(57)【要約】【課題】電荷蓄積期間中に、光電変換素子の電荷を転送する画素と、電荷蓄積期間終了後に光電変換素子の電荷を転送する画素と単位画素の特性のリニアリティを両立させる。【解決手段】光電変換部（２１１）から不純物拡散領域（２１３）に電荷を転送する第１の転送トランジスタ（２１２）を有する第１の単位画素と、光電変換部から不純物拡散領域に電荷を転送する第２の転送トランジスタを有する第２の単位画素を有し、第１の転送トランジスタがオンしている時の第１の転送トランジスタのチャネルの電位が、第２の転送トランジスタがオンしている時の第２の転送トランジスタのチャネルの電位より高いことを特徴とする光電変換装置である。【選択図】図８
2015149672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の単位画素と、
第２の単位画素とを有し、
前記第１の単位画素は、第１の光電変換部と、第１の転送トランジスタと、第１の不純物拡散領域とを有し、
前記第２の単位画素は、第２の光電変換部と、第２の転送トランジスタと、第２の不純物拡散領域とを有し、
前記第１の転送トランジスタは、電荷蓄積期間中にオンとなることによって前記第１の光電変換部が生成した電荷を前記第１の不純物拡散領域に転送し、
電荷蓄積期間中に、前記第２の光電変換部は生成した電荷を蓄積し、前記電荷蓄積期間終了後に前記第２の転送トランジスタがオンとなることによって前記第２の光電変換部が生成した電荷を前記第２の不純物拡散領域に転送し、
前記第１の転送トランジスタがオンしている時の前記第１の転送トランジスタのチャネルの電位が、前記第２の転送トランジスタがオンしている時の前記第２の転送トランジスタのチャネルの電位より高いことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記第１の不純物拡散領域と前記第２の不純物拡散領域とが同一の不純物拡散領域であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第１の単位画素及び前記第２の単位画素が、同一ライン内に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第１の転送トランジスタと前記第２の転送トランジスタは、ｐチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタであり、
前記第１の転送トランジスタをオンさせるためのゲートのオン電圧が、前記第２の転送トランジスタをオンさせるためのゲートのオン電圧より高いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第１の転送トランジスタと前記第２の転送トランジスタは、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタであり、
前記第１の転送トランジスタをオンさせるためのゲートのオン電圧が、前記第２の転送トランジスタをオンさせるためのゲートのオン電圧より低いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第２の転送トランジスタの前記オン電圧は、前記第２の光電変換部の蓄積した電荷を、前記第２の光電変換部から前記第２の不純物拡散領域に完全転送可能な電圧であることを特徴とする請求項４又は５記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記第１の転送トランジスタと前記第２の転送トランジスタは、ｐチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタであり、
前記第１の転送トランジスタの閾値電圧が、前記第２の転送トランジスタの閾値電圧より高いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記第１の転送トランジスタと前記第２の転送トランジスタは、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタであり、
前記第１の転送トランジスタの閾値電圧が、前記第２の転送トランジスタの閾値電圧より低いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記第１の転送トランジスタをオンさせるためのゲートのオン電圧が、前記第２の転送トランジスタをオンさせるためのゲートのオン電圧と同じであることを特徴とする請求項７又は８記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記電荷蓄積期間とは別の電荷蓄積期間に、前記第２の光電変換部が電荷を生成し、前記第２の転送トランジスタが、前記別の電荷蓄積期間中にオンとなることによって前記第２の光電変換部が生成した電荷を前記第２の不純物拡散領域に転送し、
前記別の電荷蓄積期間中に、前記第１の光電変換部は生成した電荷を蓄積し、前記別の電荷蓄積期間終了後に前記第１の転送トランジスタがオンとなることによって前記第１の光電変換部が生成した電荷を前記第１の不純物拡散領域に転送し、
前記別の電荷蓄積期間において、前記第２の転送トランジスタがオンしている時の前記第２の転送トランジスタのチャネルの電位が、前記第１の転送トランジスタがオンしている時の前記第１の転送トランジスタのチャネルの電位より高いことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１１】
さらに、前記第１の光電変換部が生成した電荷に基づく信号を基に、前記電荷蓄積期間を終了させるモニタ部を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１２】
さらに、前記第２の光電変換部が蓄積した電荷に基づく信号を増幅する増幅部と、
前記第１の光電変換部が生成した電荷に基づく信号を基に、前記増幅部の増幅率を制御する制御部とを有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１３】
第１の単位画素と、
第２の単位画素とを有し、
前記第１の単位画素は、第１の光電変換部と、第１の転送トランジスタと、第１の不純物拡散領域とを有し、
前記第２の単位画素は、第２の光電変換部と、第２の転送トランジスタと、第２の不純物拡散領域とを有し、
前記第１の転送トランジスタは、電荷蓄積期間中にオンとなることによって前記第１の光電変換部が生成した電荷を前記第１の不純物拡散領域に転送し、
電荷蓄積期間中に、前記第２の光電変換部は生成した電荷を蓄積し、前記電荷蓄積期間終了後に前記第２の転送トランジスタがオンとなることによって前記第２の光電変換部が生成した電荷を前記第２の不純物拡散領域に転送し、
前記第１の転送トランジスタのオンとオフとのゲートの電圧差が、前記第２の転送トランジスタのオンとオフとのゲートの電圧差よりも小さいことを特徴とする光電変換装置。
【請求項１４】
前記第１の不純物拡散領域と前記第２の不純物拡散領域とが同一の不純物拡散領域であることを特徴とする請求項１３に記載の光電変換装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置に被写体の光学像を結像させるレンズと、
前記光電変換装置の出力信号を基に合焦しているか否かを判定し、合焦していないと判定した場合には前記レンズを駆動させる演算部と
を有することを特徴とする光電変換システム。
【請求項１６】
さらに、撮像動作により撮像信号を生成する撮像装置を有し、
前記レンズは、前記撮像装置に被写体の光学像を結像させ、
前記演算部は、合焦していると判定した場合には、前記撮像装置に前記撮像動作を行わせることを特徴とする請求項１５に記載の光電変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置及び光電変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
位相差検出型オートフォーカス（ＡＦ：Auto Focusing）用光電変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。電荷モニタ用の画素は、電荷蓄積期間に光電変換素子で生成された電荷を対応するメモリ手段に転送し、メモリ手段で電荷を積分する構成を有する。電荷蓄積用の画素は、電荷蓄積期間に光電変換素子で生成された電荷を、電荷蓄積期間の終了までメモリ手段に転送せずに画素で積分する。そして、電荷蓄積期間が終わると電荷蓄積用の画素は光電変換素子が生成した電荷をメモリ手段に転送する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−５４３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の構成は、一方の画素に適したオン電圧を設定した場合、他方の画素ではリニアリティが低下するという課題がある。
【０００５】
本発明の目的は、電荷蓄積期間中に、光電変換素子の電荷を転送する画素と、電荷蓄積期間終了後に光電変換素子の電荷を転送する画素と単位画素の特性のリニアリティを両立させた光電変換装置及び光電変換システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光電変換装置は、第１の単位画素と、第２の単位画素とを有し、前記第１の単位画素は、第１の光電変換部と、第１の転送トランジスタと、第１の不純物拡散領域とを有し、前記第２の単位画素は、第２の光電変換部と、第２の転送トランジスタと、第２の不純物拡散領域とを有し、前記第１の転送トランジスタは、電荷蓄積期間中にオンとなることによって前記第１の光電変換部が生成した電荷を前記第１の不純物拡散領域に転送し、電荷蓄積期間中に、前記第２の光電変換部は生成した電荷を蓄積し、前記電荷蓄積期間終了後に前記第２の転送トランジスタがオンとなることによって前記第２の光電変換部が生成した電荷を前記第２の不純物拡散領域に転送し、前記第１の転送トランジスタがオンしている時の前記第１の転送トランジスタのチャネルの電位が、前記第２の転送トランジスタがオンしている時の前記第２の転送トランジスタのチャネルの電位より高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
第１の転送トランジスタ及び第２の転送トランジスタがオンしている時のチャネルの電位を異なることにより、第１の単位画素及び第２の単位画素の両方の特性のリニアリティを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】位相差検出型ＡＦ用光電変換装置のラインセンサのレイアウト図である。
【図２】第１の実施形態に係るラインセンサの構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係るラインセンサの等価回路図である。
【図４】第１の実施形態に係る駆動タイミングを示す図である。
【図５】画素部の電位と出力電圧の関係を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る駆動タイミングを示す図である。
【図７】画素部の電位と出力電圧の関係を示す図である。
【図８】第２の実施形態に係る画素部の等価回路図である。
【図９】第２の実施形態に係る駆動タイミングを示す図である。
【図１０】第３の実施形態に係る画素部の等価回路図である。
【図１１】第４の実施形態に係るラインセンサの構成を示す図である。
【図１２】第５の実施形態に係るラインセンサの構成を示す図である。
【図１３】光電変換システムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る位相差検出型ＡＦ用光電変換装置１０のラインセンサの配置レイアウトを示す図である。光電変換装置１０は、複数のラインセンサ対１１を有する。ラインセンサ対１１は、基準部用ラインセンサ１２及び参照用ラインセンサ１３を有する。基準部用ラインセンサ１２及び参照用ラインセンサ１３には、位置情報となる光が照射される。光電変換システムは、基準部用ラインセンサ１２及び参照用ラインセンサ１３の出力信号を比較することにより、位相差検出を行い、デフォーカス量を求める。
【００１０】
図２は、基準部用ラインセンサ１２とその周辺回路の構成例を示す図である。基準部用ラインセンサ１２は、複数の単位画素２１を有し、信号保持部２２及びモニタ部２３に接続される。単位画素２１は、光電変換部２１１と、転送トランジスタ２１２と、不純物拡散領域２１３と、信号出力部２１４とを有する。信号出力部２１４は、例えばバッファアンプである。アンプ２４は、出力バッファアンプである。スイッチ２５は、複数の単位画素２１内の信号出力部２１４の出力信号を信号保持部２２に保持するためのサンプルホールドスイッチである。光電変換部２１１は、光電変換により電荷を生成する。不純物拡散領域２１３は、電荷を蓄積する。転送トランジスタ２１２は、光電変換部２１１により生成された電荷を不純物拡散領域２１３に転送する。不純物拡散領域２１３は、不純物拡散領域２１３に転送された電荷量Ｑと不純物拡散領域２１３の容量Ｃを基に、次式（１）により、電圧値Ｖに変換し、信号出力部２１４に出力する。
Ｖ＝Ｑ／Ｃ      ・・・（１）
【００１１】
各単位画素２１の信号出力部２１４は、電圧値Ｖを増幅し、信号保持部２２及びモニタ部２３に出力する。各単位画素２１は、位相差検出の精度を向上させるために、ノイズ除去回路を含んでも良い。信号保持部２２は、複数の単位画素２１の信号出力部２１４の出力信号を一時的に保持し、保持した信号を順次、アンプ２４へ出力する。アンプ２４は、入力信号を増幅して出力する。アンプ２４は、光電変換部２１１が生成した電荷に基づく信号を増幅する増幅部である。
【００１２】
複数の単位画素２１の信号出力部２１４の出力信号は、光電変換部２１１の受光量をリアルタイムに検出するために使用される。モニタ部２３は、複数の単位画素２１の信号出力部２１４の出力信号の中の最大値と最小値の差分信号（以下、Ｐ−Ｂ信号という）に基づいた信号を出力する。参照部用ラインセンサ１３については、基準部用ラインセンサ１２と同様であるので説明を省略する。
【００１３】
図３は、基準部用ラインセンサ１２の構成例を示す等価回路図である。基準部用ラインセンサ１２は、図２に示したように、同じ単位画素２１が複数配列されている。ここでは、単位画素２１について説明する。図３において、図２と同じ構成部材には同じ符号を付している。光電変換部２１１は、フォトダイオードである。転送トランジスタ２１２は、ｐチャネル電界効果トランジスタである。信号出力部２１４は、バッファアンプである。電圧ＶＲＥＳは、光電変換部２１１及び不純物拡散領域２１３を初期状態にリセットするためのリセット電圧である。トランジスタ３２は、光電変換部２１１及び不純物拡散領域２１３をリセット電圧ＶＲＥＳにリセットするためのリセットトランジスタである。バッファアンプ３１は、転送トランジスタ２１２のゲートに制御信号ＰＴＸを伝達するためのアンプである。バッファ３１がローレベルの制御信号ＰＴＸに基づいてローレベル電圧（オン電圧）ＶＴＸＬを転送トランジスタ２１２のゲートに出力すると、転送トランジスタ２１２がオンし、光電変換部２１１の電荷は不純物拡散領域２１３に転送される。また、バッファ３１がハイレベルの制御信号ＰＴＸに基づいてハイレベル電圧（オフ電圧）ＶＴＸＨを転送トランジスタ２１２のゲートに出力すると、転送トランジスタ２１２がオフする。参照部用ラインセンサ１３については、基準部用ラインセンサ１２と同様である。
【００１４】
単位画素２１は、電荷モニタ用単位画素（第１の単位画素）２１と電荷蓄積用単位画素（第２の単位画素）２１に分けられる。ある基準部用ラインセンサ１２内に配列される複数の単位画素２１は電荷モニタ用単位画素２１であり、他の基準部用ラインセンサ１２内に配列される複数の単位画素２１は電荷蓄積用単位画素２１である。参照部用ラインセンサ１３についても、基準部用ラインセンサ１２と同様である。電荷モニタ用単位画素２１及び電荷蓄積用単位画素２１は、構成が同じであり、駆動方法が異なる。
【００１５】
電荷モニタ用単位画素２１は、光電変換部２１１の受光量をモニタするために、光電変換部２１１で生成された電荷を電荷蓄積期間中に不純物拡散領域２１３に転送する。電荷蓄積用単位画素２１は、光電変換部２１１の受光量をモニタせずに、光電変換部２１１で生成された電荷を光電変換部２１１に蓄積し、電荷蓄積期間終了後に、光電変換部２１１の電荷を不純物拡散領域２１３に転送する。
【００１６】
電荷モニタ用単位画素２１及び電荷蓄積用単位画素２１の電荷蓄積期間開始後、モニタ部２３は、複数の電荷モニタ用単位画素２１の出力値（受光量）の中の最大値と最小値の差分信号（Ｐ−Ｂ信号）を演算し、Ｐ−Ｂ信号と閾値とを比較する。Ｐ−Ｂ信号が閾値を超えた場合に、電荷モニタ用単位画素２１及び電荷蓄積用単位画素２１の電荷蓄積期間を終了させる。上記のように、電荷蓄積期間中に、転送トランジスタ２１２をオンにした状態で、電荷モニタ用単位画素２１の受光量をモニタし、適切な電荷蓄積期間を決定することができる。
【００１７】
電荷蓄積用単位画素２１は、電荷蓄積期間中には光電変換部２１１で電荷を蓄積するため、電荷蓄積期間中に不純物拡散領域２１３で発生するノイズが光電変換部２１１に蓄積されている電荷に影響を与えないため、高Ｓ／Ｎの信号を生成することができる。また、電荷蓄積用単位画素２１は、電荷蓄積期間中に不純物拡散領域２１３をリセットし、電荷蓄積期間終了後に、光電変換部２１１の電荷を不純物拡散領域２１３に転送するので、不純物拡散領域２１３で発生したノイズを除去することができる。これにより、電荷蓄積用単位画素２１は、高画質の画素信号を出力することができる。
【００１８】
図４は、電荷モニタ用単位画素２１の駆動方法を示すタイミング図である。電荷モニタ用単位画素２１は、光電変換部２１１の受光量をモニタするために、電荷蓄積期間中に、光電変換部２１１により生成された電荷を不純物拡散領域２１３に転送する。信号ＰＲＳは、図３のトランジスタ３２のゲートを制御するための信号である。信号ＰＴＸは、転送トランジスタ２１２のゲートを制御するための信号である。モニタ期間は、図２のモニタ部２３が信号出力部２１４の出力信号をモニタしている期間である。信号ＰＣＨは、図２のスイッチ２５を制御するための信号である。信号ＰＣＨがハイレベルの時にスイッチ２５はオン状態になり、信号ＰＣＨがローレベルの時にスイッチ２５はオフ状態になる。ここで、図３の転送トランジスタ２１２及びトランジスタ３２はｐチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタである。そのため、信号ＰＴＸ及びＰＲＳがハイレベルの時にそれぞれ転送トランジスタ２１２及びトランジスタ３２はオフ状態になり、信号ＰＴＸ及びＰＲＳがローレベルの時にそれぞれ転送トランジスタ２１２及びトランジスタ３２はオン状態になる。
【００１９】
時刻ｔ０〜ｔ１の期間は、初期リセット期間である。信号ＰＲＳ及びＰＴＸがローレベルであり、トランジスタ３２及び転送トランジスタ２１２はオン状態となるため、光電変換部２１１及び不純物拡散領域２１３の電位は電圧ＶＲＥＳにリセットされる。時刻ｔ１〜ｔ２の期間は、電荷蓄積期間である。電荷蓄積期間中、信号ＰＴＸはローレベルとなる。すると、転送トランジスタ２１２は、オンし、光電変換部２１１で生成された電荷を不純物拡散領域２１３へ転送する。この電荷蓄積期間中は、信号ＰＴＸが常にローレベルでも、ローレベルとハイレベルを繰り返す間欠動作を行っても原理上問題ない。電荷蓄積期間中は、信号ＰＣＨがハイレベルとなり、スイッチ２５がオンし、信号出力部２１４の出力信号が信号保持部２２へ出力される。この電荷蓄積期間は、モニタ部２３が、信号出力部２１４の出力信号をモニタしているモニタ期間でもある。時刻ｔ２以降では、信号ＰＣＨはローレベルとなり、スイッチ２５がオフし、信号保持部２２は、時刻ｔ２における信号出力部２１４の出力信号を保持する。時刻ｔ２以降は、信号の読み出し期間である。
【００２０】
図５は、電荷モニタ用単位画素２１の電荷転送とその特性の説明図である。図５において、上図ではリニアリティ低下の課題を、下図ではその対策を説明する。左図は、時刻ｔ２における光電変換部２１１の電位５２１１と転送トランジスタ２１２のチャネルの電位５２１２と不純物拡散領域２１３の電位５２１３と光電変換部２１１で生成された電荷５１の模式図である。右図は、電荷蓄積期間を変化させた際の信号保持部２２に保持される電圧と電荷蓄積期間の関係を示す図である。
【００２１】
上図において、時刻Ｔ以降でリニアリティが低下している。これは、転送トランジスタ２１２のチャネルの電位５２１２が低いため、電荷５１が転送トランジスタ２１２のゲート下に入り込み、見かけの容量Ｃが大きくなったことが原因である。上式（１）からも明らかなように、容量Ｃが大きくなると、出力される電圧Ｖは小さくなる。一方、下図では、転送トランジスタ２１２のチャネルの電位５２１２が高いため、電荷５１が転送トランジスタ２１２のゲート下に入り込まない。そのためリニアリティは低下しない。
【００２２】
以上のように、電荷蓄積期間中に光電変換部２１１で生成された電荷５１を不純物拡散領域２１２に転送する動作時において、転送トランジスタ２１２のチャネルの電位５２１２が低いと、時刻Ｔからリニアリティが低下する。これを解決するためには、転送トランジスタ２１２のチャネルの電位５２１２を高くする必要がある。
【００２３】
図６は、電荷蓄積用単位画素２１の駆動方法を示すタイミング図である。電荷蓄積用単位画素２１は、光電変換部２１１の受光量をモニタしない単位画素である。電荷蓄積用単位画素２１は、電荷蓄積期間中に、光電変換部２１１により生成された電荷を転送せずに光電変換部２１１に蓄積し、電荷蓄積期間終了後に、光電変換部２１１により生成された電荷を不純物拡散領域２１３に転送する。各信号の符号名や各信号と回路動作の対応は、図４と同じであるので、説明を省略する。
【００２４】
時刻ｔ０〜ｔ１の期間は、初期リセット期間である。信号ＰＲＳ及びＰＴＸがローレベルであり、トランジスタ３２及び転送トランジスタ２１２はオン状態となるため、光電変換部２１１及び不純物拡散領域２１３の電位は電圧ＶＲＥＳにリセットされる。時刻ｔ１〜ｔ２の期間は、電荷蓄積期間である。電荷蓄積期間中、信号ＰＴＸはハイレベルとなり、転送トランジスタ２１２はオフ状態となり、光電変換部２１１は、生成した電荷を蓄積する。時刻ｔ２〜ｔ３の期間は、電荷転送前リセット期間である。信号ＰＲＳがローレベルとなり、信号ＰＴＸはハイレベルを維持する。すると、トランジスタ３２がオンし、不純物拡散領域２１３の電位は再び電圧ＶＲＥＳにリセットされる。この動作により、電荷蓄積期間中に不純物拡散領域２１３に蓄積されたノイズを除去することができ、高いＳ／Ｎの信号を得ることができる。時刻ｔ３〜ｔ４の期間では、信号ＰＲＳがハイレベルになり、トランジスタ３２がオフし、転送トランジスタ２１２をオン状態にしないための空白期間である。時刻ｔ４において、信号ＰＣＨはハイレベルとなり、スイッチ２５がオンする。すると、信号出力部２１４の出力信号の信号保持部２２へのサンプリングが開始される。時刻ｔ４〜ｔ５の期間は、電荷転送期間である。この期間中、信号ＰＴＸはローレベルとなり、転送トランジスタ２１２は光電変換部２１１から電荷を不純物拡散領域２１３に転送する。時刻ｔ６において、信号ＰＣＨはローレベルとなり、信号保持部２２は、時刻ｔ６における信号出力部２１４の出力信号を保持する。時刻ｔ６以降は、信号の読み出し期間である。
【００２５】
図７は、電荷蓄積用単位画素２１の電荷転送と信号特性の説明図である。図７において、上図では低照度でのリニアリティ低下の課題を、下図ではその対策を説明する。図７の符号等は図５と同じであるので説明は省略する。左図は電荷蓄積と電荷転送の説明図である。Ｖ１は電荷蓄積期間の電位である。Ｖ２は電荷転送期間の電位である。Ｖ３は電荷転送期間後の電位である。
【００２６】
上図において、短電荷蓄積期間での出力信号のリニアリティが低下している。これは、チャネル抵抗が高いために転送効率が低下したことが原因である。課題となる左図から明らかなように、電荷転送期間中、転送トランジスタ２１２のチャネルの電位５２１２が高く、転送トランジスタ２１２のゲートにかかるオン電圧が十分でないことが分かる。一方、解決策となる下図では、転送トランジスタ２１２のチャネルの電位５２１２が低く、オン電圧が十分にかかっているため、転送不良が生じにくい。その結果、解決策となる右下の模式図では、リニアリティの低下が生じにくい。
【００２７】
図４のタイミングにおいて問題となった転送トランジスタ２１２のゲート下に電荷が入り込む現象は、図６のタイミングにおいて問題とならない。なぜなら、サンプルホールドする時刻ｔ６において、信号ＰＴＸはハイレベルとなり、転送トランジスタ２１２がオンしているため、転送トランジスタ２１２のゲート下にいた電荷は不純物拡散領域２１３に移動しているからである。
【００２８】
以上のように、図６及び図７の電荷蓄積用単位画素２１では、光電変換部２１１の受光量をモニタせずに、光電変換部２１１で生成された電荷を光電変換部２１１に蓄積し、電荷蓄積期間終了後に、光電変換部２１１の電荷を不純物拡散領域２１３に転送する。この動作時において、転送トランジスタ２１２のチャネルの電位５２１２が高いと、短電荷蓄積期間においてリニアリティが低下する。これを解決するためには、転送トランジスタ２１２のチャネルの電位５２１２を低くする必要がある。
【００２９】
本実施形態によれば、図４及び図５の電荷モニタ用単位画素２１の転送トランジスタ２１２のオン電圧を、図６及び図７の電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２のオン電圧よりも高くする。これにより、図４及び図５の電荷モニタ用単位画素２１では、転送トランジスタ２１２のゲート下に電荷が入り込まず、図６及び図７の電荷蓄積用単位画素２１では、転送効率が高くなる。その結果、電荷モニタ用単位画素２１及び電荷蓄積用単位画素２１の両方のリニアリティを向上させることが可能となる。
【００３０】
本実施形態では、転送トランジスタ２１２及びトランジスタ３２をｐチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタとして説明したが、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタの場合には電圧関係を逆にすることにより、上述した効果と同じ効果が得られる。
【００３１】
また、本実施形態では、電荷モニタ用単位画素２１と電荷蓄積用単位画素２１で供給するオン電圧を異ならせたが、これに限定されない。電荷モニタ用単位画素２１の転送トランジスタ２１２の閾値電圧を電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２の閾値電圧よりも高くしてもよい。その場合、電荷モニタ用単位画素２１の転送トランジスタ２１２及び電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２のゲートに同じオン電圧を供給する。この場合も、上述した効果と同じ効果が得られる。
【００３２】
以上のように、図５の下図の電荷モニタ用単位画素２１の転送トランジスタ２１２がオンしている時のチャネルの電位５２１２は、図７の下図の電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２がオンしている時のチャネルの電位５２１２より高い。具体的には、下記の（１）〜（４）の場合が考えられる。
【００３３】
（１）電荷モニタ用単位画素２１及び電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２は、ｐチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタである。その場合、電荷モニタ用単位画素２１の転送トランジスタ２１２をオンさせるためのゲートのオン電圧ＶＴＸＬは、電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２をオンさせるためのゲートのオン電圧ＶＴＸＬより高い。
【００３４】
（２）電荷モニタ用単位画素２１及び電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２は、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタである。その場合、電荷モニタ用単位画素２１の転送トランジスタ２１２をオンさせるためのゲートのオン電圧ＶＴＸＨは、電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２をオンさせるためのゲートのオン電圧ＶＴＸＨより低い。
【００３５】
（３）電荷モニタ用単位画素２１及び電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２は、ｐチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタである。その場合、電荷モニタ用単位画素２１の転送トランジスタ２１２の閾値電圧は、電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２の閾値電圧より高い。電荷モニタ用単位画素２１の転送トランジスタ２１２をオンさせるためのゲートのオン電圧ＶＴＸＬは、電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２をオンさせるためのゲートのオン電圧ＶＴＸＬと同じである。
【００３６】
（４）電荷モニタ用単位画素２１及び電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２は、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタである。その場合、電荷モニタ用単位画素２１の転送トランジスタ２１２の閾値電圧は、電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２の閾値電圧より低い。電荷モニタ用単位画素２１の転送トランジスタ２１２をオンさせるためのゲートのオン電圧ＶＴＸＨは、電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２をオンさせるためのゲートのオン電圧ＶＴＸＨと同じである。
【００３７】
また、上記の（１）及び（２）において、電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２のゲートに供給されるオン電圧は、完全転送可能な電圧とすることができる。これにより、電荷蓄積用単位画素２１の電荷の完全転送が可能となり、良好なリニアリティ特性を得ることが可能となる。また、上記の（１）及び（２）で、電荷モニタ用単位画素２１の転送トランジスタ２１２のゲートに供給されるオン電圧とオフ電圧との電圧差は、電荷蓄積用単位画素２１の転送トランジスタ２１２のゲートに供給されるオン電圧とオフ電圧との電圧差よりも小さい。
【００３８】
なお、本実施形態では、単位画素２１の各々が光電変換部２１１、転送トランジスタ２１２、不純物拡散領域２１３、信号出力部２１４を有する例を説明したが、他の構成でも良い。以下に、他の単位画素２１の例を説明する。１つの単位画素２１が複数の光電変換部２１１を有する。そして、１つの単位画素２１は１つの不純物拡散領域２１３を有する。さらに１つの単位画素２１は、複数の光電変換部２１１のうちの一部の光電変換部２１１が蓄積した電荷を不純物拡散領域２１３に転送する転送トランジスタ２１２として第１の転送トランジスタを有する。１つの単位画素２１は、複数の光電変換部２１１のうちの他の一部の光電変換部２１１が蓄積した電荷を不純物拡散領域２１３に転送する転送トランジスタ２１２として第２の転送トランジスタをさらに有する。この例の単位画素２１においても、第１の転送トランジスタのチャネルの電位を第２の転送トランジスタのチャネルの電位よりも高くすることによって、本実施形態の光電変換装置の上述した効果を得ることができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る基準部用ラインセンサ１２の構成例を示す等価回路図である。基準部用ラインセンサ１２内には、二種類の単位画素２１が複数配列されている。ここでは、この二種類の単位画素２１について説明する。図８において、図３と同じ構成部材には同じ符号を付している。本実施形態と第１の実施形態との相違点は、第１の実施形態（図３）では一種類の単位画素２１のみで構成されていたのに対し、第２の実施形態（図８）では二種類の単位画素２１に対応して二種類のバッファアンプ８１及び８２が設けられる。図８のバッファアンプ８１及び８２は、図３のバッファアンプ３１の代わりに設けられる。バッファアンプ８１は、入力電圧がＰＴＸ１であり、出力のハイレベル電圧がＶＴＸＨであり、出力のローレベル電圧がＶＴＸＬ１である。バッファアンプ８２は、入力電圧がＰＴＸ２であり、出力のハイレベル電圧がＶＴＸＨであり、出力のローレベル電圧がＶＴＸＬ２である。バッファアンプ８１のローレベル電圧ＶＴＸＬ１とバッファアンプ８２のローレベル電圧ＶＴＸＬ２は、相互に異なる。バッファアンプ８２を有する単位画素２１は、電荷蓄積用単位画素であり、ローレベル電圧ＶＴＸＬ２を用いる。バッファアンプ８１を有する単位画素２１は、電荷モニタ用単位画素であり、ローレベル電圧ＶＴＸＬ１を用いる。参照部用ラインセンサ１３については、基準部用ラインセンサ１２と同様である。バッファアンプ８１のローレベル電圧ＶＴＸＬ１及びバッファアンプ８２のローレベル電圧ＶＴＸＬ２は、ＶＴＸＬ１＞ＶＴＸＬ２の関係を有する。
【００４０】
図９は、本実施形態の光電変換装置１０の駆動方法を示すタイミング図である。図９の左図は、電荷モニタ用単位画素２１のタイミング図であり、図４のタイミング図と同様である。図９の右図は、電荷蓄積用単位画素２１のタイミング図であり、図６のタイミング図と同様である。本実施形態により、特性のリニアリティが両立した電荷モニタ用単位画素２１と電荷蓄積用単位画素２１を同一ライン内に配置可能となる。本実施形態によれば、同一ライン内において、電荷モニタ用単位画素２１から取得する受光量をモニタするための信号と、電荷蓄積用単位画素２１から取得するノイズの少ない高Ｓ／Ｎの信号の両方のリニアリティを両立させることができる。
【００４１】
（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る基準部用ラインセンサ１２の構成例を示す等価回路図である。基準部用ラインセンサ１２内には同じ単位画素２１が複数配列されている。ここでは、単位画素２１について説明する。図１０において、図３と同じ構成部材には同じ符号を付している。本実施形態と第１の実施形態との相違点は、スイッチ９１を設けた点である。スイッチ９１は、転送トランジスタ２１２のゲートに制御信号を伝達するバッファアンプ３１のローレベル電圧をＶＴＸＬ１又はＶＴＸＬ２に切り替えることができる。すなわち、電荷モニタ用単位画素２１及び電荷蓄積用単位画素２１は、それぞれ、転送トランジスタ２１２のゲートに供給するオン電圧ＶＴＸＬ１又はＶＴＸＬ２を切り替え可能なスイッチ９１を有する。ここで、ＶＴＸＬ１＞ＶＴＸＬ２である。
【００４２】
本実施形態では、電荷モニタ用単位画素２１として使用する場合には、スイッチ９１により、バッファアンプ３１にローレベル電圧ＶＴＸＬ１を供給し、駆動タイミングを図４と同じにする。電荷蓄積用単位画素２１として使用する場合には、スイッチ９１により、バッファアンプ３１にローレベル電圧ＶＴＸＬ２を供給し、駆動タイミングを図６と同じにする。
【００４３】
本実施形態によれば、仕様用途に合わせ、図１０の単位画素を、電荷モニタ用単位画素２１としても電荷蓄積用単位画素２１としても使用可能となる。例えば明るい環境下で受光量をモニタしながら測距したい場合には、電荷モニタ用単位画素２１として用い、暗い環境下で高いＳ／Ｎが必要な場合には電荷蓄積用単位画素２１として使用可能となる。参照部用ラインセンサ１３についても、基準部用ラインセンサ１２と同様である。
【００４４】
また、ある電荷蓄積期間では、単位画素２１の一つの第１の単位画素２１を電荷モニタ用単位画素２１として動作させ、別の単位画素２１の第２の単位画素２１を電荷蓄積用単位画素２１として動作させる。そして別の電荷蓄積期間では、第１の単位画素２１を電荷蓄積用単位画素２１として動作させ、第２の単位画素２１を電荷モニタ用単位画素２１として動作させるようにしても良い。
【００４５】
（第４の実施形態）
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る基準部用ラインセンサ１２とその周辺回路の構成例を示す図である。図１１において、図２と同じ構成には、同じ符号を付している。本実施形態（図１１）と第１の実施形態（図２）との相違点は、モニタ部２３の中にアンプ制御部１０１を備えている点である。モニタ部２３は、Ｐ−Ｂ信号の振幅が小さいと判断した場合、アンプ制御部１０１は振幅を十分大きくするのに必要な増幅率を求める。不図示のアンプは、前述の増幅率で信号を増幅した上で、アンプ２４から信号を出力させる。すなわち、アンプ制御部１０１は、電荷モニタ用単位画素２１の出力信号を基に、電荷蓄積用単位画素２１（及び電荷モニタ用単位画素２１）の出力信号の増幅率を制御する。アンプ制御部１０１は、増幅部であるアンプ２４の増幅率を、光電変換部が生成した電荷に基づく信号の信号レベルを基に制御する制御部である。本実施形態によれば、Ｐ−Ｂ信号の振幅が小さい場合でも、適切な増幅率により信号を増幅し、出力することにより、十分大きな信号振幅を得ることが可能となる。参照部用ラインセンサ１３についても、基準部用ラインセンサ１２と同様である。
【００４６】
（第５の実施形態）
図１２は、本発明の第５の実施形態に係る基準部用ラインセンサ１２とその周辺回路の構成例を示す図である。図１２において、図２と同じ構成には、同じ符号を付している。本実施形態（図１２）と第１の実施形態（図２）との相違点は、モニタ部２３と基準部用ラインセンサ１２の間に電荷蓄積期間制御部１１１を備えている点である。モニタ部２３が、Ｐ−Ｂ信号の振幅が予め定められた閾値を超えたと判断すると、電荷蓄積期間終了を指示する信号を電荷蓄積期間制御部１１１へ出力する。信号を受信した電荷蓄積期間制御部１１１は、各電荷蓄積用単位画素２１に含まれる転送トランジスタ２１２を制御し、光電変換部２１１に蓄積された電荷を不純物拡散領域２１３に転送する。これにより、電荷蓄積期間は終了する。すなわち、モニタ部２３は、電荷モニタ用単位画素２１の出力信号を基に、電荷モニタ用単位画素２１及び電荷蓄積用単位画素２１の電荷蓄積期間を終了させる。本実施形態によれば、電荷蓄積期間制御部１１１によって、電荷蓄積期間を制御することにより、所望の大きさの信号振幅を得ることが可能となる。参照部用ラインセンサ１３についても、基準部用ラインセンサ１２と同様である。
【００４７】
（第６の実施形態）
図１３は、本発明の第６の実施形態による光電変換システムの構成例を示す図である。光電変換システムは、第１〜第５の実施形態の光電変換装置１０を測距装置１５１１として用いる。光電変換システムは、レンズ１５２の保護のためのバリア１５１、被写体の光学像を測距装置１５１１及び撮像装置１５４に結像させるレンズ１５２、レンズ１５２を通った光量を可変にするための絞り１５３を有する。さらに光電変換システムは、撮像装置１５４より出力される信号の処理を行う出力信号処理部１５５を有する。撮像装置１５４は、被写体を撮影した画像を生成するために、撮像動作により撮像信号を生成する。出力信号処理部１５５は、撮像装置１５４から出力される撮像信号を必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像を生成する。レンズ１５２、絞り１５３は、撮像装置１５４に光を集光する光学系である。また、光学系が集光した光は、測距装置１５１１にも与えられる。
【００４８】
光電変換システムはさらに、画像データを一時的に記憶するためのバッファメモリ部１５６、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部１５７を有する。さらに光電変換システムは、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１５９、記録媒体１５９に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部１５８を有する。さらに光電変換システムは、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部１５１０を有する。
【００４９】
そして、光電変換システムは測距装置１５１１を有する。測距装置１５１１は、全体制御・演算部１５１０から出力される信号に基づいて動作する。測距装置１５１１から、全体制御・演算部１５１０に測距データが出力される。全体制御・演算部１５１０は、測距装置１５１１から出力された測距データに基づいて合焦しているか否かを判定し、合焦していないと判定した場合には、レンズ１５２を駆動させる。そして、全体制御・演算部１５１０は、測距装置１５１１から再び出力された測距データに基づいて、合焦していると判定した場合には、撮像装置１５４に撮像動作を行わせる。
【００５０】
光電変換システムが有する測距装置１５１１は、第１〜第５の実施形態で述べた光電変換装置１０の形態とすることができる。これにより、光電変換システムの測距装置１５１１においても、第１〜第５の実施形態で述べた効果を得ることができる。
【００５１】
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】
【００５２】
２１１  光電変換部、２１２  転送トランジスタ、２１３  不純物拡散領域
【図１】
2015149672.tif 000003
【図２】
2015149672.tif 000004
【図３】
2015149672.tif 000005
【図４】
2015149672.tif 000006
【図５】
2015149672.tif 000007
【図６】
2015149672.tif 000008
【図７】
2015149672.tif 000009
【図８】
2015149672.tif 000010
【図９】
2015149672.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2015149672.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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