(57)【要約】【課題】画素の微細化及び暗時ランダムノイズ特性の向上を両立させることができる撮像装置を提供することを課題とする。【解決手段】撮像装置は、光を電荷に変換するｎ個の光電変換部と、ｎ個の光電変換部の電荷を第１の電荷蓄積部に転送するためのｎ個の第１の転送スイッチと、ｎ個の光電変換部の電荷を第２の電荷蓄積部に転送するためのｎ個の第２の転送スイッチとを有し、第１の電荷蓄積部及び第２の電荷蓄積部の飽和電荷量は、それぞれ、ｎ個の光電変換部のうちの１個の光電変換部の飽和電荷量に対して１倍より大きくかつｎ倍未満であり、第１のモードでは、ｎ個の第１の転送スイッチのうちの１個の第１の転送スイッチがｎ個の光電変換部のうちの１個の光電変換部の電荷を第１の電荷蓄積部に転送し、ｎ個の第２の転送スイッチのうちの１個の第２の転送スイッチがｎ個の光電変換部のうちの他の１個の光電変換部の電荷を第２の電荷蓄積部に転送する。【選択図】図８
2016184868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を電荷に変換するｎ個（ｎは２以上の整数）の光電変換部と、
電荷を蓄積する第１の電荷蓄積部と、
電荷を蓄積する第２の電荷蓄積部と、
前記ｎ個の光電変換部の電荷を前記第１の電荷蓄積部に転送するためのｎ個の第１の転送スイッチと、
前記ｎ個の光電変換部の電荷を前記第２の電荷蓄積部に転送するためのｎ個の第２の転送スイッチとを有し、
前記第１の電荷蓄積部の飽和電荷量及び前記第２の電荷蓄積部の飽和電荷量は、それぞれ、前記ｎ個の光電変換部のうちの１個の光電変換部の飽和電荷量に対して１倍より大きくかつｎ倍未満であり、
第１のモードでは、
前記ｎ個の第１の転送スイッチのうちの１個の第１の転送スイッチが前記ｎ個の光電変換部のうちの１個の光電変換部の電荷を前記第１の電荷蓄積部に転送し、
前記ｎ個の第２の転送スイッチのうちの１個の第２の転送スイッチが前記ｎ個の光電変換部のうちの他の１個の光電変換部の電荷を前記第２の電荷蓄積部に転送することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
さらに、パルス光を発光する発光装置を有し、
第２のモードでは、
前記ｎ個の第１の転送スイッチのうちの少なくとも１個の第１の転送スイッチがオンし、
その後、前記発光装置が前記パルス光の発光を開始し、
その後、前記少なくとも１個の第１の転送スイッチがオフし、前記ｎ個の第２の転送スイッチのうちの少なくとも１個の第２の転送スイッチがオンし、
その後、前記発光装置が前記パルス光の発光を終了し、
その後、前記少なくとも１個の第２の転送スイッチがオフし、
前記少なくとも１個の第１の転送スイッチ及び前記少なくとも１個の第２の転送スイッチは、それぞれ、同一の前記光電変換部の電荷を前記第１の電荷蓄積部及び前記第２の電荷蓄積部に転送す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ｎ個は２個であり、
前記第２のモードでは、
２個の前記第１の転送スイッチがオンし、
その後、前記発光装置が前記パルス光の発光を開始し、
その後、前記２個の第１の転送スイッチがオフし、２個の前記第２の転送スイッチがオンし、
その後、前記発光装置が前記パルス光の発光を終了し、
その後、前記２個の第２の転送スイッチがオフすることを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第１のモードでは、前記発光装置は、前記パルス光を発光しないことを特徴とする請求項２又は３記載の撮像装置。
【請求項５】
前記少なくとも１個の第１の転送スイッチの数及び前記少なくとも１個の第２の転送スイッチの数は、前記パルス光の反射光量に応じて変化することを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
【請求項６】
さらに、前記パルス光の反射光量を検出する検出部を有することを特徴とする請求項５記載の撮像装置。
【請求項７】
光を電荷に変換するｎ個（ｎは２以上の整数）の光電変換部と、
電荷を蓄積する第１の電荷蓄積部と、
電荷を蓄積する第２の電荷蓄積部と、
前記ｎ個の光電変換部の電荷を前記第１の電荷蓄積部に転送するためのｎ個の第１の転送スイッチと、
前記ｎ個の光電変換部の電荷を前記第２の電荷蓄積部に転送するためのｎ個の第２の転送スイッチとを有する撮像装置の駆動方法であって、
前記第１の電荷蓄積部の飽和電荷量及び前記第２の電荷蓄積部の飽和電荷量は、それぞれ、前記ｎ個の光電変換部のうちの１個の光電変換部の飽和電荷量に対して１倍より大きくかつｎ倍未満であり、
第１のモードでは、
前記ｎ個の第１の転送スイッチのうちの１個の第１の転送スイッチが前記ｎ個の光電変換部のうちの１個の光電変換部の電荷を前記第１の電荷蓄積部に転送するステップと、
前記ｎ個の第２の転送スイッチのうちの１個の第２の転送スイッチが前記ｎ個の光電変換部のうちの他の１個の光電変換部の電荷を前記第２の電荷蓄積部に転送するステップと
を有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、撮像装置及び撮像装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子カメラ等の撮像装置において、光の強度分布のみならず光の入射方向や距離情報をも取得可能な撮像装置が提案されている。特許文献１では、撮像装置において、瞳分割方式の焦点検出が可能な撮像素子を用いた技術が開示されている。特許文献１によると、撮像素子の１つの画素は２つのフォトダイオードを有しており、各フォトダイオードは１つのマイクロレンズによって撮影レンズの異なる瞳を通過した光を受光する。したがって、２つのフォトダイオードからの出力信号波形を比較することで、撮像面位相差オートフォーカス（ＡＦ：自動焦点調節）が可能となる。また、２つのフォトダイオードからの出力信号を加算することで、通常の撮影画像を得ることができる。
【０００３】
一方、特許文献２では、撮像装置において、いわゆる光走行時間法（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）方式の測距が可能な技術が開示されている。特許文献２によると、撮像素子の１つの画素は１つのフォトダイオードに対して２つのフローティングディフュージョン（以下ＦＤという）と２つの転送スイッチを有している。そして、投射光のパルスタイミングに同期し、２つの転送スイッチを交互に開閉させることで、反射光により発生した電荷を１つのフォトダイオードから２つのＦＤへ配分する。その電荷の配分比から被写体までの距離を推定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１２４９８４号公報
【特許文献２】特許第５１１０５１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、瞳分割方式の焦点調節は、被写体の明暗を用いたコントラスト方式等に比べて焦点調節の高速化が可能であるが、被写界深度が深い状況や、また画像周辺部などの光学的な諸条件によっては画像の位相差が得られにくい。そのため、良好な焦点調節用画像の取得が難しい場合がある。一方、光走行時間法では、画像周辺部でも画素単位で距離情報の取得が可能である。したがって、両者を適切に組み合わせることで、光学的な諸条件に応じた好適な距離測定が可能となる。
【０００６】
しかし、瞳分割方式の焦点調節に対応した撮像素子を用いて光走行時間法方式の測距を実現しようとすると、１つのフォトダイオードにそれぞれ転送スイッチ及び電荷蓄積部を新しく付加する必要があり、画素の微細化が困難になるという課題がある。また、画素を微細化するために電荷蓄積部を共有するなどしても、２つのフォトダイオードで発生する電荷に対応した電荷蓄積部を必要とするため、変換ゲインを大きく取ることができない。その結果、暗時ランダムノイズ特性を向上させることが困難である。
【０００７】
本発明の目的は、画素の微細化及び暗時ランダムノイズ特性の向上を両立させることができる撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の撮像装置は、光を電荷に変換するｎ個（ｎは２以上の整数）の光電変換部と、電荷を蓄積する第１の電荷蓄積部と、電荷を蓄積する第２の電荷蓄積部と、前記ｎ個の光電変換部の電荷を前記第１の電荷蓄積部に転送するためのｎ個の第１の転送スイッチと、前記ｎ個の光電変換部の電荷を前記第２の電荷蓄積部に転送するためのｎ個の第２の転送スイッチとを有し、前記第１の電荷蓄積部の飽和電荷量及び前記第２の電荷蓄積部の飽和電荷量は、それぞれ、前記ｎ個の光電変換部のうちの１個の光電変換部の飽和電荷量に対して１倍より大きくかつｎ倍未満であり、第１のモードでは、前記ｎ個の第１の転送スイッチのうちの１個の第１の転送スイッチが前記ｎ個の光電変換部のうちの１個の光電変換部の電荷を前記第１の電荷蓄積部に転送し、前記ｎ個の第２の転送スイッチのうちの１個の第２の転送スイッチが前記ｎ個の光電変換部のうちの他の１個の光電変換部の電荷を前記第２の電荷蓄積部に転送することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、画素の微細化及び暗時ランダムノイズ特性の向上を両立させ、画質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】撮像素子の画素の配置を示す図である。
【図３】撮影レンズの射出瞳から出た光束が単位画素に入射する概念図である。
【図４】第１の実施形態による単位画素の構成例を示すレイアウト図である。
【図５】第１の実施形態による単位画素の構成例を示す回路図である。
【図６】第１の実施形態による撮像素子の構成例を示す図である。
【図７】パルスタイミングと投射光との関係を説明する図である。
【図８】画素のポテンシャル（容量）の関係を説明する図である。
【図９】第１の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図１０】第２の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図１１】電荷移動を説明する図である。
【図１２】第２の実施形態による単位画素の構成例を示すレイアウト図である。
【図１３】電荷移動を説明する図である。
【図１４】第２の駆動方法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】
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による撮像装置１００の構成例を示すブロック図である。撮影レンズ１０１を通過した光は、撮影レンズ１０１の焦点位置近傍に結像する。絞り２０４は、撮影レンズ１０１及びマイクロレンズアレイ１０２の間に設けられる。マイクロレンズアレイ１０２は、複数のマイクロレンズ１０２０を有し、撮影レンズ１０１の焦点位置近傍に配置されることで、撮影レンズ１０１の異なる瞳領域を通過した光を瞳領域毎に分割して出射する。撮像素子１０３は、ＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子であり、光像を電気信号に変換する。撮像素子１０３は、複数のマイクロレンズ１０２０に対応して複数の単位画素２００（図２）を有し、マイクロレンズ１０２０で瞳領域毎に分割された光を、分割情報を保ったまま受光し、データ処理可能な画像信号に変換する。
【００１２】
アナログ信号処理回路（ＡＦＥ）１０４は、撮像素子１０３から出力される画像信号に対して、相関二重サンプリング処理、信号増幅、基準レベル調整、アナログ／デジタル変換処理等を行う。デジタル信号処理回路（ＤＦＥ）１０５は、アナログ信号処理回路１０４から出力される画像信号に対して、基準レベル調整等のデジタル画像処理を行う。なお、ＡＦＥ１０４の各要素は、撮像素子１０３に内蔵される構成であってもかまわない。
【００１３】
画像処理回路１０６は、デジタル信号処理回路１０５から出力された画像信号に対して、後述するＡ像及びＢ像の相関演算、焦点検出、所定の画像処理、及び欠陥補正等を行う。メモリ回路１０７及び記録回路１０８は、画像処理回路１０６から出力された画像信号等を記録保持する不揮発性メモリあるいはメモリカード等の記録媒体である。
【００１４】
制御回路１０９は、撮影レンズ１０１、撮像素子１０３、画像処理回路１０６、表示回路１１１及び発光装置１１２等を統括的に駆動及び制御する。操作回路１１０は、撮像装置１００に備え付けられた操作部材からの信号を入力し、制御回路１０９に対してユーザーの命令を出力する。表示回路１１１は、撮影後の画像、ライブビュー画像、及び各種設定画面等を表示する。発光装置１１２は、制御回路１０９からの信号ＰＬＩＧＨＴ（図７）に応じてパルス光を発光する。
【００１５】
次に、撮影レンズ１０１、マイクロレンズアレイ１０２及び撮像素子１０３の関係と、単位画素の定義、及び瞳分割方式による焦点検出の原理を説明する。
【００１６】
図２は、撮像素子１０３及びマイクロレンズ１０２０を図１の光軸Ｚ方向から観察した図である。撮像素子１０３は、行列状に配置された複数の単位画素２００を有する。複数の単位画素２００の各々は、複数のマイクロレンズ１０２０の各々に対応して設けられ、２個の分割画素２０１Ａ及び２０１Ｂを有する。２個の分割画素２０１Ａ及び２０１Ｂは、１個のマイクロレンズ１０２０に対応して配置される。２個の分割画素２０１Ａ及び２０１Ｂは、単位画素２００内で図３のＸ軸方向（図２の水平方向）に分割して設けられる。
【００１７】
図３は、撮影レンズ１０１から出射された光が１つのマイクロレンズ１０２０を通過して撮像素子１０３により受光される様子を光軸Ｚに対して垂直方向（Ｙ軸方向）から観察した図である。撮影レンズ１０１は、瞳領域２０２及び２０３を有する。瞳領域２０２及び２０３を通過した光は、光軸Ｚを中心とする単位画素２００に入射する。瞳領域２０２を通過する光束は、マイクロレンズ１０２０を通して分割画素２０１Ａにより受光される。瞳領域２０３を通過する光束は、マイクロレンズ１０２０を通して分割画素２０１Ｂにより受光される。したがって、分割画素２０１Ａ及び２０１Ｂは、それぞれ、撮影レンズ１０１の異なる瞳領域２０２及び２０３の光を受光している。
【００１８】
以下、複数の単位画素２００内の分割画素２０１Ａの信号により形成される画像をＡ像と呼び、複数の単位画素２００内の分割画素２０１Ｂの信号により形成される画像をＢ像と呼ぶ。Ａ像及びＢ像に対して相関演算を実施し、像のずれ量（位相差）を検出する。さらに、像のずれ量に対して撮影レンズ１０１の焦点位置と光学系から決まる変換係数を乗じることで、被写体までの距離に対応した焦点位置を算出することができる。ここで算出された焦点位置を基に撮影レンズ１０１のフォーカスを制御することで、自動焦点検出（オートフォーカス）が可能となる。また、Ａ像の信号とＢ像の信号との足し合わせをＡ＋Ｂ像信号とすることで、このＡ＋Ｂ像信号を通常の撮影画像に用いることができる。
【００１９】
図４は、単位画素２００の構成例を示すレイアウト図である。複数の単位画素２００の各々は、２個のフォトダイオード３０１Ａ，３０１Ｂと、４個の転送スイッチ３０２Ａ〜３０２Ｄと、２個のフローティングディフュージョン（以下ＦＤという）３０３Ａ，３０３Ｂとを有する。２個のフォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂは、同一のマイクロレンズ１０２０を通過した光を受光し、その受光した光を電荷に変換する光電変換部である。フォトダイオード３０１Ａは図２及び図３の分割画素２０１Ａに対応し、フォトダイオード３０１Ｂは図２及び図３の分割画素２０１Ｂに対応する。転送スイッチ３０２Ａは、フォトダイオード３０１Ａ及びＦＤ３０３Ａの間に設けられる。転送スイッチ３０２Ｂは、フォトダイオード３０１Ｂ及びＦＤ３０３Ａの間に設けられる。転送スイッチ３０２Ｃは、フォトダイオード３０１Ａ及びＦＤ３０３Ｂの間に設けられる。転送スイッチ３０２Ｄは、フォトダイオード３０１Ｂ及びＦＤ３０３Ｂの間に設けられる。ＦＤ３０３Ａは、転送スイッチ３０２Ａ及び３０２Ｂにより、フォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂ間で共有される。ＦＤ３０３Ｂは、転送スイッチ３０２Ｃ及び３０２Ｄにより、フォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂ間で共有される。本実施形態は、ＦＤを共有しない場合に比べて、レイアウトの効率化を実現している。本実施形態の効果としては、例えば、後述の図５のように、列出力線（垂直出力線）３０７Ａ及び３０７Ｂを４本から２本に減らすことができる。
【００２０】
図５は、単位画素２００の構成例を示す回路図である。フォトダイオード３０１Ａのアノードは、グランド電位ノードに接続され、光を電荷に変換して蓄積する光電変換部である。転送スイッチ３０２Ａは、信号ＰＴＸＡに応じて、フォトダイオード３０１Ａの電荷をＦＤ３０３Ａに転送する。ＦＤ３０３Ａは、電荷を蓄積する第１の電荷蓄積部である。転送スイッチ３０２Ｃは、信号ＰＴＸＣに応じて、フォトダイオード３０１Ａの電荷をＦＤ３０３Ｂに転送する。ＦＤ３０３Ｂは、電荷を蓄積する第２の電荷蓄積部である。
【００２１】
フォトダイオード３０１Ｂのアノードは、グランド電位ノードに接続され、光を電荷に変換して蓄積する光電変換部である。転送スイッチ３０２Ｂは、信号ＰＴＸＢに応じて、フォトダイオード３０１Ｂの電荷をＦＤ３０３Ａに転送する。転送スイッチ３０２Ｄは、信号ＰＴＸＤに応じて、フォトダイオード３０１Ｂの電荷をＦＤ３０３Ｂに転送する。
【００２２】
ソースフォロアアンプ３０５Ａは、ＦＤ３０３Ａに蓄積されている電荷に応じた電圧を出力する。セレクトスイッチ３０６Ａは、信号ＰＳＥＬに応じて、ソースフォロアアンプ３０５Ａの出力信号を列出力線３０７Ａに出力する。リセットスイッチ３０４Ａは、信号ＰＲＥＳに応じて、ＦＤ３０３Ａを電源電位ノードＶＤＤに接続することにより、ＦＤ３０３Ａの電荷をリセットする。
【００２３】
ソースフォロアアンプ３０５Ｂは、ＦＤ３０３Ｂに蓄積されている電荷に応じた電圧を出力する。セレクトスイッチ３０６Ｂは、信号ＰＳＥＬに応じて、ソースフォロアアンプ３０５Ｂの出力信号を列出力線３０７Ｂに出力する。リセットスイッチ３０４Ｂは、信号ＰＲＥＳに応じて、ＦＤ３０３Ｂを電源電位ノードＶＤＤに接続することにより、ＦＤ３０３Ｂの電荷をリセットする。
【００２４】
図６は、撮像素子１０３の構成例を示す図である。撮像素子１０３は、画素部４００、垂直シフトレジスタ４０１、列回路４０３、水平シフトレジスタ４０４、行出力線（水平出力線）４０５，４０６、差分出力回路４０７、及び電流源４１９を有する。画素部４００は、行列状に配置された複数の単位画素２００を有する。なお、図６では、画素部４００は、４行３列の計１２個の単位画素２００を有するが、実際には数百万〜数千万の単位画素２００を有する。また、複数の単位画素２００は、ベイヤー配列に従って並べられ、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタが設けられる。なお、図１の発光装置１１２が赤外光を発光するため、また、その赤外光の反射光の受光効率を上げることを目的として、赤外フィルタや透明フィルタを形成した単位画素２００を配置してもよい。列出力線３０７Ａ及び３０７Ｂは、単位画素２００の列毎に設けられ、単位画素２００の各列に共通に接続される。列出力線３０７Ａ及び３０７Ｂには、それぞれ、電流源４１９が接続される。垂直シフトレジスタ４０１は、行毎の信号線４０２を介して、単位画素２００の行を選択及び駆動する。選択された行の単位画素２００は、列毎に、列出力線３０７Ａ及び３０７Ｂに信号を出力する。
【００２５】
列回路４０３は、各列の列出力線３０７Ａ及び３０７Ｂに別々に設けられる。次に、列出力線３０７Ａに接続される列回路４０３の構成を例に説明する。列回路４０３は、クランプ容量４０８、フィードバック容量４０９、オペアンプ４１０、スイッチ４１２、容量４１３，４１４、及びスイッチ４１５〜４１８を有する。スイッチ４１２は、信号ＰＣ０Ｒに応じて、フィードバック容量４０９の両端をショートさせるためのスイッチである。容量４１３及び４１４は、信号を保持する。基準電圧Ｖｒｅｆは、オペアンプ４１０に入力される。スイッチ４１５は、信号ＰＴＳに応じて、オペアンプ４１０の出力信号を容量４１３に書き込む。スイッチ４１６は、信号ＰＴＮに応じて、オペアンプ４１０の出力信号を容量４１４に書き込む。スイッチ４１７は、水平シフトレジスタ４０４からの信号ＰＨＳに応じて、容量４１３に保持されている信号を行出力線４０５に転送する。スイッチ４１８は、水平シフトレジスタ４０４からの信号ＰＨＮに応じて、容量４１４に保持されている信号を行出力線４０６に転送する。水平シフトレジスタ４０４は、各列の列回路４０３の容量４１３及び４１４の信号を順に行出力線４０５及び４０６に転送する。差分出力回路４０７は、行出力線４０５及び４０６の信号の差分を出力する。
【００２６】
ここで、図３の分割画素２０１Ａ及び２０１Ｂを用いた焦点検出では、光学的な諸条件によっては位相差検出が難しい場合が想定される。本実施形態は、位相差検出による焦点検出の他、光走行時間法による焦点検出を行い、撮影レンズ１０１のフォーカスを制御する。そこで、撮像装置１００の光走行時間法について、図７のタイミングチャートを用いて、その測距原理を説明する。
【００２７】
図７は、光走行時間法により被写体までの距離を検出する方法を説明するためのタイミングチャートである。以下、フォトダイオード３０１Ａの系統を例に示し、フォトダイオード３０１Ｂの系統をかっこ書きで示す。フォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂの系統は、いずれか一方の系統を使用してもよいし、両方の系統を使用してもよい。
【００２８】
時刻ｔ０では、信号ＰＬＩＧＨＴがローレベルであり、発光装置１１２は発光していない状態である。また、信号ＰＴＸＡ（ＰＴＸＢ）がローレベルであり、転送スイッチ３０２Ａ（３０２Ｂ）がオフである。また、信号ＰＴＸＣ（ＰＴＸＤ）がローレベルであり、転送スイッチ３０２Ｃ（３０２Ｄ）がオフである。
【００２９】
時刻ｔ１では、信号ＰＴＸＡ（ＰＴＸＢ）がハイレベルになり、転送スイッチ３０２Ａ（３０２Ｂ）がオンになる。次に、時刻ｔ２では、信号ＰＬＩＧＨＴがハイレベルになり、発光装置１１２はパルス光の発光を開始する。次に、時刻ｔ３では、信号ＰＴＸＡ（ＰＴＸＢ）がローレベルになり、転送スイッチ３０２Ａ（３０２Ｂ）がオフになり、信号ＰＴＸＣ（ＰＴＸＤ）がハイレベルになり、転送スイッチ３０２Ｃ（３０２Ｄ）がオンになる。次に、時刻ｔ４では、信号ＰＬＩＧＨＴがローレベルになり、発光装置１１２はパルス光の発光を終了する。次に、時刻ｔ５では、信号ＰＴＸＣ（ＰＴＸＤ）がローレベルになり、転送スイッチ３０２Ｃ（３０２Ｄ）がオフになる。
【００３０】
転送スイッチ３０２Ａ（３０２Ｂ）がオンしている期間ｔ１〜ｔ３の長さは、転送スイッチ３０２Ｃ（３０２Ｄ）がオンしている期間ｔ３〜ｔ５の長さと同じである。期間ｔ１〜ｔ３では、転送スイッチ３０２Ａ（３０２Ｂ）は、フォトダイオード３０１Ａ（３０１Ｂ）の電荷をＦＤ３０３Ａに転送し、その電荷に応じた電圧を列出力線３０７Ａに出力する。期間ｔ３〜ｔ５では、転送スイッチ３０２Ｃ（３０２Ｄ）は、フォトダイオード３０１Ａ（３０１Ｂ）の電荷をＦＤ３０３Ｂに転送し、その電荷に応じた電圧を列出力線３０７Ｂに出力する。
【００３１】
発光装置１１２は、期間ｔ２〜ｔ４でパルス光を発光する。撮像装置１００から被写体までの距離がゼロの場合には、反射光は信号ＰＬＩＧＨＴのハイレベル期間ｔ２〜ｔ４と同じ期間に受光される。期間ｔ２〜ｔ３の反射光は、信号ＰＴＸＡ（ＰＴＸＢ）により、列出力線３０７Ａの信号として出力される。期間ｔ３〜ｔ４の反射光は、信号ＰＴＸＣ（ＰＴＸＤ）により、列出力線３０７Ｂの信号として出力される。この列出力線３０７Ａ及び３０７Ｂの信号は、相互に同じ信号になる。
【００３２】
これに対し、撮像装置１００から被写体までの距離がゼロでない場合、図７のように、反射光は、信号ＰＬＩＧＨＴのハイレベル期間ｔ２〜ｔ４に対して、（ｔ２’−ｔ２）分だけ遅れ、期間ｔ２’〜ｔ４’に受光される。その結果、期間ｔ２’〜ｔ３の反射光は、信号ＰＴＸＡ（ＰＴＸＢ）により、列出力線３０７Ａの信号として出力される。期間ｔ３〜ｔ４’の反射光は、信号ＰＴＸＣ（ＰＴＸＤ）により、列出力線３０７Ｂの信号として出力される。列出力線３０７Ａの信号は、列出力線３０７Ｂの信号より小さくなる。画像処理回路１０６は、列出力線３０７Ａ及び３０７Ｂの信号の比を基に、信号ＰＬＩＧＨＴのハイレベル期間ｔ２〜ｔ４に対する反射光の遅延時間を推定し、その遅延時間と光速との積を基に撮像装置１００から被写体までの距離を算出することができる。
【００３３】
図８（Ａ）及び（Ｂ）は、図４の領域ＡＡのフォトダイオード３０１Ａ，３０１Ｂ、ＦＤ３０３Ａ及び転送スイッチ３０２Ａ，３０２Ｂのポテンシャルを表す図である。図８（Ａ）は、比較例によるポテンシャルを示す。２個のフォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂは、１個のＦＤ３０３Ａを共有する。その場合、１個のＦＤ３０３Ａ当たりの変換ゲインは、１個のフォトダイオードがＦＤ３０３Ａに接続された場合の変換ゲインの１／２倍以下に構成する必要がある。よって、単位画素２００の微細化のためにＦＤを共有する場合、暗時ランダムノイズ特性を低下させるという課題がある。
【００３４】
ここで、変換ゲインは、１個のフォトダイオードの飽和電荷量をＱ、１個のＦＤの静電容量をＣ、回路のダイナミックレンジをＶとしたとき、１／Ｃ＝Ｖ／Ｑで定義される。前述の１／２倍とは、変換電圧を回路のダイナミックレンジＶ（＝一定）に収めるために、飽和電荷量Ｑが２倍になれば静電容量Ｃを２倍にする必要がある。これは、１個のＦＤ３０３Ａを共有する２個のフォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂの飽和電荷が同時にＦＤ３０３Ａに転送される場合に起こりうる。言い換えれば、所定電圧以上を生ずる電荷が転送された場合にＦＤ３０３Ａが溢れてしまうことを意味する。よって、１個のＦＤ３０３Ａ当たりの飽和電荷量は、１個のフォトダイオード当たりの飽和電荷量の２倍以上と表現することもできる。
【００３５】
図８（Ｂ）は、本実施形態によるポテンシャルを示す。本実施形態では、１個のＦＤ３０３Ａ当たりの変換ゲインは、１個のフォトダイオードがＦＤ３０３Ａに接続された場合の変換ゲインの１／２倍より大きく１倍以下に構成することが特徴である。これは、１個のＦＤ当たりの飽和電荷量は、１個のフォトダイオード当たりの飽和電荷量に対して１倍より大きくかつ２倍未満と表現することができる。本実施形態において、変換ゲインが１／２倍より大きくてよい理由は、後述の図９及び図１０のタイミングチャートの説明後、別途図１１を用いて説明する。本実施形態は、このように変換ゲインを上げた構成とすることで、暗時ランダムノイズ特性の低下を抑制することができる。
【００３６】
本実施形態の撮像素子１０３は、通常撮影及び図３の位相差検出による測距時には後述の図９のタイミングチャートにより駆動し、図７の光走行時間法による測距時には後述の図１０のタイミングチャートにより駆動する。
【００３７】
図９は、通常撮影及び位相差検出による測距時における撮像装置１００の第１の駆動方法（第１のモード）を示すタイミングチャートである。第１の駆動方法は、フォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂで発生した電荷を異なるＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂに同時に転送する方法である。信号ＰＬＩＧＨＴは、ローレベルであるので、発光装置１１２は、パルス光を発光しない。
【００３８】
期間ＨＢＬＫは、時刻ｔ０〜ｔ１６の期間である。時刻ｔ０では、信号ＰＲＥＳがハイレベルであり、リセットスイッチ３０４Ａ及び３０４Ｂがオンし、ＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂがリセットされる。次に、時刻ｔ１では、信号ＰＴＸＡ及びＰＴＸＤがハイレベルになり、転送スイッチ３０２Ａ及び３０２Ｄがオンし、フォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂがリセットされる。次に、時刻ｔ２では、信号ＰＴＸＡ及びＰＴＸＤがローレベルになり、フォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂは光電変換による電荷蓄積を開始する。ここで、時刻ｔ１〜ｔ２でリセットするためにオン／オフする転送スイッチ３０２Ａ及び３０２Ｄは、電荷蓄積後に時刻ｔ８〜ｔ１０で電荷転送に用いるものに限らず、信号ＰＴＸＢ及びＰＴＸＣに対応する転送スイッチ３０２Ｂ及び３０２Ｄでもよい。
【００３９】
次に、時刻ｔ３では、信号ＰＳＥＬがハイレベルになり、セレクトスイッチ３０６Ａ及び３０６Ｂがオンし、ソースフォロアアンプ３０５Ａ及び３０５Ｂが動作状態になる。次に、時刻ｔ４では、信号ＰＲＥＳがローレベルになり、リセットスイッチ３０４Ａ及び３０４Ｂがオフし、ＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂのリセットが解除される。このときのＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂの電圧は、それぞれ、列出力線３０７Ａ及び３０７Ｂにリセット信号レベル（ノイズ成分）として読み出され、列回路４０３に入力される。
【００４０】
次に、時刻ｔ５では、信号ＰＣ０Ｒがローレベルになり、スイッチ４１２がオフし、オペアンプ４１０のリセットが解除される。次に、時刻ｔ６では、信号ＰＴＮがハイレベルになり、スイッチ４１６がオンし、オペアンプ４１０の出力信号が容量４１４に書き込まれる。次に、時刻ｔ７では、信号ＰＴＮがローレベルになり、スイッチ４１６がオフし、容量４１４への書き込みが終了する。容量４１４には、リセット信号レベルが書き込まれる。
【００４１】
次に、時刻ｔ８では、信号ＰＴＸＡ及びＰＴＸＤがハイレベルになり、転送スイッチ３０２Ａ及び３０２Ｄがオンし、フォトダイオード３０１Ａの電荷はＦＤ３０３Ａに転送され、フォトダイオード３０１Ｂの電荷はＦＤ３０３Ｂに転送される。時刻ｔ１０では、信号ＰＴＸＡ及びＰＴＸＤがローレベルになり、転送スイッチ３０２Ａ及び３０２Ｄがオフし、ＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂへの転送が終了する。これにより、ＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂの電圧は、それぞれ、列出力線３０７Ａ及び３０７Ｂに光信号レベル（光成分＋ノイズ成分）として読み出され、列回路４０３に入力される。時刻ｔ１３では、信号ＰＴＳがハイレベルになり、スイッチ４１５がオンし、オペアンプ４１０の出力信号が容量４１３に書き込まれる。次に、時刻ｔ１４では、信号ＰＴＳがローレベルになり、スイッチ４１５がオフし、容量４１３への書き込みが終了する。容量４１３には、光信号レベルが書き込まれる。なお、容量４１３及び４１４に信号を書き込む際、オペアンプ４１０は、クランプ容量４０８とフィードバック容量４０９の比に応じた反転ゲインで信号を増幅する。
【００４２】
次に、時刻ｔ１５では、信号ＰＲＥＳがハイレベルになり、リセットスイッチ３０４Ａ及び３０４Ｂがオンし、ＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂがリセットされる。次に、時刻ｔ１６〜ｔ１７の期間ＨＳＲでは、信号ＰＨＳ及びＰＨＮのパルスが各列の列回路４０３に順に出力される。信号ＰＨＳ及びＰＨＮがハイレベルになると、スイッチ４１７及び４１８がオンし、容量４１３の光信号レベルは行出力線４０５に読み出され、容量４１４のリセット信号レベルは行出力線４０６に読み出される。差分出力回路４０７は、行出力線４０５の光信号レベル及び行出力線４０６のリセット信号レベルの差動信号（光成分）を出力する。
【００４３】
この後、画像処理回路１０６は、通常撮影として駆動される場合は、フォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂの信号を加算し、撮影画像とする。なお、通常撮影においては、フォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂのどちらか一方の信号を用いるか、読み出しそのものを一方にしてもよい。一方、位相差検出による測距時は、画像処理回路１０６は、図３で説明したように、前述したＡ像及びＢ像に対する相関演算を施し、被写体までの距離を算出し、制御回路１０９は距離を基に撮影レンズ１０１のフォーカスを制御する。また、この場合も、画像処理回路１０６は、距離算出後に、Ａ像とＢ像の信号を加算してもよい。
【００４４】
図１０は、光走行時間法による測距時における撮像装置１００の第２の駆動方法（第２のモード）を示すタイミングチャートである。第２の駆動方法は、１個のフォトダイオード３０１Ａで発生した電荷を異なるＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂに時分割で振り分けて転送する方法である。
【００４５】
時刻ｔ０の処理は、図９の時刻ｔ０の処理と同じである。次に、時刻ｔ１では、信号ＰＴＸＡ及びＰＴＸＣがハイレベルになり、転送スイッチ３０２Ａ及び３０２Ｃがオンし、フォトダイオード３０１Ａがリセットされる。次に、時刻ｔ２では、信号ＰＴＸＡ及びＰＴＸＣがローレベルになり、フォトダイオード３０１Ａは光電変換による電荷蓄積を開始する。
【００４６】
次に、時刻ｔ３〜ｔ７の処理は、図９の時刻ｔ３〜ｔ７の処理と同じである。次に、時刻ｔ８では、信号ＰＴＸＡがハイレベルになり、転送スイッチ３０２Ａがオンし、フォトダイオード３０１Ａの電荷はＦＤ３０３Ａに転送される。次に、時刻ｔ９では、信号ＰＬＩＧＨＴがハイレベルになり、発光装置１１２はパルス光の発光を開始する。次に、時刻ｔ１０では、信号ＰＴＸＡがローレベルになり、信号ＰＴＸＣがハイレベルになる。これにより、転送スイッチ３０２Ａがオフし、転送スイッチ３０２Ｃがオンする。フォトダイオード３０１ＡからＦＤ３０３Ａへの電荷転送が終了し、フォトダイオード３０１ＡからＦＤ３０５Ｂへの電荷転送が開始する。次に、時刻ｔ１１では、信号ＰＬＩＧＨＴがローレベルになり、発光装置１１２はパルス光の発光を終了する。次に、時刻ｔ１２では、信号ＰＴＸＣがローレベルになり、転送スイッチ３０２Ｃがオフし、フォトダイオード３０１ＡからＦＤ３０５Ｂへの電荷転送が終了する。これにより、ＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂの電圧は、それぞれ、列出力線３０７Ａ及び３０７Ｂに光信号レベル（光成分＋ノイズ成分）として読み出され、列回路４０３に入力される。
【００４７】
時刻ｔ１３では、信号ＰＴＳがハイレベルになり、スイッチ４１５がオンし、オペアンプ４１０の出力信号が容量４１３に書き込まれる。次に、時刻ｔ１４では、信号ＰＴＳがローレベルになり、スイッチ４１５がオフし、容量４１３への書き込みが終了する。容量４１３には、光信号レベルが書き込まれる。なお、容量４１３及び４１４に信号を書き込む際、オペアンプ４１０は、クランプ容量４０８とフィードバック容量４０９の比に応じた反転ゲインで信号を増幅する。
【００４８】
次に、時刻ｔ１５では、信号ＰＲＥＳがハイレベルになり、リセットスイッチ３０４Ａ及び３０４Ｂがオンし、ＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂがリセットされる。次に、時刻ｔ１６〜ｔ１７の期間ＨＳＲでは、信号ＰＨＳ及びＰＨＮのパルスが各列の列回路４０３に順に出力される。信号ＰＨＳ及びＰＨＮがハイレベルになると、スイッチ４１７及び４１８がオンし、容量４１３の光信号レベルは行出力線４０５に読み出され、容量４１４のリセット信号レベルは行出力線４０６に読み出される。差分出力回路４０７は、行出力線４０５の光信号レベル及び行出力線４０６のリセット信号レベルの差動信号（光成分）を出力する。
【００４９】
その後、画像処理回路１０６は、図７のように、列出力線３０７Ａ及び３０７Ｂの信号の比を基に、信号ＰＬＩＧＨＴのハイレベル期間に対する反射光の遅延時間を算出し、その遅延時間と光速との積を基に撮像装置１００から被写体までの距離を算出する。制御回路１０９は、その距離を基に撮影レンズ１０１のフォーカスを制御する。なお、画像処理回路１０６は、列出力線３０７Ａ及び３０７Ｂの信号を加算してもよい。また、上記の転送スイッチ３０２Ａ及び３０２Ｃの代わりに、転送スイッチ３０２Ｂ及び３０２Ｄを用いてもよい。
【００５０】
図１１（Ａ）は、図９の第１の駆動方法における図４の領域ＢＢのフォトダイオード３０１Ａ，３０１Ｂ、ＦＤ３０３Ａ，３０３Ｂ及び転送スイッチ３０２Ａ〜３０２Ｄのポテンシャルを表す図である。第１の駆動方法は、通常撮影及び位相差検出による測距時の駆動方法である。１個のフォトダイオード３０１Ａに対して１個の転送スイッチ３０２Ａ及び１個のＦＤ３０３Ａが用いられ、他の１個のフォトダイオード３０１Ｂに対して１個の転送スイッチ３０２Ｄ及び１個のＦＤ３０３Ｂが用いられる。フォトダイオード３０１Ａの電荷は、転送スイッチ３０２ＡによってＦＤ３０３Ａへ転送され、転送スイッチ３０２Ｂ及び３０２Ｃは常にオフ状態である。フォトダイオード３０１Ｂの電荷は、転送スイッチ３０２ＤによってＦＤ３０３Ｂへ転送され、転送スイッチ３０２Ｂ及び３０２Ｃは常にオフ状態である。したがって、ＦＤ３０３Ａは、最大で１個のフォトダイオード３０１Ａ分の飽和電荷のみ受け、ＦＤ３０３Ｂは、最大で１個のフォトダイオード３０１Ｂ分の飽和電荷のみ受ける。そのため、ＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂの静電容量Ｃは、それぞれ、１個のフォトダイオードに接続される。これは、１個のＦＤ当たりの変換ゲインは、１個のフォトダイオードがＦＤに接続された場合の変換ゲインの１倍にできることを意味する。逆に、変換ゲインの下限としては、例えば２個のフォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂの電荷が２個の転送スイッチ３０２Ａ及び３０２ＢによってＦＤ３０３Ａへ同時に転送する場合である。この場合は、ＦＤ３０３Ａの静電容量Ｃは、２個のフォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂに接続される。これは、１個のＦＤ当たりの変換ゲインは、１個のフォトダイオードがＦＤに接続された場合の変換ゲインの１／２倍になることを意味する。
【００５１】
図１１（Ｂ）は、図１０の第２の駆動方法における図４の領域ＣＣのフォトダイオード３０１Ａ，３０１Ｂ、ＦＤ３０３Ａ，３０３Ｂ及び転送スイッチ３０２Ａ〜３０２Ｄのポテンシャルを表す図である。第２の駆動方法は、光走行時間法による測距時の駆動方法である。１個のフォトダイオード３０１Ａに対して２個の転送スイッチ３０２Ａ，３０２Ｃ及び２個のＦＤ３０３Ａ，３０３Ｂが用いられる。フォトダイオード３０１Ａの電荷は、転送スイッチ３０２Ａ及び３０２ＣによってＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂへ振り分けられ、転送スイッチ３０２Ｂ及び３０２Ｄは常にオフである。そのため、フォトダイオード３０１Ｂの電荷転送は行われない。したがって、ＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂは、それぞれ、最大で１個のフォトダイオード３０１Ａ分の飽和電荷のみ受ける。ＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂの静電容量Ｃは、それぞれ、１個のフォトダイオード３０１Ａに接続される。これは、１個のＦＤ当たりの変換ゲインは、１個のフォトダイオードがＦＤに接続された場合の変換ゲインの１倍にできることを意味する。逆に、変換ゲインの下限としては、例えば、２個のフォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂを用いて電荷をＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂに振り分ける場合である。この場合は、ＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂの静電容量Ｃは、それぞれ、２個のフォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂに接続される。これは、１個のＦＤ当たりの変換ゲインは、１個のフォトダイオードがＦＤに接続された場合の変換ゲインの１／２倍になることを意味する。
【００５２】
以上のように、本実施形態では、変換ゲインを１個のフォトダイオードがＦＤに接続された場合の変換ゲインの１／２倍より大きく１倍以下にする。上記は、１個のＦＤ当たりの飽和電荷量が１個のフォトダイオード当たりの飽和電荷量に対して１倍より大きくかつ２倍未満であると表現することができる。すなわち、ＦＤ５０３Ａ及び５０３Ｂの飽和電荷量は、それぞれ、２個のフォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂのうちの１個のフォトダイオードの飽和電荷量に対して１倍より大きくかつ２倍未満である。その場合でも、通常撮影、位相差検出による測距、及び光走行時間法による測距の駆動を実施することが可能となる。なお、撮像素子１０３に要求される感度、測距精度等の範囲内で、変換ゲインを１倍に近い構成とすることが暗時ランダムノイズの観点から望ましい。本実施形態によれば、光学的な諸条件に応じた好適な距離測定が可能な撮像装置１００を提供する上で、画素の微細化と暗時ランダムノイズ特性の向上を両立し得る構成を提供することができる。
【００５３】
（第２の実施形態）
図１２は、本発明の第２の実施形態による単位画素２００の構成例を示すレイアウト図である。本実施形態（図１２）は、第１の実施形態（図４）に対して、単位画素２００内のフォトダイオード数をｎ個（ｎは２以上の整数）とする点が異なる。図１２では、例としてｎ＝４の場合を示す。以下、本実施形態が第１の実施形態と異なる点を説明する。単位画素２００は、ｎ個のフォトダイオード５０１Ａ１〜５０１Ａｎ、ｎ個の転送スイッチ５０２Ａ１〜５０２Ａｎ、ｎ個の転送スイッチ５０２Ｂ１〜５０２Ｂｎ及び２個のＦＤ５０３Ａ及び５０３Ｂを有する。ｎ個のフォトダイオード５０１Ａ１〜５０１Ａｎは、光を電荷に変換する光電変換部である。ｎ個の第１の転送スイッチ５０２Ａ１〜５０２Ａｎは、それぞれ、ｎ個のフォトダイオード５０１Ａ１〜５０１Ａｎの電荷をＦＤ５０３Ａに転送する。ＦＤ５０３Ａは、電荷を蓄積する第１の電荷蓄積部である。ＦＤ５０３Ｂは、電荷を蓄積する第２の電荷蓄積部である。ｎ個の第２の転送スイッチ５０２Ｂ１〜５０２Ｂｎは、それぞれ、ｎ個のフォトダイオード５０１Ａ１〜５０１Ａｎの電荷をＦＤ５０３Ｂに転送する。
【００５４】
本実施形態のように、１個のＦＤ５０３Ａに対してｎ個のフォトダイオード５０１Ａ１〜５０１Ａｎが共有し、他の１個のＦＤ５０３Ｂに対してｎ個のフォトダイオード５０１Ａ１〜５０１Ａｎが共有する。この場合、従来の考え方では、１個のＦＤ当たりの変換ゲインは、１個のフォトダイオードがＦＤに接続された場合の変換ゲインの１／ｎ倍以下に構成する必要があった。よって、画素の微細化のためにＦＤを共有する場合に暗時ランダムノイズ特性を低下させるという課題がある。
【００５５】
上記の１／ｎ倍とは、ＦＤの変換電圧を回路のダイナミックレンジＶ（＝一定）に収めるために、飽和電荷量Ｑがｎ倍になれば静電容量Ｃをｎ倍にする必要があることによるものである。これは、１個のＦＤに対して共有されるｎ個のフォトダイオードの飽和電荷が同時に１個のＦＤに転送される場合に起こりうる。言い換えれば、所定電圧以上を生ずる電荷が転送された場合にＦＤが溢れてしまうことを意味する。よって、上記は１個のＦＤ当たりの飽和電荷量が１個のフォトダイオード当たりの飽和電荷量のｎ倍以上と表現することもできる。
【００５６】
一方、本実施形態においては、１個のＦＤ当たりの変換ゲインは、１個のフォトダイオードがＦＤに接続された場合の変換ゲインの１／ｎ倍より大きく１倍以下に構成することが特徴である。上記は、１個のＦＤ当たりの飽和電荷量が１個のフォトダイオード当たりの飽和電荷量に対して１倍より大きくかつｎ倍未満であると表現することができる。すなわち、ＦＤ５０３Ａ及び５０３Ｂの飽和電荷量は、それぞれ、ｎ個のフォトダイオード５０１Ａ１〜５０１Ａｎのうちの１個のフォトダイオードの飽和電荷量に対して１倍より大きくかつｎ倍未満である。このように変換ゲインを上げた構成とすることで、暗時ランダムノイズ特性の低下を抑制することが可能である。
【００５７】
本実施形態の通常撮影及び位相差検出による測距時における動作は、第１の実施形態の動作と同様であり、例えばｎ個のフォトダイオードのうちの２個のフォトダイオードで発生した電荷を異なるＦＤに同時に転送する。また、本実施形態の光走行時間法による測距時における動作は、第１の実施形態の動作と同様であり、例えばｎ個のフォトダイオードのうちの１個のフォトダイオードで発生した電荷を異なるＦＤに振り分けて転送する。ここで、本実施形態において変換ゲインが１／ｎ倍より大きくてよい理由を図１３（Ａ）及び（Ｂ）を用いて説明する。
【００５８】
図１３（Ａ）は、図９の第１の駆動方法における図１２の領域ＤＤのポテンシャルを表す図である。第１の駆動方法は、通常撮影及び位相差検出による測距時の駆動方法である。１個のフォトダイオード５０１Ａ１に対して１個の転送スイッチ５０２Ａ１及び１個のＦＤ５０３Ａが用いられ、他の１個のフォトダイオード５０１Ａｎに対して１個の転送スイッチ５０２Ｂｎ及び１個のＦＤ５０３Ｂが用いられる。フォトダイオード５０１Ａ１の電荷は、転送スイッチ５０２Ａ１によってＦＤ５０３Ａへ転送され、転送スイッチ５０２Ａ２〜５０２Ａｎ，５０２Ｂ１は常にオフ状態である。フォトダイオード５０１Ａｎの電荷は、転送スイッチ５０２ＢｎによってＦＤ５０３Ｂへ転送され、転送スイッチ５０２Ａｎ，５０２Ｂ１〜Ｂｎ−１は常にオフ状態である。したがって、ＦＤ５０３Ａ及び５０３Ｂは、それぞれ、最大で１個のフォトダイオード５０１Ａ１又は５０１Ａｎ分の飽和電荷のみ受ける。そのため、ＦＤ５０３Ａ及び５０３Ｂの静電容量Ｃは、それぞれ、１個のフォトダイオードに接続される。これは、１個のＦＤ当たりの変換ゲインは１個のフォトダイオードがＦＤに接続された場合の変換ゲインの１倍にできることを意味する。逆に、変換ゲインの下限としては、例えば、ｎ個のフォトダイオード５０１Ａ１〜Ａｎの電荷が転送スイッチ５０２Ａ１〜５０２ＡｎによってＦＤ５０３Ａへ同時に転送される場合である。この場合、ＦＤ５０３Ａの静電容量Ｃは、ｎ個のフォトダイオードに接続される。これは、１個のＦＤ当たりの変換ゲインは１個のフォトダイオードがＦＤに接続された場合の変換ゲインの１／ｎ倍になることを意味する。
【００５９】
第１の駆動方法では、発光装置１１２は、パルス光を発光しない。ｎ個の第１の転送スイッチ５０２Ａ１〜５０２Ａｎのうちの１個の第１の転送スイッチ５０２Ａ１がｎ個のフォトダイオード５０１Ａ１〜５０１Ａｎのうちの１個のフォトダイオード５０１Ａ１の電荷をＦＤ５０３Ａに転送する。また、ｎ個の第２の転送スイッチ５０２Ｂ１〜５０２Ｂｎのうちの１個の第２の転送スイッチ５０２Ｂｎがｎ個のフォトダイオード５０１Ａ１〜５０１Ａｎのうちの他の１個のフォトダイオード５０１Ａｎの電荷をＦＤ５０３Ｂに転送する。
【００６０】
図１３（Ｂ）は、図１０の第２の駆動方法における図１２の領域ＥＥのポテンシャルを表す図である。第２の駆動方法は、光走行時間法による測距時の駆動方法である。１個のフォトダイオード５０１Ａ１に対して２個の転送スイッチ５０２Ａ１，５０２Ｂ１及び２個のＦＤ５０３Ａ及び５０３Ｂが用いられる。フォトダイオード５０１Ａ１の電荷は、転送スイッチ５０２Ａ１及び５０２Ｂ１によってＦＤ５０３Ａ及び５０３Ｂへ振り分けられ、転送スイッチ５０２Ａ２〜５０２Ａｎ，５０２Ｂ２〜５０２Ｂｎは常にオフ状態である。また、フォトダイオード５０１Ａ２〜５０１Ａｎの電荷転送は行われない。したがって、ＦＤ５０３Ａ及び５０３Ｂは、それぞれ、最大で１個のフォトダイオード５０１Ａ１分の飽和電荷のみ受ける。そのため、ＦＤ５０３Ａ及び５０３Ｂの静電容量Ｃは、それぞれ、１個のフォトダイオードに接続される。これは、１個のＦＤ当たりの変換ゲインは、１個のフォトダイオードがＦＤに接続された場合の変換ゲインの１倍にできることを意味する。逆に、変換ゲインの下限としては、例えば、ｎ個のフォトダイオード５０１Ａ１〜５０１ＡｎがＦＤに電荷を振り分ける場合である。この場合、ＦＤの静電容量Ｃは、ｎ個のフォトダイオードに接続される。これは、１個のＦＤ当たりの変換ゲインは１個のフォトダイオードがＦＤに接続された場合の変換ゲインの１／ｎ倍になることを意味する。
【００６１】
第２の駆動方法では、時刻ｔ８では、ｎ個の第１の転送スイッチ５０２Ａ１〜５０２Ａｎのうちの少なくとも１個の第１の転送スイッチ５０２Ａ１がオンする。その後、時刻ｔ９では、発光装置１１２がパルス光の発光を開始する。その後、時刻ｔ１０では、上記の少なくとも１個の第１の転送スイッチ５０２Ａ１がオフし、ｎ個の第２の転送スイッチ５０２Ｂ１〜５０２Ｂｎのうちの少なくとも１個の第２の転送スイッチ５０２Ｂ１がオンする。その後、時刻ｔ１１では、発光装置１１２がパルス光の発光を終了する。その後、時刻ｔ１２では、上記の少なくとも１個の第２の転送スイッチ５０２Ｂ１がオフする。上記の少なくとも１個の第１の転送スイッチ５０２Ａ１及び上記の少なくとも１個の第２の転送スイッチ５０２Ｂ１は、それぞれ、同一のフォトダイオード５０１Ａ１の電荷をＦＤ５０３Ａ及び５０３Ｂに転送する。
【００６２】
以上のように、本実施形態では、変換ゲインを１個のフォトダイオードがＦＤに接続された場合の１／ｎ倍より大きく１倍以下で構成しても、通常撮影、位相差検出による測距、及び光走行時間法による測距の駆動を実施することが可能となる。なお、上記の２個のフォトダイオード５０１Ａ１及び５０１Ａｎの代わりに、ｎ個のフォトダイオードのうちの他の２個の組み合わせを用いることができる。この組み合わせを決定する上では、撮像素子１０３に要求される感度、測距精度等の範囲内で、変換ゲインを１倍に近い構成とすることが暗時ランダムノイズの観点から望ましい。
【００６３】
（第３の実施形態）
図１４は、本発明の第３の実施形態による撮像装置１００の第２の駆動方法（第２のモード）を示すタイミングチャートである。第２の駆動方法は、図７の光走行時間法による測距時の駆動方法である。単位画素２００は、第１の実施形態（図４）と同様の構成を有する。本実施形態は、第１の実施形態に対して、光走行時間法による測距時においても２個のフォトダイオードを使用する点が異なる。つまり、２個のフォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂで発生した電荷は、２個のＦＤ３０３Ａ及び３０３Ｂに振り分けて転送される。以下、本実施形態が第１の実施形態と異なる点を説明する。
【００６４】
以下、図１４が図１０と異なる点を説明する。時刻ｔ１〜ｔ２では、信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢ、ＰＴＸＣ及びＰＴＸＤがハイレベルになり、４個の転送スイッチ３０２Ａ〜３０２Ｄがオンし、フォトダイオード３０１Ａ及び３０１Ｂがリセットされる。
【００６５】
時刻ｔ８では、信号ＰＴＸＡ及びＰＴＸＢがハイレベルになり、転送スイッチ３０２Ａ及び３０２Ｂがオンする。転送スイッチ３０２Ａは、フォトダイオード３０１Ａの電荷をＦＤ３０３Ａに転送する。転送スイッチ３０２Ｂは、フォトダイオード３０１Ｂの電荷をＦＤ３０３Ａに転送する。ＦＤ３０３Ａに蓄積された電荷に応じた電圧が列出力線３０７Ａに出力される。
【００６６】
その後、時刻ｔ９では、信号ＰＬＩＧＨＴがハイレベルになり、発光装置１１２は、パルス光の発光を開始する。
【００６７】
その後、時刻ｔ１０では、信号ＰＴＸＡ及びＰＴＸＢがローレベルになり、転送スイッチ３０２Ａ及び３０２Ｂがオフする。また、信号ＰＴＸＣ及びＰＴＸＤがハイレベルになり、転送スイッチ３０２Ｃ及び３０２Ｄがオンする。転送スイッチ３０２Ｃは、フォトダイオード３０１Ａの電荷をＦＤ３０３Ｂに転送する。転送スイッチ３０２Ｄは、フォトダイオード３０１Ｂの電荷をＦＤ３０３Ｂに転送する。ＦＤ３０３Ｂに蓄積された電荷に応じた電圧が列出力線３０７Ｂに出力される。
【００６８】
その後、時刻ｔ１１では、信号ＰＬＩＧＨＴがローレベルになり、発光装置１１２は、パルス光の発光を終了する。その後、時刻ｔ１２では、信号ＰＴＸＣ及びＰＴＸＤがローレベルになり、転送スイッチ３０２Ｃ及び３０２Ｄがオフする。
【００６９】
本実施形態では、発光装置１１２の発光の光量を１個のフォトダイオードの飽和する光量の例えば１／２とすることで、フォトダイオードの飽和を回避することができる。また、この場合は、オペアンプ４１０が電圧を２倍に増幅することが望ましい。
【００７０】
また、反射光（被写体）の光量を検出する検出部を別途備えることで、その反射光量に応じて電荷転送を行うフォトダイオードの数を変えてもよい。検出部は、発光装置１１２が発光するパルス光の反射光量を検出する。撮像装置１００は、検出部が検出する反射光量に応じて、図１０の駆動方法又は図１４の駆動方法を行う。例えば、反射光量が多い場合には、図１０のように、時刻ｔ８〜ｔ１０では１個の転送スイッチ３０２Ａが１個のフォトダイオード３０１Ａの電荷を転送し、時刻ｔ１０〜ｔ１２では１個の転送スイッチ３０２Ｃが１個のフォトダイオード３０１Ａの電荷を転送する。反射光量が少ない場合には、図１４のように、時刻ｔ８〜ｔ１０では２個の転送スイッチ３０２Ａ及び３０２Ｂが２個のフォトダイオードの電荷を転送し、時刻ｔ１０〜ｔ１２では２個の転送スイッチ３０２Ｃ及び３０２Ｄが２個のフォトダイオードの電荷を転送する。第２の実施形態の場合、時刻ｔ８〜ｔ１０でオン／オフする第１の転送スイッチの数及び時刻ｔ１０〜ｔ１２でオン／オフする第２の転送スイッチの数は、パルス光の反射光量に応じて変化する。
【００７１】
なお、第１〜第３の実施形態において、列回路４０３にアナログデジタル変換回路を設けてもよい。
【００７２】
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】
【００７３】
１００  撮像装置、１１２  発光装置、３０１Ａ，３０１Ｂ  フォトダイオード、３０２Ａ〜３０２Ｄ  転送スイッチ、３０３Ａ，３０３Ｂ  フローティングディフュージョン
【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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