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JP2017120975A - 撮像素子 - Google Patents

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Tatsuya Kitamori
達也 北森
文秀 村尾
Fumihide Murao
文秀 村尾
恭治 山崎
Kyoji Yamazaki
恭治 山崎
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Abstract

【課題】従来の撮像素子では、画素ユニット内で生成される画素情報を行毎に読み出し処理を行わなければらず、画素情報のＳＮ比を十分に高めることができない問題があった。【解決手段】一実施の形態によれば、撮像素子は、列方向に配置される複数の画素ユニットのフローティングディフュージョンＦＤを連結するか否かを切り替える共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧ＿Ａ、ＦＤＧ＿Ｂ及びフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡ、ＲＳＷＢを有し、画素ユニット内で連結された複数のフローティングディフュージョンＦＤにおいて複数の画素ユニットで生成される画素情報を合成する。【選択図】図３

Description

本発明は撮像素子に関し、例えば格子状に配置された画素ユニットを有する撮像素子に関する。
カメラ等の撮像装置では、ＣＣＤ或いはＣＭＯＳセンサを撮像素子として利用し、撮像素子により得られた画像を撮影データとして出力する。この撮像装置では、撮影する像の先鋭度を自動的に高めるオートフォーカス機能を搭載していることが多い。このオートフォーカス機能を実現するための方式の一つとして位相差方式がある。
位相差方式では、二次元的に配置したマイクロレンズ毎に、一対或いは二対の受光部を設け、マイクロレンズによって受光部を撮像光学系の瞳に投影することで瞳を分割する。そして、位相差方式では、撮像光学系の瞳の異なる部分を通過した２光束を用いて物体像をそれぞれ形成し、２つの物体像間の位置的位相差を撮像素子の出力に基づいて検出し、これを撮像光学系のデフォーカス量に換算する。このような、位相差方式のオートフォーカス機能を有する撮像装置の例が特許文献１に開示されている。
特許第３７７４５９７号明細書
しかしながら、特許文献１に記載の撮像装置では、画素情報の読み出しを一対の受光部単位でしか行うことができず画素情報のＳＮ比（Signal Noise Ratio）を十分に高めることができない問題がある。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態によれば、撮像素子は、列方向に配置される複数の画素ユニットのフローティングディフュージョンを連結するか否かを切り替える共通フローティングディフュージョン配線及びフローティングディフュージョンスイッチを有し、画素ユニット内で連結された複数のフローティングディフュージョンにおいて複数の画素ユニットで生成される画素情報を合成する。
前記一実施の形態によれば、画素ユニット内で複数の画素ユニットで生成される画素情報を合成することで、画素情報のＳＮ比を高めることができる。
実施の形態１にかかる撮像素子を含むカメラシステムのブロック図である。 実施の形態１にかかる撮像素子のフロアレイアウトの概略図である。 実施の形態１にかかる撮像素子の画素ユニットの回路図である。 実施の形態１にかかる撮像素子の画素ユニットのレイアウトの概略図である。 実施の形態１にかかる撮像素子のフォトダイオード部分の断面図である。 実施の形態１にかかる撮像素子における画素ユニット間の接続状態を説明する回路図である。 実施の形態１にかかる画素アレイから１行分の画素情報の読み出す場合の動作を示すタイミングチャートである。 実施の形態１にかかる画素アレイから２行分の画素情報を一度に読み出す場合の動作を示すタイミングチャートである。 実施の形態１にかかる画素アレイから３行分の画素情報を一度に読み出す場合の動作を示すタイミングチャートである。 実施の形態１にかかる撮像素子におけるＳＮ比を説明する図である。 実施の形態２にかかる撮像素子の画素ユニットの回路図である。 実施の形態２にかかる画素アレイから３行分の画素情報を一度に読み出す場合の動作を示すタイミングチャートである。 実施の形態３にかかる撮像素子のフロアレイアウトの概略図である。 実施の形態３にかかる撮像素子の画素ユニットの回路図である。 実施の形態３にかかる画素アレイから３行分の画素情報を一度に読み出す場合の動作を示すタイミングチャートである。 実施の形態４にかかる撮像素子の画素ユニットの回路図である。 実施の形態４にかかる画素アレイから３行分の画素情報を一度に読み出す場合の動作を示すタイミングチャートである。 実施の形態５にかかる撮像素子の画素ユニットの回路図である。 実施の形態５にかかる画素アレイから３行分の画素情報を一度に読み出す場合の動作を示すタイミングチャートである。 実施の形態６にかかる撮像素子の画素ユニットの回路図である。 実施の形態７にかかる撮像素子の画素ユニットの回路図である。 実施の形態８にかかる撮像素子の画素ユニットの回路図である。 撮像素子における位相差オートフォーカスの原理を説明する図である。 フォーカスずれが生じている場合の光電変換素子の出力を説明するグラフである。 実施の形態９にかかるカメラシステムの構成例を説明する図である。 実施の形態９にかかるカメラシステムにおける画素情報の処理タイミングを説明する図である。
実施の形態１
説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、様々な処理を行う機能ブロックとして図面に記載される各要素は、ハードウェア的には、ＣＰＵ、メモリ、その他の回路で構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、又は、それらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
＜カメラシステムの説明＞
図１に実施の形態１にかかるカメラシステム１のブロック図を示す。図１に示すように、カメラシステム１は、ズームレンズ１１、絞り機構１２、固定レンズ１３、フォーカスレンズ１４、撮像素子１５、ズームレンズアクチュエータ１６、フォーカスレンズアクチュエータ１７、信号処理回路１８、システム制御ＭＣＵ１９、モニタ、記憶装置を有する。ここで、モニタ及び記憶装置は、カメラシステム１で撮影した画像を確認及び記憶するものであり、これらをカメラシステム１とは切り離した別のシステム上に設けても良い。
ズームレンズ１１、絞り機構１２、固定レンズ１３及びフォーカスレンズ１４は、カメラシステム１のレンズ群を構成する。ズームレンズ１１は、ズームアクチュエータ１６により位置の変更が行われる。フォーカスレンズ１４は、フォーカスアクチュエータ１７により位置の変更が行われる。そして、カメラシステム１では、各種アクチュエータによりレンズを移動させることでズーム倍率、フォーカスを変更し、かつ、絞り機構１２を動作させることで入射光量を変更する。
ズームアクチュエータ１６は、システム制御ＭＣＵ１９が出力するズーム制御信号ＳＺＣに基づきズームレンズ１１を移動させる。フォーカスアクチュエータ１７は、フォーカスアクチュエータ１７は、システム制御ＭＣＵ１９が出力するフォーカス制御信号ＳＦＣに基づきフォーカスレンズ１４を移動させる。絞り機構１２は、システム制御ＭＣＵ１９が出力する絞り制御信号ＳＤＣにより絞り量を調節する。
撮像素子１５は、例えば、フォトダイオード等の受光素子を有し、当該受光素子から得られた受光画素情報をデジタル値に変換して画像情報Ｄｏを出力する。また、撮像素子１５は、撮像素子１５が出力する画像情報Ｄｏを解析して画像情報Ｄｏの特徴を表す画像特徴情報ＤＣＩを出力する。この画像特徴情報ＤＣＩには、後述するオートフォーカス処理において取得される２つの画像が含まれる。さらに、撮像素子１５は、モジュール制御ＭＣＵ１８から与えられるセンサ制御信号ＳＳＣに基づき画像情報Ｄｏの画素毎のゲイン制御、画像情報Ｄｏの露光制御、及び、画像情報ＤｏのＨＤＲ（High Dynamic Range）制御を行う。撮像素子１５の詳細については後述する。
信号処理回路１８は、撮像素子１５から受信した画像情報Ｄｏに画像補正等の画像処理を施して画像データＤｉｍｇを出力する。信号処理回路１８は、受信した画像情報Ｄｏを解析して色空間情報ＤＣＤを出力する。色空間情報ＤＣＤには、例えば、画像情報Ｄｏの輝度情報、及び、色情報が含まれる。
システム制御ＭＣＵ１９は、撮像素子１５から出力される画像特徴情報ＤＣＩに基づきレンズ群のフォーカスを制御する。より具体的には、システム制御ＭＣＵ１９は、フォーカス制御信号ＳＦＣをフォーカスアクチュエータ１７に出力することでレンズ群のフォーカスを制御する。システム制御ＭＣＵ１９は、絞り制御信号ＳＤＣを絞り機構１２に出力して絞り機構１２の絞り量を調節する。さらに、システム制御ＭＣＵ１９は、外部から与えられるズーム指示に従ってズーム制御信号ＳＺＣを生成し、ズーム制御信号ＳＺＣをズームアクチュエータ１６に出力することでレンズ群のズーム倍率を制御する。
より具体的には、ズームアクチュエータ１６によりズームレンズ１１を移動することでフォーカスがずれる。そこで、システム制御ＭＣＵ１９は、撮像素子１５から得た画像特徴情報ＤＣＩに含まれる２つの画像に基づき２つの物体像間の位置的位相差を算出し、この位置的位相差に基づきレンズ群のデフォーカス量を算出する。システム制御ＭＣＵ１９は、このデフォーカス量に応じて自動的にフォーカスを合わせる。この処理がオートフォーカス制御である。
また、システム制御ＭＣＵ１９は、信号処理回路１８が出力する色空間情報ＤＣＤに含まれる輝度情報に基づき撮像素子１５の露出設定を指示する露出制御値を算出して、信号処理回路１８から出力される色空間情報ＤＣＤに含まれる輝度情報が露出制御値に近づくように撮像素子１５の露光設定及びゲイン設定を制御する。このとき、システム制御ＭＣＵ１９は、露出を変更する際に絞り機構１２の制御値を算出しても良い。
また、システム制御ＭＣＵ１９は、ユーザーからの指示に基づき画像データＤｉｍｇの輝度或いは色を調整する色空間制御信号ＳＩＣを出力する。なお、システム制御ＭＣＵ１９は、信号処理回路１８から取得した色空間情報ＤＣＤとユーザーから与えられた情報との差分に基づき色空間制御信号ＳＩＣを生成する。
実施の形態１にかかるカメラシステム１では、オートフォーカス処理において撮像素子１５が画像情報Ｄｏを取得する際の撮像素子１５の制御方法に特徴の１つを有する。そこで、以下では、撮像素子１５についてより詳細に説明する。
＜撮像素子の動作に関する説明＞
図２に実施の形態１にかかる撮像素子のフロアレイアウトの一部の概略図を示す。図２では、撮像素子１５のフロアレイアウトのうちロウコントローラ２０、カラムコントローラ２１、画素アレイ２２のフロアレイアウトのみを示した。
ロウコントローラ２０は、格子状に配置された画素ユニット２３の活性状態を行毎に制御する。カラムコントローラ２１は、格子状に配置された画素ユニット２３から読み出される画素信号を列毎に読み出す。カラムコントローラ２１には、画素信号を読み出すためのスイッチ回路及び出力バッファが含まれる。画素アレイ２２には、画素ユニット２３が格子状に配置される。図２に示す例では、各画素ユニット２３は、列方向に１個以上のフォトダイオードＰＤからなるフォトダイオード群を含む。より具体的には、各画素ユニット２３は、２つのフォトダイオード（例えば、フォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１、又は、フォトダイオードＰＤ２、ＰＤ３）により構成される。また、フォトダイオードには、それぞれカラーフィルタが設けられている。図２に示す例では、ベイヤー方式のカラーフィルタの配列を採用する。ベイヤー方式では、輝度信号に寄与する割合の大きい緑色（Ｇ）のカラーフィルタが市松状に配置され、残りの部分に赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）のカラーフィルタが市松状に配置される。そして、画素アレイ２２は、上記の画素ユニットを単位として動作するため、以下で各画素ユニットの構成及び動作について説明する。
＜画素ユニットの回路に関する説明＞
図３に実施の形態１にかかる撮像素子の画素ユニットの回路図を示す。図３に示す例では、フォトダイオードＰＤ０、ＰＤ１を有する画素ユニット２３を示した。このフォトダイオードＰＤ０は、例えば、緑色のカラーフィルタに対応するものであり、フォトダイオードＰＤ１は、例えば、赤色のカラーフィルタに対応するものである。
図３に示すように、画素ユニット２３は、第１の光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ０Ｌ）と、第２の光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ０Ｒ）と、により、緑色のカラーフィルタに対応する１つの受光素子を構成する。詳しくは、後述するが、フォトダイオードＰＤ０ＬとフォトダイオードＰＤ０Ｒは、共通に設けられるマイクロレンズを介して入射する光を受光する。また、フォトダイオードＰＤ０ＬとフォトダイオードＰＤ０Ｒは、隣り合う位置に設けられる。
また、画素ユニット２３では、第３の光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ１Ｌ）と、第４の光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ１Ｒ）と、により、赤色のカラーフィルタに対応する１つの受光素子を構成する。フォトダイオードＰＤ１ＬとフォトダイオードＰＤ１Ｒは、共通に設けられるマイクロレンズを介して入射する光を受光する。また、フォトダイオードＰＤ１ＬとフォトダイオードＰＤ１Ｒは、隣り合う位置に設けられる。
そして、画素ユニット２３では、フォトダイオードＰＤ０Ｌに対して第１の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ０Ｌ）が設けられ、フォトダイオードＰＤ０Ｒに対して第２の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ０Ｒ）が設けられる。転送トランジスタＴＸ０Ｌ及び転送トランジスタＴＸ０Ｒのゲートには、共通する第１の読み出しタイミング信号を与える第１の読み出しタイミング信号配線ＴＧ１が接続される。また、画素ユニット２３では、フォトダイオードＰＤ１Ｌに対して第３の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ１Ｌ）が設けられ、フォトダイオードＰＤ１Ｒに対して第２の転送４トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ１Ｒ）が設けられる。転送トランジスタＴＸ１Ｌ及び転送トランジスタＴＸ１Ｒのゲートには、共通する第２の読み出しタイミング信号を与える第２の読み出しタイミング信号配線ＴＧ２が接続される。この第２の読み出しタイミング信号は、第１の読み出しタイミング信号とは異なるタイミングでイネーブル状態となる。
転送トランジスタＴＸ０Ｌ、ＴＸ１Ｌのドレインは第１のフローティングディフュージョンＦＤとなっている。そして、転送トランジスタＴＸ０Ｌ及び転送トランジスタＴＸ１Ｌのドレインは、第１の増幅トランジスタ（例えば、増幅トランジスタＡＭＩＡ）のゲートに接続されている。また、転送トランジスタＴＸ０Ｌ及び転送トランジスタＴＸ１Ｌのドレインには、第１のリセットトランジスタ（例えば、リセットトランジスタＲＳＴＡ）のソースに接続されている。リセットトランジスタＲＳＴＡのドレインには、電源配線ＶＤＤ＿ＰＸを介して電源電圧が与えられている。増幅トランジスタＡＭＩＡは、転送トランジスタＴＸ０Ｌ、ＴＸ１Ｌを介して出力される電荷により生じる第１の電圧を増幅して第１の出力配線ＯＵＴ＿Ａに出力する。より具体的には、増幅トランジスタＡＭＩＡは、ドレインが電源配線ＶＤＤ＿ＰＸに接続され、ソースが第１の選択トランジスタ（例えば、選択トランジスタＴＳＥＬＡ）を介して第１の出力配線ＯＵＴ＿Ａに接続される。そして、第１の出力配線ＯＵＴ＿Ａは、転送トランジスタＴＸ０Ｌ、ＴＸ１Ｌを介して読み出された電荷に基づき生成される出力信号を出力する。なお、選択トランジスタＴＳＥＬＡのゲートには、選択信号を与える選択信号配線ＳＥＬが接続される。
転送トランジスタＴＸ０Ｒ、ＴＸ１Ｒのドレインは第２のフローティングディフュージョンＦＤとなっている。そして、転送トランジスタＴＸ０Ｒ及び転送トランジスタＴＸ１Ｒのドレインは、第２の増幅トランジスタ（例えば、増幅トランジスタＡＭＩＢ）のゲートに接続されている。また、転送トランジスタＴＸ０Ｒ及び転送トランジスタＴＸ１Ｒのドレインには、第２のリセットトランジスタ（例えば、リセットトランジスタＲＳＴＢ）のソースに接続されている。リセットトランジスタＲＳＴＢのドレインには、電源配線ＶＤＤ＿ＰＸを介して電源電圧が与えられている。増幅トランジスタＡＭＩＢは、転送トランジスタＴＸ０Ｒ、ＴＸ１Ｒを介して出力される電荷により生じる第２の電圧を増幅して第２の出力配線ＯＵＴ＿Ｂに出力する。より具体的には、増幅トランジスタＡＭＩＢは、ドレインが電源配線ＶＤＤ＿ＰＸに接続され、ソースが第２の選択トランジスタ（例えば、選択トランジスタＴＳＥＬＢ）を介して第２の出力配線ＯＵＴ＿Ｂに接続される。そして、第２の出力配線ＯＵＴ＿Ｂは、転送トランジスタＴＸ０Ｒ、ＴＸ１Ｒを介して読み出された電荷に基づき生成される出力信号を出力する。なお、選択トランジスタＴＳＥＬＢのゲートには、選択信号を与える選択信号配線ＳＥＬが接続される。
第１の共通フローティングディフュージョン配線は、複数の画素ユニットのうち列方向に隣接する画素ユニットに対して共通に設けられる。第１のフローティングディフュージョンスイッチ（例えば、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡ）は、第１の共通フローティングディフュージョン配線上に設けられる。フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡは、複数の画素ユニットの間を電気的に接続するか否かを切り替える。図３に示す例では、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡのソース側に接続される第１の共通フローティングディフュージョン配線の符号をＦＤＧｕ＿Ａとし、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡのドレイン側に接続される第１の共通フローティングディフュージョン配線の符号をＦＤＧｄ＿Ａとした。第１の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ａは、上位（行番号が大きい）に配置される上位隣接画素ユニットの第１の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ａに接続される。第１の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ａは、下位（行番号が小さい）に配置される下位隣接画素ユニットの第１の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ａに接続される。また、第１の共通状態切替スイッチ（例えば、共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ）は、転送トランジスタＴＸ０Ｌ、ＴＸ０Ｌのドレインが接続される第１のフローティングディフュージョンと第１の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ａとの電気的な接続状態を切り替える。
第２の共通フローティングディフュージョン配線は、複数の画素ユニットのうち列方向に隣接する画素ユニットに対して共通に設けられる。第２のフローティングディフュージョンスイッチ（例えば、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢ）は、第２の共通フローティングディフュージョン配線上に設けられる。フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢは、複数の画素ユニットの間を電気的に接続するか否かを切り替える。図３に示す例では、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢのソース側に接続される第２の共通フローティングディフュージョン配線の符号をＦＤＧｕ＿Ｂとし、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢのドレイン側に接続される第２の共通フローティングディフュージョン配線の符号をＦＤＧｄ＿Ｂとした。第２の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ｂは、上位（行番号が大きい）に配置される上位隣接画素ユニットの第２の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ｂに接続される。第２の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ｂは、下位（行番号が小さい）に配置される下位隣接画素ユニットの第２の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ｂに接続される。また、第２の共通状態切替スイッチ（例えば、共通状態切替スイッチＦＤＳＷＢ）は、転送トランジスタＴＸ１Ｌ、ＴＸ１Ｌのドレインが接続される第２のフローティングディフュージョンと第２の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ｂとの電気的な接続状態を切り替える。
なお、第１のフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡ及び第２のフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢは、ロウコントローラ２０から出力されるロウ接続状態切替信号ＲＳＷにより開閉状態が制御される。また、共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷＢは、ロウコントローラ２０から出力されるＦＤ共通状態切替信号ＲＳＷにより開閉状態が制御される。
また、複数の画素ユニットには、それぞれ設けられるマイクロレンズの下部にカラーフィルタが設けられる。そして、第１の共通フローティングディフュージョン配線及び第２の共通フローティングディフュージョン配線は、異なる画素ユニットであって、マイクロレンズの下部に形成されるカラーフィルタが同色の画素ユニットの間を接続する。
＜画素ユニットのレイアウトに関する説明＞
続いて、実施の形態１にかかる画素ユニット２３のレイアウトについて説明する。そこで、図４に実施の形態１にかかる画素ユニット２３のレイアウトの概略図を示す。なお、図４に示したレイアウト図は、１つの画素ユニットのみを示すものである。また、図４では、電源配線ＶＤＤ＿ＰＸについては図示を省略した。
図４に示すように、画素ユニット２３は、第１の光電変換素子領域ＡＰＤ０と、第２の光電変換素子領域ＡＰＤ１とが配置される。第１の光電変換素子領域ＡＰＤ０は、１つのマイクロレンズの下部に第１の左光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ０Ｌ）と第１の右光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ０Ｒ）とが形成される。第２の光電変換素子領域ＡＰＤ１は、一つのマイクロレンズの下部に第２の左光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ１Ｌ）と第２の右光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ１Ｒ）とが形成される。
また、転送トランジスタＴＸ０Ｌは、第２の光電変換素子領域ＡＰＤ１に面する第１の光電変換素子領域ＡＰＤ０の辺に形成され、ゲートに第１の読み出しタイミング信号配線ＴＧ１が接続され、フォトダイオードＰＤ０Ｌに対応して設けられる。転送トランジスタＴＸ０Ｒは、第２の光電変換素子領域ＡＰＤ１に面する第１の光電変換素子領域ＡＰＤ０の辺に形成され、ゲートに第１の読み出しタイミング信号配線ＴＧ１が接続され、フォトダイオードＰＤ０Ｒに対応して設けられる。転送トランジスタＴＸ１Ｌは、第１の光電変換素子領域ＡＰＤ０に面する第２の光電変換素子領域ＡＰＤ１の辺に形成され、ゲートに第２の読み出しタイミング信号配線ＴＧ２が接続され、フォトダイオードＰＤ１Ｌに対応して設けられる。転送トランジスタＴＸ１Ｒは、第１の光電変換素子領域ＡＰＤ０に面する第２の光電変換素子領域ＡＰＤ１の辺に形成され、ゲートに第２の読み出しタイミング信号配線ＴＧ２が接続され、フォトダイオードＰＤ１Ｒに対応して設けられる。
また、画素ユニット２３では、転送トランジスタＴＸ０Ｌのドレインとなる拡散領域と、転送トランジスタＴＸ１Ｌのドレインとなる拡散領域とが一の領域に形成され、この領域が第１のフローティングディフュージョン領域となる。つまり、第１のフローティングディフュージョン領域は、転送トランジスタＴＸ０Ｌと転送トランジスタＴＸ１Ｌとを接続する領域に形成される。また、画素ユニット２３では、転送トランジスタＴＸ０Ｒのドレインとなる拡散領域と、転送トランジスタＴＸ１Ｒのドレインとなる拡散領域とが一の領域に形成され、この領域が第２のフローティングディフュージョン領域となる。つまり、第２のフローティングディフュージョン領域は、転送トランジスタＴＸ０Ｒと転送トランジスタＴＸ１Ｒとを接続する領域に形成される。
また、画素ユニット２３では、第１のフローティングディフュージョン領域に隣接するように第１のリセットトランジスタ（例えば、リセットトランジスタＲＳＴＡ０が形成され、第２のフローティングディフュージョン領域に隣接するように第２のリセットトランジスタ（例えば、リセットトランジスタＲＳＴＢ０）が形成される。リセットトランジスタＲＳＴＡ０及びリセットトランジスタＲＳＴＢ０のソースとなる拡散領域は、一の領域に形成される。
また、画素ユニット２３では、第１の光電変換素子領域ＡＰＤ０と第２の光電変換素子領域ＡＰＤ１との間の領域に、増幅トランジスタ、選択トランジスタ、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡが形成される。より具体的には、画素ユニット２３では、図４において第１のフローティングディフュージョン領域の左側領域に増幅トランジスタＡＭＩＡ、選択トランジスタＴＳＥＬＡ、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡが形成される。そして、増幅トランジスタＡＭＩＡのゲートは、第１層配線により形成される配線を用いて、第１のフローティングディフュージョン領域と接続される。増幅トランジスタＡＭＩＡのソースと選択トランジスタＴＳＥＬＡのドレインは一の領域に形成される。選択トランジスタＴＳＥＬＡのソースを構成する拡散領域には、第１の出力配線ＯＵＴ＿Ａが接続される。また、共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡのドレインは、第１層配線により形成される配線を用いて第１のフローティングディフュージョン領域と接続される。フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡのソース領域を形成する拡散領域には、共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ａが接続される。フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡのドレイン領域を形成する拡散領域及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡのソース領域を形成する拡散領域は１つの拡散領域として形成される。そして、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡのドレイン領域及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡのソース領域を形成する拡散領域には、共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ａが接続される。
また、画素ユニット２３では、図４において第２のフローティングディフュージョン領域の右側領域に増幅トランジスタＡＭＩＢ、選択トランジスタＴＳＥＬＢ、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷＢが形成される。そして、増幅トランジスタＡＭＩＢのゲートは、第１層配線により形成される配線を用いて、第２のフローティングディフュージョン領域と接続される。増幅トランジスタＡＭＩＢのソースと選択トランジスタＴＳＥＬＢのドレインは一の領域に形成される。選択トランジスタＴＳＥＬＢのソースを構成する拡散領域には、第２の出力配線ＯＵＴ＿Ｂが接続される。また、共通状態切替スイッチＦＤＳＷＢのドレインは、第１層配線により形成される配線を用いて第２のフローティングディフュージョン領域と接続される。フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢのソース領域を形成する拡散領域には、共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ｂが接続される。フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢのドレイン領域を形成する拡散領域及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷＢのソース領域を形成する拡散領域は１つの拡散領域として形成される。そして、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢのドレイン領域及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷＢのソース領域を形成する拡散領域には、共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ｂが接続される。
＜画素ユニットの断面構造に関する説明＞
続いて、画素ユニット２３の第１の光電変換素子領域ＡＰＤ０の断面構造について説明する。図５に実施の形態１にかかる撮像素子の第１の光電変換素子領域ＡＰＤ０に含まれるフォトダイオード部分の断面図を示す。図５に示すように、画素ユニット２３では、Ｎサブ層３１の上層にＰウェル層３２が形成され、当該Ｐウェル層３２の表面にフォトダイオードＰＤ０Ｌ、ＰＤ０Ｒが形成される。そして、Ｎサブ層３１及びＰウェル層３２からなる基板層の上層には、配線３３〜３５が形成される配線層が設けられる。画素ユニット２３におけるマイクロレンズは、配線層の上層に形成される。マイクロレンズが形成されるマイクロレンズ層では、カラーフィルタ３６の上層にマイクロレンズ３７が形成される。そして、図５に示すように、画素ユニット２３では、フォトダイオード対を覆うようにマイクロレンズ３７が形成される。
＜画素ユニット間の接続に関する説明＞
ここで、実施の形態１にかかる撮像素子におけるにおける画素ユニット間の接続状態を説明する。そこで、図６に実施の形態１にかかる撮像素子におけるにおける画素ユニット間の接続状態を説明する回路図を示す。図６では、画素ユニット内の素子のうち画素ユニット間の接続に関係する素子のみを示した。
図６に示すように、実施の形態１にかかる画素ユニットでは、列方向に並べられる画素ユニットの間に共通フローティングディフュージョン配線を設ける。そして、画素ユニット内のフローティングディフュージョン領域と共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧとの接続状態を共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ、ＦＤＳＷＢにより切り替える。また、共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ、ＦＤＳＷＢは、自画素ユニットと、自画素ユニットよりも下位に配置される画素ユニットとを接続する共通フローティングディフュージョン配線と、自画素ユニットのフローティングディフュージョン領域とを接続する。また、実施の形態１にかかる画素ユニットでは、共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧと共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ、ＦＤＳＷＢとが接続される点と、自画素ユニットよりも上位に配置される画素ユニットとを接続する共通フローティングディフュージョン配線上に設けられる。
つまり、共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ、ＦＤＳＷＢをオンさせた状態でフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡ、ＲＳＷＢをオンすることで、自画素ユニット内のフローティングディフュージョン領域は、自画素ユニットよりも上位に配置される画素ユニットのフローティングディフュージョン領域と並列接続された状態となる。また、共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ、ＦＤＳＷＢをオンさせた状態でフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡ、ＲＳＷＢをオフすることで、自画素ユニット内のフローティングディフュージョン領域は、自画素ユニットよりも上位に配置される画素ユニットのフローティングディフュージョン領域と電気的に切り離された状態となる。
＜画素情報読み出し動作に関する説明＞
続いて、実施の形態１にかかる撮像素子の画素情報の読み出し動作について説明する。実施の形態１にかかる撮像素子では、一度の読み出し動作で読み出す画素情報を生成する画素ユニットの数を変更することができる。以下の説明では、１つの画素ユニットで生成された画素情報を一度の読み出し動作で読み出す第１の例、２つの画素ユニットで生成された画素情報を一度の読み出し動作で読み出す第２の例、３つの画素ユニットで生成された画素情報を一度の読み出し動作で読み出す第３の例を説明する。
ここで、実施の形態１にかかる撮像素子におけるロウコントローラ２０の動作について説明する。実施の形態１では、ロウコントローラ２０は、転送トランジスタ等の素子の開閉状態の制御に加えて、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡ、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢ、第１の共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ及び第２の共通状態切替スイッチＦＤＳＷＢを制御する。具体的には、ロウコントローラ２０は、電荷を同時に読み出す画素ユニットの数に応じて、共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ａ、ＦＤＧｄ＿Ａ及び共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ｂ、ＦＤＧｄ＿Ｂ上において連続してオンさせるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡ及びフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢの数を決定する。また、ロウコントローラ２０は、電荷を同時に読み出す画素ユニット内の第１の共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷＢをオンさせる。
図７に実施の形態１にかかる画素アレイから１行分の画素情報の読み出す場合の動作を示すタイミングチャートを示す。なお、図７の説明においては、各配線を介して伝達される信号に各配線に付した符号を用いて説明を行う。
図７に示す第１の例では、実施の形態１にかかるロウコントローラ２０が、ロウ接続状態切替信号ＲＳＷ及びＦＤ共通状態切替信号ＦＤＳＷをロウレベルに維持する。これにより、実施の形態１にかかる画素アレイでは、各行のフローティングディフュージョンＦＤがそれぞれ独立した状態となる。そして、実施の形態１にかかるロウコントローラ２０は、タイミングＴ１１の前の期間においてｎ行目の選択信号ＳＥＬをロウレベルからハイレベルに切り替える。これにより、ｎ行目の画素ユニットの選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢ、ＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢが導通した状態となる。次いで、タイミングＴ１１において、ｎ行目のリセット信号ＲＳＴをロウレベルからハイレベルに立ち上げる。これにより、ｎ行目の画素ユニットの各フローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。そして、ｎ行目のリセット信号を再度ロウレベルに切り替えた後に、タイミングＴ１２でｎ行目の第１の読み出しタイミング信号ＴＧ１を立ち上げる。これにより、第１の出力配線ＯＵＴ＿ＡにフォトダイオードＰＤ０Ｌから出力される電荷に基づいた出力信号が出力され、第２の出力配線ＯＵＴ＿ＢにフォトダイオードＰＤ０Ｒから出力される電荷に基づいた出力信号が出力される。
次いで、タイミングＴ１３において、ｎ行目のリセット信号ＲＳＴをロウレベルからハイレベルに立ち上げる。これにより、ｎ行目の画素ユニットの各フローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。そして、ｎ行目のリセット信号を再度ロウレベルに切り替えた後に、タイミングＴ１４でｎ行目の第２の読み出しタイミング信号ＴＧ２を立ち上げる。これにより、第１の出力配線ＯＵＴ＿ＡにフォトダイオードＰＤ１Ｌから出力される電荷に基づいた出力信号が出力され、第２の出力配線ＯＵＴ＿ＢにフォトダイオードＰＤ１Ｒから出力される電荷に基づいた出力信号が出力される。そして、選択信号ＳＥＬをハイレベルからロウレベルに切り替えることで、ｎ行目の画素ユニット２３からの画素情報の読み出しが完了する。
なお、図７に示すように、１行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、読み出し対象とならない行に配置される画素ユニットに与えられる各種制御信号は、ロウレベルを維持する。
続いて、２つの画素ユニットで生成された画素情報を一度の読み出し動作で読み出す第２の例について説明する。そこで、図８に実施の形態１にかかる画素アレイから２行分の画素情報の読み出す場合の動作を示すタイミングチャートを示す。
図８に示す第２の例では、実施の形態１にかかるロウコントローラ２０が、読み出し対象の行のうちｎ行目のロウ接続状態切替信号ＲＳＷ及びＦＤ共通状態切替信号ＦＤＳＷを選択信号ＳＥＬに合わせてロウレベルからハイレベルに切り替える。また、読み出し対象の行のうちｎ＋１行目のＦＤ共通状態切替信号ＦＤＳＷも選択信号ＳＥＬに合わせてロウレベルからハイレベルに切り替える。一方、ｎ＋１行目（読み出し対象の行の最上位行）のロウ接続状態切替信号ＲＳＷはロウレベルを維持する。これにより、実施の形態１にかかる画素アレイでは、ｎ行目とｎ＋１行目の画素ユニットのフローティングディフュージョンＦＤを並列接続となり、ｎ＋２行目の画素ユニットのフローティングディフュージョンＦＤは、ｎ行目及びｎ＋１行目の画素ユニットのフローティングディフュージョンＦＤとは電気的に独立した状態となる。
そして、図８に示す第２の例では、実施の形態１にかかるロウコントローラ２０は、タイミングＴ１１の前の期間においてｎ行目及びｎ＋１行目の選択信号ＳＥＬをロウレベルからハイレベルに切り替える。これにより、ｎ行目とｎ＋１行目に配置される画素ユニットの選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢ、ＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢが導通した状態となる。次いで、タイミングＴ１１において、ｎ行目及びｎ＋１行目のリセット信号ＲＳＴをロウレベルからハイレベルに立ち上げる。これにより、ｎ行目及びｎ＋１行目の画素ユニットの各フローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。そして、ｎ行目及びｎ＋１行目のリセット信号を再度ロウレベルに切り替えた後に、タイミングＴ１２でｎ行目及びｎ＋１行目の第１の読み出しタイミング信号ＴＧ１を立ち上げる。これにより、第１の出力配線ＯＵＴ＿ＡにフォトダイオードＰＤ０Ｌから出力される電荷に基づいた出力信号が出力され、第２の出力配線ＯＵＴ＿ＢにフォトダイオードＰＤ０Ｒから出力される電荷に基づいた出力信号が出力される。
次いで、タイミングＴ１３において、ｎ行目及びｎ＋１行目のリセット信号ＲＳＴをロウレベルからハイレベルに立ち上げる。これにより、ｎ行目及びｎ＋１行目の画素ユニットの各フローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。そして、ｎ行目及びｎ＋１行目のリセット信号を再度ロウレベルに切り替えた後に、タイミングＴ１４でｎ行目及びｎ＋１行目の第２の読み出しタイミング信号ＴＧ２を立ち上げる。これにより、第１の出力配線ＯＵＴ＿ＡにフォトダイオードＰＤ１Ｌから出力される電荷に基づいた出力信号が出力され、第２の出力配線ＯＵＴ＿ＢにフォトダイオードＰＤ１Ｒから出力される電荷に基づいた出力信号が出力される。そして、選択信号ＳＥＬをハイレベルからロウレベルに切り替えることで、ｎ行目及びｎ＋１行目の画素ユニット２３からの画素情報の読み出しが完了する。
なお、図８に示すように、２行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、読み出し対象とならない行に配置される画素ユニットに与えられる各種制御信号は、ロウレベルを維持する。また、２行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、画素回路内で読み出し対象の画素ユニット内で生成された電荷が並列接続状態となったフローティングディフュージョンＦＤで合成された状態となる。また、読み出し対象の画素ユニット内の増幅トランジスタも出力配線に対して並列接続された状態となる。そのため、２行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、１行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合に比べて画素情報の大きさが約２倍となる。
続いて、図９に実施の形態１にかかる画素アレイから３行分の画素情報の読み出す場合の動作を示すタイミングチャートを示す。図９に示す第３の例では、実施の形態１にかかるロウコントローラ２０が、読み出し対象の行のうちｎ行目及びｎ＋１行目のロウ接続状態切替信号ＲＳＷ及びＦＤ共通状態切替信号ＦＤＳＷを選択信号ＳＥＬに合わせてロウレベルからハイレベルに切り替える。また、読み出し対象の行のうちｎ＋２行目のＦＤ共通状態切替信号ＦＤＳＷも選択信号ＳＥＬに合わせてロウレベルからハイレベルに切り替える。一方、ｎ＋２行目（読み出し対象の行の最上位行）のロウ接続状態切替信号ＲＳＷはロウレベルを維持する。これにより、実施の形態１にかかる画素アレイでは、ｎ行目からｎ＋２行目の画素ユニットのフローティングディフュージョンＦＤを並列接続した状態となる。
そして、図９に示す第３の例では、実施の形態１にかかるロウコントローラ２０は、タイミングＴ１１の前の期間においてｎ行目からｎ＋２行目の選択信号ＳＥＬをロウレベルからハイレベルに切り替える。これにより、ｎ行目からｎ＋２行目に配置される画素ユニットの選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢ、ＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢが導通した状態となる。次いで、タイミングＴ１１において、ｎ行目からｎ＋２行目のリセット信号ＲＳＴをロウレベルからハイレベルに立ち上げる。これにより、ｎ行目からｎ＋２行目の画素ユニットの各フローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。そして、ｎ行目からｎ＋２行目のリセット信号を再度ロウレベルに切り替えた後に、タイミングＴ１２でｎ行目からｎ＋２行目の第１の読み出しタイミング信号ＴＧ１を立ち上げる。これにより、第１の出力配線ＯＵＴ＿ＡにフォトダイオードＰＤ０Ｌから出力される電荷に基づいた出力信号が出力され、第２の出力配線ＯＵＴ＿ＢにフォトダイオードＰＤ０Ｒから出力される電荷に基づいた出力信号が出力される。
次いで、タイミングＴ１３において、ｎ行目からｎ＋２行目のリセット信号ＲＳＴをロウレベルからハイレベルに立ち上げる。これにより、ｎ行目からｎ＋２行目の画素ユニットの各フローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。そして、ｎ行目からｎ＋２行目のリセット信号を再度ロウレベルに切り替えた後に、タイミングＴ１４でｎ行目からｎ＋２行目の第２の読み出しタイミング信号ＴＧ２を立ち上げる。これにより、第１の出力配線ＯＵＴ＿ＡにフォトダイオードＰＤ１Ｌから出力される電荷に基づいた出力信号が出力され、第２の出力配線ＯＵＴ＿ＢにフォトダイオードＰＤ１Ｒから出力される電荷に基づいた出力信号が出力される。そして、選択信号ＳＥＬをハイレベルからロウレベルに切り替えることで、ｎ行目からｎ＋２行目の画素ユニット２３からの画素情報の読み出しが完了する。
なお、図９に示すように、３行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、読み出し対象とならない行に配置される画素ユニットに与えられる各種制御信号は、ロウレベルを維持する。また、３行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、画素回路内で読み出し対象の画素ユニット内で生成された電荷が並列接続状態となったフローティングディフュージョンＦＤで合成された状態となる。また、読み出し対象の画素ユニット内の増幅トランジスタも出力配線に対して並列接続された状態となる。そのため、３行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、１行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合に比べて画素情報の大きさが約３倍となる。
＜複数の画素ユニットから読み出した画素情報のＳＮ比の説明＞
ここで、実施の形態１にかかる画素アレイにおいて読み出される画素情報のＳＮ比について説明する。そこで、図１０に実施の形態１にかかる撮像素子におけるＳＮ比を説明する図を示す。まず、図１０に示すように、実施の形態１にかる撮像素子では、画素から読み出した画素情報には、半導体に紛れ込む不純物に起因して発生するノイズ、或いは、電源に混入するノイズ等の影響により様々なノイズが混入する。図１０に示す例では、これらノイズを分類して、画素ユニット内で発生する画素ノイズＮｐｉｘと回路ノイズＮｃｉｒを示した。また、実施の形態１にかかる撮像素子では、１対の画素から読み出した２つの画素情報に対して平均化処理を施すことで画素データを生成する。
図１０の上図は、１行分の画素ユニットから読み出した画素情報のＳＮ比を説明する図である。この図１０の上図に示すように、１行分の画素ユニットから読み出した画素情報から生成した画素データのＳＮ比は、（１）式で示される。
Figure 2017120975
一方、図１０の下図は、３行分の画素ユニットから読み出した画素情報のＳＮ比を説明する図である。この図１０の下図に示すように、３行分の画素ユニットから読み出した画素情報から生成した画素データのＳＮ比は、（２）式で示される。
Figure 2017120975
この（１）式と（２）式を比較すると、実施の形態１にかかる撮像素子が出力する画素データのＳＮ比は、３行分の画素ユニットから一度に画素情報を読み出した場合のほうが３行分の画素ユニットから一度に画素情報を読み出した場合よりも高くなっていることがわかる。読み出し対象とする画素ユニットの数の違いによりこのようなＳＮ比の差がでるのは、実施の形態１にかかる画素アレイが、画素ユニット内で電荷を合成した後に後段のアンプａｍｐＬ、ａｍｐＲに画素情報を出力するため、画素情報の信号レベルがノイズレベルに対して大きくなるためである。
上記説明より、実施の形態１にかかる撮像素子１５では、画素ユニット内のフローティングディフュージョンＦＤの並列数を切り替えるフローティングディフュージョンスイッチ及び共通状態切替スイッチを有する。これにより、実施の形態１にかかる撮像素子１５では、画素アレイから出力される前の段階で行われる電荷の合成処理に基づき画素情報の信号レベルを大きくすることができるため、画素アレイから出力される画素情報のＳＮ比を高めることができる。また、画素情報のＳＮ比の向上により、コントラストの違いを得ることができる照度のダイナミックレンジの範囲を拡大することができる。
また、実施の形態１にかかる撮像素子１５では、カラーフィルタが対応する色が同じ画素ユニットの間でフローティングディフュージョンＦＤの並列数を切り替える。これにより、実施の形態１にかかる撮像素子１５では、画素情報の混色を防止することができる。
また、実施の形態１にかかる撮像素子１５では、フローティングディフュージョンＦＤを並列化することで、画素ユニットの数に対する画素情報の数を減らすことができる。これにより、実施の形態１にかかる撮像素子１５では、画素情報の読み出しにかかる時間を短縮することができる。例えば、実施の形態１にかかる撮像素子１５は、１つの画素に配置される一対のフォトダイオードから出力される２つの画素情報の差に基づきオートフォーカス制御を行うための位相差情報を生成することができるが、このオートフォーカス制御で必要とされる画素数は画素アレイに配置される画素数よりも少なくてもよい。このようなことから、実施の形態１にかかる撮像素子１５を用いることで、オートフォーカス制御時に読み出す画素情報を減らして、オートフォーカス制御に要する時間を短縮することができる。
実施の形態２
実施の形態２では、実施の形態１にかかる画素ユニット２３の別の形態となる画素ユニット２３ａについて説明する。そこで、図１１に実施の形態２にかかる画素ユニット２３ａの回路図を示す。
図１１に示すように、実施の形態２にかかる画素ユニット２３ａは、実施の形態１にかかる画素ユニット２３のフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡ、ＲＳＷＢ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ、ＦＤＳＷＢに代えて第１から第４のフローティングディフュージョンスイッチ（例えば、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｐＢ、ＲＳＷｎＢ）を有する。
フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡは、列方向において上位方向（行番号が大きい方向）に隣接する上位隣接画素ユニットに対して共通に設けられる第１の共通フローティングディフュージョン配線（例えば、共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ａ）と転送トランジスタＴＸ０Ｌ、ＴＸ１Ｌが接続される第１のフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続される。フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡは、ロウコントローラ２０が出力する第１のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｐに基づき開閉状態が接続される。
フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＡは、列方向において下位方向（行番号が小さい方向）に隣接する下位隣接画素ユニットに対して共通に設けられる第２の共通フローティングディフュージョン配線（例えば、共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ａ）と転送トランジスタＴＸ０Ｌ、ＴＸ１Ｌが接続される第１のフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続される。フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＡは、ロウコントローラ２０が出力する第２のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｎに基づき開閉状態が接続される。
フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＢは、列方向において上位方向（行番号が大きい方向）に隣接する上位隣接画素ユニットに対して共通に設けられる第３の共通フローティングディフュージョン配線（例えば、共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ｂ）と転送トランジスタＴＸ０Ｒ、ＴＸ１Ｒが接続される第２のフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続される。フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＢは、ロウコントローラ２０が出力する第１のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｐに基づき開閉状態が接続される。
フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＢは、列方向において下位方向（行番号が小さい方向）に隣接する上位隣接画素ユニットに対して共通に設けられる第４の共通フローティングディフュージョン配線（例えば、共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ｂ）と転送トランジスタＴＸ０Ｒ、ＴＸ１Ｒが接続される第２のフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続される。フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＢは、ロウコントローラ２０が出力する第２のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｎに基づき開閉状態が接続される。
続いて、実施の形態２にかかる撮像素子の画素情報の読み出し動作について説明する。実施の形態２にかかる撮像素子では、一度の読み出し動作で読み出す画素情報を生成する画素ユニットの数を変更することができる。実施の形態２にかかる撮像素子においても同時に画素情報を読み出すことができる画素ユニットの数を変更できるが、以下の説明では、３つの画素ユニットで生成された画素情報を一度の読み出し動作で読み出す第３の例のみを説明する。
ここで、実施の形態２にかかる撮像素子におけるロウコントローラ２０の動作について説明する。実施の形態２では、ロウコントローラ２０は、転送トランジスタ等の素子の開閉状態の制御に加えて、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｐＢ、ＲＳＷｎＢを制御する。具体的には、ロウコントローラ２０は、電荷を同時に読み出す画素ユニットのうち最も上位に位置する画素ユニットに属するフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｐＢをオフし、電荷を同時に読み出す画素ユニットのうち最も下位に位置する画素ユニットに属するフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｎＢをオフする。また、ロウコントローラ２０は、オフ状態にしたフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡとフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＡに挟まれるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡとフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＡをオンさせる。ロウコントローラ２０は、オフ状態にしたフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＢ、とフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＢに挟まれるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＢとフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＢをオンさせる。
図１２に実施の形態２にかかる画素アレイから３行分の画素情報の読み出す場合の動作を示すタイミングチャートを示す。なお、図１２の説明においては、各配線を介して伝達される信号に各配線に付した符号を用いて説明を行う。
図１２に示す第３の例では、実施の形態２にかかるロウコントローラ２０が、読み出し対象の行のうち最上位となるｎ＋２行目の第１のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｐ及び読み出した対象の行のうち最下位となるｎ行目の第２のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｎロウレベルで維持する。一方、実施の形態２にかかるロウコントローラ２０は、ロウレベルに維持されるロウ接続状態切替信号が供給されるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｐＢ、ＲＳＷｎＢに挟まれるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｐＢ、ＲＳＷｎＢに与える第１のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｐ及び第２のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｎについては、選択信号ＳＥＬに合わせてロウレベルからハイレベルに切り替える。
そして、図１２に示す第３の例では、実施の形態２にかかるロウコントローラ２０は、タイミングＴ１１の前の期間においてｎ行目からｎ＋２行目の選択信号ＳＥＬをロウレベルからハイレベルに切り替える。これにより、ｎ行目からｎ＋２行目に配置される画素ユニットの選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢ、ＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢが導通した状態となる。次いで、タイミングＴ１１において、ｎ行目からｎ＋２行目のリセット信号ＲＳＴをロウレベルからハイレベルに立ち上げる。これにより、ｎ行目からｎ＋２行目の画素ユニットの各フローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。そして、ｎ行目からｎ＋２行目のリセット信号を再度ロウレベルに切り替えた後に、タイミングＴ１２でｎ行目からｎ＋２行目の第１の読み出しタイミング信号ＴＧ１を立ち上げる。これにより、第１の出力配線ＯＵＴ＿ＡにフォトダイオードＰＤ０Ｌから出力される電荷に基づいた出力信号が出力され、第２の出力配線ＯＵＴ＿ＢにフォトダイオードＰＤ０Ｒから出力される電荷に基づいた出力信号が出力される。
次いで、タイミングＴ１３において、ｎ行目からｎ＋２行目のリセット信号ＲＳＴをロウレベルからハイレベルに立ち上げる。これにより、ｎ行目からｎ＋２行目の画素ユニットの各フローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。そして、ｎ行目からｎ＋２行目のリセット信号を再度ロウレベルに切り替えた後に、タイミングＴ１４でｎ行目からｎ＋２行目の第２の読み出しタイミング信号ＴＧ２を立ち上げる。これにより、第１の出力配線ＯＵＴ＿ＡにフォトダイオードＰＤ１Ｌから出力される電荷に基づいた出力信号が出力され、第２の出力配線ＯＵＴ＿ＢにフォトダイオードＰＤ１Ｒから出力される電荷に基づいた出力信号が出力される。そして、選択信号ＳＥＬをハイレベルからロウレベルに切り替えることで、ｎ行目からｎ＋２行目の画素ユニット２３からの画素情報の読み出しが完了する。
なお、３行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、画素回路内で読み出し対象の画素ユニット内で生成された電荷が並列接続状態となったフローティングディフュージョンＦＤで合成された状態となる。また、読み出し対象の画素ユニット内の増幅トランジスタも出力配線に対して並列接続された状態となる。そのため、３行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、１行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合に比べて画素情報の大きさが約３倍となる。
上記説明より、実施の形態２にかかる画素ユニット２３ａにおいても、実施の形態１にかかる画素ユニット２３と同様に、画素ユニット内で画素情報の合成を行い、画素情報のＳＮ比を高めることができる。
なお、実施の形態２にかかる画素ユニット２３ａでは、フローティングディフュージョンに接続されるトランジスタの数が、実施の形態１にかかる画素ユニット２３よりも一つ多くなる。そのため、フローティングディフュージョンの寄生容量を増加させる場合、実施の形態１にかかる画素ユニット２３のよりも実施の形態２にかかる画素ユニット２３ａの方が有利である。
実施の形態３
実施の形態３では、実施の形態１にかかる撮像素子１５の別の形態となる撮像素子１５ａについて説明する。そこで、図１３に実施の形態２にかかる撮像素子１５ａのフロアレイアウトの概略図を示す。なお、図１３では、撮像素子１５ａのフロアレイアウトのうちロウコントローラ４０、カラムコントローラ４１、画素アレイ４２のフロアレイアウトのみを示した。
図１３に示すように、撮像素子１５ａは、ロウコントローラ４０、カラムコントローラ４１、画素アレイ４２を有する。ロウコントローラ４０は、実質的にロウコントローラ２０と同じものであるが、読み出しタイミング信号として第１の読み出しタイミング信号から第４の読み出しタイミング信号を出力する点でロウコントローラ２０とは異なる。カラムコントローラ４１は、実質的にカラムコントローラ２１と同じものであるが、同じ列に配置される画素ユニットから取得する出力信号の数が１つで有る点でカラムコントローラ２１と異なる。
画素アレイ４２には、画素ユニット４３が格子状に配置される。図１３に示す例においても、各画素ユニット４３は、列方向に１個以上のフォトダイオードＰＤからなるフォトダイオード群を含む。より具体的には、各画素ユニット４３は、２つのフォトダイオードにより構成される。なお、図１３に示したフォトダイオードは、それぞれ１つのマイクロレンズの下部に２つのフォトダイオード（例えば、左光電変換素子と右光電変換素子）を含む。画素ユニット４３では、列方向（図面横方向）に隣接する画素ユニット間で増幅トランジスタ及び出力配線を共有する。より具体的には、左側画素ユニットの右光電変換素子が接続される増幅トランジスタを、右側画素ユニットの左光電変換素子の出力にも用いる。そこで、以下で各画素ユニットの構成及び動作について説明する。
図１４に実施の形態２にかかる撮像素子１５ａの画素ユニットの回路図を示す。図１４では、２．５個分の画素ユニット４３を示した。図１４に示す画素ユニットの説明では、奇数列（例えば、ｍ−１行目及びｍ＋１行目）に配置される画素ユニット４３において図面上側に配置されるフォトダイオードを第１の光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ０Ｌ）、第２の光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ０Ｒ）とし、図面下側に配置されるフォトダイオードを第３の光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ１Ｌ）、第４の光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ１Ｒ）とする。また、フォトダイオードＰＤ０Ｌには第１の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ０Ｌ）が設けられ、フォトダイオードＰＤ０Ｒには第２の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ０Ｒ）が設けられ、フォトダイオードＰＤ１Ｌには第３の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ１Ｌ）が設けられ、フォトダイオードＰＤ１Ｒには第４の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ１Ｒ）が設けられる。
一方、偶数列（例えば、ｍ列目）に配置される画素ユニット４３において図面上側に配置されるフォトダイオードを第５の光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ２Ｌ）、第６の光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ２Ｒ）とし、図面下側に配置されるフォトダイオードを第７の光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ３Ｌ）、第８の光電変換素子（例えば、フォトダイオードＰＤ３Ｒ）とする。また、フォトダイオードＰＤ２Ｌには第５の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ２Ｌ）が設けられ、フォトダイオードＰＤ２Ｒには第６の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ２Ｒ）が設けられ、フォトダイオードＰＤ３Ｌには第７の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ３Ｌ）が設けられ、フォトダイオードＰＤ３Ｒには第８の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ３Ｒ）が設けられる。
また、図１４に示すように撮像素子１５ａでは、奇数列に配置される画素ユニット４３に含まれる転送トランジスタＴＸ０Ｌ、ＴＸ０Ｒのゲートに第１の読み出しタイミング信号配線ＴＧ１が接続される。奇数列に配置される画素ユニット４３に含まれる転送トランジスタＴＸ１Ｌ、ＴＸ１Ｒのゲートに第２の読み出しタイミング信号配線ＴＧ２が接続される。偶数列に配置される画素ユニット４３に含まれる転送トランジスタＴＸ２Ｌ、ＴＸ２Ｒのゲートに第３の読み出しタイミング信号配線ＴＧ３が接続される。偶数列に配置される画素ユニット４３に含まれる転送トランジスタＴＸ３Ｌ、ＴＸ３Ｒのゲートに第４の読み出しタイミング信号配線ＴＧ４が接続される。なお、各読み出しタイミング信号配線を介して伝達される読み出しタイミング信号は、互いに異なるタイミングでイネーブル状態（例えば、ハイレベル）となる。
そして、図１４に示すように、撮像素子１５ａでは、ｍ＋１列目移行に配置される画素ユニット４３の左光電変換素子に対応するフォトダイオード（例えば、フォトダイオードＰＤ２Ｌ）の出力は、当該画素ユニットの左側に配置される画素ユニットの第２の増幅トランジスタ（例えば、増幅トランジスタＡＭＩ１）と、隣接する画素ユニットの第２の出力配線（例えば、出力配線ＯＵＴ１）と、を介して出力される。つまり、実施の形態２にかかる撮像素子１５ａは、左側に位置する画素ユニットの第２の増幅トランジスタ及び第２の出力配線を自画素ユニットの第１の増幅トランジスタ及び第１の出力配線として利用する。
また、実施の形態３にかかる画素ユニット４３は、各行にフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷを有する。実施の形態３にかかる画素ユニット４３では、奇数列に配置されるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷを第１のフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷ及び第１の共通状態切替スイッチＦＤＳＷとした場合、偶数列に配置されるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷが第２のフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷ及び第２の共通状態切替スイッチＦＤＳＷとなる。
この画素ユニット４３に配置されるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷの接続形態は、実施の形態１にかかる画素ユニット２３と実質的に同じであるためここでは説明を省略する。
続いて、実施の形態３にかかる撮像素子１５ａの画素情報の読み出し動作について説明する。実施の形態３にかかる撮像素子１５ａは、一度の読み出し動作で読み出す画素情報を生成する画素ユニットの数を変更することができる。実施の形態３にかかる１５ａにおいても同時に画素情報を読み出すことができる画素ユニットの数を変更できるが、以下の説明では、３つの画素ユニットで生成された画素情報を一度の読み出し動作で読み出す第３の例のみを説明する。
そこで、図１５に実施の形態３にかかる画素アレイから３行分の画素情報の読み出す場合の動作を示すタイミングチャートを示す。図１５に示す第３の例では、実施の形態３にかかるロウコントローラ２０が、読み出し対象の行のうちｎ行目及びｎ＋１行目のロウ接続状態切替信号ＲＳＷ及びＦＤ共通状態切替信号ＦＤＳＷを選択信号ＳＥＬに合わせてロウレベルからハイレベルに切り替える。また、読み出し対象の行のうちｎ＋２行目のＦＤ共通状態切替信号ＦＤＳＷも選択信号ＳＥＬに合わせてロウレベルからハイレベルに切り替える。一方、ｎ＋２行目（読み出し対象の行の最上位行）のロウ接続状態切替信号ＲＳＷはロウレベルを維持する。これにより、実施の形態１にかかる画素アレイでは、ｎ行目からｎ＋２行目の画素ユニットのフローティングディフュージョンＦＤを並列接続した状態となる。
図１５に示すように、実施の形態３にかかる撮像素子１５ａにおいても、選択信号ＳＥＬがハイレベルの期間に読み出し対象のフォトダイオードからの出力が行われる（タイミングＴ２１〜Ｔ２８）。また、実施の形態３にかかる撮像素子１５ａにおいても、読み出すフォトダイオードを切り替える毎にリセット信号ＲＳＴをイネーブル状態（例えば、ハイレベル）とする（タイミングＴ２１、Ｔ２３、Ｔ２５、Ｔ２７）。そして、リセット信号ＲＳＴをディスイネーブル状態（例えば、ロウレベル）とした後に、読み出し対象のフォトダイオードに対応する読み出しタイミング信号をイネーブル状態とする（タイミングＴ２２、Ｔ２４、Ｔ２６、Ｔ２８）ことで各フォトダイオードから出力信号を出力する。なお、読み出しタイミング信号ＴＧ１〜ＴＧ４を変更することで読み出すフォトダイオードの順番を変更することができる。
ここで、図１５に示すように、実施の形態３にかかる撮像素子１５ａにおいても、１つのマイクロレンズの下部に形成されるダイオード対からの出力は、１つのタイミングで同時に行われる。また、図１５に示すように、３行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、読み出し対象とならない行に配置される画素ユニットに与えられる各種制御信号は、ロウレベルを維持する。また、３行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、画素回路内で読み出し対象の画素ユニット内で生成された電荷が並列接続状態となったフローティングディフュージョンＦＤで合成された状態となる。また、読み出し対象の画素ユニット内の増幅トランジスタも出力配線に対して並列接続された状態となる。そのため、３行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、１行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合に比べて画素情報の大きさが約３倍となる。
上記説明より、実施の形態３にかかる画素ユニット４３を用いた撮像素子１５ａでは、実施の形態１にかかる撮像素子１５と同様に、一度の読み出し動作で読み出し対象とする画素ユニットの数を変更することができる。ここで、実施の形態３にかかる画素ユニット４３を用いた撮像素子１５ａでは、隣接する画素ユニット間で増幅トランジスタ、選択トランジスタ、リセットトランジスタ及び出力配線を共有する構成を有する。そのため、実施の形態３にかかる撮像素子１５ａは、実施の形態１にかかる撮像素子１５よりもトランジスタ数を削減することができる。より具体的には、１つのフォトダイオード対に対するその他のトランジスタの数を検討すると、実施の形態１にかかる画素ユニット２３は２．５トランジスタであるのに対して、実施の形態３にかかる画素ユニット４３では１．５トランジスタである。
実施の形態４
実施の形態４では、実施の形態３にかかる画素ユニット４３の別の形態となる画素ユニット４３ａについて説明する。そこで、図１６に実施の形態４にかかる画素ユニット４３ａの回路図を示す。
図１６に示すように、実施の形態４にかかる画素ユニット４３ａは、実施の形態３にかかる画素ユニット４３のフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡ、ＲＳＷＢ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ、ＦＤＳＷＢに代えて第１から第４のフローティングディフュージョンスイッチ（例えば、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｐＢ、ＲＳＷｎＢ）を有する。
ここで、ローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｐＢ、ＲＳＷｎＢの接続形態は、実施の形態２にかかる画素ユニット２３における画素ユニットの接続形態と実質的に同じであるため、ここでは説明を省略する。
続いて、実施の形態４にかかる撮像素子の画素情報の読み出し動作について説明する。実施の形態４にかかる撮像素子では、一度の読み出し動作で読み出す画素情報を生成する画素ユニットの数を変更することができる。実施の形態２にかかる撮像素子においても同時に画素情報を読み出すことができる画素ユニットの数を変更できるが、以下の説明では、３つの画素ユニットで生成された画素情報を一度の読み出し動作で読み出す第３の例のみを説明する。
ここで、実施の形態４にかかる撮像素子におけるロウコントローラ２０の動作について説明する。実施の形態４では、ロウコントローラ２０は、転送トランジスタ等の素子の開閉状態の制御に加えて、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｐＢ、ＲＳＷｎＢを制御する。具体的には、ロウコントローラ２０は、電荷を同時に読み出す画素ユニットのうち最も上位に位置する画素ユニットに属するフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｐＢをオフし、電荷を同時に読み出す画素ユニットのうち最も下位に位置する画素ユニットに属するフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｎＢをオフする。また、ロウコントローラ２０は、オフ状態にしたフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡとフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＡに挟まれるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡとフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＡをオンさせる。ロウコントローラ２０は、オフ状態にしたフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＢ、とフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＢに挟まれるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＢとフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＢをオンさせる。
そこで、図１７に実施の形態４にかかる画素アレイから３行分の画素情報の読み出す場合の動作を示すタイミングチャートを示す。図１７に示す第３の例では、実施の形態４にかかるロウコントローラ２０が、読み出し対象の行のうち最上位となるｎ＋２行目の第１のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｐ及び読み出した対象の行のうち最下位となるｎ行目の第２のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｎロウレベルで維持する。一方、実施の形態４にかかるロウコントローラ２０は、ロウレベルに維持されるロウ接続状態切替信号が供給されるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｐＢ、ＲＳＷｎＢに挟まれるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｐＢ、ＲＳＷｎＢに与える第１のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｐ及び第２のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｎについては、選択信号ＳＥＬに合わせてロウレベルからハイレベルに切り替える。
図１７に示すように、実施の形態４にかかる撮像素子においても、選択信号ＳＥＬがハイレベルの期間に読み出し対象のフォトダイオードからの出力が行われる（タイミングＴ２１〜Ｔ２８）。また、実施の形態４にかかる撮像素子においても、読み出すフォトダイオードを切り替える毎にリセット信号ＲＳＴをイネーブル状態（例えば、ハイレベル）とする（タイミングＴ２１、Ｔ２３、Ｔ２５、Ｔ２７）。そして、リセット信号ＲＳＴをディスイネーブル状態（例えば、ロウレベル）とした後に、読み出し対象のフォトダイオードに対応する読み出しタイミング信号をイネーブル状態とする（タイミングＴ２２、Ｔ２４、Ｔ２６、Ｔ２８）ことで各フォトダイオードから出力信号を出力する。なお、読み出しタイミング信号ＴＧ１〜ＴＧ４を変更することで読み出すフォトダイオードの順番を変更することができる。
ここで、図１７に示すように、実施の形態４にかかる撮像素子においても、１つのマイクロレンズの下部に形成されるダイオード対からの出力は、１つのタイミングで同時に行われる。また、図１７に示すように、３行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、読み出し対象とならない行に配置される画素ユニットに与えられる各種制御信号は、ロウレベルを維持する。また、３行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、画素回路内で読み出し対象の画素ユニット内で生成された電荷が並列接続状態となったフローティングディフュージョンＦＤで合成された状態となる。また、読み出し対象の画素ユニット内の増幅トランジスタも出力配線に対して並列接続された状態となる。そのため、３行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合、１行分の画素ユニットから画素情報を読み出す場合に比べて画素情報の大きさが約３倍となる。
上記説明より、実施の形態４にかかる画素ユニット４３ａにおいても、実施の形態１にかかる画素ユニット２３と同様に、画素ユニット内で画素情報の合成を行い、画素情報のＳＮ比を高めることができる。
なお、実施の形態４にかかる画素ユニット４３ａでは、フローティングディフュージョンに接続されるトランジスタの数が、実施の形態３にかかる画素ユニット４３よりも一つ多くなる。そのため、フローティングディフュージョンの寄生容量を増加させる場合、実施の形態３にかかる画素ユニット４３のよりも実施の形態４にかかる画素ユニット４３ａの方が有利である。
実施の形態５
実施の形態５では、実施の形態１にかかる画素ユニット２３の別の形態について説明する。そこで、実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｂの回路図を図１８に示す。図１８に示すように、実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｂは、実施の形態１にかかる画素ユニット２３から選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢ、ＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢを削除し、増幅トランジスタのソースを出力配線に直接接続したものである。また、図１８に示すように、実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｂでは、リセットトランジスタＲＳＴＡ、ＲＳＴＢ、ＲＳＴＡ、ＲＳＴＢのドレインにドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮが接続される。このドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮには、画素ユニット２３ｂを活性化させる期間にイネーブル状態（例えば、ハイレベル）となるドレインリセット信号が伝達される。
続いて、実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｂの動作について説明する。そこで、図１９に実施の形態５にかかる画素アレイから３行分の画素情報を一度に読み出す場合の動作を示すタイミングチャートを示す。以下の説明では、実施の形態１にかかる画素ユニット２３の動作と異なる部分のみ説明する。
図１９に示すように、実施の形態５にかかる撮像素子では、自画素ユニットが属する行が活性化される行選択期間以外の期間は、ドレインリセット信号ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮをディスイネーブル状態（例えば、ロウレベル、或いは、接地電圧レベル）とし、リセット信号ＲＳＴをイネーブル状態（例えば、ハイレベル、或いは、電源電圧レベル）とする。これにより、画素ユニット２３ｂの増幅トランジスタのゲートにロウレベルの電圧が印加されるため、増幅トランジスタが遮断状態となる。
一方、実施の形態５にかかる撮像素子では、自画素ユニットが属する行が活性化される行選択期間は、ドレインリセット信号ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮをイネーブル状態（例えば、ハイレベル、或いは、電源電圧レベル）とし、リセット信号ＲＳＴをリセットタイミング（例えば、タイミングＴ１１、Ｔ１３）に応じてイネーブル状態（例えば、ハイレベル、或いは、電源電圧レベル）とする。これにより、実施の形態５にかかる撮像素子では、リセット信号ＲＳＴに応じてフローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。また、実施の形態３にかかる撮像素子では、第１の読み出しタイミング信号ＴＧ１及び第２の読み出しタイミング信号ＴＧ２をイネーブル状態としたことに応じて（タイミングＴ１２、Ｔ１４）、出力配線にフォトダイオードからの出力信号が出力される。図１９に示すように、実施の形態５にかかる撮像素子は、実施の形態１にかかる撮像素子１５と同様に、フォトダイオード対を構成する２つのフォトダイオードの出力信号はそれぞれ同じタイミングで出力される。
上記説明より、実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｂにおいても、実施の形態１にかかる画素ユニット２３と同様に、画素ユニット内で画素情報の合成を行い、画素情報のＳＮ比を高めることができる。実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｂを有する撮像素子では、選択トランジスタを削除することで、実施の形態１にかかる撮像素子１５よりもトランジスタ数を削減できる。
実施の形態６
実施の形態６では、実施の形態２にかかる画素ユニット２３ａの別の形態について説明する。そこで、実施の形態６にかかる画素ユニット２３ｃの回路図を図２０に示す。図２０に示すように、実施の形態６にかかる画素ユニット２３ｃは、実施の形態２にかかる画素ユニット２３ｂから選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢ、ＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢを削除し、増幅トランジスタのソースを出力配線に直接接続したものである。また、図２０に示すように、実施の形態６にかかる画素ユニット２３ｃでは、リセットトランジスタＲＳＴＡ、ＲＳＴＢ、ＲＳＴＡ、ＲＳＴＢのドレインにドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮが接続される。このドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮには、画素ユニット２３ｃを活性化させる期間にイネーブル状態（例えば、ハイレベル）となるドレインリセット信号が伝達される。
実施の形態６にかかる画素ユニット２３ｃの動作は、実施の形態２にかかる画素ユニット２３ａのリセット動作を実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｃと同様に行う部分が実施の形態２にかかる画素ユニット２３ｂの動作と異なるのみであるため、ここでの詳細な説明は省略する。
上記説明より、実施の形態６にかかる画素ユニット２３ｃにおいても、実施の形態１にかかる画素ユニット２３と同様に、画素ユニット内で画素情報の合成を行い、画素情報のＳＮ比を高めることができる。実施の形態６にかかる画素ユニット２３ｃを有する撮像素子では、選択トランジスタを削除することで、実施の形態２にかかる撮像素子１５よりもトランジスタ数を削減できる。
実施の形態７
実施の形態７では、実施の形態３にかかる画素ユニット４３の別の形態について説明する。そこで、実施の形態７にかかる画素ユニット４３ｂの回路図を図２１に示す。図２１に示すように、実施の形態７にかかる画素ユニット４３ｂは、実施の形態３にかかる画素ユニット４３から選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢ、ＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢを削除し、増幅トランジスタのソースを出力配線に直接接続したものである。また、図２１に示すように、実施の形態７にかかる画素ユニット４３ｂでは、リセットトランジスタＲＳＴＡ、ＲＳＴＢ、ＲＳＴＡ、ＲＳＴＢのドレインにドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮが接続される。このドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮには、画素ユニット４３ｂを活性化させる期間にイネーブル状態（例えば、ハイレベル）となるドレインリセット信号が伝達される。
実施の形態７にかかる画素ユニット４３ｂの動作は、実施の形態３にかかる画素ユニット４３のリセット動作を実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｃと同様に行う部分が実施の形態３にかかる画素ユニット４３の動作と異なるのみであるため、ここでの詳細な説明は省略する。
上記説明より、実施の形態７にかかる画素ユニット４３ｂにおいても、実施の形態１にかかる画素ユニット２３と同様に、画素ユニット内で画素情報の合成を行い、画素情報のＳＮ比を高めることができる。実施の形態７にかかる画素ユニット４３ｂを有する撮像素子では、選択トランジスタを削除することで、実施の形態３にかかる撮像素子１５ａよりもトランジスタ数を削減できる。
実施の形態８
実施の形態８では、実施の形態４にかかる画素ユニット４３ａの別の形態について説明する。そこで、実施の形態８にかかる画素ユニット４３ｃの回路図を図２２に示す。図２２に示すように、実施の形態８にかかる画素ユニット４３ｃは、実施の形態４にかかる画素ユニット４３ａから選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢ、ＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢを削除し、増幅トランジスタのソースを出力配線に直接接続したものである。また、図２２に示すように、実施の形態８にかかる画素ユニット４３ｃでは、リセットトランジスタＲＳＴＡ、ＲＳＴＢ、ＲＳＴＡ、ＲＳＴＢのドレインにドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮが接続される。このドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮには、画素ユニット２３ｃを活性化させる期間にイネーブル状態（例えば、ハイレベル）となるドレインリセット信号が伝達される。
実施の形態８にかかる画素ユニット４３ｃの動作は、実施の形態４にかかる画素ユニット４３ａのリセット動作を実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｃと同様に行う部分が実施の形態４にかかる画素ユニット４３ａの動作と異なるのみであるため、ここでの詳細な説明は省略する。
上記説明より、実施の形態８にかかる画素ユニット４３ｃにおいても、実施の形態１にかかる画素ユニット２３と同様に、画素ユニット内で画素情報の合成を行い、画素情報のＳＮ比を高めることができる。実施の形態８にかかる画素ユニット４３ｃを有する撮像素子では、選択トランジスタを削除することで、実施の形態４にかかる撮像素子１５ａよりもトランジスタ数を削減できる。
実施の形態９
実施の形態９では、実施の形態１から実施の形態８で説明した画素ユニットから読み出した画素情報の処理方法について説明する。実施の形態１から実施の形態８で説明した画素ユニットは、１つのマイクロレンズに下部に設けられる１対のフォトダイオードから個別に画素情報を読み出すことができる。１対のフォトダイオードから個別に読み出された画素情報を合成することで、画像データを生成することができる。また、１対のフォトダイオードから個別に読み出された画素情報の差分情報は、オートフォーカス制御における位相差情報として利用することができる。
そこで、まず、カメラシステム１におけるフォーカスについて説明する。そこで、図２３に撮像素子における位相差オートフォーカスの原理を説明する図を示す。図２２では、撮像素子表面に形成される評価面（例えば、像面）とフォーカスレンズから入射した光の像が合焦する合焦面との位置関係を示した。
図２２に示すように、フォーカスが一致している場合、フォーカスレンズから入射した光の像が合焦する合焦面は像面と一致する（図２２の上図）。一方、フォーカスがずれている場合、フォーカスレンズから入射した光の像が合焦する合焦面は像面とは異なる位置に形成される（図２２の下図）。この合焦面と像面とのズレ量がデフォーカス量となる。
ここで、フォーカスずれが生じている場合に像面で形成される像について説明する。そこで、図２４に、フォーカスずれが生じている場合の光電変換素子の出力を説明するグラフを示す。図２４では、横軸に光電変換素子のレンズ中心軸からの距離を示す像高を示し、縦軸に光電変換素子の出力の大きさを示した。
図２４に示すように、フォーカスがずれている場合、左光電変換素子から出力される信号と、右光電変換素子から出力される信号と、が像高方向にずれる。この像ずれ量はデフォーカス量に比例する大きさである。そこで、カメラシステム１では、像ずれ量に基づきデフォーカス量を算出してフォーカスレンズ１４の位置を決定する。
カメラシステム１のオートフォーカス処理では、撮像素子１５の画素アレイ２２に配置される全画素ユニットから出力される出力信号が左光電変換素子と右光電変換素子とで一致するようにフォーカスレンズ１４の位置を制御する。また、カメラシステム１では、フォーカスレンズ１４の位置の制御を、システム制御ＭＣＵ１９が撮像素子１５から出力される解像度情報に基づき行う。
続いて、画素情報の合成処理による画像データの生成とオートフォーカスに用いる位相差情報（ＡＦデータ）を生成するカメラシステム１のシステム構成について説明する。そこで、図２５に実施の形態９にかかるカメラシステム１の構成例を説明する図を示す。なお、以下の説明ではシステム構成の違いを説明するために、例えば、特許文献１に示されている１つのマイクロレンズの下部に形成される１対のフォトダイオードから異なるタイミングで画素情報を読み出す例を比較例として説明を行う。
図２５に示すように、比較例にかかるシステム構成では、左画素と右画素の画素情報が異なるタイミングで出力される。そのため、例えば、ＩＳＰ等の信号処理回路内で先に出力される右画素の画素情報をＳＲＡＭ等の記憶装置を用いて保持する必要がある。そして、比較例にかかるシステム構成では、ＳＲＡＭに保持した右画素の画素情報と、右画素よりも遅れて画素から出力される左画素の画素情報と、を用いて加算処理及び差分処理を行う。この加算処理により右画素と左画素の画素情報を合成して画像データを生成する。また、差分処理では、右画素と左画素の画素情報の差分を算出することでＡＦデータを生成する。
一方、実施の形態９にかかるシステム構成では、撮像素子内に、加算処理部と差分処理とが設けられる。加算処理部では、第１の出力配線ＯＵＴ＿Ａ及び第２の出力配線ＯＵＴ＿Ｂを介して同一の出力タイミングで出力された第１の画素情報（例えば、左画素情報）と第２の画素情報（例えば、右画素情報）とを加算して画素データを生成する。差分処理部では、第１の出力配線ＯＵＴ＿Ａ及び第２の出力配線ＯＵＴ＿Ｂを介して同一の出力タイミングで出力された第１の画素情報（例えば、左画素情報）と第２の画素情報（例えば、右画素情報）との差分を位相差情報（例えば、ＡＦデータ）として出力する。
続いて、実施の形態９にかかるカメラシステム１における画素情報の処理タイミングを説明する。そこで、図２６に実施の形態９にかかるカメラシステムにおける画素情報の処理タイミングを説明する図を示す。
図２６に示すように、比較例における画素情報の処理タイミングでは、後から出力される左画素情報を待って差分処理及び加算処理を行わなければならない。一方、実施の形態９にかかるカメラシステムでは、１つのタイミングで右画素と左画素とが出力される。そのため、実施の形態９にかかるカメラシステム１では、１つのタイミングで画素からの画素情報の出力と、加算処理と、差分処理と、が完了する。
上記説明より、実施の形態１から実施の形態８で説明した画素ユニットを利用することで、撮像素子内でＡＦデータ及び画像データを生成することができる。また、実施の形態１から実施の形態８で説明した画素ユニットを利用することで、ＡＦデータ及び画像データの生成に要する時間を短縮することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
１ カメラシステム
１１ ズームレンズ
１２ 絞り機構
１３ 固定レンズ
１４ フォーカスレンズ
１５ 撮像素子
１６ ズームレンズアクチュエータ
１７ フォーカスレンズアクチュエータ
１８ 信号処理回路
１９ システム制御ＭＣＵ
２０ ロウコントローラ
２１ カラムコントローラ
２２ 画素アレイ
４２ 画素アレイ
２３ 画素ユニット
４３ 画素ユニット
３１ Ｎサブ層
３２ Ｐウェル層
３３ 配線
３４ 配線
３５ 配線
３６ カラーフィルタ
３７ マイクロレンズ
４０ ロウコントローラ
４１ カラムコントローラ
ズームアクチュエータ１６は、システム制御ＭＣＵ１９が出力するズーム制御信号ＳＺＣに基づきズームレンズ１１を移動させる。フォーカスアクチュエータ１７は、システム制御ＭＣＵ１９が出力するフォーカス制御信号ＳＦＣに基づきフォーカスレンズ１４を移動させる。絞り機構１２は、システム制御ＭＣＵ１９が出力する絞り制御信号ＳＤＣにより絞り量を調節する。
撮像素子１５は、例えば、フォトダイオード等の受光素子を有し、当該受光素子から得られた受光画素情報をデジタル値に変換して画像情報Ｄｏを出力する。また、撮像素子１５は、撮像素子１５が出力する画像情報Ｄｏを解析して画像情報Ｄｏの特徴を表す画像特徴情報ＤＣＩを出力する。この画像特徴情報ＤＣＩには、後述するオートフォーカス処理において取得される２つの画像が含まれる。さらに、撮像素子１５は、システム制御ＭＣＵ１９から与えられるセンサ制御信号ＳＳＣに基づき画像情報Ｄｏの画素毎のゲイン制御、画像情報Ｄｏの露光制御、及び、画像情報ＤｏのＨＤＲ（High Dynamic Range）制御を行う。撮像素子１５の詳細については後述する。
そして、画素ユニット２３では、フォトダイオードＰＤ０Ｌに対して第１の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ０Ｌ）が設けられ、フォトダイオードＰＤ０Ｒに対して第２の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ０Ｒ）が設けられる。転送トランジスタＴＸ０Ｌ及び転送トランジスタＴＸ０Ｒのゲートには、共通する第１の読み出しタイミング信号を与える第１の読み出しタイミング信号配線ＴＧ１が接続される。また、画素ユニット２３では、フォトダイオードＰＤ１Ｌに対して第３の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ１Ｌ）が設けられ、フォトダイオードＰＤ１Ｒに対して第４の転送トランジスタ（例えば、転送トランジスタＴＸ１Ｒ）が設けられる。転送トランジスタＴＸ１Ｌ及び転送トランジスタＴＸ１Ｒのゲートには、共通する第２の読み出しタイミング信号を与える第２の読み出しタイミング信号配線ＴＧ２が接続される。この第２の読み出しタイミング信号は、第１の読み出しタイミング信号とは異なるタイミングでイネーブル状態となる。
第１の共通フローティングディフュージョン配線は、複数の画素ユニットのうち列方向に隣接する画素ユニットに対して共通に設けられる。第１のフローティングディフュージョンスイッチ（例えば、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡ）は、第１の共通フローティングディフュージョン配線上に設けられる。フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡは、複数の画素ユニットの間を電気的に接続するか否かを切り替える。図３に示す例では、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡのソース側に接続される第１の共通フローティングディフュージョン配線の符号をＦＤＧｕ＿Ａとし、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡのドレイン側に接続される第１の共通フローティングディフュージョン配線の符号をＦＤＧｄ＿Ａとした。第１の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ａは、上位（行番号が大きい）に配置される上位隣接画素ユニットの第１の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ａに接続される。第１の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ａは、下位（行番号が小さい）に配置される下位隣接画素ユニットの第１の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ａに接続される。また、第１の共通状態切替スイッチ（例えば、共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ）は、転送トランジスタＴＸ０Ｌ、ＴＸ１Ｌのドレインが接続される第１のフローティングディフュージョンと第１の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ａとの電気的な接続状態を切り替える。
第２の共通フローティングディフュージョン配線は、複数の画素ユニットのうち列方向に隣接する画素ユニットに対して共通に設けられる。第２のフローティングディフュージョンスイッチ（例えば、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢ）は、第２の共通フローティングディフュージョン配線上に設けられる。フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢは、複数の画素ユニットの間を電気的に接続するか否かを切り替える。図３に示す例では、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢのソース側に接続される第２の共通フローティングディフュージョン配線の符号をＦＤＧｕ＿Ｂとし、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢのドレイン側に接続される第２の共通フローティングディフュージョン配線の符号をＦＤＧｄ＿Ｂとした。第２の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ｂは、上位（行番号が大きい）に配置される上位隣接画素ユニットの第２の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ｂに接続される。第２の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ｂは、下位（行番号が小さい）に配置される下位隣接画素ユニットの第２の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ｂに接続される。また、第２の共通状態切替スイッチ（例えば、共通状態切替スイッチＦＤＳＷＢ）は、転送トランジスタＴＸ０Ｌ、ＴＸ１Ｌのドレインが接続される第２のフローティングディフュージョンと第２の共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ｂとの電気的な接続状態を切り替える。
なお、第１のフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡ及び第２のフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＢは、ロウコントローラ２０から出力されるロウ接続状態切替信号ＲＳＷにより開閉状態が制御される。また、共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷＢは、ロウコントローラ２０から出力されるＦＤ共通状態切替信号ＦＤＳＷにより開閉状態が制御される。
図６に示すように、実施の形態１にかかる画素ユニットでは、列方向に並べられる画素ユニットの間に共通フローティングディフュージョン配線を設ける。そして、画素ユニット内のフローティングディフュージョン領域と共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧとの接続状態を共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ、ＦＤＳＷＢにより切り替える。また、共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ、ＦＤＳＷＢは、自画素ユニットと、自画素ユニットよりも下位に配置される画素ユニットとを接続する共通フローティングディフュージョン配線と、自画素ユニットのフローティングディフュージョン領域とを接続する。また、共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧと共通状態切替スイッチＦＤＳＷＡ、ＦＤＳＷＢとが接続される点と、自画素ユニットよりも上位に配置される画素ユニットとを接続するフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷＡとＲＳＷＢは、共通フローティングディフュージョン配線上に設けられる。
図７に示す第１の例では、実施の形態１にかかるロウコントローラ２０が、ロウ接続状態切替信号ＲＳＷ及びＦＤ共通状態切替信号ＦＤＳＷをロウレベルに維持する。これにより、実施の形態１にかかる画素アレイでは、各行のフローティングディフュージョンＦＤがそれぞれ独立した状態となる。そして、実施の形態１にかかるロウコントローラ２０は、タイミングＴ１１の前の期間においてｎ行目の選択信号ＳＥＬをロウレベルからハイレベルに切り替える。これにより、ｎ行目の画素ユニットの選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢが導通した状態となる。次いで、タイミングＴ１１において、ｎ行目のリセット信号ＲＳＴをロウレベルからハイレベルに立ち上げる。これにより、ｎ行目の画素ユニットの各フローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。そして、ｎ行目のリセット信号を再度ロウレベルに切り替えた後に、タイミングＴ１２でｎ行目の第１の読み出しタイミング信号ＴＧ１を立ち上げる。これにより、第１の出力配線ＯＵＴ＿ＡにフォトダイオードＰＤ０Ｌから出力される電荷に基づいた出力信号が出力され、第２の出力配線ＯＵＴ＿ＢにフォトダイオードＰＤ０Ｒから出力される電荷に基づいた出力信号が出力される。
そして、図９に示す第３の例では、実施の形態１にかかるロウコントローラ２０は、タイミングＴ１１の前の期間においてｎ行目からｎ＋２行目の選択信号ＳＥＬをロウレベルからハイレベルに切り替える。これにより、ｎ行目からｎ＋２行目に配置される画素ユニットの選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢが導通した状態となる。次いで、タイミングＴ１１において、ｎ行目からｎ＋２行目のリセット信号ＲＳＴをロウレベルからハイレベルに立ち上げる。これにより、ｎ行目からｎ＋２行目の画素ユニットの各フローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。そして、ｎ行目からｎ＋２行目のリセット信号を再度ロウレベルに切り替えた後に、タイミングＴ１２でｎ行目からｎ＋２行目の第１の読み出しタイミング信号ＴＧ１を立ち上げる。これにより、第１の出力配線ＯＵＴ＿ＡにフォトダイオードＰＤ０Ｌから出力される電荷に基づいた出力信号が出力され、第２の出力配線ＯＵＴ＿ＢにフォトダイオードＰＤ０Ｒから出力される電荷に基づいた出力信号が出力される。
この（１）式と（２）式を比較すると、実施の形態１にかかる撮像素子が出力する画素データのＳＮ比は、３行分の画素ユニットから一度に画素情報を読み出した場合のほうが１行分の画素ユニットから一度に画素情報を読み出した場合よりも高くなっていることがわかる。読み出し対象とする画素ユニットの数の違いによりこのようなＳＮ比の差がでるのは、実施の形態１にかかる画素アレイが、画素ユニット内で電荷を合成した後に後段のアンプａｍｐＬ、ａｍｐＲに画素情報を出力するため、画素情報の信号レベルがノイズレベルに対して大きくなるためである。
フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡは、列方向において上位方向（行番号が大きい方向）に隣接する上位隣接画素ユニットに対して共通に設けられる第１の共通フローティングディフュージョン配線（例えば、共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｕ＿Ａ）と転送トランジスタＴＸ０Ｌ、ＴＸ１Ｌが接続される第１のフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続される。フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡは、ロウコントローラ２０が出力する第１のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｐに基づき開閉状態が制御される。
フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＢは、列方向において下位方向（行番号が小さい方向）に隣接する下位隣接画素ユニットに対して共通に設けられる第４の共通フローティングディフュージョン配線（例えば、共通フローティングディフュージョン配線ＦＤＧｄ＿Ｂ）と転送トランジスタＴＸ０Ｒ、ＴＸ１Ｒが接続される第２のフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続される。フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＢは、ロウコントローラ２０が出力する第２のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｎに基づき開閉状態が制御される。
図１２に示す第３の例では、実施の形態２にかかるロウコントローラ２０が、読み出し対象の行のうち最上位となるｎ＋２行目の第１のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｐ及び読み出した対象の行のうち最下位となるｎ行目の第２のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｎをロウレベルで維持する。一方、実施の形態２にかかるロウコントローラ２０は、ロウレベルに維持されるロウ接続状態切替信号が供給されるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｐＢ、ＲＳＷｎＢに挟まれるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｐＢ、ＲＳＷｎＢに与える第１のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｐ及び第２のロウ接続状態切替信号ＲＳＷｎについては、選択信号ＳＥＬに合わせてロウレベルからハイレベルに切り替える。
そして、図１２に示す第３の例では、実施の形態２にかかるロウコントローラ２０は、タイミングＴ１１の前の期間においてｎ行目からｎ＋２行目の選択信号ＳＥＬをロウレベルからハイレベルに切り替える。これにより、ｎ行目からｎ＋２行目に配置される画素ユニットの選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢが導通した状態となる。次いで、タイミングＴ１１において、ｎ行目からｎ＋２行目のリセット信号ＲＳＴをロウレベルからハイレベルに立ち上げる。これにより、ｎ行目からｎ＋２行目の画素ユニットの各フローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。そして、ｎ行目からｎ＋２行目のリセット信号を再度ロウレベルに切り替えた後に、タイミングＴ１２でｎ行目からｎ＋２行目の第１の読み出しタイミング信号ＴＧ１を立ち上げる。これにより、第１の出力配線ＯＵＴ＿ＡにフォトダイオードＰＤ０Ｌから出力される電荷に基づいた出力信号が出力され、第２の出力配線ＯＵＴ＿ＢにフォトダイオードＰＤ０Ｒから出力される電荷に基づいた出力信号が出力される。
そして、図１４に示すように、撮像素子１５ａでは、ｍ＋１列目以降に配置される画素ユニット４３の左光電変換素子に対応するフォトダイオード（例えば、フォトダイオードＰＤ２Ｌ）の出力は、当該画素ユニットの左側に配置される画素ユニットの第２の増幅トランジスタ（例えば、増幅トランジスタＡＭＩ１）と、隣接する画素ユニットの第２の出力配線（例えば、出力配線ＯＵＴ１）と、を介して出力される。つまり、実施の形態２にかかる撮像素子１５ａは、左側に位置する画素ユニットの第２の増幅トランジスタ及び第２の出力配線を自画素ユニットの第１の増幅トランジスタ及び第１の出力配線として利用する。
また、実施の形態３にかかる画素ユニット４３は、各行にフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷを有する。実施の形態３にかかる画素ユニット４３では、奇数列に配置されるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷを第１のフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷ及び第１の共通状態切替スイッチＦＤＳＷとした場合、偶数列に配置されるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷ及び共通状態切替スイッチＦＤＳＷが第２のフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷ及び第２の共通状態切替スイッチＦＤＳＷとなる。
そこで、図１５に実施の形態３にかかる画素アレイから３行分の画素情報の読み出す場合の動作を示すタイミングチャートを示す。図１５に示す第３の例では、実施の形態３にかかるロウコントローラ４０が、読み出し対象の行のうちｎ行目及びｎ＋１行目のロウ接続状態切替信号ＲＳＷ及びＦＤ共通状態切替信号ＦＤＳＷを選択信号ＳＥＬに合わせてロウレベルからハイレベルに切り替える。また、読み出し対象の行のうちｎ＋２行目のＦＤ共通状態切替信号ＦＤＳＷも選択信号ＳＥＬに合わせてロウレベルからハイレベルに切り替える。一方、ｎ＋２行目（読み出し対象の行の最上位行）のロウ接続状態切替信号ＲＳＷはロウレベルを維持する。これにより、実施の形態３にかかる画素アレイでは、ｎ行目からｎ＋２行目の画素ユニットのフローティングディフュージョンＦＤを並列接続した状態となる。
ここで、ローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｐＢ、ＲＳＷｎＢの接続形態は、実施の形態２にかかる画素ユニット２３ａにおける画素ユニットの接続形態と実質的に同じであるため、ここでは説明を省略する。
続いて、実施の形態４にかかる撮像素子の画素情報の読み出し動作について説明する。実施の形態４にかかる撮像素子では、一度の読み出し動作で読み出す画素情報を生成する画素ユニットの数を変更することができる。以下の説明では、３つの画素ユニットで生成された画素情報を一度の読み出し動作で読み出す第３の例のみを説明する。
ここで、実施の形態４にかかる撮像素子におけるロウコントローラ４０の動作について説明する。実施の形態４では、ロウコントローラ４０は、転送トランジスタ等の素子の開閉状態の制御に加えて、フローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｐＢ、ＲＳＷｎＢを制御する。具体的には、ロウコントローラ４０は、電荷を同時に読み出す画素ユニットのうち最も上位に位置する画素ユニットに属するフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡ、ＲＳＷｐＢをオフし、電荷を同時に読み出す画素ユニットのうち最も下位に位置する画素ユニットに属するフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＡ、ＲＳＷｎＢをオフする。また、ロウコントローラ２０は、オフ状態にしたフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡとフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＡに挟まれるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＡとフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＡをオンさせる。ロウコントローラ４０は、オフ状態にしたフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＢ、とフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＢに挟まれるフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｐＢとフローティングディフュージョンスイッチＲＳＷｎＢをオンさせる。
実施の形態５
実施の形態５では、実施の形態１にかかる画素ユニット２３の別の形態について説明する。そこで、実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｂの回路図を図１８に示す。図１８に示すように、実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｂは、実施の形態１にかかる画素ユニット２３から選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢを削除し、増幅トランジスタのソースを出力配線に直接接続したものである。また、図１８に示すように、実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｂでは、リセットトランジスタＲＳＴＡ、ＲＳＴＢ、ＲＳＴＡ、ＲＳＴＢのドレインにドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮが接続される。このドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮには、画素ユニット２３ｂを活性化させる期間にイネーブル状態（例えば、ハイレベル）となるドレインリセット信号が伝達される。
一方、実施の形態５にかかる撮像素子では、自画素ユニットが属する行が活性化される行選択期間は、ドレインリセット信号ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮをイネーブル状態（例えば、ハイレベル、或いは、電源電圧レベル）とし、リセット信号ＲＳＴをリセットタイミング（例えば、タイミングＴ１１、Ｔ１３）に応じてイネーブル状態（例えば、ハイレベル、或いは、電源電圧レベル）とする。これにより、実施の形態５にかかる撮像素子では、リセット信号ＲＳＴに応じてフローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。また、実施の形態５にかかる撮像素子では、第１の読み出しタイミング信号ＴＧ１及び第２の読み出しタイミング信号ＴＧ２をイネーブル状態としたことに応じて（タイミングＴ１２、Ｔ１４）、出力配線にフォトダイオードからの出力信号が出力される。図１９に示すように、実施の形態５にかかる撮像素子は、実施の形態１にかかる撮像素子１５と同様に、フォトダイオード対を構成する２つのフォトダイオードの出力信号はそれぞれ同じタイミングで出力される。
実施の形態６
実施の形態６では、実施の形態２にかかる画素ユニット２３ａの別の形態について説明する。そこで、実施の形態６にかかる画素ユニット２３ｃの回路図を図２０に示す。図２０に示すように、実施の形態６にかかる画素ユニット２３ｃは、実施の形態２にかかる画素ユニット２３ａから選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢを削除し、増幅トランジスタのソースを出力配線に直接接続したものである。また、図２０に示すように、実施の形態６にかかる画素ユニット２３ｃでは、リセットトランジスタＲＳＴＡ、ＲＳＴＢ、ＲＳＴＡ、ＲＳＴＢのドレインにドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮが接続される。このドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮには、画素ユニット２３ｃを活性化させる期間にイネーブル状態（例えば、ハイレベル）となるドレインリセット信号が伝達される。
実施の形態６にかかる画素ユニット２３ｃの動作は、実施の形態２にかかる画素ユニット２３ａのリセット動作を実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｂと同様に行う部分が実施の形態２にかかる画素ユニット２３ａの動作と異なるのみであるため、ここでの詳細な説明は省略する。
実施の形態７
実施の形態７では、実施の形態３にかかる画素ユニット４３の別の形態について説明する。そこで、実施の形態７にかかる画素ユニット４３ｂの回路図を図２１に示す。図２１に示すように、実施の形態７にかかる画素ユニット４３ｂは、実施の形態３にかかる画素ユニット４３から選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢを削除し、増幅トランジスタのソースを出力配線に直接接続したものである。また、図２１に示すように、実施の形態７にかかる画素ユニット４３ｂでは、リセットトランジスタＲＳＴＡ、ＲＳＴＢ、ＲＳＴＡ、ＲＳＴＢのドレインにドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮが接続される。このドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮには、画素ユニット４３ｂを活性化させる期間にイネーブル状態（例えば、ハイレベル）となるドレインリセット信号が伝達される。
実施の形態７にかかる画素ユニット４３ｂの動作は、実施の形態３にかかる画素ユニット４３のリセット動作を実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｂと同様に行う部分が実施の形態３にかかる画素ユニット４３の動作と異なるのみであるため、ここでの詳細な説明は省略する。
実施の形態８
実施の形態８では、実施の形態４にかかる画素ユニット４３ａの別の形態について説明する。そこで、実施の形態８にかかる画素ユニット４３ｃの回路図を図２２に示す。図２２に示すように、実施の形態８にかかる画素ユニット４３ｃは、実施の形態４にかかる画素ユニット４３ａから選択トランジスタＴＳＥＬＡ、ＴＳＥＬＢを削除し、増幅トランジスタのソースを出力配線に直接接続したものである。また、図２２に示すように、実施の形態８にかかる画素ユニット４３ｃでは、リセットトランジスタＲＳＴＡ、ＲＳＴＢ、ＲＳＴＡ、ＲＳＴＢのドレインにドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮが接続される。このドレインリセット配線ＲＳＴ＿ＤＲＡＩＮには、画素ユニット４３ｃを活性化させる期間にイネーブル状態（例えば、ハイレベル）となるドレインリセット信号が伝達される。
実施の形態８にかかる画素ユニット４３ｃの動作は、実施の形態４にかかる画素ユニット４３ａのリセット動作を実施の形態５にかかる画素ユニット２３ｂと同様に行う部分が実施の形態４にかかる画素ユニット４３ａの動作と異なるのみであるため、ここでの詳細な説明は省略する。
そこで、まず、カメラシステム１におけるフォーカスについて説明する。そこで、図２３に撮像素子における位相差オートフォーカスの原理を説明する図を示す。図２３では、撮像素子表面に形成される評価面（例えば、像面）とフォーカスレンズから入射した光の像が合焦する合焦面との位置関係を示した。
図２３に示すように、フォーカスが一致している場合、フォーカスレンズから入射した光の像が合焦する合焦面は像面と一致する（図２３の上図）。一方、フォーカスがずれている場合、フォーカスレンズから入射した光の像が合焦する合焦面は像面とは異なる位置に形成される（図２３の下図）。この合焦面と像面とのズレ量がデフォーカス量となる。
一方、実施の形態９にかかるシステム構成では、撮像素子内に、加算処理部と差分処理部とが設けられる。加算処理部では、第１の出力配線ＯＵＴ＿Ａ及び第２の出力配線ＯＵＴ＿Ｂを介して同一の出力タイミングで出力された第１の画素情報（例えば、左画素情報）と第２の画素情報（例えば、右画素情報）とを加算して画素データを生成する。差分処理部では、第１の出力配線ＯＵＴ＿Ａ及び第２の出力配線ＯＵＴ＿Ｂを介して同一の出力タイミングで出力された第１の画素情報（例えば、左画素情報）と第２の画素情報（例えば、右画素情報）との差分を位相差情報（例えば、ＡＦデータ）として出力する。

Claims (15)

  1. 格子状に配置される複数の画素ユニットを有する撮像素子であって、
    前記複数の画素ユニットは、それぞれ、
    第１の光電変換素子と、
    前記第１の光電変換素子に隣接し、前記第１の光電変換素子と共通に設けられるマイクロレンズを介して入射する光を受光する第２の光電変換素子と、
    前記第１の光電変換素子から電荷を読み出す第１の転送トランジスタと、
    前記第２の光電変換素子から電荷を読み出す第２の転送トランジスタと、
    共通する第１の読み出しタイミング信号与える第１の読み出しタイミング信号配線と、
    前記第１の転送トランジスタを介して読み出された電荷を蓄積する第１のフローティングディフュージョンと、
    前記第２の転送トランジスタを介して読み出された電荷を蓄積する第２のフローティングディフュージョンと、
    前記複数の画素ユニットのうち列方向に隣接する画素ユニットに対して共通に設けられる第１の共通フローティングディフュージョン配線と、
    前記第１の共通フローティングディフュージョン配線上であって、前記複数の画素ユニットの間を電気的に接続するか否かを切り替える第１のフローティングディフュージョンスイッチと、
    前記第１のフローティングディフュージョンと前記第１の共通フローティングディフュージョン配線との電気的な接続状態を切り替える第１の共通状態切替スイッチと、
    前記複数の画素ユニットのうち列方向に隣接する画素ユニットに対して共通に設けられる第２の共通フローティングディフュージョン配線と、
    前記第１の共通フローティングディフュージョン配線上であって、前記複数の画素ユニットの間を電気的に接続するか否かを切り替える第２のフローティングディフュージョンスイッチと、
    前記第２のフローティングディフュージョンと前記第２の共通フローティングディフュージョン配線との電気的な接続状態を切り替える第２の共通状態切替スイッチと、
    前記第１の転送トランジスタと前記第２の転送トランジスタとに共通する第１の読み出しタイミング信号を与える第１の読み出しタイミング信号配線と、
    前記第１のフローティングディフュージョンに蓄積された電荷に基づき生成される出力信号を出力する第１の出力配線と、
    前記第２のフローティングディフュージョンに蓄積された電荷に基づき生成される出力信号を出力する第２の出力配線と、を有する撮像素子。
  2. 前記複数の画素ユニットに設けられるマイクロレンズの下部には、カラーフィルタが設けられ、
    前記第１の共通フローティングディフュージョン配線及び前記第２の共通フローティングディフュージョン配線は、異なる前記画素ユニットであって、前記マイクロレンズの下部に形成されるカラーフィルタが同色の画素ユニットの間を接続する請求項１に記載の撮像素子。
  3. 前記カラーフィルタはベイヤー方式で配置される請求項２に記載の撮像素子。
  4. 前記第１のフローティングディフュージョンスイッチ、前記第２のフローティングディフュージョンスイッチ、前記第１の共通状態切替スイッチ及び前記第２の共通状態切替スイッチを制御するロウコントローラを有し、
    前記ロウコントローラは、
    前記電荷を同時に読み出す画素ユニットの数に応じて、前記第１の共通フローティングディフュージョン配線及び前記第２の共通フローティングディフュージョン配線上において連続してオンさせる前記第１のフローティングディフュージョンスイッチ及び前記第２のフローティングディフュージョンスイッチの数を決定し、
    前記電荷を同時に読み出す画素ユニット内の前記第１の共通状態切替スイッチ及び前記第２の共通状態切替スイッチをオンさせる請求項１に記載の撮像素子。
  5. 前記第１の転送トランジスタを介して出力される電荷により生じる第１の電圧を増幅して前記第１の出力配線に出力する第１の増幅トランジスタと、
    前記第２の転送トランジスタを介して出力される電荷により生じる第２の電圧を増幅して前記第２の出力配線に出力する第２の増幅トランジスタと、
    を有する請求項１に記載の撮像素子。
  6. 第３の光電変換素子と、
    前記第３の光電変換素子に隣接し、前記第３の光電変換素子と共通に設けられるマイクロレンズを介して入射する光を受光する第４の光電変換素子と、
    前記第３の光電変換素子から電荷を読み出し、前記第１の増幅トランジスタに読み出した電荷により生じる第３の電圧を出力する第３の転送トランジスタと、
    前記第４の光電変換素子から電荷を読み出し、前記第２の増幅トランジスタに読み出した電荷により生じる第４の電圧を出力する第４の転送トランジスタと、
    前記第３の転送トランジスタと前記第４の転送トランジスタとに共通し、かつ、前記第１の読み出しタイミング信号とは異なるタイミングでイネーブル状態となる第２の読み出しタイミング信号を与える第２の読み出しタイミング信号配線と、
    を有する請求項５に記載の撮像素子。
  7. 第５の光電変換素子と、
    前記第５の光電変換素子に隣接し、前記第５の光電変換素子と共通に設けられるマイクロレンズを介して入射する光を受光する第６の光電変換素子と、
    前記第５の光電変換素子から電荷を読み出し、前記第２の増幅トランジスタに読み出した電荷により生じる第５の電圧を出力する第５の転送トランジスタと、
    前記第６の光電変換素子から電荷を読み出す第６の転送トランジスタと、
    前記第５の転送トランジスタと前記第６の転送トランジスタとに共通し、かつ、前記第１の読み出しタイミング信号とは異なるタイミングでイネーブル状態となる第３の読み出しタイミング信号を与える第３の読み出しタイミング信号配線と、を有し、
    前記第５の転送トランジスタを介して出力される電荷により生じる第５の電圧を前記第２の増幅トランジスタにより増幅して前記第２の出力配線に出力する請求項５に記載の撮像素子。
  8. 前記第１の増幅トランジスタと前記第１の出力配線との間に設けられる第１の選択トランジスタと、
    前記第２の増幅トランジスタと前記第２の出力配線との間に設けられる第２の選択トランジスタと、
    前記第１の選択トランジスタ及び前記第２の選択トランジスタに共通する選択信号を与える選択信号配線と、
    を有する請求項５に記載の撮像素子。
  9. ドレインが前記第１の増幅トランジスタのゲートと電気的に接続され、ソースにリセット電圧が印加される第１のリセットトランジスタと、
    ドレインが前記第２の増幅トランジスタのゲートと電気的に接続され、ソースに前記リセット電圧が印加される第２のリセットトランジスタと、
    前記第１のリセットトランジスタ及び前記第２のリセットトランジスタに居欝するリセット信号を与えるリセット信号配線と、
    を有する請求項５に記載の撮像素子。
  10. 格子状に配置される複数の画素ユニットを有する撮像素子であって、
    前記複数の画素ユニットは、それぞれ、
    第１の光電変換素子と、
    前記第１の光電変換素子に隣接し、前記第１の光電変換素子と共通に設けられるマイクロレンズを介して入射する光を受光する第２の光電変換素子と、
    前記第１の光電変換素子から電荷を読み出す第１の転送トランジスタと、
    前記第２の光電変換素子から電荷を読み出す第２の転送トランジスタと、
    前記第１の転送トランジスタを介して読み出された電荷を蓄積する第１のフローティングディフュージョンと、
    前記第２の転送トランジスタを介して読み出された電荷を蓄積する第２のフローティングディフュージョンと、
    列方向において上位方向に隣接する上位隣接画素ユニットに対して共通に設けられる第１の共通フローティングディフュージョン配線と、
    前記第１の共通フローティングディフュージョン配線と前記第１のフローティングディフュージョンとを接続する第１のフローティングディフュージョンスイッチと、
    列方向において下位方向に隣接する下位隣接画素ユニットに対して共通に設けられる第２の共通フローティングディフュージョン配線と、
    前記第２の共通フローティングディフュージョン配線と前記第１のフローティングディフュージョンとを接続する第２のフローティングディフュージョンスイッチと、
    列方向において上位方向に隣接する上位隣接画素ユニットに対して共通に設けられる第３の共通フローティングディフュージョン配線と、
    前記第３の共通フローティングディフュージョン配線と前記第２のフローティングディフュージョンとを接続する第３のフローティングディフュージョンスイッチと、
    列方向において下位方向に隣接する下位隣接画素ユニットに対して共通に設けられる第４の共通フローティングディフュージョン配線と、
    前記第４の共通フローティングディフュージョン配線と前記第２のフローティングディフュージョンとを接続する第４のフローティングディフュージョンスイッチと、
    前記第１の転送トランジスタと前記第２の転送トランジスタとに共通する第１の読み出しタイミング信号を与える第１の読み出しタイミング信号配線と、
    前記第１のフローティングディフュージョンに蓄積された電荷に基づき生成される出力信号を出力する第１の出力配線と、
    前記第２のフローティングディフュージョンに蓄積された電荷に基づき生成される出力信号を出力する第２の出力配線と、を有する撮像素子。
  11. 前記複数の画素ユニットに設けられるマイクロレンズの下部には、カラーフィルタが設けられ、
    前記第１の共通フローティングディフュージョン配線から前記第４の共通フローティングディフュージョン配線は、異なる前記画素ユニットであって、前記マイクロレンズの下部に形成されるカラーフィルタが同色の画素ユニットの間を接続する請求項１０に記載の撮像素子。
  12. 前記カラーフィルタはベイヤー方式で配置される請求項１１に記載の撮像素子。
  13. 前記第１のフローティングディフュージョンスイッチから前記第４のフローティングディフュージョンスイッチを制御するロウコントローラを有し、
    前記ロウコントローラは、
    前記電荷を同時に読み出す画素ユニットのうち最も上位に位置する画素ユニットに属する前記第１のフローティングディフュージョンスイッチ及び前記第３のフローティングディフュージョンスイッチをオフし、
    前記電荷を同時に読み出す画素ユニットのうち最も下位に位置する画素ユニットに属する前記第２のフローティングディフュージョンスイッチ及び前記第４のフローティングディフュージョンスイッチをオフし、
    オフ状態にした前記第１のフローティングディフュージョンスイッチと前記第２のフローティングディフュージョンスイッチに挟まれる前記第１のフローティングディフュージョンスイッチと前記第２のフローティングディフュージョンスイッチをオンさせ、
    オフ状態にした前記第３のフローティングディフュージョンスイッチと前記第４のフローティングディフュージョンスイッチに挟まれる前記第３のフローティングディフュージョンスイッチと前記第４のフローティングディフュージョンスイッチをオンさせる請求項１０に記載の撮像素子。
  14. 前記第１の出力配線及び前記第２の出力配線を介して同一の出力タイミングで出力された第１の画素情報と第２の画素情報とを加算して画素データを生成する加算処理部と、
    前記第１の出力配線及び前記第２の出力配線を介して同一の出力タイミングで出力された第１の画素情報と第２の画素情報との差分を位相差情報として出力する差分処理部と、
    を有する請求項１０に記載の撮像素子。
  15. 格子状に配置される複数の画素ユニットを有する撮像素子であって、
    前記複数の画素ユニットと、
    加算処理部と、
    差分処理部と、を有し、
    前記複数の画素ユニットは、それぞれ、
    第１の光電変換素子と、
    前記第１の光電変換素子に隣接し、前記第１の光電変換素子と共通に設けられるマイクロレンズを介して入射する光を受光する第２の光電変換素子と、
    前記第１の光電変換素子から電荷を読み出す第１の転送トランジスタと、
    前記第２の光電変換素子から電荷を読み出す第２の転送トランジスタと、
    前記第１の転送トランジスタを介して読み出された電荷を蓄積する第１のフローティングディフュージョンと、
    前記第２の転送トランジスタを介して読み出された電荷を蓄積する第２のフローティングディフュージョンと、
    前記複数の画素ユニットのうち列方向に隣接する画素ユニットに対して共通に設けられる第１の共通フローティングディフュージョン配線と、
    前記第１の共通フローティングディフュージョン配線上であって、前記複数の画素ユニットの間を電気的に接続するか否かを切り替える第１のフローティングディフュージョンスイッチと、
    前記第１のフローティングディフュージョンと前記第１の共通フローティングディフュージョン配線との電気的な接続状態を切り替える第１の共通状態切替スイッチと、
    前記複数の画素ユニットのうち列方向に隣接する画素ユニットに対して共通に設けられる第２の共通フローティングディフュージョン配線と、
    前記第１の共通フローティングディフュージョン配線上であって、前記複数の画素ユニットの間を電気的に接続するか否かを切り替える第２のフローティングディフュージョンスイッチと、
    前記第２のフローティングディフュージョンと前記第２の共通フローティングディフュージョン配線との電気的な接続状態を切り替える第２の共通状態切替スイッチと、
    前記第１の転送トランジスタと前記第２の転送トランジスタとに共通する第１の読み出しタイミング信号を与える第１の読み出しタイミング信号配線と、
    前記第１のフローティングディフュージョンに蓄積された電荷に基づき生成される出力信号を出力する第１の出力配線と、
    前記第２のフローティングディフュージョンに蓄積された電荷に基づき生成される出力信号を出力する第２の出力配線と、を有し、
    前記加算処理部は、前記第１の出力配線及び前記第２の出力配線を介して同一の出力タイミングで出力された第１の画素情報と第２の画素情報とを加算して画素データを生成し、
    前記差分処理部は、前記第１の出力配線及び前記第２の出力配線を介して同一の出力タイミングで出力された第１の画素情報と第２の画素情報との差分を位相差情報として出力する撮像素子。
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