(57)【要約】【課題】画素の出力信号を高速にアナログからデジタルに変換することができるようにすることである。【解決手段】撮像装置は、第１および第２の光電変換手段を含む画素を有し、アナログデジタル変換手段は、第１の期間では、リセット解除に基づく画素の出力信号と第１の参照信号とを比較し、リセット解除に基づく画素の出力信号と第２の参照信号とを比較し、第２の期間では、第１の光電変換手段により変換された電荷に基づく画素の出力信号と第３の参照信号とを比較し、第３の期間では、第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく画素の出力信号が判定信号より小さい場合には、第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく画素の出力信号と第１の参照信号とを比較し、判定信号より大きい場合には、第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく画素の出力信号と第２の参照信号とを比較する。【選択図】図７
2020061631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が光を電荷に変換する第１の光電変換手段および第２の光電変換手段を含む第１の画素と、
前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換手段とを有し、
前記アナログデジタル変換手段は、
第１の期間では、前記第１の画素のリセット解除に基づく前記第１の画素の出力信号と第１の変化率で変化する第１の参照信号とを比較することにより、前記第１の画素のリセット解除に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第１のデジタル値を生成し、前記第１の画素のリセット解除に基づく前記第１の画素の出力信号と前記第１の変化率より大きい第２の変化率で変化する第２の参照信号とを比較することにより、前記第１の画素のリセット解除に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第２のデジタル値を生成し、
第２の期間では、前記第１の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号と前記第２の変化率より大きい第３の変化率で変化する第３の参照信号とを比較することにより、前記第１の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第３のデジタル値を生成し、
第３の期間では、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号が判定信号より小さい場合には、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号と前記第１の参照信号とを比較することにより、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第４のデジタル値を生成し、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号が前記判定信号より大きい場合には、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号と前記第２の参照信号とを比較することにより、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第５のデジタル値を生成することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記アナログデジタル変換手段は、前記第１の期間では、前記第１の画素のリセット解除に基づく前記第１の画素の出力信号と前記第３の参照信号とを比較することにより、前記第１の画素のリセット解除に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第６のデジタル値を生成することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第２の変化率は、前記第１の変化率の第１の係数倍であり、
前記第３の変化率は、前記第１の変化率の第２の係数倍であり、
前記第３のデジタル値と前記第６のデジタル値との差分に対して前記第２の係数倍した値を演算し、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号が前記判定信号より小さい場合には、前記第４のデジタル値と前記第１のデジタル値との差分を演算し、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号が前記判定信号より大きい場合には、前記第５のデジタル値と前記第２のデジタル値との差分に対して前記第１の係数倍した値を演算する演算手段をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第２の変化率は、前記第１の変化率の第１の係数倍であり、
前記第３の変化率は、前記第１の変化率の第２の係数倍であり、
前記第３のデジタル値を前記第２の係数倍した値と前記第１のデジタル値との差分を演算し、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号が前記判定信号より小さい場合には、前記第４のデジタル値と前記第１のデジタル値との差分を演算し、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号が前記判定信号より大きい場合には、前記第５のデジタル値と前記第２のデジタル値との差分に対して前記第１の係数倍した値を演算する演算手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】
各々が光を電荷に変換する第３の光電変換手段および第４の光電変換手段を含む第２の画素をさらに有し、
前記アナログデジタル変換手段は、
第４の期間では、前記第２の画素のリセット解除に基づく前記第２の画素の出力信号と前記第１の参照信号とを比較することにより、前記第２の画素のリセット解除に基づく前記第２の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第７のデジタル値を生成し、前記第２の画素のリセット解除に基づく前記第２の画素の出力信号と前記第２の参照信号とを比較することにより、前記第２の画素のリセット解除に基づく前記第２の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第８のデジタル値を生成し、
第５の期間では、前記第３および第４の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第２の画素の出力信号が前記判定信号より小さい場合には、前記第３および第４の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第２の画素の出力信号と前記第１の参照信号とを比較することにより、前記第３および第４の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第２の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第９のデジタル値を生成し、前記第３および第４の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第２の画素の出力信号が前記判定信号より大きい場合には、前記第３および第４の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第２の画素の出力信号と前記第２の参照信号とを比較することにより、前記第３および第４の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第２の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第１０のデジタル値を生成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記撮像装置は、行列状に配列された複数の画素を有し、
前記第１の画素と前記第２の画素は、異なる行の画素であることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第１の画素に対応し、前記第１の光電変換手段と前記第２の光電変換手段を覆う第１のマイクロレンズをさらに有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記アナログデジタル変換手段は、
前記第１の画素の出力信号と前記第１〜第３の参照信号の中のいずれかとを比較する比較手段と、
前記第１の比較手段の比較の結果に応じてカウントを行うカウント手段とを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記第１の参照信号と前記第３の参照信号は、第１の信号線を介して、前記比較手段に供給され、
前記第２の参照信号は、第２の信号線を介して、前記比較手段に供給されることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第１〜第３の参照信号を生成する生成手段をさらに有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
各々が光を電荷に変換する第１の光電変換手段および第２の光電変換手段を含む第１の画素を有する撮像装置の制御方法であって、
アナログデジタル変換手段により、第１の期間では、前記第１の画素のリセット解除に基づく前記第１の画素の出力信号と第１の変化率で変化する第１の参照信号とを比較することにより、前記第１の画素のリセット解除に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第１のデジタル値を生成し、前記第１の画素のリセット解除に基づく前記第１の画素の出力信号と前記第１の変化率より大きい第２の変化率で変化する第２の参照信号とを比較することにより、前記第１の画素のリセット解除に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第２のデジタル値を生成するステップと、
前記アナログデジタル変換手段により、第２の期間では、前記第１の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号と前記第２の変化率より大きい第３の変化率で変化する第３の参照信号とを比較することにより、前記第１の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第３のデジタル値を生成するステップと、
前記アナログデジタル変換手段により、第３の期間では、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号が判定信号より小さい場合には、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号と前記第１の参照信号とを比較することにより、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第４のデジタル値を生成し、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号が前記判定信号より大きい場合には、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号と前記第２の参照信号とを比較することにより、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第５のデジタル値を生成するステップと
を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置および撮像装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元に配列されたマイクロレンズ毎に、瞳分割された光電変換部Ａと光電変換部Ｂを有する画素を設けた撮像装置が知られている（特許文献１参照）。撮像装置は、光電変換部Ａの出力信号であるＡ像信号と、光電変換部Ａと光電変換部Ｂの信号の加算信号であるＡ＋Ｂ像信号を読み出す。そして、撮像装置は、（Ａ＋Ｂ像信号）−（Ａ像信号）からＢ像信号を生成し、Ａ像信号とＢ像信号を用いて位相差検出方式の焦点検出を実施するとともに、Ａ＋Ｂ像信号を用いて被写体画像を生成する。
【０００３】
また、各列の画素信号を並列にアナログデジタル変換して画像信号として出力する撮像装置が知られている（特許文献２参照）。撮像装置は、画像信号とランプ波状の参照信号を比較する比較器とカウンタを有し、カウンタが比較器の比較時間をカウントすることで、画像信号をアナログからデジタルに変換する。撮像装置は、低照度部の画素信号には変化率の小さい参照信号を用いたアナログデジタル変換を実施し、高照度部の画素信号には変化率が大きい参照信号を用いたアナログデジタル変換を実施する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１０６１９４号公報
【特許文献２】特開２０１５−１６４２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、Ａ像信号とＡ＋Ｂ像信号を読み出す必要があるため、読み出し時間が２倍かかり、フレームレートが低下する課題がある。
【０００６】
本発明の目的は、第１および第２の光電変換手段を含む画素の出力信号を高速にアナログからデジタルに変換することができる撮像装置および撮像装置の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の撮像装置は、各々が光を電荷に変換する第１の光電変換手段および第２の光電変換手段を含む第１の画素と、前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換手段とを有し、前記アナログデジタル変換手段は、第１の期間では、前記第１の画素のリセット解除に基づく前記第１の画素の出力信号と第１の変化率で変化する第１の参照信号とを比較することにより、前記第１の画素のリセット解除に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第１のデジタル値を生成し、前記第１の画素のリセット解除に基づく前記第１の画素の出力信号と前記第１の変化率より大きい第２の変化率で変化する第２の参照信号とを比較することにより、前記第１の画素のリセット解除に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第２のデジタル値を生成し、第２の期間では、前記第１の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号と前記第２の変化率より大きい第３の変化率で変化する第３の参照信号とを比較することにより、前記第１の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第３のデジタル値を生成し、第３の期間では、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号が判定信号より小さい場合には、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号と前記第１の参照信号とを比較することにより、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第４のデジタル値を生成し、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号が前記判定信号より大きい場合には、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号と前記第２の参照信号とを比較することにより、前記第１および第２の光電変換手段により変換された電荷に基づく前記第１の画素の出力信号をアナログからデジタルに変換した第５のデジタル値を生成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１および第２の光電変換手段を含む画素の出力信号を高速にアナログからデジタルに変換し、フレームレートを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】撮像システムの構成例を示す図である。
【図２】撮像素子の構成例を示す図である。
【図３】画素の構成例を示す図である。
【図４】列信号処理部の構成例を示す図である。
【図５】列信号処理部の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】列信号処理部の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】列信号処理部の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】所定行間隔で焦点検出を行う撮像面を示す図である。
【図９】列信号処理部の動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】列信号処理部の動作を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に説明する実施形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る撮像システム１０の構成例を示す図である。撮像システム１０は、光学系１１と、撮像素子１２と、信号処理部１３と、圧縮伸張部１４と、同期制御部１５と、操作部１６と、画像表示部１７と、画像記録部１８とを有する。
【００１２】
光学系１１は、レンズ、レンズ駆動機構、メカニカルシャッタ機構、および絞り機構などを有する。光学系１１の可動部は、同期制御部１５からの制御信号に基づいて駆動される。
【００１３】
撮像素子１２は、例えばＸＹアドレス方式のＣＭＯＳセンサであり、同期制御部１５からの制御信号により撮像動作を実施する撮像装置である。そして、撮像素子１２は、アナログデジタル変換回路により画像信号をアナログからデジタルに変換し、デジタルの画像信号を信号処理部１３に出力する。撮像素子１２の詳細については、後述する。
【００１４】
信号処理部１３は、同期制御部１５の制御の下で、撮像素子１２から入力されるデジタルの画像信号に対して、信号処理、ＡＦ（Auto Focus）およびＡＥ（Auto Exposure）等の制御情報の検出を実施する。そして、信号処理部１３は、信号処理された画像信号や制御情報を同期制御部１５に出力する。
【００１５】
圧縮伸張部１４は、同期制御部１５の制御の下で、画像信号の圧縮符号化処理や静止画像の符号化データの伸張復号化処理を実施する。また、圧縮伸張部１４は、動画像の圧縮符号化／伸張復号化処理を実施してもよい。
【００１６】
同期制御部１５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、およびＲＡＭ（Random Access Memory）などを有するマイクロコントローラである。同期制御部１５は、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムを実行することにより、この撮像システム１０の各部を統括的に制御する。
【００１７】
操作部１６は、例えばシャッタレリーズボタンなどの各種操作部材を有し、ユーザによる入力操作に応じた制御信号を同期制御部１５に出力する。画像表示部１７は、画像信号をＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などの表示デバイスに供給して画像を表示させる。画像記録部１８は、例えば、可搬型の記録媒体に対して、圧縮符号化された画像データファイルを記憶する。
【００１８】
次に、撮像システム１０の動作について説明する。静止画像の撮像前には、撮像素子１２は、画像信号を信号処理部１３に順次供給する。信号処理部１３は、撮像素子１２からの画像信号に対して信号処理を施し、カメラスルー画像の信号として、同期制御部１５を通じて画像表示部１７に供給する。画像表示部１７は、カメラスルー画像を表示し、ユーザは表示画像を見て画角合わせを行うことが可能となる。
【００１９】
この状態で、操作部１６のシャッタレリーズボタンが押下されると、撮像素子１２は、同期制御部１５の制御により、１フレーム分の画像信号を信号処理部１３に出力する。信号処理部１３は、１フレーム分の画像信号に信号処理を施し、処理後の画像信号を圧縮伸張部１４に供給する。圧縮伸張部１４は、入力された画像信号を圧縮符号化することにより符号化データを生成し、その生成した符号化データを同期制御部１５を通じて画像記録部１８に供給する。画像記録部１８は、符号化データを静止画像のデータファイルとして記録する。
【００２０】
次に、画像記録部１８に記録された静止画像のデータファイルを再生する処理を説明する。同期制御部１５は、操作部１６からの操作入力に応じて、選択されたデータファイルを画像記録部１８から読み出し、データファイルを圧縮伸張部１４に供給する。圧縮伸張部１４は、データファイルに対して伸張復号化処理を行うことにより画像信号を生成し、画像信号を同期制御部１５を介して画像表示部１７に供給する。画像表示部１７は、静止画像を表示する。
【００２１】
次に、動画像を記録する処理を説明する。撮像素子１２は、動画像の画像信号を信号処理部１３に出力する。信号処理部１３は、動画像の画像信号を処理して圧縮伸張部１４に出力する。圧縮伸張部１４は、動画像の画像信号に対して圧縮符号化処理を施し、動画像の符号化データを生成して画像記録部１８に出力する。画像記録部１８は、動画像の符号化データを動画像のデータファイルとして記録する。
【００２２】
次に、画像記録部１８に記録された動画像のデータファイルを再生する処理を説明する。同期制御部１５は、操作部１６からの操作入力に応じて、選択された動画像のデータファイルを画像記録部１８から読み出し、動画像のデータファイルを圧縮伸張部１４に供給する。圧縮伸張部１４は、動画像のデータファイルに対して伸張復号化処理を行うことにより動画像の画像信号を生成し、動画像の画像信号を同期制御部１５を介して画像表示部１７に供給する。画像表示部１７は、動画像を表示する。
【００２３】
図２は、図１の撮像素子１２の構成例を示す図である。撮像素子１２は、画素領域２０１と、垂直走査部２０２と、複数の列信号処理部２０３と、水平走査部２０７と、出力部２０９と、タイミング部２１１とを有する。
【００２４】
画素領域２０１は、２次元行列状に配列された複数の画素２００を有する。複数の画素２００の各々は、Ｐ１１〜Ｐ８６で示すように、水平方向および垂直方向に行列状に配列されている。１行目の画素２００は、Ｐ１１〜Ｐ１６で表される。８行目の画素２００は、Ｐ８１〜Ｐ８６で表される。図２では、６×８配列（８行６列）の画素２００の例を説明するが、画素２００は、この数に限定されるものではない。複数の画素２００は、奇数行にはＲ（赤）フィルタとＧ（緑）フィルタが交互に配置され、偶数行にはＧ（緑）フィルタとＢ（青）フィルタが交互に配置される２×２配列の色フィルタを有する。
【００２５】
垂直走査部２０２は、画素２００の配列を１行ずつ選択し、選択した行の画素２００のリセット動作や読み出し動作を制御する。画素制御線２２１は、画素２００の行毎に共通に接続される。垂直走査部２０２は、画素制御線２２１を介して、行単位で、画素２００に制御信号を伝達する。
【００２６】
列信号線２３１は、画素２００の列毎に共通に接続される。各列の画素２００は、画素制御線２２１により選択された場合には、画素信号をそれぞれ対応する列信号線２３１に出力する。
【００２７】
列信号処理部２０３は、それぞれ対応する列信号線２３１毎に設けられる。各列の列信号処理部２０３は、各列の列信号線２３１を通して、行単位の画素信号を入力し、画素信号をアナログからデジタルに変換する。
【００２８】
水平走査部２０７は、各列の列選択線２５１を介して、各列の列信号処理部２０３を順次選択する。各列の列信号処理部２０３は、選択された場合には、記憶されているデジタルの画素信号を、出力線２６１を介して出力部２０９に出力する。出力部２０９は、行単位のデジタルの画素信号を信号処理部１３へ出力する。
【００２９】
タイミング部２１１は、同期制御部１５からの制御信号に基づいて、撮像素子１２の各部の動作に必要な各種のクロック信号や制御信号などを出力する。制御線２７１、２８１および２８５は、それぞれ、垂直走査部２０２、列信号処理部２０３および水平走査部２０７に対して、タイミング部２１１からクロック信号や制御信号などを出力するための制御線である。
【００３０】
図３（ａ）は、図２の画素２００の構成例を示す回路図である。画素２００は、画素制御線２２１と列信号線２３１に接続される。画素制御線２２１は、リセット制御線ｐＲ、転送制御線ｐＴａ，ｐＴｂ、および選択線ｐＳＥＬを有する。画素制御線２２１は、垂直走査部２０２に接続され、各行の画素２００に共通して接続され、同一行の画素２００を同時に制御する。列信号線２３１は、負荷トランジスタＴｌｏｄに接続され、各列の画素２００に共通して接続される。
【００３１】
画素２００は、光電変換素子Ｄ１ａ，Ｄ１ｂと、転送トランジスタＴ１ａ，Ｔ１ｂと、フローティングディフュージョン容量（ＦＤ容量）Ｃｆｄと、リセットトランジスタＴ２と、増幅トランジスタＴｄｒｖと、選択トランジスタＴ３とを有する。
【００３２】
光電変換素子Ｄ１ａおよびＤ１ｂは、光を電荷に変換すると共に、変換された電荷を蓄積するフォトダイオードである。光電変換素子Ｄ１ａは、ＰＮ接合のＰ側が接地され、Ｎ側が転送トランジスタＴ１ａのソースに接続されている。光電変換素子Ｄ１ｂは、ＰＮ接合のＰ側が接地され、Ｎ側が転送トランジスタＴ１ｂのソースに接続されている。
【００３３】
転送トランジスタ（転送スイッチ）Ｔ１ａは、ゲートが転送制御線ｐＴａに接続され、ドレインがＦＤ容量Ｃｆｄのノード３００に接続され、光電変換素子Ｄ１ａの電荷をＦＤ容量Ｃｆｄに転送する。転送トランジスタ（転送スイッチ）Ｔ１ｂは、ゲートが転送制御線ｐＴｂに接続され、ドレインがＦＤ容量Ｃｆｄのノード３００に接続され、光電変換素子Ｄ１ｂの電荷をＦＤ容量Ｃｆｄに転送する。ＦＤ容量Ｃｆｄは、ノード３００と接地ノードとの間に接続され、光電変換素子Ｄ１ａまたはＤ１ｂから転送された電荷を蓄積し、電荷を電圧に変換する。
【００３４】
リセットトランジスタ（リセットスイッチ）Ｔ２は、ゲートがリセット制御線ｐＲに接続され、ドレインが電源電圧Ｖｄｄのノードに接続され、ソースがＦＤ容量Ｃｆｄのノード３００に接続され、ノード３００の電位を電源電圧Ｖｄｄにリセットする。
【００３５】
増幅トランジスタ（増幅部）Ｔｄｒｖは、画素内アンプを構成するトランジスタであり、ゲートがＦＤ容量Ｃｆｄのノード３００に接続され、ドレインが電源電圧Ｖｄｄのノードに接続され、ソースが選択トランジスタＴ３のドレインに接続される。増幅トランジスタＴｄｒｖは、ＦＤ容量Ｃｆｄのノード３００の電圧に応じた電圧を出力する。
【００３６】
選択トランジスタ（選択スイッチ）Ｔ３は、ゲートが選択線ｐＳＥＬに接続され、ソースが列信号線２３１に接続され、増幅トランジスタＴｄｒｖの出力信号を画素２００の出力信号として、列信号線２３１に出力する。
【００３７】
負荷トランジスタＴｌｏｄは、ソースとゲートが接地ノードに接続され、ドレインが列信号線２３１に接続されている。負荷トランジスタＴｌｏｄは、列信号線２３１毎に設けられる。負荷トランジスタＴｌｏｄは、増幅トランジスタＴｄｒｖとともに、画素内アンプとなるソースフォロア回路を構成している。通常、画素２００の信号を出力する時は、負荷トランジスタＴｌｏｄをゲート接地の定電流源として動作させる。
【００３８】
増幅トランジスタＴｄｒｖおよび負荷トランジスタＴｌｏｄ以外のトランジスタは、スイッチとして働き、ゲートに接続されている制御線がハイレベルの時に導通（オン）し、ローレベルの時に遮断（オフ）する。
【００３９】
図３（ｂ）は、２×２に配列された画素２００の平面図であり、図３（ｃ）は、図３（ｂ）のｘ−ｘ’の断面図である。回路３０２は、画素２００の中の光電変換素子Ｄ１ａおよびＤ１ｂ以外の回路である。マイクロレンズ３０３は、画素２００毎に設けられている。マイクロレンズ３０３は、画素２００に対応し、光電変換素子Ｄ１ａおよびＤ１ｂの両方を均等に覆うように、図３（ｂ）の画素２００に対して下方にずれて配置されている。色フィルタ３０４は、画素２００毎に設けられ、光電変換素子Ｄ１ａおよびＤ１ｂの両方を均等に覆っている。色フィルタ３０４は、画素２００毎に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のうちの１つが配置されている。２つの光電変換素子Ｄ１ａおよびＤ１ｂは、１つのマイクロレンズ３０３を共有する。
【００４０】
撮像システム１０は、光電変換素子Ｄ１ａに基づくＡ像信号と、光電変換素子Ｄ１ｂに基づくＢ像信号とを基に、位相差検出方式の焦点検出を実施するとともに、Ａ＋Ｂ像信号を用いて被写体画像を生成することができる。
【００４１】
図４は、図２の列信号処理部２０３の構成例を示す図である。列信号処理部２０３は、スイッチ回路４０１と、比較器４０２と、カウンタ回路４０３と、ラッチ回路４０４と、演算回路４０５とを有する。
【００４２】
図２のタイミング部２１１は、ランプ波信号線Ｖｒｍｐ１に対して、図５の時間と共に変化するランプ波の参照信号Ｇ１または判定信号Ｖｊｄを出力する。また、タイミング部２１１は、ランプ波信号線Ｖｒｍｐ４に対して、図５の時間と共に変化するランプ波の参照信号Ｇ４を出力する。
【００４３】
比較器４０２の第１の入力端子は、列信号線２３１に接続される。スイッチ回路４０１は、スイッチ制御線ｐＳｗＲおよびｐＳｗＣの信号に応じて、ランプ波信号線Ｖｒｍｐ１またはＶｒｍｐ４を比較器４０２の第２の入力端子に接続する。
【００４４】
比較器４０２は、列信号線２３１の信号Ｖｓｉｇ（図５）とスイッチ回路４０１の出力信号とを比較し、比較結果信号をカウンタ回路４０３およびスイッチ制御線ｐＳｗＣに出力する。比較器４０２は、列信号線２３１の信号Ｖｓｉｇとスイッチ回路４０１の出力信号の大小関係が逆転した時に、比較結果信号をハイレベルからローレベルに反転させる。
【００４５】
タイミング部２１１は、カウンタ制御線ｐＣＮＴにクロック信号を供給する。カウンタ回路４０３は、カウンタ制御線ｐＣＮＴから供給されるクロックを基に、比較器４０２の比較の結果に応じてカウントを行う。カウンタ回路４０３は、参照信号Ｇ１またはＧ４のレベル変化開始に合わせてカウント動作を開始し、比較器４０２からの比較結果信号が反転すると、その時のカウント値を出力する。この時のカウント値は、列信号線２３１のアナログ信号Ｖｓｉｇをデジタルに変換した値である。ラッチ回路４０４は、カウンタ回路４０３が出力するカウント値を一時的に保持するとともに、ラッチ制御線ｐＬＴＣの信号に応じて、保持しているカウント値を出力する。
【００４６】
演算回路４０５は、演算制御線ｐＣＡＬの信号に応じて、ラッチ回路４０４が出力するカウント値を画素２００のデジタル信号として記憶するとともに、後述する信号処理を実施する。また、演算回路４０５は、列選択線２５１の信号に応じて、記憶している画素２００のデジタル信号を、出力線２６１に出力する。
【００４７】
上記の比較器４０２、カウンタ回路４０３およびラッチ回路４０４は、アナログデジタル変換回路を構成する。制御線２８１は、ランプ波信号線Ｖｒｍｐ１，Ｖｒｍｐ４、スイッチ制御線ｐＳｗＲ、カウンタ制御線ｐＣＮＴ、ラッチ制御線ｐＬＴＣおよび演算制御線ｐＣＡＬを有する。
【００４８】
図５は、基本技術による列信号処理部２０３の制御方法を示すタイミングチャートであり、水平同期信号ＨＤ単位の処理を示す。信号Ｖｓｉｇは、列信号線２３１の画素信号である。信号Ｖｒｍｐは、スイッチ回路４０１が比較器４０２の第２の入力端子に出力する信号である。比較器４０２は、信号ＶｓｉｇおよびＶｒｍｐを比較する。図５では、Ｖ方向は、信号ＶｓｉｇおよびＶｒｍｐの電位を表し、ｔ方向は、時間経過を表している。
【００４９】
画素信号Ｖｓｉｇは、画素２００のリセット解除に基づくＮ信号Ｖｎと、画素２００の光電変換に基づくＳ信号ＶｓｉｇＬａ，ＶｓｉｇＨａ，ＶｓｉｇＬｓ，ＶｓｉｇＨｓを有する。Ｓ信号ＶｓｉｇＬａは、光電変換素子Ｄ１ａにより生成された電荷に基づく低照度時のＡ像信号である。Ｓ信号ＶｓｉｇＨａは、光電変換素子Ｄ１ａにより生成された電荷に基づく高照度時のＡ像信号である。Ｓ信号ＶｓｉｇＬｓは、光電変換素子Ｄ１ａおよびＤ１ｂにより生成された電荷に基づく低照度時のＡ＋Ｂ像信号である。Ｓ信号ＶｓｉｇＨｓは、光電変換素子Ｄ１ａおよびＤ１ｂにより生成された電荷に基づく高照度時のＡ＋Ｂ像信号である。
【００５０】
信号Ｖｒｍｐは、参照信号Ｇ１，Ｇ４と、判定信号Ｖｊｄとを有する。参照信号Ｇ４の変化率（傾き）は、例えば、参照信号Ｇ１の変化率に対して、４倍である。
【００５１】
以下、列信号処理部２０３の制御方法を説明する。光電変換素子Ｄ１ａおよびＤ１ｂは、光電変換により光を電荷に変換して蓄積する。まず、スイッチ回路４０１は、スイッチ制御線ｐＳｗＲによるタイミング部２１１からの制御により、ランプ波信号線Ｖｒｍｐ１を比較器４０２の第２の入力端子に接続する。
【００５２】
期間ｔ１の前では、リセットトランジスタＴ２は、ＦＤ容量Ｃｆｄのノード３００をリセットする。期間ｔ１以降では、リセットトランジスタＴ２は、ＦＤ容量Ｃｆｄのノード３００のリセットを解除する。すると、画素２００は、リセット解除に基づくＮ信号Ｖｎを列信号線２３１に出力する。Ｎ信号Ｖｎは、画素２００のリセット解除に基づく画素２００の出力信号である。
【００５３】
期間ｔ２では、タイミング部２１１は、参照信号Ｇ１のレベルを変化させ、参照信号Ｇ１を比較器４０２の第２の入力端子に出力する。カウンタ回路４０３は、タイミング部２１１の制御により、参照信号Ｇ１のレベル変化の開始時に、カウント値のカウントを開始する。比較器４０２は、Ｎ信号Ｖｎと参照信号Ｇ１を比較し、Ｎ信号Ｖｎと参照信号Ｇ１との大小関係が逆転すると、比較結果信号をハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路４０３は、比較器４０２の比較結果信号が反転すると、カウント値のカウントを終了し、そのカウント値ｃｎ１をラッチ回路４０４に出力する。カウンタ回路４０３は、期間ｔｎ１で、カウントを行い、カウント値ｃｎ１をラッチ回路４０４に出力する。ラッチ回路４０４は、カウント値ｃｎ１を演算回路４０５に出力する。演算回路４０５は、カウント値ｃｎ１を記憶する。カウント値ｃｎ１は、参照信号Ｇ１を用いて、Ｎ信号Ｖｎをアナログからデジタルに変換したデジタル値として生成される。
【００５４】
次に、スイッチ回路４０１は、スイッチ制御線ｐＳｗＲによるタイミング部２１１からの制御により、ランプ波信号線Ｖｒｍｐ４を比較器４０２の第２の入力端子に接続する。期間ｔ３では、タイミング部２１１は、参照信号Ｇ４のレベルを変化させ、参照信号Ｇ４を比較器４０２の第２の入力端子に出力する。カウンタ回路４０３は、タイミング部２１１の制御により、参照信号Ｇ４のレベル変化の開始時に、カウント値のカウントを開始する。比較器４０２は、Ｎ信号Ｖｎと参照信号Ｇ４を比較し、Ｎ信号Ｖｎと参照信号Ｇ４との大小関係が逆転すると、比較結果信号をハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路４０３は、比較器４０２の比較結果信号が反転すると、カウント値のカウントを終了し、そのカウント値ｃｎ４をラッチ回路４０４に出力する。カウンタ回路４０３は、期間ｔｎ４で、カウントを行い、カウント値ｃｎ４をラッチ回路４０４に出力する。ラッチ回路４０４は、カウント値ｃｎ４を演算回路４０５に出力する。演算回路４０５は、カウント値ｃｎ４を記憶する。カウント値ｃｎ４は、参照信号Ｇ４を用いて、Ｎ信号Ｖｎをアナログからデジタルに変換したデジタル値として生成される。
【００５５】
期間ｔ５の開始時では、転送トランジスタＴ１ａは、光電変換素子Ｄ１ａにより変換された電荷をＦＤ容量Ｃｆｄに転送する。すると、画素２００は、光電変換素子Ｄ１ａの光電変換に基づくＡ像のＳ信号ＶｓｉｇＬａまたはＶｓｉｇＨａを列信号線２３１に出力する。Ｓ信号ＶｓｉｇＬａは、低照度時のＡ像信号である。Ｓ信号ＶｓｉｇＨａは、高照度時のＡ像信号である。スイッチ回路４０１は、スイッチ制御線ｐＳｗＲによるタイミング部２１１からの制御により、ランプ波信号線Ｖｒｍｐ１を比較器４０２の第２の入力端子に接続する。
【００５６】
まず、低照度時の場合の期間ｔ５〜ｔ８の処理を説明する。低照度時には、画素２００は、Ｓ信号ＶｓｉｇＬａを出力する。期間ｔ７では、タイミング部２１１は、一定レベルの判定信号Ｖｊｄを比較器４０２の第２の入力端子に出力する。比較器４０２は、Ｓ信号ＶｓｉｇＬａが判定信号Ｖｊｄより小さいので、スイッチ制御線ｐＳｗＣにローレベルを出力する。
【００５７】
期間ｔ８では、タイミング部２１１は、参照信号Ｇ１およびＧ４のレベルを変化させ、参照信号Ｇ１をランプ波信号線Ｖｒｍｐ１に出力し、参照信号Ｇ４をランプ波信号線Ｖｒｍｐ４に出力する。スイッチ回路４０１は、スイッチ制御線ｐＳｗＣがローレベルであるので、ランプ波信号線Ｖｒｍｐ１を比較器４０２の第２の入力端子に接続する。カウンタ回路４０３は、タイミング部２１１の制御により、参照信号Ｇ１のレベル変化の開始時に、カウント値のカウントを開始する。比較器４０２は、Ｓ信号ＶｓｉｇＬａと参照信号Ｇ１を比較し、Ｓ信号ＶｓｉｇＬａと参照信号Ｇ１との大小関係が逆転すると、比較結果信号をハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路４０３は、比較器４０２の比較結果信号が反転すると、カウント値のカウントを終了し、そのカウント値ｃａ１をラッチ回路４０４に出力する。カウンタ回路４０３は、期間ｔａ１で、カウントを行い、カウント値ｃａ１をラッチ回路４０４に出力する。ラッチ回路４０４は、カウント値ｃａ１を演算回路４０５に出力する。演算回路４０５は、カウント値ｃａ１を記憶する。そして、演算回路４０５は、カウント値ｃａ１からカウント値ｃｎ１を減算した減算結果を、画素２００のＡ像信号の信号値として、出力線２６１を介して信号処理部１３に出力する。
【００５８】
次に、高照度時の場合の期間ｔ５〜ｔ８の処理を説明する。高照度時には、画素２００は、Ｓ信号ＶｓｉｇＨａを出力する。期間ｔ７では、タイミング部２１１は、一定レベルの判定信号Ｖｊｄを比較器４０２の第２の入力端子に出力する。比較器４０２は、Ｓ信号ＶｓｉｇＨａが判定信号Ｖｊｄより大きいので、スイッチ制御線ｐＳｗＣにハイレベルを出力する。
【００５９】
期間ｔ８では、タイミング部２１１は、参照信号Ｇ１およびＧ４のレベルを変化させ、参照信号Ｇ１をランプ波信号線Ｖｒｍｐ１に出力し、参照信号Ｇ４をランプ波信号線Ｖｒｍｐ４に出力する。スイッチ回路４０１は、スイッチ制御線ｐＳｗＣがハイレベルであるので、ランプ波信号線Ｖｒｍｐ４を比較器４０２の第２の入力端子に接続する。カウンタ回路４０３は、タイミング部２１１の制御により、参照信号Ｇ４のレベル変化の開始時に、カウント値のカウントを開始する。比較器４０２は、Ｓ信号ＶｓｉｇＨａと参照信号Ｇ４を比較し、Ｓ信号ＶｓｉｇＨａと参照信号Ｇ４との大小関係が逆転すると、比較結果信号をハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路４０３は、比較器４０２の比較結果信号が反転すると、カウント値のカウントを終了し、そのカウント値ｃａ４をラッチ回路４０４に出力する。カウンタ回路４０３は、期間ｔａ４で、カウントを行い、カウント値ｃａ４をラッチ回路４０４に出力する。ラッチ回路４０４は、カウント値ｃａ４を演算回路４０５に出力する。演算回路４０５は、カウント値ｃａ４を記憶する。そして、演算回路４０５は、カウント値ｃａ４からカウント値ｃｎ４を減算し、その減算結果を４倍した値を、画素２００のＡ像信号の信号値として、出力線２６１を介して信号処理部１３に出力する。参照信号Ｇ４の変化率は参照信号Ｇ１の変化率の４倍であるため、演算回路４０５は、上記の４倍の演算を行う。
【００６０】
次に、期間ｔ１１の開始時では、転送トランジスタＴ１ａは、光電変換素子Ｄ１ａにより変換された電荷をＦＤ容量Ｃｆｄに転送する。転送トランジスタＴ１ｂは、光電変換素子Ｄ１ｂにより変換された電荷をＦＤ容量Ｃｆｄに転送する。すると、画素２００は、光電変換素子Ｄ１ａおよびＤ１ｂにより変換された電荷に基づくＡ＋Ｂ像のＳ信号ＶｓｉｇＬｓまたはＶｓｉｇＨｓを列信号線２３１に出力する。Ｓ信号ＶｓｉｇＬｓは、低照度時に、光電変換素子Ｄ１ａおよびＤ１ｂにより変換された電荷に基づく画素２００の出力信号である。Ｓ信号ＶｓｉｇＨｓは、高照度時に、光電変換素子Ｄ１ａおよびＤ１ｂにより変換された電荷に基づく画素２００の出力信号である。スイッチ回路４０１は、スイッチ制御線ｐＳｗＲによるタイミング部２１１からの制御により、ランプ波信号線Ｖｒｍｐ１を比較器４０２の第２の入力端子に接続する。
【００６１】
まず、低照度時の場合の期間ｔ１１〜ｔ１４の処理を説明する。低照度時には、画素２００は、Ｓ信号ＶｓｉｇＬｓを出力する。期間ｔ１３では、タイミング部２１１は、一定レベルの判定信号Ｖｊｄを比較器４０２の第２の入力端子に出力する。比較器４０２は、Ｓ信号ＶｓｉｇＬｓが判定信号Ｖｊｄより小さいので、スイッチ制御線ｐＳｗＣにローレベルを出力する。
【００６２】
期間ｔ１４では、タイミング部２１１は、参照信号Ｇ１およびＧ４のレベルを変化させ、参照信号Ｇ１をランプ波信号線Ｖｒｍｐ１に出力し、参照信号Ｇ４をランプ波信号線Ｖｒｍｐ４に出力する。スイッチ回路４０１は、スイッチ制御線ｐＳｗＣがローレベルであるので、ランプ波信号線Ｖｒｍｐ１を比較器４０２の第２の入力端子に接続する。カウンタ回路４０３は、タイミング部２１１の制御により、参照信号Ｇ１のレベル変化の開始時に、カウント値のカウントを開始する。比較器４０２は、Ｓ信号ＶｓｉｇＬｓと参照信号Ｇ１を比較し、Ｓ信号ＶｓｉｇＬｓと参照信号Ｇ１との大小関係が逆転すると、比較結果信号をハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路４０３は、比較器４０２の比較結果信号が反転すると、カウント値のカウントを終了し、そのカウント値ｃｓ１をラッチ回路４０４に出力する。カウンタ回路４０３は、期間ｔｓ１で、カウントを行い、カウント値ｃｓ１をラッチ回路４０４に出力する。ラッチ回路４０４は、カウント値ｃｓ１を演算回路４０５に出力する。カウント値ｃｓ１は、参照信号Ｇ１を用いて、Ｓ信号ＶｓｉｇＬｓをアナログからデジタルに変換したデジタル値として生成される。
【００６３】
演算回路４０５は、カウント値ｃｓ１を記憶する。そして、演算回路４０５は、カウント値ｃｓ１からカウント値ｃｎ１を減算した減算結果を、画素２００のＡ＋Ｂ像信号の信号値として、出力線２６１を介して信号処理部１３に出力する。すなわち、演算回路４０５は、カウント値ｃｓ１とカウント値ｃｎ１との差分を演算する。
【００６４】
次に、高照度時の場合の期間ｔ１１〜ｔ１４の処理を説明する。高照度時には、画素２００は、Ｓ信号ＶｓｉｇＨｓを出力する。期間ｔ１３では、タイミング部２１１は、一定レベルの判定信号Ｖｊｄを比較器４０２の第２の入力端子に出力する。比較器４０２は、Ｓ信号ＶｓｉｇＨｓが判定信号Ｖｊｄより大きいので、スイッチ制御線ｐＳｗＣにハイレベルを出力する。
【００６５】
期間ｔ１４では、タイミング部２１１は、参照信号Ｇ１およびＧ４のレベルを変化させ、参照信号Ｇ１をランプ波信号線Ｖｒｍｐ１に出力し、参照信号Ｇ４をランプ波信号線Ｖｒｍｐ４に出力する。スイッチ回路４０１は、スイッチ制御線ｐＳｗＣがハイレベルであるので、ランプ波信号線Ｖｒｍｐ４を比較器４０２の第２の入力端子に接続する。カウンタ回路４０３は、タイミング部２１１の制御により、参照信号Ｇ４のレベル変化の開始時に、カウント値のカウントを開始する。比較器４０２は、Ｓ信号ＶｓｉｇＨｓと参照信号Ｇ４を比較し、Ｓ信号ＶｓｉｇＨｓと参照信号Ｇ４との大小関係が逆転すると、比較結果信号をハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路４０３は、比較器４０２の比較結果信号が反転すると、カウント値のカウントを終了し、そのカウント値ｃｓ４をラッチ回路４０４に出力する。カウンタ回路４０３は、期間ｔｓ４で、カウントを行い、カウント値ｃｓ４をラッチ回路４０４に出力する。ラッチ回路４０４は、カウント値ｃｓ４を演算回路４０５に出力する。カウント値ｃｓ４は、参照信号Ｇ４を用いて、Ｓ信号ＶｓｉｇＨｓをアナログからデジタルに変換したデジタル値として生成される。
【００６６】
演算回路４０５は、カウント値ｃｓ４を記憶する。そして、演算回路４０５は、カウント値ｃｓ４からカウント値ｃｎ４を減算し、その減算結果を４倍した値を、画素２００のＡ＋Ｂ像信号の信号値として、出力線２６１を介して信号処理部１３に出力する。すなわち、演算回路４０５は、カウント値ｃｓ４とカウント値ｃｎ４との差分に対して４倍した値を演算する。参照信号Ｇ４の変化率は参照信号Ｇ１の変化率の４倍であるため、演算回路４０５は、上記の４倍の演算を行う。
【００６７】
上記の処理により、列信号処理部２０３は、画素２００の画素信号をアナログからデジタルに変換することができる。なお、比較器４０２は、信号Ｖｒｍｐのレベルが変化する期間ｔ６およびｔ１２において、Ｓ信号と信号Ｖｒｍｐを比較し、Ｓ信号のレベルを判定してもよい。
【００６８】
次に、図６を参照しながら、図５の列信号処理部２０３の処理期間を短縮するための実施形態を説明する。図６は、本実施形態による列信号処理部２０３の制御方法を示すタイミングチャートである。信号Ｖｒｍｐは、参照信号Ｇ１，Ｇ４，Ｇ８と、判定信号Ｖｊｄとを有する。参照信号Ｇ１は、第１の変化率で変化する。参照信号Ｇ４は、第２の変化率で変化する。第２の変化率は、第１の変化率より大きい。参照信号Ｇ８は、第３の変化率で変化する。第３の変化率は、第２の変化率より大きい。参照信号Ｇ４の変化率は、例えば、参照信号Ｇ１の変化率の４倍（第１の係数倍）である。参照信号Ｇ８の変化率は、例えば、参照信号Ｇ１の変化率の８倍（第２の係数倍）である。
【００６９】
タイミング部２１１は、参照信号Ｇ１、Ｇ４およびＧ８を生成する。参照信号Ｇ１およびＧ８は、ランプ波信号線Ｖｒｍｐ１を介して、比較器４０２の第２の入力端子に供給される。参照信号Ｇ４は、ランプ波信号線Ｖｒｍｐ４を介して、比較器４０２の第２の入力端子に供給される。列信号処理部２０３は、参照信号Ｇ８を用い、図５の期間ｔ７の判定処理を実施しないので、処理時間を短縮することができる。
【００７０】
期間ｔ１〜ｔ３の処理は、図５の期間ｔ１〜ｔ３の処理と同じであるため、説明を省略する。
【００７１】
期間ｔ３の後、期間ｔ４では、タイミング部２１１は、参照信号Ｇ８のレベルを変化させ、参照信号Ｇ８をランプ波信号線Ｖｒｍｐ１を介して比較器４０２の第２の入力端子に出力する。カウンタ回路４０３は、タイミング部２１１の制御により、参照信号Ｇ８のレベル変化の開始時に、カウント値のカウントを開始する。比較器４０２は、Ｎ信号Ｖｎと参照信号Ｇ８を比較し、Ｎ信号Ｖｎと参照信号Ｇ８との大小関係が逆転すると、比較結果信号をハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路４０３は、比較器４０２の比較結果信号が反転すると、カウント値のカウントを終了し、そのカウント値ｃｎ８をラッチ回路４０４に出力する。カウンタ回路４０３は、期間ｔｎ８で、カウントを行い、カウント値ｃｎ８をラッチ回路４０４に出力する。ラッチ回路４０４は、カウント値ｃｎ８を演算回路４０５に出力する。演算回路４０５は、カウント値ｃｎ８を記憶する。カウント値ｃｎ８は、参照信号Ｇ８を用いて、Ｎ信号Ｖｎをアナログからデジタルに変換したデジタル値として生成される。
【００７２】
期間ｔ５の開始時では、図５と同様に、転送トランジスタＴ１ａは、光電変換素子Ｄ１ａにより変換された電荷をＦＤ容量Ｃｆｄに転送する。すると、画素２００は、光電変換素子Ｄ１ａにより変換された電荷に基づくＡ像のＳ信号ＶｓｉｇＬａまたはＶｓｉｇＨａを列信号線２３１に出力する。Ｓ信号ＶｓｉｇＬａまたはＶｓｉｇＨａは、光電変換素子Ｄ１ａにより変換された電荷に基づく画素２００の出力信号である。
【００７３】
まず、低照度時の場合の期間ｔ１０の処理を説明する。低照度時には、画素２００は、Ｓ信号ＶｓｉｇＬａを出力する。期間ｔ１０では、タイミング部２１１は、参照信号Ｇ８のレベルを変化させ、参照信号Ｇ８をランプ波信号線Ｖｒｍｐ１を介して比較器４０２の第２の入力端子に出力する。カウンタ回路４０３は、タイミング部２１１の制御により、参照信号Ｇ８のレベル変化の開始時に、カウント値のカウントを開始する。比較器４０２は、Ｓ信号ＶｓｉｇＬａと参照信号Ｇ８を比較し、Ｓ信号ＶｓｉｇＬａと参照信号Ｇ８との大小関係が逆転すると、比較結果信号をハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路４０３は、比較器４０２の比較結果信号が反転すると、カウント値のカウントを終了し、そのカウント値ｃａ８をラッチ回路４０４に出力する。カウンタ回路４０３は、期間ｔａ８Ｌで、カウントを行い、カウント値ｃａ８をラッチ回路４０４に出力する。ラッチ回路４０４は、カウント値ｃａ８を演算回路４０５に出力する。このカウント値ｃａ８は、参照信号Ｇ８を用いて、Ｓ信号ＶｓｉｇＬａをアナログからデジタルに変換したデジタル値として生成される。
【００７４】
演算回路４０５は、カウント値ｃａ８を記憶する。そして、演算回路４０５は、カウント値ｃａ８からカウント値ｃｎ８を減算し、その減算結果を８倍した値を、画素２００のＡ像信号の信号値として、出力線２６１を介して信号処理部１３に出力する。すなわち、演算回路４０５は、カウント値ｃａ８とカウント値ｃｎ８との差分に対して８倍した値を演算する。参照信号Ｇ８の変化率は参照信号Ｇ１の変化率の８倍であるため、演算回路４０５は、上記の８倍の演算を行う。
【００７５】
次に、高照度時の場合の期間ｔ１０の処理を説明する。高照度時には、画素２００は、Ｓ信号ＶｓｉｇＨａを出力する。期間ｔ１０では、タイミング部２１１は、参照信号Ｇ８のレベルを変化させ、参照信号Ｇ８を比較器４０２の第２の入力端子に出力する。カウンタ回路４０３は、タイミング部２１１の制御により、参照信号Ｇ８のレベル変化の開始時に、カウント値のカウントを開始する。比較器４０２は、Ｓ信号ＶｓｉｇＨａと参照信号Ｇ８を比較し、Ｓ信号ＶｓｉｇＨａと参照信号Ｇ８との大小関係が逆転すると、比較結果信号をハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路４０３は、比較器４０２の比較結果信号が反転すると、カウント値のカウントを終了し、そのカウント値ｃａ８をラッチ回路４０４に出力する。カウンタ回路４０３は、期間ｔａ８Ｈで、カウントを行い、カウント値ｃａ８をラッチ回路４０４に出力する。ラッチ回路４０４は、カウント値ｃａ８を演算回路４０５に出力する。このカウント値ｃａ８は、参照信号Ｇ８を用いて、Ｓ信号ＶｓｉｇＨａをアナログからデジタルに変換したデジタル値として生成される。
【００７６】
演算回路４０５は、カウント値ｃａ８を記憶する。そして、演算回路４０５は、カウント値ｃａ８からカウント値ｃｎ８を減算し、その減算結果を８倍した値を、画素２００のＡ像信号の信号値として、出力線２６１を介して信号処理部１３に出力する。すなわち、演算回路４０５は、カウント値ｃａ８とカウント値ｃｎ８との差分に対して８倍した値を演算する。参照信号Ｇ８の変化率は参照信号Ｇ１の変化率の８倍であるため、演算回路４０５は、上記の８倍の演算を行う。
【００７７】
その後、期間ｔ１１〜ｔ１４の処理は、図５の期間ｔ１１〜ｔ１４の処理と同じであるため、説明を省略する。
【００７８】
以上のように、図６の列信号処理部２０３の処理は、図５の列信号処理部２０３の処理に対して、参照信号Ｇ１およびＧ４より変化率が大きい参照信号Ｇ８を用いることにより、Ａ像信号のアナログデジタル変換に要する時間を短縮することができる。
【００７９】
ここで、期間ｔ１０では、列信号処理部２０３は、参照信号Ｇ８を用いて、Ａ像信号のアナログデジタル変換を行うので、分解能が低くなる。ただし、後段の信号処理部１３は、Ａ像信号に対して加算処理することが多い。そのため、Ａ像信号は、Ａ＋Ｂ像信号に対して、分解能が低くても許容可能である。
【００８０】
また、列信号処理部２０３は、図５の期間ｔ７のＡ像のＳ信号のレベル判定処理を削減することにより、さらに、Ａ像信号のアナログデジタル変換に要する時間を短縮することができる。
【００８１】
以上のように、撮像素子１２は、光電変換部Ｄ１ａの光電変換に基づくＡ像信号の信号値と、光電変換部Ｄ１ａおよびＤ１ｂの光電変換に基づくＡ＋Ｂ像信号の信号値を出力する。信号処理部１３は、（Ａ＋Ｂ像信号）−（Ａ像信号）からＢ像信号を生成し、Ａ像信号とＢ像信号を用いて位相差検出方式の焦点検出を実施するとともに、Ａ＋Ｂ像信号を用いて被写体画像を生成する。
【００８２】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態による列信号処理部２０３の制御方法を示すタイミングチャートである。本実施形態は、第１の実施形態に対して、図６の期間ｔ４の参照信号Ｇ８を用いたＮ信号Ｖｎのアナログデジタル変換を行わないので、さらに、アナログデジタル変換に要する時間を短縮することができる。
【００８３】
期間ｔ１〜ｔ３の処理は、図６の期間ｔ１〜ｔ３の処理と同じであるため、説明を省略する。期間ｔ３の後、列信号処理部２０３は、図６の期間ｔ４の処理を行わず、期間ｔ５の処理を行う。
【００８４】
期間ｔ５の開始時では、図６と同様に、転送トランジスタＴ１ａは、光電変換素子Ｄ１ａにより変換された電荷をＦＤ容量Ｃｆｄに転送する。すると、画素２００は、光電変換素子Ｄ１ａの光電変換に基づくＡ像のＳ信号ＶｓｉｇＬａまたはＶｓｉｇＨａを列信号線２３１に出力する。
【００８５】
まず、低照度時の場合の期間ｔ１０の処理を説明する。低照度時には、画素２００は、Ｓ信号ＶｓｉｇＬａを出力する。期間ｔ１０では、タイミング部２１１は、参照信号Ｇ８のレベルを変化させ、参照信号Ｇ８をランプ波信号線Ｖｒｍｐ１を介して比較器４０２の第２の入力端子に出力する。カウンタ回路４０３は、タイミング部２１１の制御により、参照信号Ｇ８のレベル変化の開始時に、カウント値のカウントを開始する。比較器４０２は、Ｓ信号ＶｓｉｇＬａと参照信号Ｇ８を比較し、Ｓ信号ＶｓｉｇＬａと参照信号Ｇ８との大小関係が逆転すると、比較結果信号をハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路４０３は、比較器４０２の比較結果信号が反転すると、カウント値のカウントを終了し、そのカウント値ｃａ８をラッチ回路４０４に出力する。カウンタ回路４０３は、期間ｔａ８Ｌで、カウントを行い、カウント値ｃａ８Ｌをラッチ回路４０４に出力する。ラッチ回路４０４は、カウント値ｃａ８Ｌを演算回路４０５に出力する。カウント値ｃａ８Ｌは、参照信号Ｇ８を用いて、Ｓ信号ＶｓｉｇＬａをアナログからデジタルに変換したデジタル値として生成される。
【００８６】
演算回路４０５は、カウント値ｃａ８Ｌを８倍したカウント値ｃａ８Ｌ８を記憶する。そして、演算回路４０５は、カウント値ｃａ８Ｌ８からカウント値ｃｎ１を減算し、その減算結果を、画素２００のＡ像信号の信号値として、出力線２６１を介して信号処理部１３に出力する。ここで、演算回路４０５は、カウント値ｃａ８Ｌ８からカウント値ｃｎ１を減算している。参照信号Ｇ８は、カウント値ｃａ８Ｌ８の生成のために用いられ、参照信号Ｇ１は、カウント値ｃｎ１の生成のために用いられる。参照信号Ｇ１およびＧ８は、同じランプ波信号線Ｖｒｍｐ１を介して、比較器４０２の第２の入力端子に入力され、タイミング部２１１内の同等の構成の信号源により生成されることが重要である。以上のように、演算回路４０５は、カウント値ｃａ８Ｌを８倍した値とカウント値ｃｎ１との差分を演算する。
【００８７】
次に、高照度時の場合の期間ｔ１０の処理を説明する。高照度時には、画素２００は、Ｓ信号ＶｓｉｇＨａを出力する。期間ｔ１０では、タイミング部２１１は、参照信号Ｇ８のレベルを変化させ、参照信号Ｇ８をランプ波信号線Ｖｒｍｐ１を介して比較器４０２の第２の入力端子に出力する。カウンタ回路４０３は、タイミング部２１１の制御により、参照信号Ｇ８のレベル変化の開始時に、カウント値のカウントを開始する。比較器４０２は、Ｓ信号ＶｓｉｇＨａと参照信号Ｇ８を比較し、Ｓ信号ＶｓｉｇＨａと参照信号Ｇ８との大小関係が逆転すると、比較結果信号をハイレベルからローレベルに反転させる。カウンタ回路４０３は、比較器４０２の比較結果信号が反転すると、カウント値のカウントを終了し、そのカウント値ｃａ８Ｈをラッチ回路４０４に出力する。カウンタ回路４０３は、期間ｔａ８Ｈで、カウントを行い、カウント値ｃａ８Ｈをラッチ回路４０４に出力する。ラッチ回路４０４は、カウント値ｃａ８Ｈを演算回路４０５に出力する。演算回路４０５は、カウント値ｃａ８Ｈを８倍したカウント値ｃａ８Ｈ８を記憶する。そして、演算回路４０５は、カウント値ｃａ８Ｈ８からカウント値ｃｎ１を減算し、その減算結果を、画素２００のＡ像信号の信号値として、出力線２６１を介して信号処理部１３に出力する。
【００８８】
その後、期間ｔ１１〜ｔ１４の処理は、図６の期間ｔ１１〜ｔ１４の処理と同じであるため、説明を省略する。
【００８９】
以上のように、列信号処理部２０３は、図６の期間ｔ４の参照信号Ｇ８を用いたＮ信号のカウント値ｃｎ８を生成する処理を行わない。期間ｔ１０では、列信号処理部２０３は、参照信号Ｇ８を用いたＳ信号のカウント値の８倍値ｃａ８Ｌ８またはｃａ８Ｈ８からカウント値ｃｎ１を減算する。これにより、列信号処理部２０３は、さらに、アナログデジタル変換に要する時間を短縮することができる。
【００９０】
（第３の実施形態）
第１および第２の実施形態では、撮像素子１２は、各画素２００が複数の光電変換素子Ｄ１ａおよびＤ１ｂを有するので、画素を生成するのに長い時間を要してしまう。本発明の第３の実施形態では、画像を生成するのに要する時間を短縮することができる撮像素子１２を説明する。
【００９１】
図８は、本発明の第３の実施形態による画素領域２０１の構成例を示す図である。画素領域２０１は、行単位で、領域Ｒｅｇｉｏｎ＿Ａと、領域Ｒｅｇｉｏｎ＿Ｂとを有する。領域Ｒｅｇｉｏｎ＿ＡおよびＲｅｇｉｏｎ＿Ｂは、それぞれ、１以上の行の画素２００を有する。例えば、画素領域２０１では、領域Ｒｅｇｉоｎ＿Ｂは、複数行間隔で配置され、その他の領域が領域Ｒｅｇｉоｎ＿Ａとなる。領域Ｒｅｇｉｏｎ＿Ａの画素２００と領域Ｒｅｇｉｏｎ＿Ｂの画素２００は、異なる行の画素である。
【００９２】
領域Ｒｅｇｉｏｎ＿Ｂの画素２００は、焦点検出に使用される画素であり、Ａ像信号とＡ＋Ｂ像信号を生成する。領域Ｒｅｇｉｏｎ＿Ａの画素２００は、焦点検出に使用されない画素であり、Ａ像信号を生成せず、Ａ＋Ｂ像信号を生成する。これにより、撮像素子１２は、画像を生成するのに要する時間を短縮することができる。
【００９３】
図９（ａ）および図９（ｂ）は、基本技術による領域Ｒｅｇｉоｎ＿Ｂの処理を示すタイミングチャートであり、それぞれ、水平同期信号ＨＤ単位の処理を示す。図９（ａ）および図９（ｂ）の処理は、図５の処理を２つに分割した処理である。図９（ａ）の期間ｔ１〜ｔ８の処理は、図５の期間ｔ１〜ｔ８の処理と同じである。図９（ｂ）の期間ｔ１１〜ｔ１４の処理は、図５の期間ｔ１１〜ｔ１４の処理と同じである。列信号処理部２０３は、領域Ｒｅｇｉоｎ＿Ｂに対して、水平同期信号ＨＤに同期して、図９（ａ）の処理を行い、続いて、次の水平同期信号ＨＤに同期して、図９（ｂ）の処理を行う。
【００９４】
まず、列信号処理部２０３は、領域Ｒｅｇｉоｎ＿Ｂの画素２００の信号Ｖｓｉｇに対して、図９（ａ）の期間ｔ１〜ｔ８の処理を行い、Ａ像信号をデジタル信号に変換する。次に、列信号処理部２０３は、領域Ｒｅｇｉоｎ＿Ｂの画素２００の信号Ｖｓｉｇに対して、図９（ｂ）の期間ｔ１１〜ｔ１４の処理を行い、Ａ＋Ｂ像信号をデジタル信号に変換する。
【００９５】
図９（ｃ）は、本実施形態による領域Ｒｅｇｉоｎ＿Ａの処理を示すタイミングチャートであり、水平同期信号ＨＤ単位の処理を示す。列信号処理部２０３は、領域Ｒｅｇｉоｎ＿Ａの画素２００の信号Ｖｓｉｇに対して、図９（ｃ）の期間ｔ１〜ｔ３およびｔ１１〜ｔ１４の処理を行い、Ａ＋Ｂ像信号をデジタル信号に変換する。図９（ｃ）の期間ｔ１〜ｔ３およびｔ１１〜ｔ１４の処理は、図５の期間ｔ１〜ｔ３およびｔ１１〜ｔ１４の処理と同じである。
【００９６】
ここで、図９（ｂ）では、期間ｔ１１の前では、無駄な空き時間が発生し、非効率的であることがわかる。その課題を解決するため、図１０（ａ）および（ｂ）を参照しながら、領域Ｒｅｇｉｏｎ＿Ｂの効率的な処理を行う実施形態を説明する。
【００９７】
図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、本実施形態による領域Ｒｅｇｉоｎ＿Ｂの処理を示すタイミングチャートであり、それぞれ、水平同期信号ＨＤ単位の処理を示す。列信号処理部２０３は、領域Ｒｅｇｉоｎ＿Ｂに対して、水平同期信号ＨＤに同期して、図１０（ａ）の処理を行い、続いて、次の水平同期信号ＨＤに同期して、図１０（ｂ）の処理を行う。
【００９８】
まず、列信号処理部２０３は、領域Ｒｅｇｉоｎ＿Ｂの画素２００の信号Ｖｓｉｇに対して、図１０（ａ）の期間ｔ１〜ｔ３、ｔ５およびｔ１０の処理を行い、Ａ像信号をデジタル信号に変換する。図１０（ａ）の期間ｔ１〜ｔ３、ｔ５およびｔ１０の処理は、図７の期間ｔ１〜ｔ３、ｔ５およびｔ１０の処理と同じである。次に、列信号処理部２０３は、領域Ｒｅｇｉоｎ＿Ｂの画素２００の信号Ｖｓｉｇに対して、図１０（ｂ）の期間ｔ１１〜ｔ１４の処理を行い、Ａ＋Ｂ像信号をデジタル信号に変換する。図１０（ｂ）の期間ｔ１１〜ｔ１４の処理は、図７の期間ｔ１１〜ｔ１４の処理と同じである。
【００９９】
図１０（ａ）は、図９（ａ）に対して、Ｓ信号のレベル判定期間ｔ７が削除され、変化率が小さい参照信号Ｇ１またはＧ４の比較期間ｔ８の代わりに、変化率が大きい参照信号Ｇ８の比較期間ｔ１０を設けることにより、アナログデジタル変換期間を短縮できる。これにより、水平同期信号ＨＤの間隔を短くできるので、図１０（ｂ）は、図９（ｂ）に対して、期間ｔ１１の前の無駄な空き時間を削減することができる。
【０１００】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。撮像素子１２は、デジタルカメラ、ビデオカメラの他、スマートフォン、タブレット、工業用カメラ、医療用カメラ、車載カメラ等に適用可能である。
【符号の説明】
【０１０１】
１２  撮像素子、２００  画素、２０３  列信号処理部、Ｄ１ａ  光電変換素子、Ｄ１ｂ  光電変換素子、４０１  スイッチ回路、４０２  比較器、４０３  カウンタ回路、４０４  ラッチ回路、４０５  演算回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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