JP7556384B2 - 撮像素子、および撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像素子、および撮像装置に関する。
第１および第２の光電変換部を有する画素から、第１および第２の光電変換部による第１および第２の信号を個別に読み出したり、第１および第２の信号を加算して読み出すことができる撮像素子が知られている（特許文献１参照）。従来技術では、個別読み出しの場合には、第１および第２の光電変換部の電荷は、第１および第２のＦＤに個別に転送されていた。また、加算読み出しの場合には、第１および第２の光電変換部の電荷は、電気的に接続された第１および第２のＦＤに転送されていた。
日本国特開２０１３－９０１６０号公報
本発明の第１の態様によると、撮像素子は、第１マイクロレンズを透過した光を電荷に変換する第１光電変換部と、前記第１マイクロレンズを透過した光を電荷に変換する光電変換部であって、第１方向において前記第１光電変換部の隣に配置される第２光電変換部と、前記第１方向と交差する第２方向において前記第１マイクロレンズの隣に配置される第２マイクロレンズを透過した光を電荷に変換する第３光電変換部と、前記第２マイクロレンズを透過した光を電荷に変換する光電変換部であって、前記第１方向において前記第３光電変換部の隣に配置される第４光電変換部と、前記第１光電変換部で変換された電荷と、前記第３光電変換部で変換された電荷とが転送される１つの拡散領域を有する第１拡散部と、前記第２光電変換部で変換された電荷と、前記第４光電変換部で変換された電荷とが転送される１つの拡散領域を有する第２拡散部と、前記第１拡散部と電気的に接続されるゲートを有し、第１信号を出力する第１トランジスタと、前記第２拡散部と電気的に接続されるゲートを有し、第２信号を出力する第２トランジスタと前記第１トランジスタから出力された前記第１信号を読み出すための第１信号線と、前記第２トランジスタから出力された前記第２信号を読み出すための第２信号線とを備え、前記第１拡散部は、前記第２方向において前記第１光電変換部と前記第３光電変換部との間に配置され、前記第２拡散部は、前記第２方向において前記第２光電変換部と前記第４光電変換部との間に配置される。
本発明の第２の態様によると、撮像装置は、第１の態様による撮像素子を備える。
第１の実施の形態によるカメラを例示するブロック図である。 撮像素子の概略構成を例示する図である。 撮像素子の画素配置を説明する回路図である。 図３のＭ列に並ぶ画素を説明する回路図である。 図４の画素のレイアウトを説明する図である。 撮像素子に供給される各種制御信号を説明する図である。 ａ系列およびｂ系列の信号を例示する図である。 第１の実施の形態の変形例１においてＭ列に並ぶ画素を説明する回路図である。 撮像素子に供給される各種制御信号を説明する図である。 第１の実施の形態の変形例２においてＭ列に並ぶ画素を説明する回路図である。 図１０の画素のレイアウトを説明する図である。 撮像素子に供給される各種制御信号を説明する図である。 第２の実施の形態においてＭ列に並ぶ画素を説明する回路図である。 図１３の画素のレイアウトを説明する図である。 第２の実施の形態の変形例２において、Ｍ列に並ぶ画素のうち、Ｎ＋１行目の画素と、Ｎ＋２行目の画素２０Ｇと、Ｎ＋３行目の画素２０Ｒとに注目した図である。 第２の実施の形態の変形例２の撮像素子に供給される各種制御信号を説明する図である。 図１７(a)は、第３の実施の形態による撮像素子の画素の回路を説明する図である。図１７(b)は、図１７(a)のうちの光電変換部の領域Ｕを拡大した図である。 第３の実施の形態の撮像素子に供給される各種制御信号を説明する図である。 第３の実施の形態の撮像素子に対し、焦点調節用の読み出し時に供給される各種制御信号を説明する図である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態による固体撮像素子３（以降、撮像素子３と称する）を用いた焦点検出装置を搭載するデジタルカメラ１（以降、カメラ１と称する）を例示するブロック図である。
第１の実施の形態において、一眼レフタイプやミラーレスタイプ等のレンズ交換式のカメラ１を例に説明するが、レンズ交換式のカメラでなくてもよい。例えば、レンズ一体型のカメラ、あるいはスマートフォン等の携帯端末に搭載されるカメラのような撮像装置として構成してもよい。また、静止画に限らず、動画を撮像するビデオカメラ、モバイルカメラ等の撮像装置として構成してもよい。
＜カメラの構成＞
カメラ１には、撮像光学系として撮影レンズ２が装着される。撮影レンズ２は、フォーカシングレンズや絞りを有する。撮影レンズ２が有するフォーカシングレンズや絞りは、マイクロプロセッサ９から指示を受けたレンズ制御部２ａによって制御される。撮影レンズ２は、撮像素子３の撮像面に光学像（被写体像）を結像させる。撮影レンズ２は、結像光学系とも称する。
撮像素子３は、複数の画素を有する。後述するように、複数の画素は、入射した光を光電変換して電荷を生成する２つの光電変換部をそれぞれ有する。複数の画素は、撮影レンズ２を透過した光をそれぞれ光電変換する。複数の画素は、光電変換により生成された電荷に基づいて信号をそれぞれ出力する。撮像素子３は、マイクロプロセッサ９から指示を受けた撮像制御部４によって制御される。撮像素子３が有する複数の画素から出力される信号は、信号処理部５、およびＡ／Ｄ変換部６を介して処理された後、メモリ７に一旦記憶される。バス８には、レンズ制御部２ａ、撮像制御部４、メモリ７、マイクロプロセッサ９、焦点演算部（焦点検出処理部）１０、記録部１１、画像圧縮部１２および画像処理部１３などが接続される。
なお、撮像素子３が、信号処理部５と、Ａ／Ｄ変換部６と、メモリ７との一部または全部を含む構成にしてもよい。撮像素子３は、信号処理部５およびＡ／Ｄ変換部６およびメモリ７のうち少なくとも１つと複数の画素とが積層される構成であってもよい。
マイクロプロセッサ９には、レリーズ釦などの操作部９ａから操作信号が入力される。マイクロプロセッサ９は、操作部９ａからの操作信号に基づいて各ブロックへ指示を送り、カメラ１を制御する。
焦点演算部１０は、撮像素子３が有する画素からの信号に基づき、瞳分割型の位相差検出方式によって撮影レンズ２による焦点調節状態を算出する。焦点演算部１０は、後述する画素２０が有する第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２で生成される電荷に基づく信号に基づいて、撮影レンズ２による像が撮像素子３の撮像面上に合焦するためのフォーカスレンズの合焦位置を算出する。具体的には、撮影レンズ２の瞳の異なる領域を通過した複数の光束による像の像ズレ量を検出し、検出した像ズレ量に基づいてデフォーカス量を算出する。デフォーカス量は、撮影レンズ２による像が結像する結像面と撮像素子３の撮像面とのずれ量である。位相差検出方式によるデフォーカス量の演算は公知であるため、詳細な説明は省略する。焦点演算部１０は、算出したデフォーカス量に基づいて、合焦位置までのフォーカスレンズの移動量を算出する。
マイクロプロセッサ９は、レンズ制御部２ａへフォーカシングレンズの移動を指示するとともに、算出したフォーカスレンズの移動量を送る。これにより、焦点調節が自動で行われる。焦点演算部１０、マイクロプロセッサ９およびレンズ制御部２ａは、焦点調節部として動作する。
画像処理部１３は、メモリ７に記憶された撮像素子３からの信号に対して所定の画像処理を行って画像データを生成する。画像処理部１３は、画像生成部として動作する。画像圧縮部１２は、画像処理後の画像データを所定形式でデータ圧縮する。記録部１１は、圧縮後の画像データを所定のファイル形式で記録媒体１１ａに記録したり、記録媒体１１ａに記録されている画像データを読み出したりする。記録媒体１１ａは、記録部１１に対して着脱自在のメモリカードなどで構成される。
また、画像処理部１３は、画像を表示部１４に表示させるための画像データを生成する。表示部１４は、画像処理部１３で生成された画像データに基づく画像を表示する。表示部１４が表示する画像には、記録媒体１１ａに記録されている画像データに基づく再生画像（静止画、動画）や、撮像素子３によって所定の間隔（例えば６０ｆｐｓ）で取得されるモニタ用画像（ライブビュー画像とも称される）が含まれる。
＜撮像素子の概要＞
図２は、撮像素子３の概略構成を例示する図である。撮像素子３は、マトリクス状に配置された複数の画素２０と、各画素２０からの信号を出力するための周辺回路とを有する。一般に、画像を構成する最小単位が「画素」と称されるが、本実施の形態では、画像を構成する最小単位の信号を生成する構成を「画素」と称する。
撮像領域３１は、画素２０がマトリクス状に配置されている領域を示す。図２の例では、撮像領域３１として水平に４行×垂直に４列の１６画素分の範囲を例示しているが、実際の画素数は図２に例示するものよりはるかに多い。
図３は、撮像素子３の画素配置を例示する図である。画素２０には、マイクロレンズＭＬと不図示のカラーフィルタとが設けられる。カラーフィルタは、一画素２０につき、例えばＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる分光特性を有する３つのカラーフィルタのいずれか一つが設けられる。Ｒのカラーフィルタは、主に赤色の波長域の光を透過する。また、Ｇのカラーフィルタは、主に緑色の波長域の光を透過する。さらに、Ｂのカラーフィルタは、主に青色の波長域の光を透過する。Ｇのカラーフィルタは、Ｒのカラーフィルタよりも波長が短い波長域の光を透過する。Ｂのカラーフィルタは、Ｇのカラーフィルタよりも波長が短い波長域の光を透過する。これにより、各画素２０は、配置されたカラーフィルタによって異なる分光特性を有する。
撮像素子３には、ＲおよびＧのカラーフィルタを有する画素２０（以下、それぞれ画素２０Ｒ、画素２０Ｇと称する）が交互に配置される画素行と、ＧおよびＢのカラーフィルタを有する画素２０（以下、それぞれ画素２０Ｇ、画素２０Ｂと称する）が交互に配置される画素行とが、二次元状に繰り返し配置される。第１の実施の形態では、画素２０Ｒ、画素２０Ｇ、および画素２０Ｂが、ベイヤー配列に従って配置される。
なお、以降の説明において、Ｒ、Ｇ、Ｂを付さずに画素２０と称する場合は、画素２０Ｒ、画素２０Ｇ、および画素２０Ｂを全て含むものとする。
各画素２０には、それぞれ２つの光電変換部が設けられる。一般に、１画素当たり２つの光電変換部が設けられる場合、２つの光電変換部が水平方向、すなわち行方向に並ぶ場合（水平分割とも称される）と、２つの光電変換部が垂直方向、すなわち列方向に並ぶ場合（垂直分割とも称される）とが存在する。第１の実施の形態では、撮像領域３１の全域にわたって水平分割の画素２０が配される。ただし、所定の領域には、水平分割の画素２０に代えて垂直分割の画素２０を配してもよい。各画素２０は、周辺回路からの制御信号にしたがって２つの光電変換部で光電変換を行い、光電変換で生成された電荷に基づく信号を出力する。
図３では、各画素２０の２つの光電変換部のうちの一方をハッチングして示す。ハッチングされた光電変換部は、この光電変換部で生成された電荷に基づいて後述する第１信号が生成されることを示す。また、ハッチングされない光電変換部は、この光電変換部で生成された電荷に基づいて、後述する第２信号が生成されることを示す。
各画素２０は、周辺回路からの制御信号にしたがって２つの光電変換部で光電変換を行い、光電変換信号を出力する。
再び図２を用いて説明する。周辺回路は、例えば、垂直走査回路２１と、水平走査回路２２と、これらと接続されている制御信号線２３、２４と、画素２０からの信号を受け取る第１～第３の垂直信号線２５ａ、２５ｂ、２５ｃと、第１～第３の垂直信号線２５ａ、２５ｂ、２５ｃに接続される定電流源２６と、相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ回路）２７と、ＣＤＳ回路２７から出力される信号を受け取る水平信号線２８と、出力アンプ２９等により構成される。本実施の形態では、列方向に配置された複数の画素２０からなる１画素列に対し、３本の垂直信号線、すなわち第１～第３の垂直信号線２５ａ、２５ｂ、２５ｃが設けられている。
垂直走査回路２１および水平走査回路２２は、撮像制御部４からの指示により所定の制御信号を出力する。各画素２０は、垂直走査回路２１から出力される制御信号によって駆動され、光電変換部で生成された電荷に基づく信号を第１～第３の垂直信号線２５ａ、２５ｂ、２５ｃに出力する。画素２０から出力された信号は、ＣＤＳ回路２７にてノイズ除去が施され、水平走査回路２２からの制御信号によって水平信号線２８および出力アンプ２９を介して外部へ出力される。
＜１画素２ＰＤ構成＞
図４は、図３においてＭ列に並ぶ（垂直方向に並ぶ）画素２０、すなわち、例えばＮ行目の画素２０Ｇと、Ｎ＋１行目の画素２０Ｒとを説明する回路図である。各画素２０は、マイクロレンズＭＬおよびカラーフィルタの内側（背後）に光電変換部として２つのフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２を有する。すなわち、各画素２０は、画素２０の左側に配置された第１のフォトダイオードＰＤ－１と、画素２０の右側に配置された第２のフォトダイオードＰＤ－２とを有する。
したがって、各画素２０の第１のフォトダイオードＰＤ－１には、撮影レンズ２の瞳の第１の領域を通過した光束が入射し、第２のフォトダイオードＰＤ－２には、撮影レンズ２の瞳の第２の領域を通過した光束が入射する。
本実施の形態では、例えば、第１のフォトダイオードＰＤ－１および第２のフォトダイオードＰＤ－２と、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２で生成された電荷に基づく信号を読み出す読み出し部とを含めて「画素」と呼ぶ。読み出し部は、後述する転送トランジスタ、ＦＤ領域、増幅トランジスタ、および選択トランジスタを含む例を説明するが、読み出し部の範囲は、必ずしも本例の通りでなくてもよい。
各画素２０において、上述のように、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２には、それぞれ撮影レンズ２の瞳の異なる領域、すなわち第１および第２の領域を通過した光が入射される。第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２は、それぞれ入射光を光電変換して電荷を生成する。第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷は、第１の転送トランジスタＴｘ－１を介して第１のＦＤ(フローティング拡散)領域ＦＤ１へ転送される。
第１のＦＤ領域ＦＤ１は、受け取った電荷を蓄積し、電圧に変換する。第１のＦＤ領域ＦＤ１の電位に応じた信号は、第１の増幅トランジスタＡＭＰ１によって増幅される。第１のＦＤ領域ＦＤ１および第１の増幅トランジスタＡＭＰ１は、第１信号生成部として動作する。そして、行を選択する第１の選択トランジスタＳＥＬ１によって選択された行の信号として、第１の垂直信号線２５ａ（出力部）を介して読み出される。第１のリセットトランジスタＲＳＴ１は、第１のＦＤ領域ＦＤ１の電位をリセットするリセット部として動作する。
第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷は、第２の転送トランジスタＴｘ－２を介して第２のＦＤ領域ＦＤ２へ転送される。第２のＦＤ領域ＦＤ２は、受け取った電荷を蓄積し、電圧に変換する。第２のＦＤ領域ＦＤ２の電位に応じた信号は、第２の増幅トランジスタＡＭＰ２によって増幅される。第２のＦＤ領域ＦＤ２および第２の増幅トランジスタＡＭＰ２は、第２信号生成部として動作する。そして、行を選択する第２の選択トランジスタＳＥＬ２によって選択された行の信号として、第２の垂直信号線２５ｂ（出力部）を介して読み出される。第２のリセットトランジスタＲＳＴ２は、第２のＦＤ領域ＦＤ２の電位をリセットするリセット部として動作する。
本実施の形態による撮像素子３は、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷および第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷を、第３の転送トランジスタ部Ｔｘ－３を介してまとめて第３のＦＤ領域ＦＤ３へ転送することもできる。第３の転送トランジスタ部Ｔｘ－３は、第１のフォトダイオードＰＤ－１の電荷を第３のＦＤ領域ＦＤ３へ転送する転送トランジスタＴｘ－３ａと、第２のフォトダイオードＰＤ－２の電荷を第３のＦＤ領域ＦＤ３へ転送する転送トランジスタＴｘ－３ｂとを有する。
第３のＦＤ領域ＦＤ３は、第１のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２からの電荷を蓄積し、電圧に変換する。第３のＦＤ領域ＦＤ３の電位に応じた信号は、第３の増幅トランジスタＡＭＰ３によって増幅される。第３のＦＤ領域ＦＤ３および第３の増幅トランジスタＡＭＰ３は、第３信号生成部として動作する。そして、行を選択する第３の選択トランジスタＳＥＬ３によって選択された行の信号として、第３の垂直信号線２５ｃ（出力部）を介して読み出される。第３のリセットトランジスタＲＳＴ３は、第３のＦＤ領域ＦＤ３の電位をリセットするリセット部として動作する。
第１の実施の形態では、例えば、水平分割された画素２０の左側に配置された第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷に基づく信号（第１信号と称する）と、画素２０の右側に配置された第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷に基づく信号（第２信号と称する）と、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷と第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷との和に基づく信号（第３信号と称する）とが、それぞれ異なる第１～第３の垂直信号線２５ａ、２５ｂ、２５ｃを介して読み出される。
＜制御信号＞
画素２０において、第１の転送トランジスタＴｘ－１は、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷を第１のＦＤ領域ＦＤ１へ転送する場合に、第１の制御信号φＴｘ１によってオンされる。第２の転送トランジスタＴｘ－２は、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷を第２のＦＤ領域ＦＤ２へ転送する場合に、第２の制御信号φＴｘ２によってオンされる。第３の転送トランジスタ部Ｔｘ－３は、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷と第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷とをまとめて第３のＦＤ領域ＦＤ３へ転送する場合に、第３の制御信号φＴｘ３によってオンされる。すなわち、第３の転送トランジスタ部Ｔｘ－３の各転送トランジスタＴｘ－３ａ、Ｔｘ－３ｂは、第３の制御信号φＴｘ３によって同時にオンされる。
行選択用の第１の選択トランジスタＳＥＬ１は、第１信号を第１の垂直信号線２５ａ（出力部）に出力させる場合に、第１の制御信号φＳＥＬ１によってオンされる。行選択用の第２の選択トランジスタＳＥＬ２は、第２信号を第２の垂直信号線２５ｂ（出力部）に出力させる場合に、第２の制御信号φＳＥＬ２によってオンされる。行選択用の第３の選択トランジスタＳＥＬ３は、第３信号を第３の垂直信号線２５ｃ（出力部）に出力させる場合に、第３の制御信号φＳＥＬ３によってオンされる。
第１のリセットトランジスタＲＳＴ１は、第１のＦＤ領域ＦＤ１の電位をリセットさせる場合に、第１の制御信号φＲＳＴ１によってオンされる。第２のリセットトランジスタＲＳＴ２は、第２のＦＤ領域ＦＤ２の電位をリセットさせる場合に、第２の制御信号φＲＳＴ２によってオンされる。第３のリセットトランジスタＲＳＴ３は、第３のＦＤ領域ＦＤ３の電位をリセットさせる場合に、第３の制御信号φＲＳＴ３によってオンされる。
図５は、図４の回路図に対応する画素２０Ｇおよび２０Ｒのレイアウトを説明する模式図である。なお、第１～第３の制御信号φＴｘ１～φＴｘ３、第１～第３の制御信号φＲＳＴ１～φＲＳＴ３、および第１～第３の制御信号φＳＥＬ１～φＳＥＬ３の配線については、図示を省略している。
図５において、第１および第２のＦＤ領域ＦＤ１、ＦＤ２が画素２０の左右に並ぶように、第１のＦＤ領域ＦＤ１は第１のフォトダイオードＰＤ－１の一端側に配置され、第２のＦＤ領域ＦＤ２は第２のフォトダイオードＰＤ－２の一端側に配置される。第３のＦＤ領域ＦＤ３は、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１、ＰＤ－２の他端側に配置される。また、画素２０の左右に配置された第１のフォトダイオードＰＤ－１および第２のフォトダイオードＰＤ－２の面積は、略同じである。また、本実施の形態において、第１のＦＤ領域ＦＤ１における静電容量（以後、単に容量と称する）と関係性が強い第１の転送トランジスタＴｘ－１のゲート酸化膜の面積および第１のＦＤ領域ＦＤ１の面積は、第２のＦＤ領域ＦＤ２における容量と関係性が強い第２の転送トランジスタＴｘ－２のゲート酸化膜の面積および第２のＦＤ領域ＦＤ１の面積とそれぞれ略同じである。
さらにまた、本実施の形態において、第３のＦＤ領域ＦＤ３における容量と関係性が強い第３の転送トランジスタ部Ｔｘ－３のゲート酸化膜の面積および第３のＦＤ領域ＦＤ３の面積は、それぞれ上記の第１の転送トランジスタＴｘ－１のゲート酸化膜の面積および第１のＦＤ領域ＦＤ１の面積と、または、第２の転送トランジスタＴｘ－２のゲート酸化膜の面積および第２のＦＤ領域ＦＤ２の面積と略同じである。
こうして、上述した３組の転送トランジスタおよびＦＤ領域は、それぞれ同じプロセスを経て形成されるため、３組のＦＤ領域ＦＤ１～ＦＤ３における容量は略等しくなっている。
上述したように、画素２０における第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２の面積を略同じに構成しているので、入射した光の単位光量あたりに生成される電荷量（光電変換効率）が略等しくなる。例えば、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２に同じ光量の光が入射する場合は、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１、ＰＤ－２によってそれぞれ生成される電荷量Ｑは略等しくなる。したがって、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１、ＰＤ－２から第１のＦＤ領域ＦＤ１、第２のＦＤ領域ＦＤ２にそれぞれ転送される電荷量Ｑが略等しくなる。また、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２に異なる光量の光が入射する場合は、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１、ＰＤ－２それぞれに入射した光量に基づいて異なる電荷量がそれぞれ生成される。したがって、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１、ＰＤ－２それぞれで生成された異なる電荷量が、第１のＦＤ領域ＦＤ１、第２のＦＤ領域ＦＤ２にそれぞれ転送される。
また、電位差Ｖ＝Ｑ／Ｃが成立することから、第１のＦＤ領域ＦＤ１の容量Ｃと第２のＦＤ領域ＦＤ２の容量Ｃとを略同じにしたことにより、単位電荷量あたりに変換される電圧（信号）への変換効率（信号生成効率）が略等しくなる。例えば、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１、ＰＤ－２によって略等しい電荷量Ｑがそれぞれ生成された場合は、第１信号生成部と第２信号生成部とで生成される信号の大きさは、略等しいものとなる。また、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１、ＰＤ－２によって異なる電荷量がそれぞれ生成された場合は、第１信号生成部と第２信号生成部とで異なる電荷量に基づく信号がそれぞれ生成される。すなわち、第１信号生成部と第２信号生成部とで、信号生成効率が略同じとなり、信号生成効率のばらつきが抑えられる。第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２の光電変換効率が略等しく、第１信号生成部と第２信号生成部との信号生成効率が略等しいことは、光電変換時の変換利得が略等しいことを意味する。
本実施の形態ではさらに、第３信号生成部における第３のＦＤ領域ＦＤ３の容量Ｃも、第１信号生成部における第１のＦＤ領域ＦＤ１の容量Ｃ（第２信号生成部における第２のＦＤ領域ＦＤ２の容量Ｃ）と略同じにしたので、第３信号生成部と、第１信号生成部（第２信号生成部）とにおいても信号生成効率が略同じとなり、信号生成効率のばらつきが抑えられている。
第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２の光電変換効率が略等しく、第３信号生成部と第１信号生成部との間の信号生成効率が略等しいことは、第１信号生成部～第３信号生成部の光電変換時の変換利得が略等しいことを意味する。
したがって、例えば、上述のように第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２に同じ光量の光が入射する場合は、第３信号生成部で生成される信号の大きさは、第１信号生成部で生成される信号（第２信号生成部で生成される信号）の略２倍になる。
一般に、ＦＤ領域の面積が広くなると容量が大きくなり、信号生成効率が低下（換言すると、変換利得が低下）する。しかしながら、本実施の形態では、第３の転送トランジスタ部Ｔｘ－３のゲート酸化膜の面積と第３のＦＤ領域ＦＤ３の面積を、それぞれ第１の転送トランジスタＴｘ－１のゲート酸化膜の面積と第１のＦＤ領域ＦＤ１の面積と略同じにしたことによって、第３信号生成部の変換利得が第１信号生成部の変換利得と略等しい。また、第１信号生成部の変換利得は、第２信号生成部の変換利得とも略等しい。
以上のことから、第１のフォトダイオードＰＤ－１および第２のフォトダイオードＰＤ－２によって生成された電荷に基づく信号を加算して読み出す場合の変換利得が、第１のフォトダイオードＰＤ－１または第２のフォトダイオードＰＤ－２によって生成された電荷に基づく信号を個別に読み出す場合に比べて低下することを防止することができる。
＜タイムチャートの説明＞
図６は、撮像素子３に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。焦点調節を行うため、第１信号と第２信号とを個別に読み出す期間（図６の焦点調節用の読み出し期間）において、Ｈレベルの第１および第２の制御信号φＳＥＬ１およびφＳＥＬ２のそれぞれが、第１の選択トランジスタＳＥＬ１および第２の選択トランジスタＳＥＬ２に同時に供給される。これにより、第１信号を出力させる第１の選択トランジスタＳＥＬ１、第２信号を出力させる第２の選択トランジスタＳＥＬ２が同時にオンする。また、第１の制御信号φＲＳＴ１としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１がオンして第１のＦＤ領域ＦＤ１の電位がリセットされる。同様に、第２の制御信号φＲＳＴ２としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第２のリセットトランジスタＲＳＴ２がオンして第２のＦＤ領域ＦＤ２の電位がリセットされる。破線ｔ１で示す時点で、それぞれリセットレベルの第１信号および第２信号が、第１および第２の垂直信号線２５ａおよび２５ｂを介して読み出される。
続いて、第１の制御信号φＴｘ１としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第１の転送トランジスタＴｘ－１がオンして第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷が第１のＦＤ領域ＦＤ１へ転送される。第１の制御信号φＴｘ１の供給と同時に、第２の制御信号φＴｘ２としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第２の転送トランジスタＴｘ－２がオンして第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷が第２のＦＤ領域ＦＤ２へ転送される。これにより、破線ｔ２で示す時点で、それぞれシグナルレベルの第１信号および第２信号が、第１および第２の垂直信号線２５ａおよび２５ｂを介して読み出される。
画像データを生成するため、第１のフォトダイオードＰＤ－１および第２のフォトダイオードＰＤ－２によって生成された電荷に基づく信号を加算して読み出しを行う期間（図６の画像用の読み出し期間）において、Ｈレベルの第３の制御信号φＳＥＬ３が第３の選択トランジスタＳＥＬ３に供給される。これにより、第３信号を出力させる第３の選択トランジスタＳＥＬ３がオンする。また、第３の制御信号φＲＳＴ３としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第３のリセットトランジスタＲＳＴ３がオンして第３のＦＤ領域ＦＤ３の電位がリセットされる。破線ｔ３で示す時点で、リセットレベルの第３信号が、第３の垂直信号線２５ｃを介して読み出される。
続いて、第３の制御信号φＴｘ３としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第３の転送トランジスタ部Ｔｘ－３がオンして第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷、および、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷が第３のＦＤ領域ＦＤ３に転送される。これにより、破線ｔ４で示す時点で、シグナルレベルの第３信号が第３の垂直信号線２５ｃを介して読み出される。
＜焦点調節＞
本実施の形態のカメラ１は、焦点検出に用いる一対の焦点検出信号を、例えば、フォーカスエリアに含まれる画素行から読み出された、画素２０Ｇの第１信号と第２信号とに基づいて生成する。フォーカスエリアは、焦点演算部１０が位相差情報としての像ズレ量を検出するエリアであり、焦点検出エリア、測距点、オートフォーカス（ＡＦ）ポイントとも称される。
マイクロプロセッサ９は、例えば、レリーズ釦の半押し操作がされたことを示す操作信号が操作部９ａから入力されると、撮像制御部４に焦点調節用の撮像を指示する。焦点調節用の撮像では、撮像素子３の読み出し対象となる画素行に対し、垂直走査回路２１および水平走査回路２２から焦点調節用の読み出しを行うための制御信号を供給して焦点調節用の読み出しを行う。焦点調節用の読み出しは、画素行の各画素２０Ｇに第１の制御信号φＴｘ１等を供給して画素２０Ｇの第１のフォトダイオードＰＤ－１から第１信号を読み出すとともに、各画素２０Ｇに第２の制御信号φＴｘ２等を供給して画素２０Ｇの第２のフォトダイオードＰＤ－２から第２信号を読み出すことをいう。
焦点調節用の読み出しにより、第１および第２の制御信号φＴｘ１、φＴｘ２が供給された画素行の各画素２０Ｇから読み出された第１信号と第２信号とがメモリ７に記憶される。メモリ７に記憶された複数の第１信号Ａ１，Ａ２，…，Ａｎ（ａ系列の信号と称する）と、メモリ７に記憶された複数の第２信号Ｂ１，Ｂ２，…，Ｂｎ（ｂ系列の信号と称する）とは、撮影レンズ２の瞳の異なる領域を通過した複数の光束による像の強度分布を表す。
図７は、複数の第１信号からなるａ系列の信号と、複数の第２信号からなるｂ系列の信号とを例示する図である。図７において、ｎ個のａ系列の信号をハッチング処理した丸で表す。また、ｎ個のｂ系列の信号を白丸で表す。画素２０Ｇからのａ系列の信号およびｂ系列の信号は、それぞれ図３の１列おきに読み出される。図７の縦の破線は、画素列に対応する。
焦点演算部１０は、上記ａ系列の信号とｂ系列の信号とに基づき、像ズレ検出演算処理（相関演算処理、位相差検出処理）を施すことによって複数の像の像ズレ量を算出し、像ズレ量に所定の変換係数を乗算することによってデフォーカス量を算出する。
次に、マイクロプロセッサ９は、焦点演算部１０によって算出されたデフォーカス量が許容値以内か否かを判定する。マイクロプロセッサ９は、デフォーカス量が許容値を超えている場合は合焦していないと判断し、レンズ制御部２ａへレンズ移動指示を送る。レンズ制御部２ａは、デフォーカス量を許容値以内に納める位置（焦点位置）へフォーカシングレンズを移動させる。一方、マイクロプロセッサ９は、デフォーカス量が許容値以内であれば合焦していると判断し、レンズ移動指示を送らない。
また、表示部１４にモニタ用画像を表示しながら焦点調節を行う場合には、撮像制御部４は、撮像素子３に焦点調節用の読み出しと、後述する画像用の読み出しとを、例えば画素行の１行ごとに交互に行わせることができる。この場合、マイクロプロセッサ９は、例えば、焦点調節用の読み出しの対象とする画素行から焦点調節用の読み出しが行われた後、メモリ７に記憶されたａ系列の信号およびｂ系列の信号に基づく像ズレ検出演算処理を開始させる。
一方、画像用の読み出しでは、撮像素子３の読み出し対象となる画素行に対し、垂直走査回路２１および水平走査回路２２から画像用の読み出しを行うための制御信号を供給して画像用の読み出しを行う。画像用の読み出しは、画素行の各画素２０Ｇに制御信号φＴｘ３等を供給して第３信号を読み出すことをいう。第３信号は、上述したように、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷と第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷との和に基づく画像データを生成するための信号である。画像処理部１３は、画像用の読み出しによってメモリ７に記憶された第３信号に対して所定の画像処理を行うことにより、表示部１４にモニタ用画像を表示させるための画像データを生成する。
このように、カメラ１が焦点調節を行いながらモニタ用画像の表示を行う場合、撮像制御部４は、上述の焦点調節用の読み出しと画像用の読み出しとを繰り返し行わせる。
なお、上述したカメラ１では、フォーカスエリアに含まれる画素行から読み出された、画素２０Ｇの第１信号と第２信号とに基づいて焦点調節に用いる画像データを生成した。焦点調節に用いる画像データは、画素２０Ｇによる第１信号と第２信号とに限らず、画素２０Ｒによる第１信号と第２信号とに基づいて生成してもよく、画素２０Ｂによる第１信号と第２信号とに基づいて生成してもよい。
＜画像データの生成＞
本実施の形態のカメラ１は、被写体像に関する画像データを、撮像領域３１（図２）の各画素２０から読み出された第３信号に基づいて生成する。マイクロプロセッサ９は、例えば、レリーズ釦の全押し操作がされたことを示す操作信号が操作部９ａから入力されると、撮像制御部４に記録用の撮像を指示する。記録用の撮像では、撮像素子３の各画素行に対し、垂直走査回路２１および水平走査回路２２から制御信号を供給し、画像用の読み出しを行う。具体的には、画素行の各画素２０に第３の制御信号φＴｘ３等を供給して画素２０から第３信号を読み出す。
これにより、画像用の読み出しによって各画素２０から読み出された第３信号がメモリ７に記憶される。画像処理部１３は、メモリ７に記憶された第３信号に対し、階調処理や色補間処理などを施して、記録用の画像データを生成する。
以上説明した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）撮像素子３には、マイクロレンズＭＬを透過した光を光電変換して電荷を生成する第１のフォトダイオードＰＤ－１と、マイクロレンズＭＬを透過した光を光電変換して電荷を生成する第２のフォトダイオードＰＤ－２と、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷を蓄積する第１のＦＤ領域ＦＤ１と、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷を蓄積する第２のＦＤ領域ＦＤ２と、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷および第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷を蓄積する第３のＦＤ領域ＦＤ３と、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷を第１のＦＤ領域ＦＤ１に転送する第１の転送トランジスタＴｘ－１と、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷を第２のＦＤ領域ＦＤ２に転送する第２の転送トランジスタＴｘ－２と、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷および第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷を第３のＦＤ領域ＦＤ３に転送する第３の転送トランジスタ部Ｔｘ－３と、を有する画素２０が複数設けられる。
これにより、各画素２０から、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷に基づく第１信号と、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷に基づく第２信号とを、適切に、個別に読み出したりまとめて読み出したりすることができる。
（２）上記（１）の第３のＦＤ領域ＦＤ３は、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷および第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷で生成された電荷を合わせた電荷を蓄積するので、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１、ＰＤ－２で生成された電荷の和に基づく第３信号を、一つの信号として読み出すことができる。
（３）上記（１）の第１のＦＤ領域ＦＤ１の容量と、第２のＦＤ領域ＦＤ２の容量との差が予め定めた値より小さく、かつ、第１のＦＤ領域ＦＤ１または第２のＦＤ領域ＦＤ２の容量と、第３のＦＤ領域ＦＤ３の容量との差が予め定めた値より小さくした。これにより、上述した３組のＦＤ領域ＦＤ１～ＦＤ３における容量は略等しくなり、上述した第１～第３信号生成部における光電変換時の変換利得を略等しくすることが可能になる。変換利得を略等しくすることで、生成される信号に基づく焦点調節の精度が悪くなることを抑えられる。また、生成される画像データに基づく画像の画質が低下することを抑えられる。
（４）上述した撮像素子３において、画素２０は、第１のＦＤ領域ＦＤ１に蓄積された電荷に基づく第１信号を出力する第１の垂直信号線２５ａと、第２のＦＤ領域ＦＤ２に蓄積された電荷に基づく第２信号を出力する第２の垂直信号線２５ｂと、第３のＦＤ領域ＦＤ３に蓄積された電荷に基づく第３信号を出力する第３の垂直信号線２５ｃとを有するので、上述した第１～第３信号生成部による第１信号～第３信号を個別に読み出すことができる。
（５）上記（４）の撮像素子３において、複数の画素２０のうち少なくとも１つは、第１のＦＤ領域ＦＤ１に蓄積された電荷に基づく第１信号を第１の垂直信号線２５ａから出力するとともに、第２のＦＤ領域ＦＤ２に蓄積された電荷に基づく第２信号を第２の垂直信号線２５ｂから出力し、複数の画素２０のうち少なくとも１つは、第３のＦＤ領域ＦＤ３に蓄積された電荷に基づく第３信号を第３の垂直信号線２５ｃから出力する。これにより、例えば画素行ごとに、焦点調節用の読み出しと画像用の読み出しとを行わせることができる。
（６）上記（４）または（５）の撮像素子３において、第１の垂直信号線２５ａから出力される、第１信号生成部による第１信号の生成効率と、第２の垂直信号線２５ｂから出力される、第２信号生成部による第２信号の生成効率との差が予め定めた値より小さく、かつ、第１信号生成部による第１信号の生成効率または第２信号生成部による第２信号の生成効率と、第３の垂直信号線２５ｃから出力される、第３信号生成部による第３信号の生成効率との差が予め定めた値より小さくした。これにより、上述した第１～第３信号生成部における光電変換時の変換利得を略等しくすることができる。変換利得を略等しくすることで、生成される信号に基づく焦点調節の精度が悪くなることを抑えられる。また、生成される画像データに基づく画像の画質が低下することを抑えられる。
次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施の形態と組み合わせることも可能である。
（第１の実施の形態の変形例１）
第１の実施の形態の変形例１では、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷と第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷との和に基づく第３信号を、第１の垂直信号線２５ａまたは第２の垂直信号線２５ｂを介して読み出す。
図８は、第１の実施の形態の変形例１において、図３のＭ列に並ぶ（垂直方向に並ぶ）画素２０、すなわち、例えばＮ行目の画素２０Ｇと、Ｎ＋１行目の画素２０Ｒとを説明する回路図である。第１の実施の形態の図４と同じ構成には、同じ符号を付して説明を省略する。
図８において、行を選択する第３の選択トランジスタＳＥＬ３によって選択された行の第３信号が、第２の垂直信号線２５ｂ（出力部）を介して読み出される点で、第３の垂直信号線２５ｃ（出力部）を介して読み出される第１の実施の形態（図４）と相違する。第３信号を第２信号と同じ第２の垂直信号線２５ｂ（出力部）を介して読み出すことで、配線を減らすことができる。これにより、第１のフォトダイオードＰＤ－１および第２のフォトダイオードＰＤ－２の面積を大きくすることができる。これにより、撮像素子３の開口率を高めることができる。
なお、第１の実施の形態の変形例１では、第３信号を第２信号と同じ第２の垂直信号線２５ｂ（出力部）を介して読み出す例を説明するが、第３信号を第１信号と同じ第１の垂直信号線２５ａ（出力部）を介して読み出す構成にしてもよい。
あるいは、同じ画素列において、例えば奇数行では、第３信号を第２信号と同じ第２の垂直信号線２５ｂ（出力部）を介して読み出し、偶数行では、第３信号を第１信号と同じ第１の垂直信号線２５ａ（出力部）を介して読み出す構成にしてもよい。例えば、画素行ごとに出力部を異ならせることで、偶数行の画素と奇数行の画素とから同時に第３信号を読み出すことができる。さらに、第１の垂直信号線２５ａ（出力部）と第２の垂直信号線２５ｂ（出力部）とにおいて、接続される第３の選択トランジスタＳＥＬ３の数の偏りを抑えられる。これにより、第１の垂直信号線２５ａ（出力部）の寄生容量と第２の垂直信号線２５ｂ（出力部）の寄生容量とが偏って、寄生容量が大きい方の垂直信号線で読み出し速度が低下することを防止できる。
具体例をあげると、隣り合う一方の画素２０は、第３のＦＤ領域ＦＤ３に蓄積された電荷に基づく第３信号を第２の垂直信号線２５ｂに出力し、隣り合う他方の画素２０は、第３のＦＤ領域ＦＤ３に蓄積された電荷に基づく信号を第１の垂直信号線２５ａに出力する。
＜タイムチャートの説明＞
図９は、第１の実施の形態の変形例１の撮像素子３に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。第１の実施の形態（図６）と同様に、焦点調節用の読み出しを行う期間において、Ｈレベルの第１および第２の制御信号φＳＥＬ１およびφＳＥＬ２それぞれが、第１の選択トランジスタＳＥＬ１および第２の選択トランジスタＳＥＬ２に供給される。これにより、第１信号を出力させる第１の選択トランジスタＳＥＬ１、および第２信号を出力させる第２の選択トランジスタＳＥＬ２がオンする。また、第１の制御信号φＲＳＴ１としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１がオンして第１のＦＤ領域ＦＤ１の電位がリセットされる。同様に、第２の制御信号φＲＳＴ２としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第２のリセットトランジスタＲＳＴ２がオンして第２のＦＤ領域ＦＤ２の電位がリセットされる。破線ｔ１で示す時点で、それぞれリセットレベルの第１信号および第２信号が第１および第２の垂直信号線２５ａおよび２５ｂを介して読み出される。
続いて、第１の制御信号φＴｘ１としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第１の転送トランジスタＴｘ－１がオンして第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷が第１のＦＤ領域ＦＤ１へ転送される。同様に、第２の制御信号φＴｘ２としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第２の転送トランジスタＴｘ－２がオンして第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷が第２のＦＤ領域ＦＤ２へ転送される。これにより、破線ｔ２で示す時点で、それぞれシグナルレベルの第１信号および第２信号が第１および第２の垂直信号線２５ａ、２５ｂを介して読み出される。
以上の焦点調節用の読み出し動作は、図６に示した焦点調節用の読み出し動作と同一である。
画像用の読み出しを行う期間において、Ｈレベルの第３の制御信号φＳＥＬ３が供給されることにより、第３信号を出力させる第３の選択トランジスタＳＥＬ３がオンする。また、第３の制御信号φＲＳＴ３としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第３のリセットトランジスタＲＳＴ３がオンして第３のＦＤ領域ＦＤ３の電位がリセットされる。破線ｔ３で示す時点で、リセットレベルの第３信号が第２の垂直信号線２５ｂを介して読み出される。
続いて、第３の制御信号φＴｘ３としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第３の転送トランジスタ部Ｔｘ－３がオンして第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷、および、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷が第３のＦＤ領域ＦＤ３へ転送される。これにより、破線ｔ４で示す時点で、シグナルレベルの第３信号が第２の垂直信号線２５ｂを介して読み出される。
このように、第３信号を第２信号と同じ第２の垂直信号線２５ｂ（出力部）を介して読み出すことができる。
以上説明した第１の実施の形態の変形例１によれば、次の作用効果が得られる。すなわち、撮像素子３において、第３の垂直信号線２５ｃを、第１または第２の垂直信号線２５ａまたは２５ｂと共通にしたので、配線を減らすことができる。これにより、撮像素子３の開口率を高めることができる。
（第１の実施の形態の変形例２）
第１の実施の形態の変形例２では、図１０に示すように、第１のＦＤ領域ＦＤ１と第２のＦＤ領域ＦＤ２とを電気的に接続／接断するトランジスタＳＷを設ける。第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷と第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷との和に基づく信号の読み出しを、二つの方法で行うためである。一つ目の読み出し方法は、トランジスタＳＷをオフしておき、第１の実施の形態の変形例１（図８）と同様に、第３の選択トランジスタＳＥＬ３、第３の転送トランジスタ部Ｔｘ－３をオンさせて、第３信号を第２の垂直信号線２５ｂから読み出す方法である。二つ目の読み出し方法は、トランジスタＳＷをオンしておき、第２の選択トランジスタＳＥＬ２と、第１および第２の転送トランジスタＴｘ－１およびＴｘ－２とをオンさせて、第１信号と第２信号との和を第２の垂直信号線２５ｂから読み出す方法である。もちろん、上記の二つ目の読み出し方法として、トランジスタＳＷをオンして、第１の選択トランジスタＳＥＬ１と、第１および第２の転送トランジスタＴｘ－１およびＴｘ－２とをオンさせて、第１信号と第２信号との和を第１の垂直信号線２５ａから読み出すこともできる。
図１０は、第１の実施の形態の変形例２において、図３のＭ列に並ぶ（垂直方向に並ぶ）画素２０、すなわち、例えばＮ行目の画素２０Ｇと、Ｎ＋１行目の画素２０Ｒとを説明する回路図である。第１の実施の形態の変形例１（図８）と同じ構成には、同じ符号を付して説明を省略する。
上述したように、第１のＦＤ領域ＦＤ１と第２のＦＤ領域ＦＤ２とを電気的に接断するトランジスタＳＷを配置した点が、第１の実施の形態の変形例（図８）と相違する。図１１は、図１０の回路図に対応する画素２０Ｇおよび２０Ｒのレイアウトを説明する模式図である。なお、トランジスタＳＷのオンとオフを切り替える制御信号φＳＷ、第１～第３の制御信号φＴｘ１～φＴｘ３、第１～第３の制御信号φＲＳＴ１～φＲＳＴ３、および第１～第３の制御信号φＳＥＬ１～φＳＥＬ３の配線については、図示を省略している。
図１１において、トランジスタＳＷがオンされている状態では、第１のＦＤ領域ＦＤ１と第２のＦＤ領域ＦＤ２とが電気的につながり、ＦＤ領域の面積が２倍以上に広がる。このため、トランジスタＳＷがオンした場合のＦＤ領域（第１のＦＤ領域ＦＤ１＋第２のＦＤ領域ＦＤ２）における容量は、第１のＦＤ領域ＦＤ１の容量（または第２のＦＤ領域ＦＤ２、または第３のＦＤ領域ＦＤ３の容量）の２倍以上になる。これにより、トランジスタＳＷがオンした場合のＦＤ領域（第１のＦＤ領域ＦＤ１＋第２のＦＤ領域ＦＤ２）による信号生成部の変換利得は、第３のＦＤ領域ＦＤ３による第３信号生成部の変換利得より低下する（例えば１／２以下）。
これに対し、トランジスタＳＷがオフされている状態では、第１のＦＤ領域ＦＤ１と第２のＦＤ領域ＦＤ２とが電気的に分離される。この状態では、第１の実施の形態の変形例１（図８）と同様の作用効果が得られる。
以上のことから、第１の実施の形態の変形例２においては、撮影状況によって上記一つ目の読み出し方法と二つ目の読み出し方法と切り替える。例えば、周囲が暗い環境または暗い被写体を撮影するとき、トランジスタＳＷをオフして上記一つ目の読み出し方法に切り替える。これにより、高い変換利得に基づいた高いレベルの第３信号を読み出すことができる。これにより、暗い環境または暗い被写体を撮影したときでも明るい画像が得られる。
一方、周囲が明る過ぎる環境または明るい被写体を撮影するとき、トランジスタＳＷをオンして上記二つ目の読み出し方法に切り替える。これにより、一つ目の読み出し方法の変換利得よりも低い変換利得に基づき信号レベルを抑えた第３信号を読み出すことができる。これにより、明る過ぎる環境または明るい被写体を撮影したときでも適度な明るさの画像が得られる。
したがって、例えば、被写体像の明るさを、撮像素子３の出力に基づき、または別途設けた被写体輝度検出用センサの出力に基づき検出して、上記一つ目の読み出し方法と上記二つ目の読み出し方法とを切り換えることができる。具体的には、撮像素子３の出力または被写体輝度検出用センサの出力が閾値未満である場合には、上記一つ目の読み出し方法を使用し、撮像素子３の出力または被写体輝度検出用センサの出力が閾値以上である場合には、上記二つ目の読み出し方法を使用することができる。
＜タイムチャートの説明＞
図１２は、第１の実施の形態の変形例２において、上記二つ目の読み出し方法の場合に撮像素子３に供給される制御信号を説明するタイムチャートである。焦点調節用の読み出しを行う期間においては、第１の実施の形態の変形例１（図９）と同様であるので説明を省略する。画像用の読み出しを行う期間において、Ｈレベルの制御信号φＳＷが供給されることにより、トランジスタＳＷがオンして第１のＦＤ領域ＦＤ１と第２のＦＤ領域ＦＤ２とが電気的につながる。また、Ｈレベルの第２の制御信号φＳＥＬ２が供給されることにより、第１信号と第２信号との和を出力させる第２の選択トランジスタＳＥＬ２がオンする。そして、第１および第２の制御信号φＲＳＴ１およびφＲＳＴ２としてそれぞれＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第１および第２のリセットトランジスタＲＳＴ１およびＲＳＴ２がオンして第１のＦＤ領域ＦＤ１、第２のＦＤ領域ＦＤ２の電位がそれぞれリセットされる。破線ｔ３で示す時点で、リセットレベルの第１信号と第２信号との和が第２の垂直信号線２５ｂを介して読み出される。
続いて、第１および第２の制御信号φＴｘ１およびφＴｘ２としてＨレベルの転送パルスがそれぞれ供給されることにより、第１および第２の転送トランジスタＴｘ－１およびＴｘ－２がオンして第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷、および、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷がそれぞれ第１のＦＤ領域ＦＤ１、第２のＦＤ領域ＦＤ２へ転送される。これにより、破線ｔ４で示す時点で、シグナルレベルの第１信号と第２信号との和が第２の垂直信号線２５ｂを介して読み出される。
このように、第１信号と第２信号との和を、第２信号を個別に読み出す場合と同じ第２の垂直信号線２５ｂ（出力部）を介して読み出すことができる。
以上説明した第１の実施の形態の変形例２によれば、第１の実施の形態における作用効果に加えて、次の作用効果が得られる。
（１）撮像素子３において、第１のＦＤ領域ＦＤ１と第２のＦＤ領域ＦＤ２とを電気的に接続可能なトランジスタＳＷを設けたので、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷と第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷との和に基づく信号の読み出しを、二つの方法で行うことができる。
（２）撮像装置としてのカメラ１は、上記（１）の撮像素子３と、トランジスタＳＷにより接続された第１のＦＤ領域ＦＤ１と第２のＦＤ領域ＦＤ２とに蓄積された電荷、および、第３のＦＤ領域ＦＤ３に蓄積された電荷の少なくとも一方に基づいて画像データを生成する画像処理部１３とを備えるので、例えば、上記二つの方法で行う信号の読み出しにおいて信号生成部の変換利得を異ならせることによって、異なる明るさの画像を生成することが可能になる。
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、列方向に隣り合う画素２０の間で、信号の読み出し部を共有する。
なお、第２の実施の形態におけるカメラ１は、第１の実施の形態と同様に、レンズ交換式であってもなくてもよい。また、スマートフォンやビデオカメラ等の撮像装置として構成してもよい。
図１３は、第２の実施の形態において、図３のＭ列に並ぶ（垂直方向に並ぶ）画素２０、すなわち、例えばＮ行目の画素２０Ｇと、Ｎ＋１行目の画素２０Ｒと、Ｎ＋２行目の画素２０Ｇと、Ｎ＋３行目の画素２０Ｒとを説明する回路図である。第１の実施の形態（図４）と同じ構成には、同じ符号を付して説明を省略する。
上述したように、第２の実施の形態は、列方向に隣り合う画素２０の間で読み出し部のうちのＦＤ領域、増幅トランジスタ、リセットトランジスタおよび選択トランジスタを共有する点が、第１の実施の形態（図４）と相違する。
具体的には、列方向に隣り合うＮ行目の画素２０ＧとＮ＋１行目の画素２０Ｒとが、画素２０Ｒに含まれる、第１および第２のＦＤ領域ＦＤ１およびＦＤ２と、第１および第２の増幅トランジスタＡＭＰ１およびＡＭＰ２と、第１および第２のリセットトランジスタＲＳＴ１およびＲＳＴ２と、第１および第２の選択トランジスタＳＥＬ１およびＳＥＬ２とを共有する。
なお、列方向に隣り合うＮ行目の画素２０ＧとＮ＋１行目の画素２０Ｒとが共有する第１および第２のＦＤ領域と第１および第２の増幅トランジスタと第１および第２のリセットトランジスタと第１および第２の選択トランジスタとは、その全部またはその一部を、Ｎ行目の画素２０ＧとＮ＋１行目の画素２０Ｒとの間に設けてもよい。さらに、上記の一部を画素２０Ｇに設けてもよい。
また、列方向に隣り合うＮ＋１行目の画素２０ＲとＮ＋２行目の画素２０Ｇとが、画素２０Ｇに含まれる、第３のＦＤ領域ＦＤ３と、第３の増幅トランジスタＡＭＰ３と、第３のリセットトランジスタＲＳＴ３と、第３の選択トランジスタＳＥＬ３とを共有する。
なお、列方向に隣り合うＮ＋１行目の画素２０ＲとＮ＋２行目の画素２０Ｇとが共有する第３のＦＤ領域と第３の増幅トランジスタと第３のリセットトランジスタと第３の選択トランジスタは、その全部またはその一部を、Ｎ＋１行目の画素２０ＲとＮ＋２行目の画素２０Ｇとの間に設けてもよい。さらに、上記の一部を画素２０Ｒに設けてもよい。
同様に、上記Ｎ行目の画素２０Ｇは、上記Ｎ＋１行目の画素２０Ｒと反対側に隣り合う不図示のＮ－１行目の画素２０Ｒに含まれる、第３のＦＤ領域ＦＤ３（不図示）と、第３の増幅トランジスタＡＭＰ３（不図示）と、第３のリセットトランジスタＲＳＴ３（不図示）と、第３の選択トランジスタＳＥＬ３（不図示）とを共有する。
このように、列方向に隣り合う２つの画素２０は、第１および第２のＦＤ領域ＦＤ１およびＦＤ２と、第１および第２の増幅トランジスタＡＭＰ１およびＡＭＰ２と、第１および第２のリセットトランジスタＲＳＴ１およびＲＳＴ２と、第１および第２の選択トランジスタＳＥＬ１およびＳＥＬ２とを、列方向に隣り合う一方の画素２０との間で共有する。さらに、列方向に隣り合う２つの画素２０は、第３のＦＤ領域ＦＤ３と、第３の増幅トランジスタＡＭＰ３と、第３のリセットトランジスタＲＳＴ３と、第３の選択トランジスタＳＥＬ３とを、上記列方向に隣り合う他方の画素２０との間で共有する。
図１４は、図１３の回路図に対応する画素２０Ｇおよび２０Ｒのレイアウトを説明する模式図である。なお、第１～第３の制御信号φＴｘ１～φＴｘ３、第１～第３の制御信号φＲＳＴ１～φＲＳＴ３、および第１～第３の制御信号φＳＥＬ１～φＳＥＬ３の配線については、図示を省略している。
図１４の例によれば、列方向に隣り合う画素２０の間で第１～第３の増幅トランジスタＡＭＰ１～ＡＭＰ３、第１～第３のリセットトランジスタＲＳＴ１～ＲＳＴ３、および第１～第３の選択トランジスタＳＥＬ１～ＳＥＬ３を共有するので、共有しない第１の実施の形態（図５）に比べて、二画素につき９個のトランジスタのスペースを削減できる。すなわち、図５の例では一画素につき１２個のトランジスタ（二画素につき２４個）を有するところ、図１４の例では画素２０Ｇに６個、画素２０Ｒに９個（二画素で１５個）でよいので、実装効率を高めることができる。
また、いずれの画素２０においても、第１のＦＤ領域ＦＤ１における容量と関係性が強い第１の転送トランジスタＴｘ－１のゲート酸化膜の面積および第１のＦＤ領域ＦＤ１の面積は、第２のＦＤ領域ＦＤ２における容量と関係性が強い第２の転送トランジスタＴｘ－２のゲート酸化膜の面積および第２のＦＤ領域ＦＤ１の面積と略同じである。
さらに、いずれの画素２０においても、第３のＦＤ領域ＦＤ３における容量と関係性が強い第３の転送トランジスタＴｘ－３のゲート酸化膜の面積および第３のＦＤ領域ＦＤ３の面積は、上記の第１の転送トランジスタＴｘ－１のゲート酸化膜の面積および第１のＦＤ領域ＦＤ１、または、第２の転送トランジスタＴｘ－２のゲート酸化膜の面積および第２のＦＤ領域ＦＤ２の面積と略同じである。
こうして、上述した３組の転送トランジスタおよびＦＤ領域は、それぞれ同じプロセスを経て形成されるため、３組のＦＤ領域ＦＤ１～ＦＤ３における容量は略等しい。
画素２０における第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２の面積を略同じに構成しているので、入射した光の単位光量あたりに生成される電荷量（光電変換効率）が略等しくなる。例えば、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２に同じ光量の光が入射する場合は、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１、ＰＤ－２によってそれぞれ生成される電荷量Ｑは略等しくなる。したがって、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１、ＰＤ－２から第１のＦＤ領域ＦＤ１、第２のＦＤ領域ＦＤ２にそれぞれ転送される電荷量Ｑが略等しい。上述したように、第１のＦＤ領域ＦＤ１、第２のＦＤ領域ＦＤ２の容量Ｃを略同じにしたことにより、第１信号生成部と第２信号生成部とで生成される信号の大きさが略等しいものとなる。したがって、第１信号生成部と第２信号生成部との光電変換時の変換利得が略等しくなる。
また、第３信号生成部における第３のＦＤ領域ＦＤ３の容量Ｃも、第１信号生成部における第１のＦＤ領域ＦＤ１の容量Ｃ（第２信号生成部における第２のＦＤ領域ＦＤ２の容量Ｃ）と略同じにしたので、第３信号生成部と、第１信号生成部（第２信号生成部）とにおいても、光電変換時の変換利得が略等しくなる。したがって、上述のように第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２に同じ光量の光が入射する場合は、第３信号生成部で生成される信号の大きさは、第１信号生成部で生成される信号（第２信号生成部で生成される信号）の略２倍になる。
以上説明したように、第１のフォトダイオードＰＤ－１および第２のフォトダイオードＰＤ－２によって生成された電荷に基づく信号をまとめて読み出す場合の変換利得が、第１のフォトダイオードＰＤ－１または第２のフォトダイオードＰＤ－２によって生成された電荷に基づく信号を個別に読み出す場合に比べて低下することを防止することができる。
第２の実施の形態において、撮像素子３に供給される各種制御信号は、図９に例示したタイムチャートと同様のタイミングでよい。
以上説明した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態において説明した作用効果に加えて、次の作用効果が得られる。
撮像素子３の画素２０Ｒ（Ｎ＋１行：図１４）において、第１のＦＤ領域ＦＤ１と第２のＦＤ領域ＦＤ２とは、例えば列方向に隣り合う一方の画素２０Ｇ（Ｎ行）との間で共有され、第３のＦＤ領域ＦＤ３は列方向に隣り合う他方の画素２０Ｇ（Ｎ＋２行）との間で共有されるようにした。これにより、共有しない第１の実施の形態（図５）に比べて、二画素につき９個のトランジスタのスペースを削減できる。すなわち、図５の例では一画素につき１２個のトランジスタ（二画素につき２４個）を有するところ、図１４の例では画素２０Ｇに６個、画素２０Ｒに９個（二画素で１５個）でよいので、実装効率を高めることができる。
次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施の形態と組み合わせることも可能である。
（第２の実施の形態の変形例１）
第２の実施の形態の変形例１では、列方向に隣り合う二画素の間で、第１～第３のＦＤ領域ＦＤ１～ＦＤ３と、第１～第３の増幅トランジスタＡＭＰ１～ＡＭＰ３と、第１～第３のリセットトランジスタＲＳＴ１～ＲＳＴ３と、第１～第３の選択トランジスタＳＥＬ１～ＳＥＬ３とを共有する。
回路図およびレイアウトを説明する模式図は省略するが、第２の実施の形態の場合と同様に、共有しない第１の実施の形態（図５）に比べて、二画素につき９個のトランジスタのスペースを削減できる。すなわち、第１の実施の形態では二画素につき２４個のトランジスタを有するところ、第２の実施の形態の変形例１では、第２の実施の形態と同様に、列方向に隣り合う二画素につき１５個でよいので、実装効率を高めることができる。
（第２の実施の形態の変形例２）
第２の実施の形態の変形例２では、図１３に例示した回路図の撮像素子３に対し、図９と異なるタイミングで制御信号を供給する読み出し動作を説明する。図１５は、第２の実施の形態の変形例２において、図３のＭ列に並ぶ（垂直方向に並ぶ）画素２０のうち、Ｎ＋１行目の画素２０Ｒと、Ｎ＋２行目の画素２０Ｇと、Ｎ＋３行目の画素２０Ｒとに注目した図である。図１５では、Ｎ＋２行目の画素２０ＧとＮ＋３行目の画素２０Ｒとの間で共用する読み出し部の回路と、Ｎ＋１行目の画素２０ＲとＮ＋２行目の画素２０Ｇとの間で共用する読み出し部の回路とを記載し、他の読み出し部の回路の記載を省略している。
また、後述する制御信号のタイミングの説明をわかりやすくするために、Ｎ＋３行目の画素２０ＲとＮ＋２行目の画素２０Ｇとの間で共用する２つのＦＤ領域の符号を、それぞれＦＤ１およびＦＤ２とする。そして、Ｎ＋３行目の画素２０Ｒに含まれる、第１および第２のフォトダイオードの符号を、ＰＤ－５およびＰＤ－６とする。また、第１のフォトダイオードＰＤ－５で生成された電荷、および、第２のフォトダイオードＰＤ－６で生成された電荷を、それぞれＦＤ領域ＦＤ１、ＦＤ領域ＦＤ２へ転送する第１および第２の転送トランジスタの符号を、Ｔｘ－７およびＴｘ－８とする。
次に、Ｎ＋２行目の画素２０ＧとＮ＋１行目の画素２０Ｒとの間で共用するＦＤ領域の符号を、ＦＤ３とする。Ｎ＋２行目の画素２０Ｇに含まれる、第１および第２のフォトダイオードの符号を、ＰＤ－１およびＰＤ－２とする。また、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷、および、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷を、それぞれＦＤ領域ＦＤ１、ＦＤ領域ＦＤ２へ転送する第１および第２の転送トランジスタの符号を、Ｔｘ－１およびＴｘ－２とする。さらにまた、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷、および、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷を、それぞれＦＤ領域ＦＤ３へ転送する第３の転送トランジスタ部の符号を、Ｔｘ－３とする。
次に、Ｎ＋１行目の画素２０ＲとＮ行目の画素２０Ｇとの間で共用する２つのＦＤ領域の符号を、それぞれＦＤ４およびＦＤ５とする。Ｎ＋１行目の画素２０Ｒに含まれる、第１および第２のフォトダイオードの符号をＰＤ－３およびＰＤ－４とする。また、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－３およびＰＤ－４で生成された電荷を、ＦＤ領域ＦＤ３へ転送する第３の転送トランジスタ部の符号を、Ｔｘ４とする。
さらにまた、第１のフォトダイオードＰＤ－３で生成された電荷、および、第２のフォトダイオードＰＤ－４で生成された電荷を、それぞれＦＤ領域ＦＤ４、ＦＤ領域ＦＤ５へ転送する第１および第２の転送トランジスタの符号を、Ｔｘ－５およびＴｘ－６とする。
＜タイムチャートの説明＞
図１６は、第２の実施の形態の変形例２の撮像素子３に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。焦点調節用の読み出しを行う期間において、Ｎ＋３行目の画素２０Ｒに含まれる、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－５およびＰＤ－６からの読み出し動作を説明する。
Ｈレベルの第１および第２の制御信号φＳＥＬ１およびφＳＥＬ２が供給されることにより、第１信号を出力させる第１の選択トランジスタＳＥＬ１、および、第２信号を出力させる第２の選択トランジスタＳＥＬ２がオンする。また、第１の制御信号φＲＳＴ１としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１がオンしてＦＤ領域ＦＤ１の電位がリセットされる。同様に、第２の制御信号φＲＳＴ２としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第２のリセットトランジスタＲＳＴ２がオンしてＦＤ領域ＦＤ２の電位がリセットされる。破線ｔ１で示す時点で、それぞれリセットレベルの第１信号および第２信号が、第１および第２の垂直信号線２５ａおよび２５ｂを介して読み出される。
続いて、制御信号φＴｘ７としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第１の転送トランジスタＴｘ－７がオンして第１のフォトダイオードＰＤ－５で生成された電荷がＦＤ領域ＦＤ１へ転送される。同様に、制御信号φＴｘ８としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第２の転送トランジスタＴｘ－８がオンして第２のフォトダイオードＰＤ－６で生成された電荷がＦＤ領域ＦＤ２へ転送される。これにより、破線ｔ２で示す時点で、それぞれシグナルレベルの第１信号および第２信号が、第１および第２の垂直信号線２５ａ、２５ｂを介して読み出される。
次に、Ｎ＋２行目の画素２０Ｇに含まれる、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２からの読み出し動作を説明する。
Ｈレベルの第１および第２の制御信号φＳＥＬ１およびφＳＥＬ２が供給されることにより、第１信号を出力させる第１の選択トランジスタＳＥＬ１、および、第２信号を出力させる第２の選択トランジスタＳＥＬ２がオンする。また、第１の制御信号φＲＳＴ１としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１がオンしてＦＤ領域ＦＤ１の電位がリセットされる。同様に、第２の制御信号φＲＳＴ２としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第２のリセットトランジスタＲＳＴ２がオンしてＦＤ領域ＦＤ２の電位がリセットされる。破線ｔ３で示す時点で、それぞれリセットレベルの第１信号および第２信号が、第１および第２の垂直信号線２５ａおよび２５ｂを介して読み出される。
続いて、制御信号φＴｘ１としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第１の転送トランジスタＴｘ－１がオンして第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷がＦＤ領域ＦＤ１へ転送される。同様に、制御信号φＴｘ２としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第２の転送トランジスタＴｘ－２がオンして第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷がＦＤ領域ＦＤ２へ転送される。これにより、破線ｔ４で示す時点で、それぞれシグナルレベルの第１信号および第２信号が、第１および第２の垂直信号線２５ａ、２５ｂを介して読み出される。
画像用の読み出しを行う期間において、Ｎ＋２行目の画素２０Ｇに含まれる、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２からの読み出し動作を説明する。
Ｈレベルの制御信号φＳＥＬ３が供給されることにより、第３信号を出力させる第３の選択トランジスタＳＥＬ３がオンする。また、第３の制御信号φＲＳＴ３としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第３のリセットトランジスタＲＳＴ３がオンしてＦＤ領域ＦＤ３の電位がリセットされる。破線ｔ５で示す時点で、リセットレベルの第３信号が第２の垂直信号線２５ｂを介して読み出される。
続いて、制御信号φＴｘ３としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第３の転送トランジスタ部Ｔｘ－３がオンして第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷、および、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷がＦＤ領域ＦＤ３へ転送される。これにより、破線ｔ６で示す時点で、シグナルレベルの第３信号が、第２の垂直信号線２５ｂを介して読み出される。
このように、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２による第３信号を、第２信号と同じ第２の垂直信号線２５ｂ（出力部）を介して読み出すことができる。
次に、Ｎ＋１行目の画素２０Ｒに含まれる、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－３およびＰＤ－４からの読み出し動作を説明する。
Ｈレベルの制御信号φＳＥＬ３が供給されることにより、第３信号を出力させる第３の選択トランジスタＳＥＬ３がオンする。また、第３の制御信号φＲＳＴ３としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第３のリセットトランジスタＲＳＴ３がオンしてＦＤ領域ＦＤ３の電位がリセットされる。破線ｔ７で示す時点で、リセットレベルの第３信号が第２の垂直信号線２５ｂを介して読み出される。
続いて、制御信号φＴｘ４としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第３の転送トランジスタ部Ｔｘ－４がオンして第１のフォトダイオードＰＤ－３で生成された電荷、および、第２のフォトダイオードＰＤ－４で生成された電荷がＦＤ領域ＦＤ３へ転送される。これにより、破線ｔ８で示す時点で、シグナルレベルの第３信号が第２の垂直信号線２５ｂを介して読み出される。
このように、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－３およびＰＤ－４による第３信号を、第２信号と同じ第２の垂直信号線２５ｂ（出力部）を介して読み出すことができる。
第２の実施の形態の変形例２によれば、焦点調節用の読み出しを行う場合、１行ずつの読み出しを行うことができる。また、画像用の読み出しを行う場合も、１行ずつの読み出しを行うことができる。これにより、焦点調節用の読み出しと画像用の読み出しとを行ごとに任意に切り替えながら、信号の読み出しを行うことが可能である。
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では、１画素４ＰＤ構成について説明する。１画素４ＰＤ構成とは、各画素２０において、マイクロレンズＭＬおよびカラーフィルタの内側（背後）に光電変換部として４つのフォトダイオードＰＤ－１、ＰＤ－２、ＰＤ－３、ＰＤ－４を有する構成をいう。すなわち、各画素２０は、例えば、画素位置の右上に配置された第１のフォトダイオードＰＤ－１と、画素位置の左上に配置された第２のフォトダイオードＰＤ－２と、画素位置の右下に配置された第３のフォトダイオードＰＤ－３と、画素位置の左下に配置された第４のフォトダイオードＰＤ－４とを有する。
これにより、各画素２０の第１のフォトダイオードＰＤ－１には、撮影レンズ２の瞳の第１の領域を通過した光束が入射し、第２のフォトダイオードＰＤ－２には、撮影レンズ２の瞳の第２の領域を通過した光束が入射し、第３のフォトダイオードＰＤ－３には、撮影レンズ２の瞳の第３の領域を通過した光束が入射し、第４のフォトダイオードＰＤ－４には、撮影レンズ２の瞳の第４の領域を通過した光束が入射する。
一般に、第１および第２の実施の形態のように、撮影レンズ２の瞳の領域を水平方向（行方向）に分割すると、被写体の縦方向の模様に対して焦点検出を行う場合に好適になる。これに対し、撮影レンズ２の瞳の領域を垂直方向（列方向）に分割すると、被写体の横方向の模様に対して焦点検出を行う場合に好適となる。第３の実施の形態では、１画素４ＰＤ構成にすることで、被写体の模様の方向にかかわらず焦点検出を行うことを可能にする。以下に、１画素４ＰＤ構成の画素２０を有する撮像素子３について詳細に説明する。
図１７(a)は、第３の実施の形態による撮像素子３の画素２０の回路を説明する図である。図１７(b)は、図１７(a)のうちの光電変換部の領域Ｕを拡大した図である。領域Ｕには、画素位置の右上に配置された第１のフォトダイオードＰＤ－１と、画素位置の左上に配置された第２のフォトダイオードＰＤ－２と、画素位置の右下に配置された第３のフォトダイオードＰＤ－３と、画素位置の左下に配置された第４のフォトダイオードＰＤ－４とを有する。
＜制御信号＞
領域Ｕにおいて、第１の転送トランジスタＴｘ－１は、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷をＦＤ領域ＦＤ１へ転送する場合に、第１の制御信号φＴｘ１によってオンされる。第２の転送トランジスタＴｘ－２は、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷をＦＤ領域ＦＤ２へ転送する場合に、第２の制御信号φＴｘ２によってオンされる。第５の転送トランジスタ部Ｔｘ－５は、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷と第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷とをまとめてＦＤ領域ＦＤ５へ転送する場合に、第５の制御信号φＴｘ５によってオンされる。すなわち、第５の転送トランジスタ部Ｔｘ－５の各転送トランジスタＴｘ－５ａ、Ｔｘ－５ｂ（不図示）は、第５の制御信号φＴｘ５によって同時にオンされる。
また、領域Ｕにおいて、第３の転送トランジスタＴｘ－３は、第３のフォトダイオードＰＤ－３で生成された電荷をＦＤ領域ＦＤ３へ転送する場合に、第３の制御信号φＴｘ３によってオンされる。第４の転送トランジスタＴｘ－４は、第４のフォトダイオードＰＤ－４で生成された電荷をＦＤ領域ＦＤ４へ転送する場合に、第４の制御信号φＴｘ４によってオンされる。第６の転送トランジスタ部Ｔｘ－６は、第３のフォトダイオードＰＤ－３で生成された電荷と第４のフォトダイオードＰＤ－４で生成された電荷とをまとめてＦＤ領域ＦＤ６へ転送する場合に、第６の制御信号φＴｘ６によってオンされる。すなわち、第６の転送トランジスタ部Ｔｘ－６の各転送トランジスタＴｘ－６ａ、Ｔｘ－６ｂ（不図示）は、第６の制御信号φＴｘ６によって同時にオンされる。
さらにまた、領域Ｕにおいて、第７の転送トランジスタ部Ｔｘ－７は、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷と第３のフォトダイオードＰＤ－３で生成された電荷とをまとめてＦＤ領域ＦＤ７へ転送する場合に、第７の制御信号φＴｘ７によってオンされる。すなわち、第７の転送トランジスタ部Ｔｘ－７の各転送トランジスタＴｘ－７ａ、Ｔｘ－７ｂ（不図示）は、第７の制御信号φＴｘ７によって同時にオンされる。
そしてさらに、領域Ｕにおいて、第８の転送トランジスタ部Ｔｘ－８は、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷と第４のフォトダイオードＰＤ－４で生成された電荷とをまとめてＦＤ領域ＦＤ８へ転送する場合に、第８の制御信号φＴｘ８によってオンされる。すなわち、第８の転送トランジスタ部Ｔｘ－８の各転送トランジスタＴｘ－８ａ、Ｔｘ－８ｂ（不図示）は、第８の制御信号φＴｘ８によって同時にオンされる。
第３の実施の形態では、撮像素子３の１画素列に対し、４本の垂直信号線、すなわち第１～第４の垂直信号線２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄが設けられている。第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷に基づく信号と、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷と第３のフォトダイオードＰＤ－３で生成された電荷との和に基づく信号とが、第１の垂直信号線２５ａを介して読み出される。
また、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷に基づく信号と、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷と第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷との和に基づく信号とが、第２の垂直信号線２５ｂを介して読み出される。
さらに、第３のフォトダイオードＰＤ－３で生成された電荷に基づく信号と、第３のフォトダイオードＰＤ－３で生成された電荷と第４のフォトダイオードＰＤ－４で生成された電荷との和に基づく信号とが、第３の垂直信号線２５ｃを介して読み出される。
さらにまた、第４のフォトダイオードＰＤ－４で生成された電荷に基づく信号と、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷と第４のフォトダイオードＰＤ－４で生成された電荷との和に基づく信号とが、第４の垂直信号線２５ｄを介して読み出される。
上述した画素２０によって撮影レンズ２の瞳の領域を水平方向（行方向）に分割する場合は、例えば、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷と第３のフォトダイオードＰＤ－３で生成された電荷との和に基づく信号と、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷と第４のフォトダイオードＰＤ－４で生成された電荷との和に基づく信号と、を読み出す。すなわち、ＦＤ領域７とＦＤ領域８とでそれぞれ加算された信号を読み出す。
また、上述した画素２０によって撮影レンズ２の瞳の領域を垂直方向（列方向）に分割する場合は、例えば、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷と第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷との和に基づく信号と、第３のフォトダイオードＰＤ－３で生成された電荷と第４のフォトダイオードＰＤ－４で生成された電荷との和に基づく信号と、を読み出す。すなわち、ＦＤ領域５とＦＤ領域６とでそれぞれ加算された信号を読み出す。
＜タイムチャートの説明＞
図１８は、第３の実施の形態の撮像素子３に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。図１８を参照して、図１７(a)、図１７(b)に示す画素２０の第１～第４のフォトダイオードＰＤ－１～ＰＤ－４で生成された電荷に基づく信号を、それぞれ個別に読み出す場合の読み出し動作を説明する。第３の実施の形態では、上述したように撮像素子３の１画素列に対して４本の垂直信号線（第１～第４の垂直信号線２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ）が設けられている。これにより、第１～第４のフォトダイオードＰＤ－１～ＰＤ－４で生成された電荷に基づく信号は、以下に説明するように同じタイミングで並行して読み出すことができる。
なお、図１８において、第１～第４の垂直信号線２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの信号波形の図示は省略する。
Ｈレベルの第１～第４の制御信号φＳＥＬ１～φＳＥＬ４がそれぞれ垂直走査回路２１から供給されることにより、第１のフォトダイオードＰＤ－１で生成された電荷に基づく信号を出力させる第１の選択トランジスタＳＥＬ１、第２のフォトダイオードＰＤ－２で生成された電荷に基づく信号を出力させる第２の選択トランジスタＳＥＬ２、第３のフォトダイオードＰＤ－３で生成された電荷に基づく信号を出力させる第３の選択トランジスタＳＥＬ３、第４のフォトダイオードＰＤ－４で生成された電荷に基づく信号を出力させる第４の選択トランジスタＳＥＬ４が、それぞれオンする。
また、第１の制御信号φＲＳＴ１としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第１のリセットトランジスタＲＳＴ１がオンしてＦＤ領域ＦＤ１の電位がリセットされる。同様に、第２～第４の制御信号φＲＳＴ２～φＲＳＴ４としてＨレベルのリセットパルスがそれぞれ供給されることにより、第２～第４のリセットトランジスタＲＳＴ２～ＲＳＴ４がそれぞれオンしてＦＤ領域ＦＤ２～ＦＤ４の電位がそれぞれリセットされる。これにより、破線ｔ１で示す時点で、リセットレベルの信号が第１～第４の垂直信号線２５ａ～２５ｄを介してそれぞれ読み出される。
続いて、制御信号φＴｘ１～φＴｘ４としてＨレベルの転送パルスが第１～第４の転送トランジスタＴｘ－１～Ｔｘ－４へそれぞれ供給されることにより、第１～第４の転送トランジスタＴｘ－１～Ｔｘ－４がそれぞれオンする。これにより、第１～第４のフォトダイオードＰＤ－１～ＰＤ－４でそれぞれ生成された電荷が、ＦＤ領域ＦＤ１～ＦＤ４へそれぞれ転送される。以上により、破線ｔ２で示す時点で、シグナルレベルの信号が第１～第４の垂直信号線２５ａ～２５ｄを介してそれぞれ読み出される。
次に、垂直方向に位相差検出するための焦点調節用の読み出しと、水平方向に位相差検出するための焦点調節用の読み出しとを行う場合の読み出し動作を説明する。図１９は、第３の実施の形態の撮像素子３に対し、焦点調節用の読み出し時に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。
なお、図１９において、第１～第４の垂直信号線２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの信号波形の図示は省略する。
＜垂直方向の分割＞
上述したように、垂直方向に分割する場合は、ＦＤ領域５とＦＤ領域６とでそれぞれ加算された信号を読み出す。Ｈレベルの第５および第６の制御信号φＳＥＬ５およびφＳＥＬ６がそれぞれ垂直走査回路２１から供給されることにより、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２でそれぞれ生成された電荷の和に基づく信号を出力させる第５の選択トランジスタＳＥＬ５、および、第３のおよび第４のフォトダイオードＰＤ－３およびＰＤ－４でそれぞれ生成された電荷の和に基づく信号を出力させる第６の選択トランジスタＳＥＬ６が、それぞれオンする。
また、第５の制御信号φＲＳＴ５としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第５のリセットトランジスタＲＳＴ５がオンしてＦＤ領域ＦＤ５の電位がリセットされる。同様に、第６の制御信号φＲＳＴ６としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第６のリセットトランジスタＲＳＴ６がオンしてＦＤ領域ＦＤ６の電位がリセットされる。これにより、破線ｔ１で示す時点で、リセットレベルの信号が第１および第３の垂直信号線２５ｂおよび２５ｃを介してそれぞれ読み出される。
続いて、第５の制御信号φＴｘ５としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第５の転送トランジスタ部Ｔｘ－５がオンする。これにより、第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２でそれぞれ生成された電荷が、ＦＤ領域ＦＤ５へ転送される。第５の制御信号φＴｘ５の供給と同時に、第６の制御信号φＴｘ６としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第６の転送トランジスタ部Ｔｘ－６がオンする。これにより、第３および第４のフォトダイオードＰＤ－３およびＰＤ－４でそれぞれ生成された電荷が、ＦＤ領域ＦＤ６へ転送される。以上により、破線ｔ２で示す時点で、シグナルレベルの和の信号（第１および第２のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－２でそれぞれ生成された電荷の和に基づく信号、第３および第４のフォトダイオードＰＤ－３およびＰＤ－４でそれぞれ生成された電荷の和に基づく信号）が第２および第３の垂直信号線２５ｂおよび２５ｃを介してそれぞれ読み出される。
＜水平方向の分割＞
上述したように、水平方向に分割する場合は、ＦＤ領域７とＦＤ領域８とでそれぞれ加算された信号を読み出す。Ｈレベルの第７および第８の制御信号φＳＥＬ７およびφＳＥＬ８がそれぞれ垂直走査回路２１から供給されることにより、第１および第３のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－３でそれぞれ生成された電荷の和に基づく信号を出力させる第７の選択トランジスタＳＥＬ７、および、第２のおよび第４のフォトダイオードＰＤ－２およびＰＤ－４でそれぞれ生成された電荷の和に基づく信号を出力させる第８の選択トランジスタＳＥＬ６が、それぞれオンする。
また、第７の制御信号φＲＳＴ７としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第７のリセットトランジスタＲＳＴ７がオンしてＦＤ領域ＦＤ７の電位がリセットされる。同様に、第８の制御信号φＲＳＴ８としてＨレベルのリセットパルスが供給されることにより、第８のリセットトランジスタＲＳＴ８がオンしてＦＤ領域ＦＤ８の電位がリセットされる。これにより、破線ｔ３で示す時点で、それぞれリセットレベルの信号が、第１および第４の垂直信号線２５ａおよび２５ｄを介して読み出される。
続いて、第７の制御信号φＴｘ７としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第７の転送トランジスタ部Ｔｘ－７がオンする。これにより、第１および第３のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－３でそれぞれ生成された電荷が、ＦＤ領域ＦＤ７へ転送される。第７の制御信号φＴｘ７の供給と同時に、第８の制御信号φＴｘ８としてＨレベルの転送パルスが供給されることにより、第８の転送トランジスタ部Ｔｘ－８がオンする。これにより、第２および第４のフォトダイオードＰＤ－２およびＰＤ－４でそれぞれ生成された電荷が、ＦＤ領域ＦＤ８へ転送される。以上により、破線ｔ４で示す時点で、シグナルレベルの和の信号（第１および第３のフォトダイオードＰＤ－１およびＰＤ－３でそれぞれ生成された電荷の和に基づく信号、第２および第４のフォトダイオードＰＤ－２およびＰＤ－４でそれぞれ生成された電荷の和に基づく信号）が、第１および第４の垂直信号線２５ａおよび２５ｄを介して読み出される。
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１７年第６８４５２号（２０１７年３月３０日出願）
１…カメラ
２…撮像光学系
３…撮像素子
９…マイクロプロセッサ
１０…焦点演算部
１３…画像処理部
２０、２０Ｇ、２０Ｒ、２０Ｂ…画素
２１…垂直走査回路
２２…水平走査回路
２３、２４…制御信号線
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ…垂直信号線
ＡＭＰ１～ＡＭＰ８…増幅トランジスタ
ＦＤ１～ＦＤ８…ＦＤ領域
ＰＤ－１～ＰＤ－４…フォトダイオード
ＳＥＬ１～ＳＥＬ８…選択トランジスタ
Ｔｘ－１、Ｔｘ－２、Ｔｘ－３、Ｔｘ－４…転送トランジスタ
Ｔｘ－３～Ｔｘ－８…転送トランジスタ部

Claims (22)

  1. 第１マイクロレンズを透過した光を電荷に変換する第１光電変換部と、
    前記第１マイクロレンズを透過した光を電荷に変換する光電変換部であって、第１方向において前記第１光電変換部の隣に配置される第２光電変換部と、
    前記第１方向と交差する第２方向において前記第１マイクロレンズの隣に配置される第２マイクロレンズを透過した光を電荷に変換する第３光電変換部と、
    前記第２マイクロレンズを透過した光を電荷に変換する光電変換部であって、前記第１方向において前記第３光電変換部の隣に配置される第４光電変換部と、
    前記第１光電変換部で変換された電荷と、前記第３光電変換部で変換された電荷とが転送される１つの拡散領域を有する第１拡散部と、
    前記第２光電変換部で変換された電荷と、前記第４光電変換部で変換された電荷とが転送される１つの拡散領域を有する第２拡散部と、
    前記第１拡散部と電気的に接続されるゲートを有し、第１信号を出力する第１トランジスタと、
    前記第２拡散部と電気的に接続されるゲートを有し、第２信号を出力する第２トランジスタと
    前記第１トランジスタから出力された前記第１信号を読み出すための第１信号線と、
    前記第２トランジスタから出力された前記第２信号を読み出すための第２信号線と
    を備え、
    前記第１拡散部は、前記第２方向において前記第１光電変換部と前記第３光電変換部との間に配置され、
    前記第２拡散部は、前記第２方向において前記第２光電変換部と前記第４光電変換部との間に配置される、
    撮像素子。
  2. 請求項１に記載の撮像素子において、
    前記第１トランジスタと前記第１信号線とを電気的に接続する第１選択部と、
    前記第２トランジスタと前記第２信号線とを電気的に接続する第２選択部と
    を備える撮像素子。
  3. 請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、
    前記第１拡散部の電位をリセットする第１リセット部と、
    前記第２拡散部の電位をリセットする第２リセット部と
    を備える撮像素子。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記第１光電変換部と前記第３光電変換部とは、前記第２方向に沿って配置され、
    前記第２光電変換部と前記第４光電変換部とは、前記第２方向に沿って配置される、
    撮像素子。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記第１光電変換部で変換された電荷を前記第１拡散部に転送する第１転送部と、
    前記第２光電変換部で変換された電荷を前記第２拡散部に転送する第２転送部と、
    前記第３光電変換部で変換された電荷を前記第１拡散部に転送する第３転送部と、
    前記第４光電変換部で変換された電荷を前記第２拡散部に転送する第４転送部と
    を備える撮像素子。
  6. 請求項５に記載の撮像素子において、
    前記第１転送部と前記第３転送部とは、前記第２方向に沿って配置され、
    前記第２転送部と前記第４転送部とは、前記第２方向に沿って配置される、
    撮像素子。
  7. 請求項５または請求項６に記載の撮像素子において、
    前記第１転送部と前記第３転送部とは、前記第２方向において互いに向かい合って配置され、
    前記第２転送部と前記第４転送部とは、前記第２方向において互いに向かい合って配置される、
    撮像素子。
  8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記第１マイクロレンズを透過した光が入射されるフィルタであって、第１分光特性を有する第１フィルタと、
    前記第２マイクロレンズを透過した光が入射されるフィルタであって、第２分光特性を有する第２フィルタと
    を備え、
    前記第１光電変換部と前記第２光電変換部とは、前記第１フィルタを透過した光を電荷に変換し、
    前記第３光電変換部と前記第４光電変換部とは、前記第２フィルタを透過した光を電荷に変換する、
    撮像素子。
  9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記第３光電変換部で変換された電荷と、前記第４光電変換部で変換された電荷とが転送される第３拡散部を備える撮像素子。
  10. 請求項９に記載の撮像素子において、
    前記第３拡散部と電気的に接続されるゲートを有し、第３信号を出力する第３トランジスタを備える撮像素子。
  11. 請求項１０に記載の撮像素子において、
    前記第２信号線は、前記第３トランジスタから出力された前記第３信号を読み出すために用いられる、
    撮像素子。
  12. 請求項１１に記載の撮像素子において、
    前記第３トランジスタと前記第２信号線とを電気的に接続する第３選択部を備える撮像素子。
  13. 請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記第３光電変換部で変換された電荷と、前記第４光電変換部で変換された電荷とを前記第３拡散部に転送する第５転送部を備える撮像素子。
  14. 請求項９から請求項１３のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記第２方向において前記第２マイクロレンズの隣に配置される第３マイクロレンズを透過した光を電荷に変換する第５光電変換部と、
    前記第３マイクロレンズを透過した光を電荷に変換する光電変換部であって、前記第１方向において前記第５光電変換部の隣に配置される第６光電変換部と
    を備え、
    前記第２マイクロレンズは、前記第２方向において前記第１マイクロレンズと前記第３マイクロレンズとの間に配置され、
    前記第３拡散部は、前記第５光電変換部で変換された電荷と、前記第６光電変換部で変換された電荷とが転送される、
    撮像素子。
  15. 請求項１４に記載の撮像素子において、
    前記第５光電変換部で変換された電荷が転送される第４拡散部と、
    前記第６光電変換部で変換された電荷が転送される第５拡散部と
    を備える撮像素子。
  16. 請求項１５に記載の撮像素子において、
    前記第４拡散部と電気的に接続されるゲートを有し、第４信号を出力する第４トランジスタと、
    前記第５拡散部と電気的に接続されるゲートを有し、第５信号を出力する第５トランジスタと
    を備える撮像素子。
  17. 請求項１６に記載の撮像素子において、
    前記第１信号線は、前記第４トランジスタから出力された前記第４信号を読み出すために用いられ、
    前記第２信号線は、前記第５トランジスタから出力された前記第５信号を読み出すために用いられる、
    撮像素子。
  18. 請求項１７に記載の撮像素子において、
    前記第４トランジスタと前記第１信号線とを電気的に接続する第４選択部と、
    前記第５トランジスタと前記第２信号線とを電気的に接続する第５選択部と
    を備える撮像素子。
  19. 請求項１５から請求項１８のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記第５光電変換部で変換された電荷を前記第４拡散部に転送する第６転送部と、
    前記第６光電変換部で変換された電荷を前記第５拡散部に転送する第７転送部と
    を備える撮像素子。
  20. 請求項１から請求項１９のいずれか一項に記載の撮像素子を備える撮像装置。
  21. 請求項２０に記載の撮像装置において、
    前記撮像素子に電気的に接続され、画像データを生成する画像処理部を備える撮像装置。
  22. 請求項２０または請求項２１に記載の撮像装置において、
    前記撮像素子から出力された前記第１信号と前記第２信号とに基づいて、前記撮像素子に光学像を結像させる光学系の焦点調節を行う制御部を備える撮像装置。
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