５、３２６と、スイッチ３１９、３２０、３２１、３２２と、スイッチ３２７、３２８、３２９、３３０とを含む。メモリ３２３、３２４、３２５、３２６は、例えば容量で構成されうる。スイッチ３１９、３２０、３２１、３２２は、それぞれ、読み出しノードＲＮ３とメモリ３２３、３２４、３２５、３２６との間に配置されている。スイッチ３２７、３２８は、それぞれ、水平信号線１３１とメモリ３２３、３２４との間に配置されている。スイッチ３２９、３３８は、それぞれ、水平信号線１３２とメモリ３２５、３２６との間に配置されている。

第２実施形態の固体撮像装置ＩＳ２は、第１実施形態の固体撮像装置ＩＳ１と同様に、図２のタイミングチャートによって示されるように動作する。読み出し部１１３、３１３が第１光信号の読み出しを開始してから保持部１５０、３５０が第１光信号の保持を終了するまでの時間をＴ１とする。また、読み出し部１１３、３１３が第２光信号の読み出しを開始してから保持部１５０、３５０が第２光信号の保持を終了するまでの時間をＴ２とする。この場合において、Ｔ１＜Ｔ２が成り立つことが好ましい。また、読み出し部１１３、３１３がノイズ信号の読み出しを開始してから保持部１５０、３５０がノイズ信号の保持を終了するまでの時間をＴ０とすると、Ｔ０＜Ｔ１＜Ｔ２が成り立つことが好ましい。

第１実施形態の固体撮像装置ＩＳ１では、共通のマイクロレンズ１３５の下に配置された第１光電変換部１０２ａおよび第２光電変換部１０２ｂからの信号の読み出しタイミングがわずかに異なる。一方、第２実施形態の固体撮像装置ＩＳ２では、共通のマイクロレンズ１３５の下に配置された第１光電変換部１０２ａおよび第３光電変換部３０２ａからの信号の読み出しタイミングが同一である。同様に、第２実施形態の固体撮像装置ＩＳ２では、共通のマイクロレンズ１３６の下に配置された第２光電変換部１０２ｂおよび第４光電変換部３０２ｂからの信号の読み出しタイミングが同一である。したがって、第２実施形態では、共通のマイクロレンズの下に配置された２つの光電変換部からの信号の読み出しタイミングの相違による誤差がなく、例えば、位相差方式の焦点検出の精度を向上させることができる。

図４を参照しながら第３実施形態の固体撮像装置ＩＳ３について説明する。第３実施形態の固体撮像装置ＩＳ３は、第１光電変換部１０２ａに対して１つのマイクロレンズ４０１が設けられ、第２光電変換部１０２ｂに対して１つのマイクロレンズ４０２が設けられている点で第１実施形態の固体撮像装置ＩＳ１と異なる。つまり、第３実施形態の固体撮像装置ＩＳ３では、第１光電変換部１０２ａおよび第２光電変換部１０２ｂに対して別個のマイクロレンズが設けられている。他の点に関しては、第３実施形態の固体撮像装置ＩＳ３は、第１実施形態の固体撮像装置ＩＳ１と同様である。

図５および図６を参照しながら第４実施形態の固体撮像装置ＩＳ４について説明する。第４実施形態として言及しない事項は、第１実施形態にしたがいうる。第４実施形態の固体撮像装置ＩＳ４は、各画素ユニット１０１が少なくとも３つの光電変換部を有しうることを明示的に示すものである。各画素ユニット１０１は、前述の第１光電変換部１０２ａ、第２光電変換部１０２ｂの他に、少なくとも１つの追加の光電変換部として第３光電変換部１０２ｃを含む。これに応じて、第４実施形態の固体撮像装置ＩＳ４は、第３光電変換部１０２ｃで発生した電荷を入力部１０４に転送するための第３転送トランジスタ１０３ｃを含む。第３転送トランジスタ１０３ｃのゲートには、前述の不図示の垂直走査回路によって駆動される駆動線１０８ｃが接続されている。

また、保持部１５０にも、スイッチ５０１、５０２、５０５、５０６と、メモリ５０３、５０４が追加されている。スイッチ５０１はＰＴＮで制御され、スイッチ５０２はＰＴＳＡＢＣによって制御される。スイッチ５０５、５０６は、水平走査回路１３４によって制御される。

以下では、各画素ユニット１０１が３つの光電変換部を有する場合における固体撮像装置ＩＳ４の動作（駆動方法）を説明する。図６のＰＴＸＡ、ＰＴＸＢ、ＰＴＸＣ、ＰＲＥＳ、ＰＳＥＬは、駆動線１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０９、１１０にそれぞれ印加される信号ある。ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢ、ＰＴＸＣ、ＰＲＥＳ、ＰＳＥＬがハイレベルであるときに、第１転送トランジスタ１０３ａ、第２転送トランジスタ１０３ｂ、第３転送トランジスタ１０３ｃ、リセットトランジスタ１０６および選択トランジスタ１０７がそれぞれオンする。

図６における時刻Ｔ６０１〜Ｔ６１６の動作は、図２の時刻Ｔ２０１〜２１６の動作とほぼ同様である。ただし、時刻Ｔ６０４〜Ｔ６０５の期間において、ＰＴＮ、ＰＴＳＡ、ＰＴＳＡＢのほかにＰＴＸＡＢＣがハイレベルとなり、スイッチ１１９〜１２２のほかにスイッチ５０１、５０２がオン状態になる。これによって、読み出し部１１３から読み出しノードＲＮに出力されている信号（ＶＣ０Ｒ）が保持部１５０のメモリ１２３〜１２６、５０３、５０４によって保持される。

時刻Ｔ６１７〜Ｔ６１８の期間において、ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢおよびＰＴＸＣがハイレベルとなり、これによって、転送トランジスタ１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃがすべてオン状態になる。これによって、Ｔ６１４以降に第１光電変換部１０２ａおよび第２光電変換部１０２ｂで発生した電荷と、ＰＴＸＣが最後にハイレベルからローレベルになった以降に第３光電変換部１０２ｃで発生した電荷とが増幅部１０５の入力部１０４に転送される。増幅部１０５は、電荷の転送による入力部１０４の電位の変化に応じた信号を列信号線１１１に出力する。読み出し部１１３は、列信号線１１１に出力された信号を（−Ｃ０／Ｃｆ）のゲインで増幅した信号（第３光信号）を読み出しノードＲＮに出力する動作を開始する。なお、第１光電変換部１０２ａによる電荷蓄積期間、第２光電変換部１０２ｂによる電荷蓄積期間および第３光電変換部１０２ｃによる電荷蓄積期間が相互に時間的にずれていてもよい場合もある。この場合には、時刻Ｔ６１７〜Ｔ６１８において、ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢ、ＰＴＸＣのうちＰＴＸＣのみをハイレベルにしてもよい。

時刻Ｔ６１９〜Ｔ６２０の期間において、ＰＴＳＡＢＣがハイレベルとなり、これによって保持部１５０のスイッチ５０２がオン状態になる。これによって、第１光電変換部１０２ａ、第２光電変換部１０２ｂ、第３光電変換部１０２ｃで発生した電荷の和に応じた信号（第３光信号）がメモリ５０４によって保持される。図６には、時刻Ｔ６１９においてＰＴＳＡＢＣを立ち上げた例が示されているが、ＰＴＳＡＢＣは、時刻Ｔ６１６〜Ｔ６１７の期間における任意の時刻において立ち上げられてもよい。

時刻Ｔ６２１〜Ｔ６２３における動作は、図２のＴ２１７〜Ｔ２１９と同じである。ただし、水平走査回路１３４の走査により、メモリ１２３、１２５の信号の差分、メモリ１２４、１２６の信号の差分に加えて、メモリ５０３、５０４の信号の差分がアンプ１３３で増幅されて出力される。

読み出し部１１３が第１光信号の読み出しを開始してから保持部１５０が第１光信号の保持を終了するまでの時間をＴ１、読み出し部１１３が第２光信号の読み出しを開始してから保持部１５０が第２光信号の保持を終了するまでの時間をＴ２とする。また、読み出し部１１３が第３光信号の読み出しを開始してから保持部１５０が第３光信号の保持を終了するまでの時間をＴ３とする。この場合において、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３が成り立つことが好ましい。ここで、第１光信号および第２光信号は、すでに定義されているとおりである。第３光信号は、第１光電変換部１０２ａ、第２光電変換部１０２ｂおよび第３光電変換部１０２ｃで発生した電荷の量に相当する信号である。より具体的には、第３光信号は、第１光電変換部１０２ａ、第２光電変換部１０２ｂおよび第３光電変換部１０２ｃで発生した電荷が入力部１０４に転送された状態で読み出し部１１３によって読み出しノードＲＮに読み出される信号である。また、ノイズ信号も考慮すると、Ｔ０＜Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３が成り立つことが好ましい。

図６に示す例では、光電変換部から入力部１０４への電荷の転送を３回にわたって行っているが、これを２回にしてもよい。例えば、時刻Ｔ６１３〜Ｔ６１６を省略してもよい。この場合には、水平走査回路１３４で走査する際に、メモリ１２４、１２６から水平信号線１３１、１３２への信号の転送を行わない。

図５には、３つの光電変換部に対して１つの増幅部が設けられている例が示されているが、４つ以上の光電変換部に対して１つの増幅部が設けられてもよい。増幅部を共有する複数の光電変換部は、共通のマイクロレンズの下に配置されてもよいし、互いに異なるマイクロレンズの下に配置されてもよい。

以下、上記の各実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、該固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部とを含む。該処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、該Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

Claims (13)

1. 画素ユニットと、前記画素ユニットから信号線を介して信号を読み出す読み出し部と、前記読み出し部によって読み出される信号を保持する保持部とを備え、前記画素ユニットが、入射した光に応じた第１電荷を発生する第１光電変換部と、入射した光に応じた第２電荷を発生する第２光電変換部と、前記第１光電変換部および前記第２光電変換部に対して共通に設けられていて、入力部を有し、前記入力部に与えられた電荷に応じた信号を前記信号線に出力する増幅部と、前記第１光電変換部で発生した前記第１電荷を前記入力部に転送する第１転送トランジスタと、前記第２光電変換部で発生した前記第２電荷を前記入力部に転送する第２転送トランジスタとを有する固体撮像装置であって、
   前記読み出し部によって読み出される信号は、前記入力部に対して前記第１転送トランジスタによって前記第１光電変換部から前記第１電荷が転送された状態で読み出される第１光信号と、前記第１光信号が読み出された後に、前記第１光電変換部から転送された前記第１電荷を保持している前記入力部に対して前記第２転送トランジスタによって前記第２光電変換部から前記第２電荷が転送された状態で読み出される第２光信号とを含み、
   前記読み出し部が前記第１光信号の読み出しを開始してから、前記保持部への前記第１光信号の書き込みを終了するまでの時間をＴ１、前記読み出し部が前記第２光信号の読み出しを開始してから、前記保持部への前記第２光信号の書き込みを終了するまでの時間をＴ２とすると、Ｔ１＜Ｔ２が成り立つ、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記画素ユニットが、前記入力部の電位をリセットするリセットトランジスタを更に有し、前記読み出し部によって読み出される信号は、前記入力部の電圧が前記リセットトランジスタによってリセットされた状態で読み出されるノイズ信号を含み、
   前記読み出し部が前記ノイズ信号の読み出しを開始してから前記保持部への前記ノイズ信号の書き込みを終了するまでの時間をＴ０とすると、Ｔ０＜Ｔ１＜Ｔ２が成り立つ、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記読み出し部は、第１入力端子、第２入力端子および出力端子を有する差動増幅器と、前記入力部と前記第１入力端子との間に配置されたクランプ容量と、前記第１入力端子と前記出力端子との間に配置されたフィードバック容量と、前記第１入力端子と前記出力端子との間に配置されたスイッチとを有し、前記第２入力端子に基準電圧が与えられ、
   前記保持部は、メモリを含み、前記リセットトランジスタによる前記入力部の電圧のリセットが解除され、かつ、前記スイッチがオンした状態において前記読み出し部によって読み出される信号を前記メモリによって保持した後に、前記メモリによって前記ノイズ信号を保持する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記保持部は、前記ノイズ信号を保持する２つのメモリ、前記第１光信号を保持するメモリおよび前記第２光信号を保持するメモリを含む、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の固体撮像装置。
5. 前記第２転送トランジスタによって前記第２光電変換部から前記入力部に前記第２電荷が転送される際に、前記第１転送トランジスタによって前記第１光電変換部から前記入力部に再び電荷が転送される、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記第１光電変換部および前記第２光電変換部に対して共通のマイクロレンズが設けられている、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記第１光電変換部および前記第２光電変換部に対してそれぞれ別個のマイクロレンズが設けられている、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 第２画素ユニットと、前記第２画素ユニットから信号を読み出す第２読み出し部と、前記第２読み出し部によって読み出される信号を保持する第２保持部とを更に備え、前記第２画素ユニットが、第３光電変換部と、第４光電変換部と、前記第３光電変換部および前記第４光電変換部に対して共通に設けられた第２増幅部と、前記第３光電変換部で発生した電荷を前記第２増幅部の入力部である第２入力部に転送する第３転送トランジスタと、前記第４光電変換部で発生した電荷を前記第２入力部に転送する第４転送トランジスタと、を有し、
   前記第１光電変換部および前記第３光電変換部に対して共通のマイクロレンズが設けられ、前記第２光電変換部および前記第４光電変換部に対して共通のマイクロレンズが設けられている、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記画素ユニットは、少なくとも１つの追加の光電変換部を含み、前記増幅部が前記第１光電変換部、前記第２光電変換部および前記少なくとも１つの追加の光電変換部に対して共通に設けられている、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記第２光信号は、前記第１光電変換部から転送された前記第１電荷を保持している前記入力部に対して前記第２転送トランジスタによって前記第２光電変換部から前記第２電荷が転送され、かつ、前記第１転送トランジスタによって前記第１光電変換部から前記入力部に再び電荷が転送された状態で読み出される信号である、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部と、
    を備えることを特徴とするカメラ。
12. 画素ユニットと、前記画素ユニットから信号線を介して信号を読み出す読み出し部と、前記読み出し部によって読み出される信号を保持する保持部とを備え、前記画素ユニットが、入射した光に応じた第１電荷を発生する第１光電変換部と、入射した光に応じた第２電荷を発生する第２光電変換部と、前記第１光電変換部および前記第２光電変換部に対して共通に設けられていて、入力部を有し、前記入力部に与えられた電荷に応じた信号を前記信号線に出力する増幅部と、前記第１光電変換部で発生した前記第１電荷を前記入力部に転送する第１転送トランジスタと、前記第２光電変換部で発生した前記第２電荷を前記入力部に転送する第２転送トランジスタと、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記読み出し部によって読み出される信号は、前記入力部に対して前記第１転送トランジスタによって前記第１光電変換部から前記第１電荷が転送された状態で読み出される第１光信号と、前記第１光信号が読み出された後に、前記第１光電変換部から転送された前記第１電荷を保持している前記入力部に対して前記第２転送トランジスタによって前記第２光電変換部から前記第２電荷が転送された状態で読み出される第２光信号とを含み、
    前記駆動方法は、前記読み出し部が前記第１光信号の読み出しを開始してから、前記保持部への前記第１光信号の書き込みを終了するまでの時間をＴ１、前記読み出し部が前記第１光信号の読み出しを開始してから、前記保持部への前記第２光信号の書き込みを終了するまでの時間をＴ２とすると、Ｔ１＜Ｔ２が成り立つように、前記固体撮像装置を駆動する、
    ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
13. 前記第２光信号は、前記第１光電変換部から転送された前記第１電荷を保持している前記入力部に対して前記第２転送トランジスタによって前記第２光電変換部から前記第２電荷が転送され、かつ、前記第１転送トランジスタによって前記第１光電変換部から前記入力部に再び電荷が転送された状態で読み出される信号である、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像装置の駆動方法。