(57)【要約】【課題】焦点検出用の信号と画像データ用の信号との両方を生成可能な固体撮像装置の消費電力を低減するための技術を提供する。【解決手段】固体撮像装置は、第１光電変換素子及び第２光電変換素子をそれぞれが含む複数の画素と、第１光電変換素子で生成された電荷に応じた第１信号を生成するための処理と、第１光電変換素子で生成された電荷と第２光電変換素子で生成された電荷との合計に応じた第２信号を生成するための処理とを行う処理回路と、処理回路が第１信号を生成するための処理を行う場合に処理回路に第１駆動電流を供給し、処理回路が第２信号を生成するための処理を行う場合に処理回路に第１駆動電流よりも大きい第２駆動電流を供給する電流源とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光電変換素子及び第２光電変換素子をそれぞれが含む複数の画素と、
前記第１光電変換素子で生成された電荷に応じた第１信号を生成するための処理と、前記第１光電変換素子で生成された電荷と前記第２光電変換素子で生成された電荷との合計に応じた第２信号を生成するための処理とを行う処理回路と、
前記処理回路が前記第１信号を生成するための処理を行う場合に前記処理回路に第１駆動電流を供給し、前記処理回路が前記第２信号を生成するための処理を行う場合に前記処理回路に前記第１駆動電流よりも大きい第２駆動電流を供給する電流源とを備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１信号は焦点検出を行うために用いられ、前記第２信号は画像データを生成するために用いられることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記電流源は、並列に接続された定電流源とスイッチング電流源とを含み、
前記電流源が前記第１駆動電流を供給する場合に前記スイッチング電流源は電流の供給を停止し、前記電流源が前記第２駆動電流を供給する場合に前記スイッチング電流源は電流の供給を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記処理回路は、前記画素に含まれ、前記第１光電変換素子で生成された電荷及び前記第２光電変換素子で生成された電荷を増幅する増幅トランジスタを含み、
前記第１駆動電流及び前記第２駆動電流はそれぞれ、前記増幅トランジスタをソースフォロアとして動作させるための電流を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記処理回路は、複数の前記画素で共有され、前記画素からの信号を増幅する増幅回路を含み、
前記第１駆動電流及び前記第２駆動電流はそれぞれ、前記増幅回路を駆動するための電流を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記画素は、前記第１光電変換素子及び前記第２光電変換素子のそれぞれに接続されたフローティングディフュージョン領域を含み、
前記処理回路は、前記フローティングディフュージョン領域がリセット状態にある場合の電位に応じた第３信号を生成するための処理を更に行い、
前記電流源は、前記処理回路が前記第３信号を生成するための処理を行う場合に前記処理回路に第３駆動電流を供給し、
前記第３駆動電流は前記第１駆動電流よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第３駆動電流は前記第２駆動電流に等しいことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記処理回路は、前記フローティングディフュージョン領域に前記第１光電変換素子の電荷が転送された状態にある場合の電位に応じた信号と前記第３信号との差を前記第１信号として出力し、前記フローティングディフュージョン領域に前記第１光電変換素子及び前記第２光電変換素子の電荷が転送された状態にある場合の電位に応じた信号と前記第３信号との差分を前記第２信号として出力する出力回路を含み、
前記第１駆動電流及び前記第２駆動電流はそれぞれ、前記出力回路を駆動するための電流を含むことを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記処理回路は、前記第１信号及び前記第２信号をＡＤ変換するＡＤ変換器を含み、
前記第１駆動電流及び前記第２駆動電流はそれぞれ、前記ＡＤ変換器を駆動するための電流を含むことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置によって得られた信号を処理する信号処理部と、
を備えることを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に固体撮像装置及びカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、瞳分割方式の焦点検出を行うための固体撮像装置を提案する。この固体撮像装置の各画素は２つの光電変換素子を有しており、１つの光電変換素子で生成された電荷に基づいて焦点検出用の信号が生成され、両方の光電変換素子で生成された電荷に基づいて画像データ用の信号が生成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１９１４００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の固体撮像装置は焦点検出用の信号と画像データ用の信号との両方を生成するので、動作時間が長くなり、それゆえ消費電力も大きくなる。そこで、本発明は焦点検出用の信号と画像データ用の信号との両方を生成可能な固体撮像装置の消費電力を低減するための技術を提供することを１つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題に鑑みて、本発明の一部の実施形態では、第１光電変換素子及び第２光電変換素子をそれぞれが含む複数の画素と、前記第１光電変換素子で生成された電荷に応じた第１信号を生成するための処理と、前記第１光電変換素子で生成された電荷と前記第２光電変換素子で生成された電荷との合計に応じた第２信号を生成するための処理とを行う処理回路と、前記処理回路が前記第１信号を生成するための処理を行う場合に前記処理回路に第１駆動電流を供給し、前記処理回路が前記第２信号を生成するための処理を行う場合に前記処理回路に前記第１駆動電流よりも大きい第２駆動電流を供給する電流源とを備えることを特徴とする固体撮像装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
上記手段により、焦点検出用の信号と画像データ用の信号との両方を生成可能な固体撮像装置の消費電力を低減するための技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一部の実施形態の固体撮像装置の回路構成図。
【図２】図１の固体撮像装置の駆動タイミング図。
【図３】他の一部の実施形態の固体撮像装置の回路構成図。
【図４】図３の固体撮像装置の駆動タイミング図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。
【０００９】
図１を参照して一部の実施形態に係る固体撮像装置１００の回路構成の一例を説明する。固体撮像装置１００は、行列状に配置された複数の画素１０１を含む画素アレイと、列アンプ１１３と、メモリ部１１２と、垂直走査回路１４０と、水平走査回路１５０と、タイミング発生器（ＴＧ）１６０とを有する。画素１０１は固体撮像装置１００への入射光に応じた信号を生成する。図１では、複数の画素１０１のうちの１つに着目する。垂直走査回路１４０はＴＧ１６０からの制御信号に従って、画素１０１に制御信号を供給する。列アンプ１１３は画素１０１からの信号を増幅する。メモリ部１１２は列アンプ１１３からの信号を一時的に保持する。水平走査回路１５０はＴＧ１６０からの制御信号に従ってメモリ部１１２に制御信号を供給することによって、メモリ部１１２からの信号を出力アンプ１３３に転送する。ＴＧ１６０は、固体撮像装置１００の全体動作のタイミングを制御する。
【００１０】
画素１０１は、光電変換素子１０２ａ、１０２ｂと、転送トランジスタ１０３ａ、１０３ｂと、フローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）１０４と、増幅トランジスタ１０５と、リセットトランジスタ１０６と、選択トランジスタ１０７とを有する。光電変換素子１０２ａ、１０２ｂは、照射された光の光量に応じた信号電荷を生成する。光電変換素子１０２ａ、１０２ｂの上には、入射光を集光するマイクロレンズ１３６が形成されている。
【００１１】
光電変換素子１０２ａで生成された信号電荷は転送トランジスタ１０３ａによってＦＤ領域１０４に転送される。転送トランジスタ１０３ａのゲートには駆動線１０８ａを通じて垂直走査回路１４０から制御信号ＰＴＸＡが供給される。光電変換素子１０２ｂで生成された信号電荷は転送トランジスタ１０３ｂによってＦＤ領域１０４に転送される。転送トランジスタ１０３ｂのゲートには駆動線１０８ｂを通じて垂直走査回路１４０から制御信号ＰＴＸＢが供給される。
【００１２】
ＦＤ領域１０４において電荷信号が電圧信号に変換され、増幅トランジスタ１０５がこの電圧信号を増幅して出力する。リセットトランジスタ１０６はＦＤ領域１０４の電位をリセット電位Ｖｄにリセットする。リセットトランジスタ１０６のゲートには駆動線１０９を通じて垂直走査回路１４０から制御信号ＰＲＥＳが供給される。選択トランジスタ１０７は増幅トランジスタ１０５からの電圧信号を垂直出力線１１１に読み出す。選択トランジスタ１０７のゲートには駆動線１１０を通じて垂直走査回路１４０から制御信号ＰＳＥＬが供給される。駆動線１０８ａ、１０８ｂ、１０９、１１０はそれぞれ、行方向（図１では横方向）に並んだ複数の画素で共有される。垂直出力線１１１は列方向（図１の縦方向）に並んだ複数の画素で共有される。固体撮像装置１００は垂直出力線１１１ごとに列アンプ１１３を有する。図１では、複数の列アンプ１１３のうち、図１に示した画素１０１からの信号を処理する列アンプ１１３に着目する。転送トランジスタ１０３ａ、１０３ｂ、リセットトランジスタ１０６及び選択トランジスタ１０７のいずれも、制御信号がハイレベルである場合に導通状態となり、ローレベルである場合に非導通状態となるとする。
【００１３】
垂直出力線１１１には可変電流源１７０が接続されている。可変電流源１７０は、並列に接続された定電流源１７１とスイッチング電流源１７２とを含む。スイッチング電流源１７２の制御端子にはＴＧ１６０から制御信号ＰＩＡが供給される。定電流源１７１は常に（すなわち、制御信号ＰＩＡの値に係わらず）所定の電流を垂直出力線１１１に供給する。スイッチング電流源１７２は制御信号ＰＩＡによってオン・オフが制御される。制御信号ＰＩＡがハイレベルの場合にスイッチング電流源１７２はオンとなり、垂直出力線１１１に所定の電流を供給する。制御信号ＰＩＡがローレベルの場合にスイッチング電流源１７２はオフとなり、垂直出力線１１１への電流の供給を停止する。
【００１４】
垂直出力線１１１に読み出された信号は、列アンプ１１３で増幅される。列アンプ１１３は、クランプ容量１１４と、フィードバック容量１１５と、オペアンプ１１６と、スイッチ１１７と、基準電源１１８とを有する。オペアンプ１１６には可変電流源１７３が接続されており、可変電流源１７３からオペアンプ１１６の駆動電流が供給される。可変電流源１７３は、定電流源１７４とスイッチング電流源１７５とを含む。可変電流源１７３の構成は可変電流源１７０の構成と同様であるので、重複する説明を省略する。スイッチ１１７の制御端子にはＴＧ１６０から制御信号ＰＣ０Ｒが供給される。制御信号ＰＣ０Ｒがハイレベルである場合にスイッチ１１７は導通状態となり、列アンプ１１３はユニティゲインバッファとして動作する。基準電源１１８が供給する電圧を基準電圧ＶＣ０Ｒとすると、オペアンプ１１６の２つの入力端子および１つの出力端子の電位は何れも基準電圧ＶＣ０Ｒと等しい。制御信号ＰＣ０Ｒがローレベルである場合にスイッチ１１７は非導通状態となり、列アンプ１１３は反転アンプとして動作する。クランプ容量１１４をＣ０とし、フィードバック容量１１５をＣｆとすると、この反転アンプのゲインはＣ０／Ｃｆとなる。
【００１５】
列アンプ１１３で増幅された信号はメモリ部１１２に一時的に格納される。固体撮像装置１００は列アンプ１１３ごとにメモリ部１１２を有する。メモリ部１１２は４つの容量１２３〜１２６を有し、４つのアナログ信号を格納できる。容量１２３と列アンプ１１３との間にスイッチ１１９が配置される。スイッチ１１９の制御端子にはＴＧ１６０から制御信号ＰＴＮが供給される。容量１２３と出力アンプ１３３との間にスイッチ１２７が配置される。スイッチ１２７の制御端子には水平走査回路１５０から制御信号ＨＡが供給される。容量１２４と列アンプ１１３との間にスイッチ１２０が配置される。スイッチ１２０の制御端子にはＴＧ１６０から制御信号ＰＴＮが供給される。容量１２４と出力アンプ１３３との間にスイッチ１２８が配置される。スイッチ１２８の制御端子には水平走査回路１５０から制御信号ＨＡＢが供給される。容量１２５と列アンプ１１３との間にスイッチ１２１が配置される。スイッチ１２１の制御端子にはＴＧ１６０から制御信号ＰＴＳＡが供給される。容量１２５と出力アンプ１３３との間にスイッチ１２９が配置される。スイッチ１２９の制御端子には水平走査回路１５０から制御信号ＨＡが供給される。容量１２６と列アンプ１１３との間にスイッチ１２２が配置される。スイッチ１２２の制御端子にはＴＧ１６０から制御信号ＰＴＳＡＢが供給される。容量１２６と出力アンプ１３３との間にスイッチ１３０が配置される。スイッチ１３０の制御端子には水平走査回路１５０から制御信号ＨＡＢが供給される。スイッチ１１９〜１２２、１２７〜１３０の何れも、制御信号がハイレベルである場合に導通状態となり、ローレベルである場合に非導通状態となるとする。
【００１６】
容量１２３、１２４に保持された信号は、水平出力線１３１を通じて出力アンプ１３３に転送される。容量１２５、１２６に保持された信号は、水平出力線１３２を通じて出力アンプ１３３に転送される。出力アンプ１３３に転送された２つの信号の差分が出力アンプ１３３で増幅されて、固体撮像装置１００の外部に出力信号Ｖｏｕｔとして出力される。すなわち、出力アンプは出力回路として動作する。出力アンプ１３３には可変電流源１７６が接続されており、可変電流源１７６から出力アンプ１３３の駆動電流が供給される。可変電流源１７６は、定電流源１７７とスイッチング電流源１７８とを含む。可変電流源１７３は、スイッチング電流源１７８がＴＧ１６０から供給される制御信号ＰＩＢで制御される点を除いて可変電流源１７０と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００１７】
上述のように固体撮像装置１００の１つの画素１０１が２つの光電変換素子１０２ａ、１０２ｂを有しているので、固体撮像装置１００は焦点検出用の信号と画像データ用の信号との両方を生成可能である。これらの信号は瞳分割方式の焦点検出を行うために用いられうる。焦点検出用の信号は、例えば一方の光電変換素子１０２ａで生成された信号電荷に応じた信号である。画像データ用の信号は、例えば両方の光電変換素子１０２ａ、１０２ｂで生成された信号電荷の合計に応じた信号である。
【００１８】
以下の説明では、固体撮像装置１００は、焦点検出用の信号として、光電変換素子１０２ａで生成された信号電荷に応じた信号を生成する。この信号を総称してＡ信号と呼ぶ。また、固体撮像装置１００は、画像データ用の信号として、光電変換素子１０２ａで生成された信号電荷と光電変換素子１０２ｂで生成された信号電荷との合計に応じた信号を生成する。この信号を総称してＡＢ信号と呼ぶ。
【００１９】
後述するように、焦点検出用の信号は画像データ作成用の信号よりも値が小さく、また、精度も要求されない。そこで、固体撮像装置１００は、焦点検出用の信号（例えば、Ａ信号）を生成するための処理では、画像データ用の信号（例えば、ＡＢ信号）を生成するための処理よりも、可変電流源１７０、１７３、１７６から処理回路へ小さい値の駆動電流を供給する。ここで、上述の例では処理回路は増幅トランジスタ１０５、列アンプ１１３及び出力アンプ１３３を含む。以下、焦点検出用の信号を生成するための処理で供給される電流を小電流と呼び、画像データ用の信号を生成するための処理で供給される電流を大電流と呼ぶ。
【００２０】
続いて、図２の駆動タイミング図を参照して、図１の固体撮像装置１００の動作例を説明する。以下に示す動作によって、固体撮像装置１００の１行分の画素の信号が出力される。時刻Ｔ２０１において、転送トランジスタ１０３ａ、１０３ｂ、選択トランジスタ１０７は非導通状態であり、リセットトランジスタ１０６は導通状態である。従って、ＦＤ領域１０４はリセット電位Ｖｄにリセットされており、増幅トランジスタ１０５と垂直出力線１１１とは電気的に切り離されている。スイッチ１１７は導通状態であり、それゆえ列アンプ１１３はユニティゲインバッファとして動作している。スイッチ１１９〜１２２、１２７〜１３０のいずれも非導通状態である。可変電流源１７０、１７３、１７６は何れも小電流を供給する。
【００２１】
時刻Ｔ２０２において、ＴＧ１６０は、制御信号ＰＩＡと制御信号ＰＳＥＬとをハイレベルに切り替える。その結果として、選択トランジスタ１０７が導通状態に切り替わり、増幅トランジスタ１０５と垂直出力線１１１とが電気的に接続され、増幅トランジスタ１０５に可変電流源１７０から駆動電流が供給される。これにより、増幅トランジスタ１０５はソースフォロアとして動作し始める。また、可変電流源１７０、１７３は供給する駆動電流を大電流に切り替える。
【００２２】
時刻Ｔ２０３において、ＴＧ１６０は、制御信号ＰＲＥＳをローレベルに切り替える。この結果、リセットトランジスタ１０６が非導通状態となり、ＦＤ領域１０４がフローティング状態となる。
【００２３】
ＴＧ１６０は、制御信号ＰＴＮ、ＰＴＳＡ、ＰＴＳＡＢを時刻Ｔ２０３においてハイレベルに切り替え、時刻Ｔ２０４においてローレベルに戻す。この結果として、時刻Ｔ２０４〜Ｔ２０５の期間に、スイッチ１１９〜１２２が導通状態となり、列アンプの出力電圧が容量１２３〜１２６に保持される。すなわち、容量１２３〜１２６が基準電圧ＶＣ０Ｒにリセットされる。
【００２４】
時刻Ｔ２０６において、ＴＧ１６０は、制御信号ＰＣ０Ｒをローレベルに切り替える。この結果として、スイッチ１１７が非導通状態となり、列アンプ１１３が反転アンプとして動作し始める。
【００２５】
ＴＧ１６０は、制御信号ＰＴＮを時刻Ｔ２０７においてハイレベルに切り替え、時刻Ｔ２０８においてローレベルに戻す。この結果として、時刻Ｔ２０７〜Ｔ２０８の期間に、スイッチ１１９、１２０が導通状態となり、列アンプの出力電圧が容量１２３、１２５に保持される。この出力電圧は、画素１０１のＦＤ領域１０４がリセット状態にある場合に応じた信号（以下、Ｎ信号）を表す。
【００２６】
ＴＧ１６０は、垂直走査回路１４０を制御することによって、制御信号ＰＴＸＡを時刻Ｔ２０９においてハイレベルに切り替え、時刻Ｔ２１０においてローレベルに戻す。この結果として、時刻Ｔ２０９〜Ｔ２１０の期間に、転送トランジスタ１０３ａが導通状態となり、光電変換素子１０２ａに蓄積された信号電荷がＦＤ領域１０４に転送される。この信号電荷の影響によるＦＤ領域１０４の電位変化が増幅トランジスタ１０５で増幅されて垂直出力線１１１に出力される。画素１０１から出力された信号は、列アンプ１１３でＣ０／Ｃｆのゲインがかけられる。列アンプ１１３からの出力電圧は、光電変換素子１０２ａで生成された電荷に応じた信号（上述のＡ信号）と、ＦＤ領域１０４のリセット状態での信号（上述のＮ信号）との合計（以下、ＡＮ信号）に対応する。
【００２７】
ＴＧ１６０は、制御信号ＰＴＳＡを時刻Ｔ２１１においてハイレベルに切り替え、時刻Ｔ２１２においてローレベルに戻す。この結果として、時刻Ｔ２１１〜Ｔ２１２の期間に、スイッチ１２１が導通状態となり、列アンプ１１３からの出力電圧が容量１２５に保持される。すなわち、容量１２５に上述のＡＮ信号が保持される。また、ＴＧ１６０は、制御信号ＰＩＡを時刻Ｔ２１１においてローレベルに切り替え、時刻Ｔ２１２においてハイレベルに戻す。この結果として、時刻Ｔ２１１〜Ｔ２１２の期間に、可変電流源１７０、１７３から小電流が供給される。図２の例ではＴＧ１６０は制御信号ＰＴＳＡを時刻Ｔ２１１においてハイレベルに切り替えたが、時刻Ｔ２０８と時刻Ｔ２０９との間にハイレベルに切り替え、時刻Ｔ２１２まで維持してもよい。
【００２８】
ＴＧ１６０は、垂直走査回路１４０を制御することによって、制御信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢを時刻Ｔ２１３においてハイレベルに切り替え、時刻Ｔ２１４においてローレベルに戻す。この結果として、時刻Ｔ２１３〜Ｔ２１４の期間に、転送トランジスタ１０３ａ、１０３ｂが導通状態となり、光電変換素子１０２ａ、１０２ｂに蓄積された信号電荷がＦＤ領域１０４に転送され加算される。この信号電荷の影響によるＦＤ領域１０４の電位変化が増幅トランジスタ１０５で増幅されて垂直出力線１１１に出力される。画素１０１から出力された信号は、列アンプ１１３でＣ０／Ｃｆのゲインがかけられる。列アンプ１１３からの出力電圧は、光電変換素子１０２ａで生成された電荷に応じた信号（上述のＡ信号）と、光電変換素子１０２ｂで生成された電荷に応じた信号（以下、Ｂ信号）と、上述のＮ信号との合計（以下、ＡＢＮ信号）に対応する。
【００２９】
ＴＧ１６０は、制御信号ＰＴＳＡＢを時刻Ｔ２１５においてハイレベルに切り替え、時刻Ｔ２１６においてローレベルに戻す。この結果として、時刻Ｔ２１５〜Ｔ２１６の期間に、スイッチ１２２が導通状態となり、列アンプ１１３からの出力電圧が容量１２６に保持される。すなわち、容量１２６に上述のＡＢＮ信号が保持される。図２の例ではＴＧ１６０は制御信号ＰＴＳＡＢを時刻Ｔ２１５においてハイレベルに切り替えたが、時刻Ｔ２１２と時刻Ｔ２１３との間にハイレベルに切り替え、時刻Ｔ２１６まで維持してもよい。
【００３０】
ＴＧ１６０は、垂直走査回路１４０を制御することによって、制御信号ＰＲＥＳを時刻Ｔ２１７においてハイレベルに切り替える。この結果として、リセットトランジスタ１０６が導通状態となり、ＦＤ領域１０４がリセットされる。また、ＴＧ１６０は、制御信号ＰＣ０Ｒを時刻Ｔ２１７においてハイレベルに切り替える。この結果として、スイッチ１１７が導通状態となり、列アンプ１１３がユニティゲインバッファとして動作し始める。
【００３１】
ＴＧ１６０は、垂直走査回路１４０を制御することによって、制御信号ＰＳＥＬを時刻Ｔ２１８においてローレベルに切り替える。この結果として、選択トランジスタ１０７が非導通状態となり、行選択が解除される。
【００３２】
時刻Ｔ２１９になると、ＴＧ１６０は、水平走査回路１５０を制御することによって、信号線１３５を通じて供給される制御信号ＨＡをハイレベルに切り替え、その後ローレベルに戻す。この結果として、スイッチ１２７、１２９が導通状態となり、容量１２３に保持されているＮ信号が水平出力線１３１に転送されると共に、容量１２５に保持されているＡＮ信号が水平出力線１３２に転送される。水平出力線１３１、１３２に転送された信号は出力アンプ１３３で差分（ＡＮ信号‐Ｎ信号）がとられ、Ａ信号が出力信号Ｖｏｕｔとして出力アンプ１３３から出力される。ＴＧ１６０はこの動作を画素列ごとに順次繰り返すことによって、１行分の画素のＡ信号が出力される。
【００３３】
時刻Ｔ２２０になると、ＴＧ１６０は、水平走査回路１５０を制御することによって、信号線１３４を通じて供給される制御信号ＨＡＢをハイレベルに切り替え、その後ローレベルに戻す。この結果として、スイッチ１２８、１３０が導通状態となり、容量１２４に保持されているＮ信号が水平出力線１３１に転送されると共に、容量１２６に保持されているＡＢＮ信号が水平出力線１３２に転送される。水平出力線１３１、１３２に転送された信号は出力アンプ１３３で差分（ＡＢＮ信号‐Ｎ信号）がとられ、ＡＢ信号が出力信号Ｖｏｕｔとして出力アンプ１３３から出力される。ＴＧ１６０はこの動作を画素列ごとに順次繰り返すことによって、１行分の画素のＡＢ信号が出力される。
【００３４】
外部の装置（例えば、固体撮像装置１００を搭載するカメラの信号処理部）は、固体撮像装置１００から出力されたＡＢ信号とＡ信号とを用いて焦点検出を行うことができる。例えば、信号処理部は、ＡＢ信号からＡＦ信号を減算することによってＢ信号を算出する。信号処理部は、このＡ信号とＢ信号とを比較することによって、焦点検出を行う。
【００３５】
時刻Ｔ２０２から時刻Ｔ２０８までの期間に、Ｎ信号を読み出して容量１２３、１２４に保持する処理が行われる。Ｎ信号はＡＢ信号（画像データ用の信号）の算出のために用いられるので、高精度で求める必要がある。そこで、可変電流源１７０、１７３は大電流を供給する。時刻Ｔ２１１から時刻Ｔ２１３までの期間に、ＡＮ信号を読み出して容量１２５に保持する処理が行われる。ＡＮ信号は焦点検出用の信号を生成するために用いられるが、画像データ用の信号を生成するためには用いられないので、高精度で求める必要はない。そこで、可変電流源１７０、１７３は小電流を供給する。時刻Ｔ２１３から時刻Ｔ２１７までの期間に、ＡＢＮ信号を読み出して容量１２６に保持する処理が行われる。ＡＢＮ信号はＡＢ信号（画像データ用の信号）の算出のために用いられるので、高精度で求める必要がある。そこで、可変電流源１７０、１７３は大電流を供給する。時刻Ｔ２１９から時刻Ｔ２２０までの期間に、出力アンプ１３３からＡ信号が出力される。Ａ信号は高精度で出力する必要がないので、可変電流源１７６は小電流を供給する。時刻Ｔ２２０以降の期間に、出力アンプ１３３からＡＢ信号が出力される。ＡＢ信号は高精度で出力する必要があるので、可変電流源１７６は大電流を供給する。
【００３６】
焦点検出用の信号を生成するための処理において可変電流源１７０、１７３、１７６が小電流を供給してもよい理由を以下に説明する。列アンプ１１３の出力電圧が収束するまでに要する時間を列アンプ１１３のセトリング時間という。信号の書き込みを終了する時刻Ｔ２０８、Ｔ２１２、Ｔ２１６において、列アンプ１１３の出力電圧が収束している必要がある。列アンプ１１３に小さな値の信号が入力された場合に、出力電圧の変化ΔＶｏは、入力電圧の変化ΔＶｉに比例し、
ΔＶｏ＝（−ΔＶｉ）・Ｃ０／Ｃｆ・（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ））      （式１）
と表すことができる。ここで、τはオペアンプ１１６を構成するトランジスタ特性と、オペアンプ１１６に流す電流と、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る。列アンプ１１３は反転アンプであり、ΔＶｉ＜０とする。
【００３７】
列アンプ１１３に大きな値の信号が入力された場合に、出力電圧は入力電圧によらずオペアンプ１１６のスルーレートで上昇し、出力電圧の変化ΔＶｏは、
ΔＶｏ＝Ｉｓｓ／Ｃｏ・ｔ      （式２）
と表すことができる。ここで、Ｉｓｓはオペアンプ１１６の電流であり、Ｃｏはオペアンプ１１６の出力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、オペアンプ１１６の２つの入力端子の電圧差が小さくなると、出力電圧は（式１）に従って変化するようになる。このことから、同じセトリング時間であれば、（式２）に従う場合に、出力電圧をΔＶだけ小さくすることによって、オペアンプ電流を、
Ｉｓｓ＝ΔＶ・Ｃｏ／ｔ
だけ小さくできる。また、（式１）に従う場合に、列アンプ出力が、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／ΔＶｏ（ｔ→∞））
となる。ΔＶｏ（ｔ→∞）はΔＶｏが収束する電圧である。出力電圧が小さいほど列アンプ１１３のセトリング時間が短くなる。
【００３８】
本実施形態では、画素１０１からＡＮ信号を読み出し、その後にＡＢＮ信号を読み出す。ＡＢＮ信号はＡＮ信号よりも大きいので、列アンプ１１３の出力振幅は２回目の信号読み出しの方が大きくなる。光電変換素子１０２ａと光電変換素子１０２ｂとに蓄積できる信号量が同じであれば、Ａ信号はＡＢ信号のおよそ半分の出力振幅となる。したがって、上述した説明により、ＡＮ信号を読み出すために列アンプ１１３に供給する駆動電流は、ＡＢＮ信号を読み出すための駆動電流のおよそ半分にできる。
【００３９】
画像データ用の信号はノイズの少ない高画質が要求され、高いＳ／Ｎが要求される。しかし、焦点検出用の信号であるＡ信号には焦点検出ができる精度があればよい。一般的に、列アンプ１１３の駆動電流が小さいほど、開ループゲインの低下によるアンプ出力電圧精度の低下や、過渡応答特性の劣化が生じる。例えば、出力が大きい列アンプ１１３における接地電位の変動に起因してスミア（撮像素子の飽和振幅以上の出力を要する明るい被写体を撮影した際にその周囲の出力が帯状に変動する現象）が発生する場合を考える。この場合、バイアス電流が小さいと、所定の読出し時間の間に電源変動を十分に抑制することが困難である。このため、画像データ用の信号を生成する処理において、列アンプ１１３の駆動電流（バイアス電流）を大きくする。一方、焦点検出用の信号を生成するための処理において、光電変換素子が飽和すると、焦点検出用の信号のＡ信号とＢ信号の信号量が同じとなり、焦点検出ができない。言い換えると、瞳分割方式による焦点検出を行う場合は、飽和後の焦点検出信号は使用することができない。焦点検出が可能な範囲でスミアが発生する程度まで列アンプ１１３へのバイアス電流を小さくすることができる。
【００４０】
以上のように、本実施形態の固体撮像装置１００は、焦点検出用の信号を生成するための処理において可変電流源１７０、１７３、１７６が供給する電流量を低減するので、それに応じて消費電力が低減する。上述の固体撮像装置１００では画素１０１が選択トランジスタ１０７を含む。固体撮像装置１００の変形例では、画素１０１は選択トランジスタ１０７を含まず、リセットトランジスタ１０６の動作によって入力ノードの電位を切り替えることによって選択、非選択を切り替えてもよい。また、列アンプ１１３がオペアンプ１１６を有する代わりにソース接地増幅回路を有してもよい。また、列アンプ１１３がゲイン段を複数設けたり、ゲイン段とバッファ段との組み合わせを設けたりしてもよい。さらに、画素１０１が３つ以上の光電変換素子を有してもよい。一般に、画素１０１の有する複数の光電変換素子のうちの第１グループを用いて焦点検出用の信号を生成し、複数の光電変換素子のうちの第２グループを用いて画像データ用の信号を生成できれば固体撮像装置１００はどのような構成であってもよい。
【００４１】
図３を参照して一部の実施形態に係る固体撮像装置３００の回路構成の一例を説明する。固体撮像装置３００は、列アンプ１１３よりも後の構成が固体撮像装置１００とは異なる。固体撮像装置３００は、１つの列アンプ１１３に対応して、ＡＤ変換器３０１とメモリ部３０５とを有する。ＡＤ変換器３０１は、列アンプ１１３からのアナログ信号をデジタル信号に変換してメモリ部３０５に保持する。メモリ部３０５は複数のデジタル信号を保持できる。
【００４２】
ＡＤ変換器３０１は、カウンタ３０２と、ランプ発生器３０３と、比較器３０４とを有する。ランプ発生器３０３は、ＴＧ１６０から供給される制御信号ＰＲＭがハイレベルである間にランプ信号を比較器３０４の第１入力端子に供給する。比較器３０４は、列アンプ１１３からの信号と、ランプ発生器３０３からのランプ信号とを比較して、大小関係が反転した時点でカウンタ３０２に信号を供給する。カウンタ３０２は、比較器３０４からの信号を受信した時点のカウント値をメモリ部３０５に保持する。比較器３０４には可変電流源３０６が接続されており、可変電流源３０６から比較器３０４の駆動電流が供給される。可変電流源３０６は、定電流源３０７とスイッチング電流源３０８とを含む。可変電流源３０６の構成は可変電流源１７０の構成と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００４３】
続いて、図４の駆動タイミング図を参照して、図３の固体撮像装置３００の動作例を説明する。以下に示す動作によって、固体撮像装置３００の１行分の画素の信号が出力される。画素１０１及び列アンプ１１３の動作は図２の駆動タイミング図で説明した動作と同様であるので、重複する説明を省略する。時刻Ｔ２０６から時刻Ｔ４０１までの期間に、ＴＧ１６０は制御信号ＰＲＭをハイレベルに維持する。この期間に、ＡＤ変換器３０１は、列アンプ１１３から出力されているＮ信号をＡＤ変換して、メモリ部３０５に格納する。上述のように、Ｎ信号は画像データ用の信号を生成するために用いられる。そこで、可変電流源３０６は大電流を比較器３０４に供給して、ＡＤ変換器３０１が高い精度でＡＤ変換が行えるようにする。
【００４４】
時刻Ｔ２１１から時刻Ｔ４０２までの期間に、ＴＧ１６０は制御信号ＰＲＭをハイレベルに維持する。この期間に、ＡＤ変換器３０１は、列アンプ１１３から出力されているＡＮ信号をＡＤ変換して、メモリ部３０５に格納する。上述のように、ＡＮ信号は焦点検出用の信号を生成するためだけに用いられる。そこで、可変電流源３０６は小電流を比較器３０４に供給して、ＡＤ変換器３０１のＡＤ変換の精度を低く抑えて、消費電力を抑制する。
【００４５】
時刻Ｔ２１５から時刻Ｔ４０３までの期間に、ＴＧ１６０は制御信号ＰＲＭをハイレベルに維持する。この期間に、ＡＤ変換器３０１は、列アンプ１１３から出力されているＡＢＮ信号をＡＤ変換して、メモリ部３０５に格納する。上述のように、ＡＢＮ信号は画像データ用の信号を生成するために用いられる。そこで、可変電流源３０６は大電流を比較器３０４に供給して、ＡＤ変換器３０１が高い精度でＡＤ変換が行えるようにする。
【００４６】
時刻Ｔ２１９になると、ＴＧ１６０は、水平走査回路１５０を制御することによって、信号線１３５を通じて供給される制御信号ＨＡをハイレベルに切り替え、その後ローレベルに戻す。この結果として、メモリ部３０５は、保持しているＮ信号を水平出力線１３１に転送すると共に、保持されているＡＮ信号を水平出力線１３２に転送する。水平出力線１３１、１３２に転送された信号は差分回路３０９で差分（ＡＮ信号‐Ｎ信号）がとられ、デジタル信号のＡ信号が出力信号Ｖｏｕｔとして差分回路３０９から出力される。すなわち、差分回路は出力回路として動作する。ＴＧ１６０はこの動作を画素列ごとに順次繰り返すことによって、１行分の画素のＡ信号が出力される。
【００４７】
時刻Ｔ２２０になると、ＴＧ１６０は、水平走査回路１５０を制御することによって、信号線１３４を通じて供給される制御信号ＨＡＢをハイレベルに切り替え、その後ローレベルに戻す。この結果として、メモリ部３０５は、保持しているＮ信号を水平出力線１３１に転送すると共に、保持されているＡＢＮ信号を水平出力線１３２に転送する。水平出力線１３１、１３２に転送された信号は差分回路３０９で差分（ＡＢＮ信号‐Ｎ信号）がとられ、デジタル信号のＡＢ信号が出力信号Ｖｏｕｔとして差分回路３０９から出力される。ＴＧ１６０はこの動作を画素列ごとに順次繰り返すことによって、１行分の画素のＡＢ信号が出力される。
【００４８】
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、この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有する装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末等）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、この固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部とを含む。この信号処理部は、例えば、ＡＤ変換器と、このＡＤ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とを含みうる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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