(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する光のうち瞳分割された一部の光が入射する第１の光電変換部と、瞳分割された他の一部の光が入射する第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部から転送される電荷を保持する第１の保持部と、前記第１の保持部が保持する電荷の量に基づく信号を出力する増幅部と、をそれぞれが含む複数の画素を有し、
前記複数の画素のそれぞれは、第１の露光時間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第１の信号と、前記第１の露光時間の間に前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第２の信号と、前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第３の信号と、前記第２の露光時間の間に前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第４の信号と、を出力するように構成されており、
一のフレーム期間において、前記第１の信号及び前記第２の信号は、前記第３の信号及び前記第４の信号よりも前に出力し、他の一のフレーム期間において、前記第１の信号及び前記第２の信号は、前記第３の信号及び前記第４の信号よりも後に出力するように構成されている
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記第１の信号が出力されるタイミングと前記第３の信号が出力されるタイミングとの間の間隔が、フレーム間で異なっている
ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第３の信号及び前記第４の信号が前記第１の信号及び前記第２の信号よりも先に出力されるフレームにおいて、前記第３の信号が出力されるタイミングと前記第１の信号が出力されるタイミングとの間の間隔が、１フレーム期間の半分の時間よりも長い
ことを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
【請求項４】
前記複数の画素のそれぞれは、
前記第１の光電変換部と前記第１の保持部との間に設けられ、前記第１の光電変換部から転送される電荷を保持する第２の保持部と、
前記第２の光電変換部と前記第１の保持部との間に設けられ、前記第２の光電変換部から転送される電荷を保持する第３の保持部と、を更に有し、
前記第１の光電変換部から前記第２の保持部への電荷の転送と、前記第２の光電変換部から前記第３の保持部への電荷の転送とは、前記複数の画素において同時に実行される
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第１の信号及び前記第２の信号と、前記第３の信号及び前記第４の信号とのうち、前記第１の信号及び前記第２の信号が先に出力されるフレームでは、前記第３の信号は出力せず、前記第４の信号のみを出力する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第１の信号及び前記第２の信号と、前記第３の信号及び前記第４の信号とのうち、前記第３の信号及び前記第４の信号が先に出力されるフレームでは、前記第１の信号は出力せず、前記第２の信号のみを出力する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第１の信号及び前記第２の信号と、前記第３の信号及び前記第４の信号とを出力する順番は、前のフレームの信号に基づいて決定される
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
入射する光のうち瞳分割された一部の光が入射する第１の光電変換部と、瞳分割された他の一部の光が入射する第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部から転送される電荷を保持する第１の保持部及び第２の保持部と、前記第２の光電変換部から転送される電荷を保持する第３の保持部及び第４の保持部と、前記第１の保持部及び前記第３の保持部から転送される電荷を保持する第５の保持部と、前記第２の保持部及び前記第４の保持部から転送される電荷を保持する第６の保持部と、前記第５の保持部が保持する電荷の量に基づく信号を出力する第１の増幅部と、前記第６の保持部が保持する電荷の量に基づく信号を出力する第２の増幅部と、をそれぞれが含む複数の画素を有し、
前記第１の保持部は、第１の露光期間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷を保持するように構成され、前記第２の保持部は、前記第１の露光期間よりも短い第２の露光期間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷を保持するように構成され、前記第３の保持部は、前記第１の露光期間の間に前記第２の光電変換部で生成された電荷を保持するように構成され、前記第４の保持部は、前記第２の露光期間の間に前記第２の光電変換部で生成された電荷を保持するように構成されており、
前記複数の画素のそれぞれは、前記第１の露光期間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第１の信号と、前記第１の露光期間の間に前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第２の信号と、前記第２の露光期間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第３の信号と、前記第２の露光期間の間に前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第４の信号と、を出力するように構成されている
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
前記第１の信号及び前記第３の信号と、前記第２の信号及び前記第４の信号とが、それぞれ同時に出力される
ことを特徴とする請求項８記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第１の光電変換部に接続された第１の電荷排出トランジスタと、
前記第２の光電変換部に接続された第２の電荷排出トランジスタと
を更に有することを特徴とする請求項８又は９記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記第１の露光期間の時間的な重心の位置と、前記第２の露光期間の時間的な重心の位置とが一致している
ことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記第１の信号及び前記第２の信号と、前記第３の信号及び前記第４の信号とのうち、各フレームにおいて先に出力されるものは、焦点検出に用いられ、
前記第２の信号と前記第３の信号とは、高ダイナミックレンジ画像の合成に用いられる
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記複数の画素は、複数の行を形成するように配置されており、
前記複数の行は、前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号及び前記第４の信号を出力する前記画素を含む複数の第１の行と、前記第２の信号及び前記第４の信号のみを出力する前記画素を含む複数の第２の行とを含み、
前記複数の第２の行の前記画素よりも先に、前記複数の第１の行の前記画素の読み出しが実行される
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記複数の画素から前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号及び前記第４の信号を出力するための制御信号を供給する制御信号供給部を更に有する
ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部と
を有することを特徴とする撮像システム。
【請求項１６】
入射する光のうち瞳分割された一部の光が入射する第１の光電変換部と、瞳分割された他の一部の光が入射する第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部から転送される電荷を保持する第１の保持部と、前記第１の保持部が保持する電荷の量に基づく信号を出力する増幅部と、をそれぞれが含む複数の画素を有する撮像装置の駆動方法であって、
第１の露光時間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第１の信号を出力するステップと、
前記第１の露光時間の間に前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第２の信号を出力するステップと、
前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第３の信号を出力するステップと、
前記第２の露光時間の間に前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第４の信号を出力するステップとを有し、
一のフレーム期間において、前記第１の信号及び前記第２の信号は、前記第３の信号及び前記第４の信号よりも前に出力し、他の一のフレーム期間において、前記第１の信号及び前記第２の信号は、前記第３の信号及び前記第４の信号よりも後に出力する
ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置及び撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像装置において、撮像条件の異なる２つの画像信号を合成することにより、高ダイナミックレンジの画像信号を生成する技術が提案されている。特許文献１には、感度差を有する複数の画素を設け、これら複数の画素の画素信号を用いて、高ダイナミックレンジな画像を生成するとともに、位相差情報を生成する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２０１８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されている方法は、高ダイナミックレンジな画像の生成と位相差情報の生成とを両立するものではあるが、必ずしも十分なオートフォーカス機能を実現できるものではなかった。
【０００５】
本発明の目的は、高性能なオートフォーカスを行いながら、広いダイナミックレンジの動画像を取得しうる撮像装置及び撮像システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によれば、入射する光のうち瞳分割された一部の光が入射する第１の光電変換部と、瞳分割された他の一部の光が入射する第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部から転送される電荷を保持する第１の保持部と、前記第１の保持部が保持する電荷の量に基づく信号を出力する増幅部と、をそれぞれが含む複数の画素を有し、前記複数の画素のそれぞれは、第１の露光時間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第１の信号と、前記第１の露光時間の間に前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第２の信号と、前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第３の信号と、前記第２の露光時間の間に前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第４の信号と、を出力するように構成されており、一のフレーム期間において、前記第１の信号及び前記第２の信号は、前記第３の信号及び前記第４の信号よりも前に出力し、他の一のフレーム期間において、前記第１の信号及び前記第２の信号は、前記第３の信号及び前記第４の信号よりも後に出力するように構成されている撮像装置が提供される。
【０００７】
また、本発明の他の一観点によれば、入射する光のうち瞳分割された一部の光が入射する第１の光電変換部と、瞳分割された他の一部の光が入射する第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部から転送される電荷を保持する第１の保持部及び第２の保持部と、前記第２の光電変換部から転送される電荷を保持する第３の保持部及び第４の保持部と、前記第１の保持部及び前記第３の保持部から転送される電荷を保持する第５の保持部と、前記第２の保持部及び前記第４の保持部から転送される電荷を保持する第６の保持部と、前記第５の保持部が保持する電荷の量に基づく信号を出力する第１の増幅部と、前記第６の保持部が保持する電荷の量に基づく信号を出力する第２の増幅部と、をそれぞれが含む複数の画素を有し、前記第１の保持部は、第１の露光期間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷を保持するように構成され、前記第２の保持部は、前記第１の露光期間よりも短い第２の露光期間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷を保持するように構成され、前記第３の保持部は、前記第１の露光期間の間に前記第２の光電変換部で生成された電荷を保持するように構成され、前記第４の保持部は、前記第２の露光期間の間に前記第２の光電変換部で生成された電荷を保持するように構成されており、前記複数の画素のそれぞれは、前記第１の露光期間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第１の信号と、前記第１の露光期間の間に前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第２の信号と、前記第２の露光期間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第３の信号と、前記第２の露光期間の間に前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第４の信号と、を出力するように構成されている撮像装置が提供される。
【０００８】
また、本発明の更に他の一観点によれば、入射する光のうち瞳分割された一部の光が入射する第１の光電変換部と、瞳分割された他の一部の光が入射する第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部から転送される電荷を保持する第１の保持部と、前記第１の保持部が保持する電荷の量に基づく信号を出力する増幅部と、をそれぞれが含む複数の画素を有する撮像装置の駆動方法であって、第１の露光時間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第１の信号を出力するステップと、前記第１の露光時間の間に前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第２の信号を出力するステップと、前記第１の露光時間よりも短い第２の露光時間の間に前記第１の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第３の信号を出力するステップと、前記第２の露光時間の間に前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第４の信号を出力するステップとを有し、一のフレーム期間において、前記第１の信号及び前記第２の信号は、前記第３の信号及び前記第４の信号よりも前に出力し、他の一のフレーム期間において、前記第１の信号及び前記第２の信号は、前記第３の信号及び前記第４の信号よりも後に出力する撮像装置の駆動方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、撮像面位相差オートフォーカス機能を備えた撮像装置において、高性能なオートフォーカスを行いながら、広いダイナミックレンジの動画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態による撮像装置の画素アレイ部の平面レイアウトの一例を示す概略図である。
【図４】本発明の第１実施形態による撮像装置の画素構造の一例を示す断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による撮像装置の駆動方法を示す模式図である。
【図６】本発明の第１実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャート（その１）である。
【図７】本発明の第１実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャート（その２）である。
【図８】本発明の第２実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態による撮像装置の画素アレイ部の平面レイアウトの一例を示す概略図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による撮像装置の画素構造の一例を示す断面図である。
【図１１】本発明の第２実施形態による撮像装置の駆動方法を示す模式図である。
【図１２】本発明の第２実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図１３】本発明の第３実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す図である。
【図１４】本発明の第３実施形態による撮像装置の画素アレイ部の平面レイアウトの一例を示す概略図である。
【図１５】本発明の第３実施形態による撮像装置の駆動方法を示す模式図である。
【図１６】本発明の第３実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図１７】本発明の第４実施形態による撮像装置の駆動方法を示す模式図である。
【図１８】本発明の第４実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャート（その１）である。
【図１９】本発明の第４実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャート（その２）である。
【図２０】本発明の第５実施形態による撮像装置における画素の配置例を示す図である。
【図２１】本発明の第５実施形態による撮像装置の駆動方法を示す模式図である。
【図２２】本発明の第５実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図２３】本発明の第６実施形態による撮像システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。もちろん、本発明に係る実施形態は、以下に説明される実施形態のみに限定されるものではない。例えば、以下のいずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
【００１２】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による撮像装置及びその駆動方法について、図１乃至図７を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す図である。図３は、本実施形態による撮像装置の画素アレイ部の平面レイアウトの一例を示す概略図である。図４は、本実施形態による撮像装置の画素構造の一例を示す断面図である。図５は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示す模式図である。図６及び図７は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【００１４】
はじめに、本実施形態による撮像装置の構成について、ＣＭＯＳイメージセンサを例に挙げ、図１乃至図４を用いて説明する。
【００１５】
本実施形態による撮像装置１００は、図１に示すように、画素アレイ部１０と、垂直走査回路２０と、読み出し回路３０と、水平走査回路４０と、出力回路５０と、制御回路６０とを有している。
【００１６】
画素アレイ部１０には、複数行及び複数列に渡って配された複数の画素１２が設けられている。それぞれの画素１２は、入射光をその光量に応じた電荷に変換する光電変換素子を含む。
【００１７】
垂直走査回路２０は、それぞれの画素１２から信号を読み出す際に画素１２内の読み出し回路３０を駆動するための制御信号を、画素アレイの行毎に設けられた制御信号線１４を介して画素１２に供給する回路部である。なお、本明細書において、垂直走査回路２０は、制御信号供給部と表記することもある。画素１２から読み出された信号は、画素アレイの列毎に設けられた出力線１６を介して読み出し回路３０に入力される。
【００１８】
読み出し回路３０は、画素１２から読み出された信号に対して所定の処理、例えば、増幅処理や加算処理等の信号処理を実施する回路部である。読み出し回路３０は、例えば、列アンプ、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、加算回路等を含み得る。読み出し回路３０は、必要に応じてＡ／Ｄ変換回路等を更に含んでもよい。
【００１９】
水平走査回路４０は、読み出し回路３０において処理された信号を列毎に順次、出力回路５０に転送するための制御信号を、読み出し回路３０に供給する回路部である。出力回路５０は、バッファアンプや差動増幅器などから構成され、水平走査回路４０によって選択された列の信号を増幅して出力するための回路部である。
【００２０】
制御回路６０は、垂直走査回路２０、読み出し回路３０及び水平走査回路４０に、それらの動作やタイミングを制御する制御信号を供給するための回路部である。垂直走査回路２０、読み出し回路３０及び水平走査回路４０に供給する制御信号の一部又は総ては、撮像装置１００の外部から供給してもよい。
【００２１】
図２は、画素アレイ部１０を構成する画素回路の一例を示す回路図である。図２には、画素アレイ部１０を構成する複数の画素１２のうち、２行×２列に配列された４個の画素１２を示しているが、一般的には更に多くの画素１２を有している。
【００２２】
複数の画素１２の各々は、光電変換部Ｄ１，Ｄ２と、転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２と、リセットトランジスタＭ３と、増幅トランジスタＭ４と、選択トランジスタＭ５とを含む。光電変換部Ｄ１，Ｄ２は、例えばフォトダイオードである。光電変換部Ｄ１のフォトダイオードは、アノードが接地電圧線に接続され、カソードが転送トランジスタＭ１１のソースに接続されている。光電変換部Ｄ２のフォトダイオードは、アノードが接地電圧線に接続され、カソードが転送トランジスタＭ１２のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２のドレインは、リセットトランジスタＭ３のソース及び増幅トランジスタＭ４のゲートに接続されている。転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２のドレイン、リセットトランジスタＭ３のソース及び増幅トランジスタＭ４のゲートの接続ノードは、いわゆる浮遊拡散（フローティングディフュージョン：ＦＤ）領域である。ＦＤ領域に寄生する容量（浮遊拡散容量）は、電荷の保持部としての機能を備える。図２には、この容量を、ＦＤ領域に接続された容量素子（Ｃ１）で表している。以後の説明では、ＦＤ領域を、保持部Ｃ１と表記することもある。リセットトランジスタＭ３のドレイン及び増幅トランジスタＭ４のドレインは、電源電圧線（ＶＤＤ）に接続されている。増幅トランジスタＭ４のソースは、選択トランジスタＭ５のドレインに接続されている。選択トランジスタＭ５のソースは、出力線１６に接続されている。
【００２３】
画素アレイ部１０の画素アレイの各行には、行方向（図２において横方向）に延在して、制御信号線１４が配されている。各行の制御信号線１４は、制御線Ｔｘ１＿Ａ、制御線Ｔｘ１＿Ｂ、制御線ＲＥＳ、制御線ＳＥＬを含む。制御線Ｔｘ１＿Ａは、行方向に並ぶ画素１２の転送トランジスタＭ１１のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線Ｔｘ１＿Ｂは、行方向に並ぶ画素１２の転送トランジスタＭ１２のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線ＲＥＳは、行方向に並ぶ画素１２のリセットトランジスタＭ３のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線ＳＥＬは、行方向に並ぶ画素１２の選択トランジスタＭ５のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。なお、図２には、各制御線の名称に、対応する行番号をそれぞれ付記している（例えば、Ｔｘ１＿Ａ（ｍ），Ｔｘ１＿Ａ（ｍ＋１））。
【００２４】
制御線Ｔｘ１＿Ａ、制御線Ｔｘ１＿Ｂ、制御線ＲＥＳ、制御線ＳＥＬは、垂直走査回路２０に接続されている。制御線Ｔｘ１＿Ａには、垂直走査回路２０から、転送トランジスタＭ１１を制御するための駆動パルスである制御信号ＰＴｘ１＿Ａが出力される。制御線Ｔｘ１＿Ｂには、垂直走査回路２０から、転送トランジスタＭ１２を制御するための駆動パルスである制御信号ＰＴｘ１＿Ｂが出力される。制御線ＲＥＳには、垂直走査回路２０から、リセットトランジスタＭ３を制御するための駆動パルスである制御信号ＰＲＥＳが出力される。制御線ＳＥＬには、垂直走査回路２０から、選択トランジスタＭ５を制御するための駆動パルスである制御信号ＰＳＥＬが出力される。典型例では、垂直走査回路２０からハイレベルの制御信号が出力されると対応するトランジスタがオンとなり、垂直走査回路２０からローレベルの制御信号が出力されると対応するトランジスタがオフとなる。これら制御信号は、制御回路６０からの所定のタイミング信号に応じて、垂直走査回路２０から供給される。垂直走査回路２０には、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路が用いられる。
【００２５】
画素アレイ部１０の画素アレイの各列には、列方向（図２において縦方向）に延在して、出力線１６が配されている。出力線１６は、列方向に並ぶ画素１２の選択トランジスタＭ５のソースにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。なお、画素１２の選択トランジスタＭ５は、省略してもよい。この場合、出力線１６は、増幅トランジスタＭ４のソースに接続される。出力線１６には、電流源１８が接続されている。
【００２６】
光電変換部Ｄ１，Ｄ２は、入射光をその光量に応じた量の電荷に変換（光電変換）するとともに、生じた電荷を蓄積する。転送トランジスタＭ１１は、光電変換部Ｄ１が保持する電荷を保持部Ｃ１に転送する。転送トランジスタＭ１２は、光電変換部Ｄ２が保持する電荷を保持部Ｃ１に転送する。保持部Ｃ１は、光電変換部Ｄ１，Ｄ２で生成された電荷を、光電変換部Ｄ１，Ｄ２とは別の場所で保持する。保持部Ｃ１は、光電変換部Ｄ１，Ｄ２から転送された電荷を保持すると共に、増幅部の入力ノード（増幅トランジスタＭ４のゲート）を、その容量と転送された電荷の量とに応じた電圧に設定する。リセットトランジスタＭ３は、保持部Ｃ１及び光電変換部Ｄ１，Ｄ２の電位をリセットする。選択トランジスタＭ５は、出力線１６に信号を出力する画素１２を選択する。増幅トランジスタＭ４は、ドレインに電源電圧が供給され、ソースに選択トランジスタＭ５を介して電流源１８からバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部（ソースフォロワ回路）を構成する。これにより増幅トランジスタＭ４は、入射光によって生じた電荷に基づく信号Ｖｏｕｔを、出力線１６に出力する。なお、図２には、信号Ｖｏｕｔに、対応する列番号をそれぞれ付記している（Ｖｏｕｔ（ｐ），Ｖｏｕｔ（ｐ＋１））。
【００２７】
図３は、画素アレイ部１０の平面レイアウトの一例を示す概略図である。図３には、画素回路を構成する各回路要素の単位画素領域内における配置場所をブロックで示している。なお、以下において各回路要素の位置関係を説明するにあたり、図３に示す座標系を用いることがある。Ｘ−Ｙ平面は、撮像装置が形成される半導体基板の表面（撮像面）に平行な面であり、Ｚ方向は当該半導体基板の法線方向である。一例では、Ｘ方向は水平方向であり、行方向に対応する。また、Ｙ方向は垂直方向であり、列方向に対応する。図４は、図３のＡ−Ａ′線に沿った概略断面図である。
【００２８】
図３中、符号Ｄ１で表したブロックは、光電変換部Ｄ１の配置場所を示している。符号Ｄ２で表したブロックは、光電変換部Ｄ２の配置場所を示している。符号Ｍ１１で表したブロックは、転送トランジスタＭ１１の配置場所を示している。符号Ｍ１２で表したブロックは、転送トランジスタＭ１２の配置場所を示している。符号Ｃ１で表したブロックは、ＦＤ領域である保持部Ｃ１の配置場所を示している。符号Ｃｉｒで表したブロックは、その他の回路要素、すなわちリセットトランジスタＭ３、増幅トランジスタＭ４及び選択トランジスタＭ５の配置場所を示している。
【００２９】
光電変換部Ｄ１と光電変換部Ｄ２とは、Ｘ方向に隣接して配置されている。光電変換部Ｄ１、転送トランジスタＭ１１及び保持部Ｃ１は、この順番でＹ方向に隣接して配置されている。また、光電変換部Ｄ２、転送トランジスタＭ１２及び保持部Ｃ１は、この順番でＹ方向に隣接して配置されている。その他の回路要素Ｃｉｒは、光電変換部Ｄ１，Ｄ２の外側に配置されている。
【００３０】
このようなレイアウトを用いることで、画素１２を、Ｘ方向の位相差を検出する位相差検出方式の焦点検出用画素として用いることが可能となる。撮像装置１００の総ての画素１２を上述のような焦点検出用画素としてもよいし、一部の画素１２を焦点検出用画素としてもよい。一部の画素１２を焦点検出用画素とする場合、焦点検出用画素は、画素アレイ部１０内の一部分に並べて配置してもよいし、画素アレイ部１０内に点在するように配置してもよい。図３には、Ｘ方向の位相差を検出するように光電変換部Ｄ１，Ｄ２をＸ方向に隣接して配置した例を示しているが、Ｙ方向の位相差を検出するように光電変換部Ｄ１，Ｄ２をＹ方向に隣接して配置してもよい。また、位相差の検出をより正確に行うために１つの画素１２に３つ以上の光電変換部を配置する構成や、画素１２の画素アレイ部１０内における配置場所に応じてそれぞれの光電変換部の大きさを変化する構成としてもよい。
【００３１】
撮像装置１００は、図４に示すように、半導体基板２００を有する。半導体基板２００は、例えばＮ型シリコン基板である。半導体基板２００の主表面側には、ウェルとしてのＰ型半導体領域２０２が設けられている。Ｐ型半導体領域２０２の深部には、Ｐ型半導体領域２０２よりも不純物濃度の高いＰ型半導体領域２０４が設けられている。
【００３２】
光電変換部Ｄ１は、Ｐ型半導体領域２０２の表面部に設けられたＰ型半導体領域２０６と、Ｐ型半導体領域２０６の下部に接して設けられたＮ型半導体領域２０８とを含む。Ｐ型半導体領域２０６とＮ型半導体領域２０８とがＰＮ接合を構成している。光電変換部Ｄ１は、いわゆる埋め込み型のフォトダイオードである。Ｎ型半導体領域２０８の下部には、Ｎ型半導体領域２０８に接して、Ｎ型半導体領域２０８よりも不純物濃度の低いＮ型半導体領域２１２が設けられている。これにより、深い位置で生じた電荷をＮ型半導体領域２０８により収集できるようになっている。Ｎ型半導体領域２１２の代わりにＰ型半導体領域を設けてもよい。
【００３３】
同様に、光電変換部Ｄ２は、Ｐ型半導体領域２０６と、Ｐ型半導体領域２０６の下部に接して設けられたＮ型半導体領域２１０とを含む。Ｎ型半導体領域２１０は、Ｎ型半導体領域２０８から離間して配置されている。Ｐ型半導体領域２０６とＮ型半導体領域２１０とがＰＮ接合を構成している。Ｎ型半導体領域２１０の下部には、Ｎ型半導体領域２１０に接して、Ｎ型半導体領域２１０よりも不純物濃度の低いＮ型半導体領域２１４が設けられている。これにより、深い位置で生じた電荷をＮ型半導体領域２１０により収集できるようになっている。Ｎ型半導体領域２１４の代わりにＰ型半導体領域を設けてもよい。
【００３４】
Ｎ型半導体領域２１２，２１４の下部に配置されたＰ型半導体領域２０４は、光電変換部Ｄ１，Ｄ２で生成され蓄積される電荷（電子）に対するポテンシャルバリアを形成する。
【００３５】
転送トランジスタＭ１２は、ソース領域としてのＮ型半導体領域２１０と、ドレイン領域としてのＮ型半導体領域２１６とを含む。Ｎ型半導体領域２１６は、浮遊拡散容量、すなわち保持部Ｃ１でもある。Ｎ型半導体領域２１０とＮ型半導体領域２１６との間の半導体基板２００上には、ゲート絶縁膜を介して、転送トランジスタＭ１２のゲート電極２１８が設けられている。
【００３６】
光電変換部Ｄ１，Ｄ２の上方には、カラーフィルタ２２０、マイクロレンズ２２２等が配される。マイクロレンズ２２２は、１つの画素１２の複数（ここでは２つ）の光電変換部Ｄ１，Ｄ２に対して１つずつ設けられている。すなわち、マイクロレンズ２２２を通過する光のうち、瞳分割された一部の光は光電変換部Ｄ１に入射し、瞳分割された他の一部の光は光電変換部Ｄ２に入射する。
【００３７】
本実施形態の画素１２では、光電変換部が光電変換部Ｄ１と光電変換部Ｄ２とに分割され、２つの光電変換部Ｄ１，Ｄ２の間に分離領域が設けられている。このような構成を用いることで、例えば光電変換部Ｄ１と光電変換部Ｄ２とをＸ方向に隣接して配置した場合には、Ｘ方向の位相差を検出する位相差検出方式の焦点検出用画素として用いることが可能となる。上記の例では、分離領域をＰ型半導体領域２０２により構成しているが、分離部は必ずしも均一な不純物濃度の半導体領域で構成されていなくてもよい。例えば、一部分が、Ｐ型半導体領域２０２よりも不純物濃度の低いＰ型半導体領域により構成されていてもよいし、Ｎ型半導体領域により構成されていてもよい。なお、図４には表面照射型の撮像装置の例を示しているが、裏面照射型の撮像装置であってもよい。
【００３８】
次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について、図５乃至図７を用いて説明する。なお、ここでは動画を撮影する場合の撮像動作を例にして説明するが、静止画の撮影を行う場合についても同様に行うことができる。
【００３９】
本実施形態の撮像装置では、高ダイナミックレンジ画像を生成（ＨＤＲ合成（High Dynamic Range imaging））するために、露光時間の異なる２種類の信号を取得する。露光時間の異なる２種類の信号を用いて画像を合成することにより、被写体の暗部から明部までを高画質に撮影することができる。また、撮像面位相差オートフォーカスを行うために、１つの画素１２に含まれる複数の光電変換部からそれぞれ異なるタイミングで信号の読み出しを行い、複数の視差画像を得る。
【００４０】
図５は、時間の経過に伴う撮像装置の動作状態の遷移を示した模式図である。
図５には、第ｎフレームから第ｎ＋５フレームまでの６フレーム分の動作状態を示している。ここでは、ＨＤＲ合成は、連続する２つのフレームで取得した信号を用いて行うものとする。つまり図５には、ＨＤＲ画像を取得するためのＨＤＲ用のフレームとしては、第Ｎフレーム（図中、「ＨＤＲ第Ｎフレーム」）から第Ｎ＋２フレーム（図中、「ＨＤＲ第Ｎ＋２フレーム」）までの３フレーム分の動作状態が示されていることになる。ここでは、第ｎフレーム及び第ｎ＋１フレームで取得した信号から、ＨＤＲ第Ｎフレームの画像を合成するものとする。また、第ｎ＋２フレーム及び第ｎ＋３フレームで取得した信号から、ＨＤＲ第Ｎ＋１フレームの画像を合成するものとする。また、第ｎ＋４フレーム及び第ｎ＋５フレームで取得した信号から、ＨＤＲ第Ｎ＋２フレームの画像を合成するものとする。
【００４１】
図５中、「ＰＤ＿Ａ」は光電変換部Ｄ１の露光期間を示し、「ＰＤ＿Ｂ」は光電変換部Ｄ２の露光期間を示し、「ＲＥＡＤ」は信号読み出し期間を示している。これらに付記された（ｍ），（ｍ＋１），（ｍ＋２）は、行番号を示している。「Ａ信号読み」及び「Ａ」は、光電変換部Ｄ１で生成された信号電荷に基づく信号（Ａ信号）の読み出し期間を示している。「Ａ＋Ｂ信号読み」及び「Ａ＋Ｂ」は、光電変換部Ｄ１及び光電変換部Ｄ２で生成された全信号電荷に基づく信号（Ａ＋Ｂ信号）の読み出し期間を示している。
【００４２】
ＨＤＲフレームは、相対的に長い露光時間の間に蓄積された電荷に基づく信号を出力するフレーム（図中、「長秒」と表記する）と、相対的に短い露光時間の間に蓄積された電荷に基づく信号を出力するフレーム（図中、「短秒」と表記する）とを含む。例えば、図５のＨＤＲ第Ｎフレームは、第ｎフレームが前者であり、第ｎ＋１フレームが後者である。
【００４３】
図６は、転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２の動作を示すタイミングチャートである。図６には、図５の模式図に対応した転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２の動作を示している。図６中、制御信号ＰＴｘ１＿Ａは、転送トランジスタＭ１１のゲートに供給される制御信号である。制御信号ＰＴｘ１＿Ｂは、転送トランジスタＭ１２のゲートに供給される制御信号である。これらに付記された（ｍ），（ｍ＋１），（ｍ＋２）は、行番号を示している。これら制御信号は、ハイレベルのときに対応する転送トランジスタがオンとなり、ローレベルのときに対応する転送トランジスタがオフとなる。
【００４４】
図７は、１水平期間における信号の読み出し動作を示すタイミングチャートである。図７には、選択トランジスタＭ５に供給される制御信号ＰＳＥＬ、リセットトランジスタＭ３に供給される制御信号ＰＲＥＳ、転送トランジスタＭ１１に供給される制御信号ＰＴｘ１＿Ａ及び転送トランジスタＭ１２に供給される制御信号ＰＴｘ１＿Ｂを示している。これら制御信号は、ハイレベルのときに対応するトランジスタがオンとなり、ローレベルのときに対応するトランジスタがオフとなる。
【００４５】
図５（ａ）及び図６（ａ）は、信号の読み出し動作の間隔が一定である場合を示している。
第ｎフレームでは、２種類の露光時間のうち、例えば相対的に長い露光時間の間、電荷の蓄積を行う（以下、この露光期間を「長秒露光期間」と表記する）。第ｍ行の画素１２の光電変換部Ｄ１と光電変換部Ｄ２とにおいて所定の露光時間だけ電荷の蓄積を行ったのち、それぞれの画素１２から光電変換部Ｄ１，Ｄ２に蓄積された電荷に基づく信号の読み出しを行う。第ｍ＋１行、第ｍ＋２行、…、においても、同様の露光時間での電荷蓄積及び信号の読み出しを行う。信号の読み出し動作は、各行において、例えば図７（ａ）又は図７（ｂ）に示すタイミングチャートに従って実施することができる。
【００４６】
図７（ａ）の動作では、画素１２の選択、リセット、ノイズ信号の読み出し（Ｎ（Ａ）読み）、光電変換部Ｄ１からの電荷の転送、光信号の読み出し（Ｓ（Ａ）読み）、光電変換部Ｄ２からの電荷の転送、光信号の読み出し（Ｓ（Ａ＋Ｂ）読み）、を順次行う。Ｓ（Ａ）読みは、光電変換部Ｄ１で生成された電荷に基づく信号（Ａ信号）の読み出しである。Ｓ（Ａ＋Ｂ）読みは、光電変換部Ｄ１及び光電変換部Ｄ２で生成された総電荷に基づく信号（Ａ＋Ｂ信号）の読み出しである。このようにして、Ａ信号の読み出しと、Ａ＋Ｂ信号の読み出しとを異なるタイミングで順次行う。Ｂ信号は、Ａ＋Ｂ信号からＡ信号を減算することにより算出することができる。
【００４７】
図７（ｂ）の動作では、画素１２の選択、リセット、ノイズ信号の読み出し（Ｎ（Ａ）読み）、光電変換部Ｄ１からの電荷の転送、光信号の読み出し（Ｓ（Ａ）読み）、を順次行う。更に、リセット、ノイズ信号の読み出し（Ｎ（Ｂ）読み）、光電変換部Ｄ２からの電荷の転送、光信号の読み出し（Ｓ（Ｂ）読み）、を順次行う。Ｓ（Ｂ）読みは、光電変換部Ｄ２で生成された電荷に基づく信号（Ｂ信号）の読み出しである。このようにして、Ａ信号の読み出しと、Ｂ信号の読み出しとを異なるタイミングで順次行う。Ａ＋Ｂ信号は、Ａ信号とＢ信号とを加算することにより算出することができる。
【００４８】
このようにすることで、位相差オートフォーカス用の２種類の視差画像を得ることができる。また、長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく画像（以下、「長秒露光画像」と表記する）を得ることができる。
【００４９】
次に、第ｎ＋１フレームでは、第ｎフレームよりも相対的に短い露光時間の間、電荷の蓄積を行う（以下、この露光期間を「短秒露光期間」と表記する）。次いで、各画素１２の信号を第ｎフレームと同様の手順により順次読み出す。短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出しにおいても、図７に示すように、Ａ信号の読み出しとＡ＋Ｂ信号の読み出し或いはＡ信号の読み出しとＢ信号の読み出しとを、異なるタイミングで順次行う。このようにすることで、位相差オートフォーカス用の２種類の視差画像を得ることができる。また、短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく画像（以下、「短秒露光画像」と表記する）を得ることができる。
【００５０】
このようにして得られる長秒露光画像と短秒露光画像とを合成することにより、ＨＤＲ第Ｎフレームの広いダイナミックレンジの画像を得ることができる。さらに、長秒露光画像の取得の過程及び短秒露光画像の取得の過程においてそれぞれ得られる複数の視差画像（Ａ信号に基づく画像とＢ信号に基づく画像）を用いて、位相差オートフォーカスを同時に行うことができる。
【００５１】
本実施形態による撮像装置の駆動方法において、ＨＤＲフレームを構成する長秒露光期間のフレームと短秒露光期間のフレームの順序は、適宜変更することができる。すなわち、一のフレーム期間では長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号を先に取得し、他の一のフレーム期間では短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号を先に取得することができる。例えば、上述のＨＤＲ第Ｎフレームの後、ＨＤＲ第Ｎ＋１フレームでは、第ｎ＋２フレームを短秒露光期間のフレームとし、第ｎ＋３フレームを長秒露光期間のフレームとすることができる。
【００５２】
ＨＤＲフレームにおいて短秒露光期間のフレームと長秒露光期間のフレームとを行う順番は、前のフレームの信号に基づいて決定することができる。例えば、第ｎフレームで取得した長秒露光期間に基づく信号よりも、第ｎ＋１フレームで取得した短秒露光期間に基づく信号において、より高精度なオートフォーカスが可能であると判断されたとする。そのような場合には、第ｎ＋２フレーム以降において、長秒露光期間のフレームと短秒露光期間のフレームとの順序を変更する。すなわち、第ｎ＋２フレームにおいて短秒露光とその間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出しを実施し、第ｎ＋３フレーム長秒露光とその間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出しを実施する。
【００５３】
このようにすることで、短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号による視差画像を、長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号による視差画像よりも早いタイミングで取得することができる。これにより、被写体の状況に応じた適切な露光期間の視差画像を用いてオートフォーカスのための相関演算を素早く行うことが可能となり、フォーカス調節を迅速に行うことができる。
【００５４】
なお、図５（ａ）及び図６（ａ）に示す駆動例では、第ｎ＋４フレームを短秒露光期間のフレームとし、第ｎ＋５フレームを長秒露光期間のフレームとしているが、これらフレームについても被写体の状況に応じて適宜変更可能である。例えば、第ｎ＋４フレームを長秒露光期間のフレームとし、第ｎ＋５フレームを短秒露光期間のフレームとしてもよい。
【００５５】
また、図５（ａ）及び図６（ａ）に示す駆動例では信号の読み出し動作の間隔を一定としているが、信号の読み出し動作の間隔は、必ずしも一定である必要はない。
例えば、図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示す駆動例のように、第ｎ＋２フレーム及び第ｎ＋４フレームの短秒露光期間を前倒しして実施することが可能である。こうすることで、短秒露光期間に基づく信号の取得から長秒露光期間に基づく信号の取得までの間隔を、１フレーム期間の半分の時間よりも長くすることができる。このような構成とすることにより、短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号による視差画像をさらに早いタイミングで得ることができる。これにより、フォーカス調節を更に迅速に行うことができる。
【００５６】
このように、本実施形態によれば、撮像面位相差オートフォーカス機能を備えた撮像装置において、高性能なオートフォーカスを行いながら、広いダイナミックレンジの動画像を得ることができる。
【００５７】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による撮像装置及びその駆動方法について、図８乃至図１２を用いて説明する。図１乃至図７に示す第１実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【００５８】
図８は、本実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す図である。図９は、本実施形態による撮像装置の画素アレイ部の平面レイアウトの一例を示す概略図である。図１０は、本実施形態による撮像装置の画素構造の一例を示す断面図である。図１１は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示す模式図である。図１２は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【００５９】
はじめに、本実施形態による撮像装置の構成について、図８乃至図１０を用いて説明する。
【００６０】
本実施形態による撮像装置は、図８に示すように、画素１２の回路構成が、第１実施形態による撮像装置とは異なっている。すなわち、本実施形態の撮像装置の画素１２は、転送トランジスタＭ１１とＦＤ領域との間に転送トランジスタＭ２１を、転送トランジスタＭ１２とＦＤ領域との間に転送トランジスタＭ２２を、更に有している点で、第１実施形態の画素１２とは異なっている。
【００６１】
転送トランジスタＭ２１は、ソースが転送トランジスタＭ１１のドレインに接続され、ドレインがＦＤ領域（リセットトランジスタＭ３のソース及び増幅トランジスタＭ４のゲート）に接続されている。転送トランジスタＭ２１のゲートは、制御信号線１４の１つである制御線Ｔｘ２＿Ａに接続されている。転送トランジスタＭ１１のドレインと転送トランジスタＭ２１のソースとの間の接続ノードに寄生する容量は、電荷の保持部としての機能を備える。図８には、この容量を、転送トランジスタＭ１１のドレインと転送トランジスタＭ２１のソースとの間の接続ノードに接続された容量素子（Ｃ２）で表している。以後の説明では、このノードを保持部Ｃ２と表記することもある。
【００６２】
また、転送トランジスタＭ２２は、ソースが転送トランジスタＭ１２のドレインに接続され、ドレインがＦＤ領域（リセットトランジスタＭ３のソース及び増幅トランジスタＭ４のゲート）に接続されている。転送トランジスタＭ２２のゲートは、制御信号線１４の１つである制御線Ｔｘ２＿Ｂに接続されている。転送トランジスタＭ１２のドレインと転送トランジスタＭ２２のソースとの間の接続ノードに寄生する容量は、電荷の保持部としての機能を備える。図８には、この容量を、転送トランジスタＭ１２のドレインと転送トランジスタＭ２２のソースとの間の接続ノードに接続された容量素子（Ｃ３）で表している。以後の説明では、このノードを保持部Ｃ３と表記することもある。
【００６３】
図９は、画素アレイ部１０の平面レイアウトの一例を示す概略図である。図９には、画素回路を構成する各回路要素の単位画素領域内における配置場所をブロックで示している。図９中、符号Ｍ２１で表したブロックは、転送トランジスタＭ２１の配置場所を示している。符号Ｍ２２で表したブロックは、転送トランジスタＭ２２の配置場所を示している。符号Ｃ２で表したブロックは、保持部Ｃ２の配置場所を示している。符号Ｃ３で表したブロックは、保持部Ｃ３の配置場所を示している。その他の符号は、図３の場合と同様である。
【００６４】
光電変換部Ｄ１と光電変換部Ｄ２とは、Ｘ方向に隣接して配置されている。光電変換部Ｄ１、転送トランジスタＭ１１、保持部Ｃ２、転送トランジスタＭ２１及び保持部Ｃ１は、この順番でＹ方向に隣接して配置されている。また、光電変換部Ｄ２、転送トランジスタＭ１２、保持部Ｃ３、転送トランジスタＭ２２及び保持部Ｃ１は、この順番でＹ方向に隣接して配置されている。保持部Ｃ２，Ｃ３上には、遮光膜２２８が設けられている。その他の回路要素Ｃｉｒは、光電変換部Ｄ１，Ｄ２の外側に配置されている。
【００６５】
図１０は、図９のＡ−Ａ′線に沿った概略断面図である。
転送トランジスタＭ１２は、ソース領域としてのＮ型半導体領域２１０と、ドレイン領域としてのＮ型半導体領域２２４とを含む。Ｎ型半導体領域２２４は、保持部Ｃ３でもある。Ｎ型半導体領域２１０とＮ型半導体領域２２４との間の半導体基板２００上には、ゲート絶縁膜を介して、転送トランジスタＭ１２のゲート電極２１８が設けられている。転送トランジスタＭ２２は、ソース領域としてのＮ型半導体領域２２４と、ドレイン領域としてのＮ型半導体領域２１６とを含む。Ｎ型半導体領域２１６は、保持部Ｃ１でもある。Ｎ型半導体領域２２４とＮ型半導体領域２１６との間の半導体基板２００上には、ゲート絶縁膜を介して、転送トランジスタＭ２２のゲート電極２２６が設けられている。光電変換部Ｄ１，Ｄ２、転送トランジスタＭ１２，Ｍ２２等が設けられた半導体基板２００上には、保持部Ｃ２，Ｃ３上の全面を覆い、光電変換部Ｄ１，Ｄ２の少なくとも一部を露出する遮光膜２２８が設けられている。その他の構成は、図４に示す第１実施形態の場合と同様である。
【００６６】
このような構成を用いることで、画素１２を、第１実施形態による撮像装置の場合と同様、Ｘ方向の位相差を検出する位相差検出方式の焦点検出用画素として用いるとともに、グローバル電子シャッター動作が可能となる。
【００６７】
次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について、図１１及び図１２を用いて説明する。
図１１は、時間の経過に伴う撮像装置の動作状態の遷移を示した模式図である。図１１には、第ｎフレームから第ｎ＋５フレームまでの６フレーム分の動作状態を示している。図１１中、「ＰＤ＿Ａ」は光電変換部Ｄ１の露光期間を示し、「ＰＤ＿Ｂ」は光電変換部Ｄ２の露光期間を示している。「ＭＥＭ＿Ａ」は光電変換部Ｄ１から転送された電荷の保持部Ｃ２における保持期間を示し、「ＭＥＭ＿Ｂ」は光電変換部Ｄ２から転送された電荷の保持部Ｃ３における保持期間を示している。「ＲＥＡＤ」は信号読み出し期間を示している。
【００６８】
図１２は、転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２，Ｍ２１，Ｍ２２の動作を示すタイミングチャートである。図１２には、図１１の模式図に対応した転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２，Ｍ２１，Ｍ２２の動作を示している。図１２中、制御信号ＰＴｘ１＿Ａは、転送トランジスタＭ１１のゲートに供給される制御信号である。制御信号ＰＴｘ１＿Ｂは、転送トランジスタＭ１２のゲートに供給される制御信号である。制御信号ＰＴｘ２＿Ａは、転送トランジスタＭ２１のゲートに供給される制御信号である。制御信号ＰＴｘ２＿Ｂは、転送トランジスタＭ２２のゲートに供給される制御信号である。これらに付記された（ｍ），（ｍ＋１），（ｍ＋２）は、行番号を示している。これら制御信号は、ハイレベルのときに対応する転送トランジスタがオンとなり、ローレベルのときに対応する転送トランジスタがオフとなる。
【００６９】
本実施形態による撮像装置は、光電変換部Ｄ１とＦＤ領域（保持部Ｃ１）との間に、これらとは別の場所で電荷を保持可能な保持部Ｃ２を有している。また、光電変換部Ｄ２とＦＤ領域（保持部Ｃ１）との間に、これらとは別の場所で電荷を保持可能な保持部Ｃ３を有している。このため、ＦＤ領域への信号電荷の読み出し前に、光電変換部Ｄ１，Ｄ２の信号電荷を一時的に保持部Ｃ２，Ｃ３にて保持することができる。
【００７０】
したがって、光電変換部Ｄ１から保持部Ｃ２への電荷転送の動作（制御信号ＰＴｘ１＿Ａがハイレベルの期間）と、光電変換部Ｄ２から保持部Ｃ３への電荷転送の動作（制御信号ＰＴｘ１＿Ｂがハイレベルの期間）とを、同時に行うことができる。これにより、光電変換部Ｄ１と光電変換部Ｄ２とから得られる２つの視差画像において、露光のタイミングを揃えることができる。これにより、被写体ぶれに強いオートフォーカスが可能となり、オートフォーカス性能を向上することができる。
【００７１】
また、保持部Ｃ２，Ｃ３からＦＤ領域（保持部Ｃ１）への信号読み出し動作（図１１中、「ＲＥＡＤ」、制御信号ＰＴｘ２＿Ａ，ＰＴｘ２＿Ｂの駆動期間）を行順次で行っている間、保持部Ｃ２，Ｃ３に電荷を蓄積しておくことができる。これにより、複数の画素行に渡って露光期間を揃えることができる。すなわち、グローバル電子シャッター動作が可能である。これにより、高速に移動する被写体や回転する被写体に対しても歪みのない画像を得ることができ、画質を向上することができる。
【００７２】
また、本実施形態においても、第１実施形態の場合と同様、長秒露光期間のフレームと短秒露光期間のフレームの順序を変更することができる。したがって、被写体の状況に応じた高速かつ高精度なオートフォーカスを行いながら、広いダイナミックレンジを有する動画像を取得することができる。
【００７３】
このように、本実施形態によれば、撮像面位相差オートフォーカス機能を備えた撮像装置において、高性能なオートフォーカスを行いながら、広いダイナミックレンジの動画像を得ることができる。
【００７４】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による撮像装置及びその駆動方法について、図１３乃至図１６を用いて説明する。図１乃至図１２に示す第１及び第２実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【００７５】
図１３は、本実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す図である。図１４は、本実施形態による撮像装置の画素アレイ部の平面レイアウトの一例を示す概略図である。図１５は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示す模式図である。図１６は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【００７６】
はじめに、本実施形態による撮像装置の構成について、図１３及び図１４を用いて説明する。
本実施形態による撮像装置は、図１３に示すように、画素１２の回路構成が、第１及び第２実施形態による撮像装置とは異なっている。すなわち、本実施形態の画素１２は、光電変換部Ｄ１，Ｄ２に対して、第２実施形態と同様の画素内読み出し回路をそれぞれ２系統有している。また、光電変換部Ｄ１，Ｄ２を初期化する電荷排出トランジスタを有している。
【００７７】
より具体的に説明すると、光電変換部Ｄ１のフォトダイオードは、アノードが接地電圧線に接続され、カソードが転送トランジスタＭ１１のソース、転送トランジスタＭ１３のソース及び電荷排出トランジスタＭ６１のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１１のドレインは、転送トランジスタＭ２１のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１１のドレインと転送トランジスタＭ２１のソースとの間の接続ノードに寄生する容量は、保持部Ｃ２１を構成する。転送トランジスタＭ１３のドレインは、転送トランジスタＭ２３のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１３のドレインと転送トランジスタＭ２３のソースとの間の接続ノードに寄生する容量は、保持部Ｃ２２を構成する。
【００７８】
光電変換部Ｄ２のフォトダイオードは、アノードが接地電圧線に接続され、カソードが転送トランジスタＭ１２のソース、転送トランジスタＭ１４のソース及び電荷排出トランジスタＭ６２のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１２のドレインは、転送トランジスタＭ２２のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１２のドレインと転送トランジスタＭ２２のソースとの間の接続ノードに寄生する容量は、保持部Ｃ３１を構成する。転送トランジスタＭ１４のドレインは、転送トランジスタＭ２４のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１４のドレインと転送トランジスタＭ２４のソースとの間の接続ノードに寄生する容量は、保持部Ｃ３２を構成する。
【００７９】
転送トランジスタＭ２１，Ｍ２２のドレインは、リセットトランジスタＭ３１のソース及び増幅トランジスタＭ４１のゲートに接続されている。転送トランジスタＭ２１，Ｍ２２のドレイン、リセットトランジスタＭ３１のソース及び増幅トランジスタＭ４１のゲートの接続ノードは、保持部Ｃ１１を構成するＦＤ領域である。増幅トランジスタＭ４１のソースは、選択トランジスタＭ５１のドレインに接続されている。
【００８０】
転送トランジスタＭ２３，Ｍ２４のドレインは、リセットトランジスタＭ３２のソース及び増幅トランジスタＭ４２のゲートに接続されている。転送トランジスタＭ２３，Ｍ２４のドレイン、リセットトランジスタＭ３２のソース及び増幅トランジスタＭ４２のゲートの接続ノードは、保持部Ｃ１２を構成するＦＤ領域である。増幅トランジスタＭ４２のソースは、選択トランジスタＭ５２のドレインに接続されている。
【００８１】
リセットトランジスタＭ３１，Ｍ３２のドレイン、増幅トランジスタＭ４１，Ｍ４２のドレイン及び電荷排出トランジスタＭ６１，Ｍ６２のドレインは、電源電圧線（ＶＤＤ）に接続されている。選択トランジスタＭ５１のソースは、出力線１６１に接続されている。選択トランジスタＭ５２のソースは、出力線１６２に接続されている。
【００８２】
各行の制御信号線１４は、制御線Ｔｘ１＿Ｌ，Ｔｘ２Ａ＿Ｌ，Ｔｘ２Ｂ＿Ｌ，ＲＥＳ＿Ｌ，ＳＥＬ＿Ｌ，Ｔｘ１＿Ｓ，Ｔｘ２Ａ＿Ｓ，Ｔｘ２Ｂ＿Ｓ，ＲＥＳ＿Ｓ，ＳＥＬ＿Ｓ，ＯＦＤを含む。制御線Ｔｘ１＿Ｌは、当該行の画素１２の転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２のゲートに接続されている。なお、転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２のゲートに、別々の制御線を接続するようにしてもよい。制御線Ｔｘ２Ａ＿Ｌは、当該行の画素１２の転送トランジスタＭ２１のゲートに接続されている。制御線Ｔｘ２Ｂ＿Ｌは、当該行の画素１２の転送トランジスタＭ２２のゲートに接続されている。制御線ＲＥＳ＿Ｌは、当該行の画素１２のリセットトランジスタＭ３１のゲートに接続されている。制御線ＳＥＬ＿Ｌは、当該行の画素１２の選択トランジスタＭ５１のゲートに接続されている。制御線Ｔｘ１＿Ｓは、当該行の画素１２の転送トランジスタＭ１３，Ｍ１４のゲートに接続されている。なお、転送トランジスタＭ１３，Ｍ１４のゲートに、別々の制御線を接続するようにしてもよい。制御線Ｔｘ２Ａ＿Ｓは、当該行の画素１２の転送トランジスタＭ２３のゲートに接続されている。制御線Ｔｘ２Ｂ＿Ｓは、当該行の画素１２の転送トランジスタＭ２４のゲートに接続されている。制御線ＲＥＳ＿Ｓは、当該行の画素１２のリセットトランジスタＭ３２のゲートに接続されている。制御線ＳＥＬ＿Ｓは、当該行の画素１２の選択トランジスタＭ５２のゲートに接続されている。制御線ＯＦＤは、当該行の電荷排出トランジスタＭ６１，Ｍ６２のゲートに接続されている。
【００８３】
図１４は、画素アレイ部１０の平面レイアウトの一例を示す概略図である。図１４には、画素回路を構成する各回路要素の単位画素領域内における配置場所をブロックで示している。図１４中、符号Ｍ１３，Ｍ１４，Ｍ２３，Ｍ２４で表したブロックは、それぞれ、転送トランジスタＭ１３，Ｍ１４，Ｍ２３，Ｍ２４の配置場所を表している。符号Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２で表したブロックは、それぞれ、保持部Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２の配置場所を表している。その他の符号は、図９の場合と同様である。
【００８４】
光電変換部Ｄ１と光電変換部Ｄ２とは、Ｘ方向に隣接して配置されている。光電変換部Ｄ１の−Ｘ方向側には、転送トランジスタＭ１１を介して保持部Ｃ２１が、また、転送トランジスタＭ１３を介して保持部Ｃ２２が、それぞれ配置されている。光電変換部Ｄ２の＋Ｘ方向側には、転送トランジスタＭ１２を介して保持部Ｃ３１が、また、転送トランジスタＭ１４を介して保持部Ｃ３２が、それぞれ配置されている。保持部Ｃ２１と保持部Ｃ３１との間には、Ｘ方向に隣接して、転送トランジスタＭ２１、保持部Ｃ１１及び転送トランジスタＭ２２が配置されている。保持部Ｃ２２と保持部Ｃ３２との間には、Ｘ方向に隣接して、転送トランジスタＭ２３、保持部Ｃ１２及び転送トランジスタＭ２４が配置されている。その他の回路要素Ｃｉｒは、転送トランジスタＭ１１、光電変換部Ｄ１，Ｄ２及び転送トランジスタＭ１２と、転送トランジスタＭ２１、保持部Ｃ１１及び転送トランジスタＭ２２との間に設けられている。また、その他の回路要素Ｃｉｒは、転送トランジスタＭ１３、光電変換部Ｄ１，Ｄ２及び転送トランジスタＭ１４と、転送トランジスタＭ２３、保持部Ｃ１２及び転送トランジスタＭ２４との間にも設けられている。保持部Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２は、遮光膜２２８で覆われている。
【００８５】
このように、光電変換部Ｄ１に接続された保持部Ｃ２１と光電変換部Ｄ２に接続された保持部Ｃ３１とは、電荷の読み出し経路である保持部Ｃ１１、増幅トランジスタＭ４１、選択トランジスタＭ５１及び出力線１６１を共有している。また、光電変換部Ｄ１に接続された保持部Ｃ２２と光電変換部Ｄ２に接続された保持部Ｃ３２とは、電荷の読み出し経路である保持部Ｃ１２、増幅トランジスタＭ４２、選択トランジスタＭ５２及び出力線１６２を共有している。このような構成とすることで、素子数を低減するとともに、光電変換部Ｄ１，Ｄ２の面積を大きくするなど、画素１２の性能を高めることができる。また、光電変換部Ｄ１，Ｄ２における電荷蓄積を制御するための電荷排出トランジスタＭ６１，Ｍ６２が設けられていることにより、光電変換部Ｄ１，Ｄ２における露光期間の制御性が向上する。
【００８６】
次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について、図１５及び図１６を用いて説明する。
図１５は、時間の経過に伴う撮像装置の動作状態の遷移を示した模式図である。図１５には、第ｎフレームから第ｎ＋２フレームまでの３フレーム分の動作状態を示している。本実施形態の駆動方法では、これらフレーム期間は、ＨＤＲフレーム期間でもある。
【００８７】
図１５中、「ＰＤ＿Ａ」は光電変換部Ｄ１の露光期間を示し、「ＰＤ＿Ｂ」は光電変換部Ｄ２の露光期間を示している。「ＰＤ＿Ａ」及び「ＰＤ＿Ｂ」の期間のうち、「Ｌ」で示される期間は長秒露光期間であり、「Ｓ」で示される期間は短秒露光期間であり、「ＯＦＤ」で示される期間は電荷排出期間である。
【００８８】
また、「ＭＥＭ＿Ａ＿Ｌ」は、光電変換部Ｄ１（ＰＤ＿Ａ）の長秒露光期間「Ｌ」の間に光電変換部Ｄ１で生成された電荷を保持部Ｃ２１において保持している期間を示している。「ＭＥＭ＿Ａ＿Ｓ」は、光電変換部Ｄ１（ＰＤ＿Ａ）の短秒露光期間「Ｓ」の間に光電変換部Ｄ１で生成された電荷を保持部Ｃ２２において保持している期間を示している。「ＭＥＭ＿Ｂ＿Ｌ」は、光電変換部Ｄ２（ＰＤ＿Ｂ）の長秒露光期間「Ｌ」の間に光電変換部Ｄ２で生成された電荷を保持部Ｃ３１において保持している期間を示している。「ＭＥＭ＿Ｂ＿Ｓ」は、光電変換部Ｄ２（ＰＤ＿Ｂ）の短秒露光期間「Ｓ」の間に光電変換部Ｄ２で生成された電荷を保持部Ｃ３２において保持している期間を示している。
【００８９】
また、「ＲＥＡＤ」は、信号読み出し期間を示している。「Ｖｏｕｔ１」は、長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号の出力線１６１への読み出し動作を示している。「Ｖｏｕｔ２」は、短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号の出力線１６２への読み出し動作を示している。
【００９０】
図１６は、転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ１４，Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３，Ｍ２４の動作を示すタイミングチャートである。図１６には、図１５の模式図に対応した転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ１４，Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３，Ｍ２４の動作を示している。図１６中、制御信号ＰＴｘ１＿Ａ＿Ｌは、転送トランジスタＭ１１のゲートに供給される制御信号である。制御信号ＰＴｘ１＿Ｂ＿Ｌは、転送トランジスタＭ１２のゲートに供給される制御信号である。制御信号ＰＴｘ２＿Ａ＿Ｌは、転送トランジスタＭ２１のゲートに供給される制御信号である。制御信号ＰＴｘ２＿Ｂ＿Ｌは、転送トランジスタＭ２２のゲートに供給される制御信号である。制御信号ＰＴｘ１＿Ａ＿Ｓは、転送トランジスタＭ１３のゲートに供給される制御信号である。制御信号ＰＴｘ１＿Ｂ＿Ｓは、転送トランジスタＭ１４のゲートに供給される制御信号である。制御信号ＰＴｘ２＿Ａ＿Ｓは、転送トランジスタＭ２３のゲートに供給される制御信号である。制御信号ＰＴｘ２＿Ｂ＿Ｓは、転送トランジスタＭ２４のゲートに供給される制御信号である。これらに付記された（ｍ），（ｍ＋１），（ｍ＋２）は、行番号を示している。これら制御信号は、ハイレベルのときに対応する転送トランジスタがオンとなり、ローレベルのときに対応する転送トランジスタがオフとなる。
【００９１】
第ｎフレームの開始時刻である時刻Ｔ０において、電荷排出トランジスタＭ６１，Ｍ６２はオン状態であり、光電変換部Ｄ１，Ｄ２は電荷排出状態である（図１５中、「ＯＦＤ」）。
【００９２】
次いで、時刻Ｔ１において、垂直走査回路２０により、制御信号ＰＯＦＤをハイレベルからローレベルへと制御し、各画素１２の電荷排出トランジスタＭ６１，Ｍ６２をオンからオフにする。これにより、光電変換部Ｄ１，Ｄ２において、電荷排出状態が解除され、電荷の蓄積が開始する。
【００９３】
次いで、時刻Ｔ２において、垂直走査回路２０により、制御信号ＰＴｘ１＿Ａ＿Ｌ，ＰＴｘ１＿Ｂ＿Ｌをローレベルからハイレベルへと制御し、転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２をオフからオンにする。これにより、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間に対応する長秒露光期間（図１５中、「Ｌ」）の間に光電変換部Ｄ１，Ｄ２で生成された信号電荷を、保持部Ｃ２１，Ｃ３１にそれぞれ転送する。転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２は、図１６に示すように、電荷の転送が完了するタイミングで速やかにオンからオフに制御される。なお、この長秒露光期間の終期は、厳密には転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２がオフするタイミングである。光電変換部Ｄ１，Ｄ２から保持部Ｃ２１，Ｃ３１へとそれぞれ信号電荷が転送されることで、光電変換部Ｄ１，Ｄ２は初期状態となる。これにより、光電変換部Ｄ１，Ｄ２では、新たに電荷の生成及び蓄積が開始する。
【００９４】
次いで、時刻Ｔ３において、垂直走査回路２０により、制御信号ＰＴｘ１＿Ａ＿Ｓ，ＰＴｘ１＿Ｂ＿Ｓをローレベルからハイレベルへと制御し、転送トランジスタＭ１３，Ｍ１４をオフからオンにする。これにより、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の期間に対応する短秒露光期間（図１５中、「Ｓ」）の間に光電変換部Ｄ１，Ｄ２で生成された信号電荷を、保持部Ｃ２２，Ｃ３２にそれぞれ転送する。転送トランジスタＭ１３，Ｍ１４は、図１６に示すように、電荷の転送が完了するタイミングで速やかにオンからオフに制御される。なお、この短秒露光期間の終期は、厳密には転送トランジスタＭ１３，Ｍ１４がオフするタイミングである。光電変換部Ｄ１，Ｄ２から保持部Ｃ２２，Ｃ３２へとそれぞれ信号電荷が転送されることで、光電変換部Ｄ１，Ｄ２は初期状態となる。これにより、光電変換部Ｄ１，Ｄ２では、新たに電荷の生成及び蓄積が開始する。
【００９５】
次いで、時刻Ｔ４までの期間において、垂直走査回路２０により、制御信号ＰＴｘ１＿Ａ＿Ｌ，ＰＴｘ１＿Ｂ＿Ｌをローレベルからハイレベルへと制御し、転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２をオフからオンにする。これにより、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４に対応する長秒露光期間（図１５中、「Ｌ」）の間に光電変換部Ｄ１，Ｄ２で生成された信号電荷を、保持部Ｃ２１，Ｃ３１にそれぞれ転送する。これにより、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の長秒露光期間の間に生じた信号電荷と、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の長秒露光期間の間に生じた信号電荷とが、保持部Ｃ２１，Ｃ３１においてそれぞれ加算される。
【００９６】
次いで、時刻Ｔ４以降、保持部Ｃ２１，Ｃ３１，Ｃ２２，Ｃ３２からの読み出し動作を行順次で実施する。光電変換部Ｄ１で生成された電荷に基づく信号と光電変換部Ｄ２で生成された電荷に基づく信号とは、第１及び第２実施形態の場合と同様、異なるタイミングで順次読み出される。これにより、撮像面位相差オートフォーカスに用いるための視差画像を得ることができる。本実施形態では長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号と短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号とは異なる出力線１６１，１６２を用いて出力するため、これらの読み出し動作は同時に実施することができる。
【００９７】
本実施形態の駆動方法においても、第１及び第２実施形態の場合と同様に、被写体の状況に応じて信号を読み出す順序やタイミングを変えることができる。したがって、図１５及び図１６に示すタイミングのみならず、例えば図６（ｂ）に示すように、短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出しを先に行うこともできる。或いは、長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出しを先に行うこともできる。これら読み出しの順序は、被写体の状況に応じて適宜選択されればよく、フレーム間で駆動順序が異なっていてもよい。
【００９８】
続く、時刻Ｔ４以降には、第ｎフレームと同様の手順により、第ｎ＋１フレームの動作、第ｎ＋２フレームの動作、…、が実施される。
【００９９】
本実施形態の駆動方法を用いることにより、第１及び第２実施形態の場合と同様に、長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく画像と、短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく画像の２種類の画像を得ることができる。また、位相差オートフォーカス用の２つ視差画像も得ることができる。さらに、本実施形態による駆動方法では、各フレームにおいて、短秒露光期間が２つの長秒露光期間の間に挟まれるようにしている。これにより、短秒露光期間と長秒露光期間との時間的な重心の位置を一致させることが可能となり、例えば高速に移動する物体などを撮影する場合において、被写体の動きぶれが軽減された動画像を得ることができる。
【０１００】
本実施形態で説明した素子の共有の方法以外にも、例えば、１つの画素に含まれる総ての保持部で拡散浮遊容量を共有したり、電荷排出トランジスタを共有したりするなどのバリエーションも考えられる。また、例えば複数の保持部で拡散浮遊容量を共有しない場合においても、上記と同様の効果を得ることができる。したがって、これらを任意に組み合わせて実施することも可能である。
【０１０１】
また、本実施形態では、長秒露光期間の間に１つの短秒露光期間が挟まれる場合について示したが、長秒露光期間の間に複数回の短秒露光期間が含まれていてもよい。
【０１０２】
本実施形態においても、第１及び第２実施形態の場合と同様に、露光及び信号の読み出しのタイミングを変更することができる。これにより、被写体の条件に応じて、高速かつ高精度なオートフォーカスを行いながら、広いダイナミックレンジを有する動画像を得ることができる。
【０１０３】
このように、本実施形態によれば、撮像面位相差オートフォーカス機能を備えた撮像装置において、高性能なオートフォーカスを行いながら、広いダイナミックレンジの動画像を得ることができる。
【０１０４】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像装置の駆動方法について、図１７乃至図１９を用いて説明する。図１乃至図１６に示す第１乃至第３実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１０５】
図１７は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示す模式図である。図１８及び図１９は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【０１０６】
本実施形態では、図１３及び図１４に示す第３実施形態による撮像装置の他の駆動方法を説明する。本実施形態の駆動方法が他の実施形態の駆動方法と異なる点は、長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号及び短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号のうちの一方からは、Ａ＋Ｂ信号のみを読み出す点である。
【０１０７】
図１７は、時間の経過に伴う撮像装置の動作状態の遷移を示した模式図である。図１７には、第ｎフレームから第ｎ＋２フレームまでの３フレーム分の動作状態を示している。図１８は、転送トランジスタＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ１４，Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３，Ｍ２４の動作を示すタイミングチャートである。図１９は、１水平期間における信号の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
【０１０８】
本実施形態の駆動方法では、短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号については、第３実施形態の駆動方法とは異なり、Ａ＋Ｂ信号のみを読み出す。一方、長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号については、第３実施形態の駆動方法と同様に、Ａ信号とＡ＋Ｂ信号とを読み出す。すなわち、本実施形態における信号の読み出し動作では、各行において２種類の読み出し動作を実行する。
【０１０９】
長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号については、図７（ａ）又は図７（ｂ）に示すように、Ａ信号の読み出しとＡ＋Ｂ信号の読み出し又はＡ信号の読み出しとＢ信号の読み出しを異なるタイミングで順次行う。このようにすることで、位相差オートフォーカス用の２種類の視差画像を得ることができる。
【０１１０】
一方、短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出しは、図１９に示すタイミングチャートに従って実施する。図１９の読み出し動作では、画素１２の選択、リセット、ノイズ信号の読み出し（Ｎ（Ａ＋Ｂ）読み）、光電変換部Ｄ１，Ｄ２からの電荷の転送、光信号の読み出し（Ｓ（Ａ＋Ｂ）読み）、を順次行う。すなわち、短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出しでは、例えば図１８に示すように、制御信号ＰＴｘ２＿Ａ＿Ｓと制御信号ＰＴｘ２＿Ｂ＿Ｓとを同じタイミングで制御し、ＦＤ領域において電荷の加算を行う。或いは、ＦＤ領域において電荷の加算を行う代わりに、出力線１６２に出力された信号に対して電圧加算や平均処理を実施してもよい。このような動作を用いることで、位相差オートフォーカスに用いない信号の読み出し動作を削減することができる。よって、撮像装置全体の消費電力を減らすことができる。
【０１１１】
また、本実施形態の駆動方法においても、第１乃至第３実施形態の場合と同様、被写体の状況に応じて、長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号と短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号とを読み出す順序やタイミングを変えることができる。例えば、図６（ｂ）のＨＤＲ第Ｎフレームのように長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出しを先に実施してもよいし、ＨＤＲ第Ｎ＋１フレームのように短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出しを先に実施してもよい。これらは被写体の状況に応じて適宜選択されればよく、フレーム間で駆動順序が異なっていてもよい。
【０１１２】
本実施形態による撮像装置の駆動方法の好適な組み合わせについて、以下に説明する。
動画像の撮影を行っている際に、先の動画像のオートフォーカスの状況から、位相差オートフォーカスに用いる信号として、長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号が好適であると判断されたものとする。そのような場合には、まず、長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号について、光電変換部Ｄ１で生じた電荷に基づく信号と光電変換部Ｄ２で生じた電荷に基づく信号とを順次読み出し、位相差を含む視差画像を得る。次いで、短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号については、光電変換部Ｄ１で生じた電荷に基づく信号と光電変換部Ｄ２で生じた電荷に基づく信号とを加算した信号のみを読み出す。こうすることで、１画素あたりの読み出し回数を減らすことができ、消費電力を小さく抑えながら、高速かつ高精度なオートフォーカスと広いダイナミックレンジ画像の取得とを同時に実現することができる。
【０１１３】
一方、動画像の撮影を行っている際に先の動画像のオートフォーカスの状況から、位相差オートフォーカスに用いる信号として、短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号が好適であると判断されたものとする。そのような場合には、まず、短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号について、光電変換部Ｄ１で生じた電荷に基づく信号と光電変換部Ｄ２で生じた電荷に基づく信号とを順次読み出し、位相差を含む視差画像を得る。次いで、長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号については、光電変換部Ｄ１で生じた電荷に基づく信号と光電変換部Ｄ２で生じた電荷に基づく信号とを加算した信号のみを読み出す。こうすることで、１画素あたりの読み出し回数を減らすことができ、消費電力を小さく抑えながら、高速かつ高精細なオートフォーカスと広いダイナミックレンジ画像の取得とを同時に実現することができる。
【０１１４】
このように、本実施形態によれば、撮像面位相差オートフォーカス機能を備えた撮像装置において、高性能なオートフォーカスを行いながら、広いダイナミックレンジの動画像を得ることができる。
【０１１５】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による撮像装置及びその駆動方法について、図２０乃至図２２を用いて説明する。図１乃至図１９に示す第１乃至第４実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１１６】
図２０は、本実施形態による撮像装置における画素アレイ部内の画素の配置例を示す図である。図２１は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示す模式図である。図２２は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【０１１７】
本実施形態による撮像装置は、例えば図２０に示すように、位相差オートフォーカス用の信号を出力するための駆動を行う画素行（ＡＦ駆動行）７２と、撮像用の信号を出力するための駆動を行う画素行（撮像駆動行）７４とを含む。
【０１１８】
本実施形態による駆動方法では、オートフォーカスに用いるための視差画像を出力する画素１２について優先的に信号の読み出しを行い、その他の画素１２についてはオートフォーカス用の画素の読み出しがほとんど完了した後に読み出しを行う。すなわち、ＡＦ駆動行７２に属する画素１２については、図２１に示すように、撮像駆動行７４に属する画素１２よりも早いタイミングで信号の読み出しを行う。
【０１１９】
また、図２２に示すように、ＡＦ駆動行７２である第ｍ＋１行の画素１２については、ハイレベルの制御信号ＰＴｘ２＿Ａと制御信号ＰＴｘ２＿Ｂとを順次供給し、Ａ信号とＢ信号とを取得する。また、撮像駆動行７４である第ｍ行及び第ｍ＋２行の画素１２については、ハイレベルの制御信号ＰＴｘ２＿Ａと制御信号ＰＴｘ２＿Ｂとを同じタイミングで供給し、Ａ＋Ｂ信号を取得する。
【０１２０】
ＡＦ駆動行７２から取得する位相差オートフォーカス用の２種類の信号（Ａ信号とＢ信号）を加算することで撮像用の信号（Ａ＋Ｂ信号）として用いることも可能であるため、オートフォーカスを行いながら、高品位な画像を得ることが可能である。これらの動作を画素アレイ部１０の総ての画素行において行うことで、高性能なオートフォーカスを行いながら、広いダイナミックレンジの動画像を得ることができる。
【０１２１】
このように、本実施形態によれば、撮像面位相差オートフォーカス機能を備えた撮像装置において、高性能なオートフォーカスを行いながら、広いダイナミックレンジの動画像を得ることができる。
【０１２２】
［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による撮像システムについて、図２３を用いて説明する。図１乃至図２２に示す第１乃至第５実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図２３は、本実施形態による撮像システムの構成を示すブロック図である。
【０１２３】
上記第１乃至第５実施形態で述べた撮像装置１００は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像システムとしては、特に限定されるものではないが、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図２３には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。
【０１２４】
図２３に例示した撮像システム３００は、撮像装置１００、被写体の光学像を撮像装置１００に結像させるレンズ３０２、レンズ３０２を通過する光量を可変にするための絞り３０４、レンズ３０２の保護のためのバリア３０６を有する。レンズ３０２及び絞り３０４は、撮像装置１００に光を集光する光学系である。撮像装置１００は、第１乃至第５実施形態で説明した撮像装置１００であって、レンズ３０２により結像された光学像を画像データに変換する。
【０１２５】
撮像システム３００は、また、撮像装置１００より出力される信号の処理を行う信号処理部３０８を有する。信号処理部３０８は、撮像装置１００が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換を行う。また、信号処理部３０８は、その他、必要に応じて各種の補正処理や圧縮処理を行って画像データを出力する動作を行う。信号処理部３０８の一部であるＡＤ変換部は、撮像装置１００が設けられた半導体基板に形成されていてもよいし、撮像装置１００とは別の半導体基板に形成されていてもよい。また、撮像装置１００と信号処理部３０８とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。
【０１２６】
撮像システム３００は、さらに、各種演算の実行やデジタルスチルカメラ全体の動作を制御する全体制御・演算部３１８、撮像装置１００及び信号処理部３０８に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部３２０を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム３００は少なくとも撮像装置１００と、撮像装置１００から出力された信号を処理する信号処理部３０８とを有すればよい。
【０１２７】
撮像システム３００は、さらに、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部３１０、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（外部Ｉ／Ｆ部）３１２を有する。さらに撮像システム３００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記録媒体３１４、記録媒体３１４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（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）３１６を有する。記録媒体３１４は、撮像システム３００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。
【０１２８】
撮像装置１００は、画像用信号（Ａ＋Ｂ信号）及び焦点検出用信号（Ａ信号及びＢ信号）を信号処理部３０８に出力する。信号処理部３０８は、撮像装置１００から出力される画像用信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを生成する。また、信号処理部３０８は、焦点検出用信号を用いて合焦しているか否かを検出する。信号処理部３０８が合焦していないことを検出した場合には、全体制御・演算部３１８は、合焦する方向に光学系を駆動する。再び信号処理部３０８は、撮像装置１００から出力される焦点検出用信号を用いて合焦しているか否かを検出する。以下、撮像装置１００、信号処理部３０８、全体制御・演算部３１８は、合焦するまでこの動作を繰り返す。ワイドダイナミックレンジ画像を取得する場合にあっては、全体制御・演算部３１８は、短秒蓄積信号に基づく画像データと、長秒蓄積信号に基づく画像データとを合成する処理を実施する。
【０１２９】
第１乃至第５実施形態による撮像装置１００を適用することにより、高速かつ高精度なオートフォーカスを行いながら広いダイナミックレンジを有する動画像を取得しうる撮像システムを実現することができる。
【０１３０】
［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、信号電荷として電子を生成する光電変換部Ｄ１，Ｄ２を用いた撮像装置を例にして説明したが、信号電荷として正孔を生成する光電変換部Ｄ１，Ｄ２を用いた撮像装置についても同様に適用可能である。この場合、画素１２を構成するトランジスタの導電型は、逆導電型になる。なお、上記実施形態に記載したトランジスタのソースとドレインの呼称は、トランジスタの導電型や着目する機能等に応じて異なることもあり、上述のソース及びドレインの全部又は一部が逆の名称で呼ばれることもある。
【０１３１】
また、上記実施形態では、２つの光電変換部Ｄ１，Ｄ２を有する画素１２について説明したが、１つの画素１２に含まれる光電変換部の数は、３つ以上であってもよい。また、１つの画素１２に必ずしも複数の光電変換部を設ける必要はなく、光電変換部上を覆う遮光膜等によって、画素１２毎に異なる瞳領域の光を受光するように構成してもよい。
【０１３２】
また、第６実施形態に示した撮像システムは、本発明の撮像装置を適用しうる撮像システムの一例を示したものであり、本発明の撮像装置を適用可能な撮像システムは図１６に示した構成に限定されるものではない。
【０１３３】
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【０１３４】
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】
【０１３５】
Ｄ１，Ｄ２…光電変換部
Ｃ１，Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３，Ｃ３１，Ｃ３２…保持部
Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ１４，Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３，Ｍ２４…転送トランジスタ
Ｍ３，Ｍ３１，Ｍ３２…リセットトランジスタ
Ｍ４，Ｍ４１，Ｍ４２…増幅トランジスタ
Ｍ５，Ｍ５１，Ｍ５２…選択トランジスタ
Ｍ６１，Ｍ６２…電荷排出トランジスタ
１０…画素アレイ部
１２…画素
１４…制御信号線
１６，１６１，１６２…出力線
７２…ＡＦ駆動行
７４…撮像駆動行
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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