JP2009177797A - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】列ＡＤ変換部を内蔵する固体撮像装置であって、ＲＴＳノイズを抑制し、かつ、小さな信号であっても列ＡＤ変換部でＳ／Ｎを劣化させてしまうことを回避できる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】２次元状に配置された画素からなる撮像部１０と、撮像部１０から出力される基準成分と信号成分を示す列信号をデジタル変換することで両成分の差分に相当するデジタル値を出力する複数の列ＡＤ変換部３１とを備える固体撮像装置１であって、さらに、撮像部１０の列ごとに設けられ、列信号を可変ゲインで増幅する複数の列増幅部３４と、増幅された列信号をサンプルホールドする複数の列サンプルホールド部３５とを備え、複数の列ＡＤ変換部３１のそれぞれは、対応する列サンプルホールド部３５から出力された列信号をデジタル変換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光量に応じた信号を出力する固体撮像装置及びその駆動方法に関し、特に、列ＡＤ変換部を内蔵する固体撮像装置に関する。

従来、デジタルＣＤＳ（相関２重サンプリング）方式による列ＡＤ変換部を内蔵するＭＯＳ型の固体撮像装置（イメージセンサ）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図９は、従来の固体撮像装置の構成を示す回路ブロック図である。この固体撮像装置９は、撮像部１０及び列処理部９０を備える。

撮像部１０は、２次元状に配置された画素１１からなり、行選択線１２で選択された行に配置された画素１１からの信号を各列信号線１３に出力することで、行ごとに、画素１１での受光量に対応する信号を出力する。この各列信号線１３に出力される信号（以下、この列信号線ごとの信号を「列信号」又は「画素信号」という。）には、画素のリセット時におけるオフセット電圧に相当する基準成分と、その基準成分に、画素での受光により発生した電圧分が加算された後の電圧に相当する信号成分とが含まれる。

列処理部９０は、いわゆるデジタルＣＤＳ方式によって各列信号をＡＤ変換する列ＡＤ変換部３１の集まりであり、各列信号に含まれる基準成分と信号成分とを示す列信号をデジタル変換することで両成分の差分（つまり、画素での受光量に対応する正味の信号）に相当するデジタル値を出力する。各列ＡＤ変換部３１は、コンパレータ３２及びアップダウンカウンタ３３を備える。コンパレータ３２は、列信号の電圧と、ランプ波として入力される参照信号Ｖｒの電圧とを比較し、参照信号Ｖｒの電圧が列信号の電圧と一致するタイミングを示す信号を出力する。アップダウンカウンタ３３は、コンパレータ３２に参照信号Ｖｒが入力されてからその参照信号Ｖｒが基準成分を示す列信号の電圧に達するまでの期間においてダウンカウント（あるいは、アップカウント）し、続いて、コンパレータ３２に参照電圧Ｖｒが入力されてからその参照信号Ｖｒが信号成分を示す列信号の電圧に達するまでの期間においてアップカウント（あるいは、ダウンカウント）することで、列信号の信号成分から基準成分を差し引いた差分に相当するデジタル値を保持する。

各アップダウンカウンタ３３に保持されたデジタル値は、順次、水平信号線（Ｎ本のバス）４０に出力され、出力回路（出力バッファ）４１を介して、外部に出力される。

このような構成を備える従来の固体撮像装置９は、デジタルＣＤＳ方式による列ＡＤ変換部を内蔵することで、画素のオフセット電圧等に起因する固定パターンノイズ等のノイズをデジタル的に除去することができる。そして、列信号の基準成分と信号成分との差分を算出するのに必要なカウンタは、撮像部の各列について１個で済むので、複数のカウンタ等を備える構成に比べ、より小さい回路規模でデジタルＣＤＳが実現される。
特開２００５−３２３３３１号公報

しかしながら、従来の固体撮像装置９では、列ＡＤ変換部における列信号のサンプリング期間が列信号の大きさに依存して変化するために、画素等で生じるＲＴＳ（Ｒａｎｄｏｍ Ｔｅｌｅｇｒａｐｈ Ｓｉｇｎａｌ）ノイズ発生が十分には抑圧できないという問題がある。ここで、サンプリング期間とは、列ＡＤ変換部に入力される信号のアナログ情報（一般に、電圧）を確定させるのに要する時間である。また、ＲＴＳノイズとは、ＭＯＳ型の固体撮像装置で発生するノイズであり、Ｓｉ界面のトラップにキャリアが出入りするために生じるとされており、ＭＯＳトランジスタのドレイン電圧のゆらぎとして観測されるノイズである。このノイズは、低照度時に、画面上、高輝度の点滅する点として現れ、著しい画質劣化を発生させる。

図１０は、従来の固体撮像装置９における問題点を説明するための図である。ここでは、従来の固体撮像装置９におけるデジタルＣＤＳの動作を示すタイミングが示されている。図中の「デジタルＣＤＳサンプリング期間」に示されるように、従来の固体撮像装置９では、信号成分Ｖｓｉｇを示す列信号（図中の画素信号Ｖｘ）のサンプリング期間は、基準成分Ｖｒｅｆに対するＡＤ変換が完了してから、信号成分Ｖｓｉｇに対するＡＤ変換が完了するまでの期間である。この期間は、ＲＴＳノイズがサンプリング期間の長期化に対し発生確率が高まるという特性を考慮すると、極めて長い期間となる。そのために、従来の固体撮像装置９では、ＲＴＳノイズに対する除去が十分ではなく、特に、低照度時に輝度レベルが変動（明滅）するという問題がある。

さらに、従来の固体撮像装置では、列信号の信号成分Ｖｓｉｇが小さいときに、ＡＤ変換によって画像のＳ／Ｎが悪くなってしまうという問題がある。列ＡＤ変換部３１への入力信号が小さな電圧である場合には、コンパレータ３２による比較動作が不安定となって、比較精度が低下し、さらに、それに連動して動作するアップダウンカウンタ３３の値が小さいからである。

この対応策として、図１０に示されるように、信号成分Ｖｓｉｇの大きさに応じて参照信号Ｖｒのランプ波における傾斜を変化させる（図中のランプ波形Ｉ１〜Ｉ４）方策が考えられる。たとえば、信号成分Ｖｓｉｇが小さいときに、参照信号Ｖｒのランプ波における傾斜を小さくすることで、大きなデジタル値を得る。しかしながら、このようなデジタル的な増幅をしても、コンパレータ３２においては、小さな電圧どうしが比較され、比較精度の低下に起因するＳ／Ｎの劣化が生じる。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、列ＡＤ変換部を内蔵する固体撮像装置であって、ＲＴＳノイズを抑制し、かつ、小さな信号であっても列ＡＤ変換部でＳ／Ｎを劣化させてしまうことを回避できる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、２次元状に配置された画素からなる撮像部と、前記撮像部の列ごとに設けられ、前記撮像部から出力される基準成分と信号成分を示す列信号をデジタル変換することで前記両成分の差分に相当するデジタル値を出力する複数の列ＡＤ変換部とを備える固体撮像装置であって、さらに、前記撮像部の列ごとに設けられ、前記列信号を可変ゲインで増幅する複数の列増幅部と、前記撮像部の列ごとに設けられ、前記複数の列増幅部のうちの対応する列増幅部で増幅された列信号に対して、サンプルホールドすること、および、通過させること、又は、基準信号成分をサンプルホールドすることを選択的に行う複数の列サンプルホールド部と、前記複数の列増幅部のそれぞれに対してゲインを指示するゲイン制御部とを備え、前記複数の列増幅部のそれぞれは、前記ゲイン制御部から指示されたゲインで前記列信号を増幅し、前記複数の列ＡＤ変換部のそれぞれは、前記複数の列サンプルホールド部のうちの対応する列サンプルホールド部から出力された列信号をランプ方式でデジタル変換し、前記複数の列増幅部、前記複数の列サンプルホールド部、および、前記ゲイン制御部は、同一の半導体基板上に形成されていることを特徴とする。

これにより、列ＡＤ変換部の前段に可変ゲインの列増幅部が設けられることから、列信号の電圧が小さいときに増幅しておくことができ、列ＡＤ変換部でＳ／Ｎを劣化させてしまうことが回避される。しかし、増幅後そのままＡＤ変換したのでは上記の様に信号の大きさに依存してＲＴＳノイズが発生してしまう。この対策として、列ＡＤ変換部の前段に列サンプルホールド部が設けられることから、列信号のサンプリング期間を従来よりも短い期間に設定することができ、ＲＴＳノイズの発生が抑制される。

ここで、前記ゲイン制御部は、前記列信号の大きさが、前記列増幅部で増幅された前記列ＡＤ変換部の入力レンジに最適化されるように、前記複数の列増幅部のそれぞれに対してゲインを指示するのが好ましい。具体的には、前記ゲイン制御部は、前記列信号が小さいほど、より大きなゲインを前記複数の列増幅部に指示することにより、前記列信号を前記列ＡＤ変換部の入力レンジに最適化させるのが好ましい。ここで、「信号を入力レンジに最適化する」とは、小さな信号を、入力レンジ（フルスケール）に近い大きさ（例えば、フルスケールの５０〜１００％）まで増幅することをいう。

これにより、様々な大きさの列信号に対して、適応的に列増幅部のゲインが自動調整され、列信号の大きさに依存することなく、ＡＤ変換後においても、画素信号のＳ／Ｎが高い値で維持される。

また、前記ゲイン制御部は、前記列ＡＤ変換部の出力結果に基づいて、ゲインを指示するのが好ましい。たとえば、直前の列ＡＤ変換部の出力結果に基づいて、次のＡＤ変換のために列増幅部のゲインを最適化しておくことで、時間的に変化する列信号について、その変化に追随するようにゲインが最適化され、常に、画素信号のＳ／Ｎが良好に保たれる。

また、前記ゲイン制御部は、前記列信号が基準信号成分以外の前記信号成分を示すときに、ゲインを指示するのが好ましい。その理由は、列増幅部は、信号出力期間中では信号成分より基準成分を除いた信号成分のみを増幅して、それに基準成分を追加した信号を出力するが、それ以外の期間では列増幅部の基準成分を出力する為である。また、前記列サンプルホールド部は、前記信号成分の大きさに依存しない予め定められたサンプリング期間だけ、前記列信号をサンプリングするのが好ましい。たとえば、列信号が基準成分を示した時点、あるいは、基準成分に対するＡＤ変換が完了した時点、あるいは、列信号が信号成分を示す時点から一定時間が経過した時点でホールドする。これにより、列信号は、列ＡＤ変換部でのＡＤ変換が終了するまでの短いサンプリング期間においてサンプリングされるので、ＡＤ変換の期間という長い期間にわたってサンプリングされた従来技術に比べ、ＲＴＳノイズの発生が抑制される。

また、前記列サンプルホールド部は、前記列増幅部で増幅された列信号に含まれる信号成分をサンプルホールドし、前記列信号に含まれる基準成分を通過させるのが好ましい。これにより、列信号の基準成分がＡＤ変換された後に、列信号の信号成分がＡＤ変換され、その差分が列ＡＤ変換部から出力され、デジタルＣＤＳが実現される。

また、前記複数の列ＡＤ変換部のそれぞれは、前記列信号とランプ波の参照信号とを比較するコンパレータと、前記参照信号が前記コンパレータに入力されてから前記コンパレータの出力が反転するまでの時間を計測するカウンタとを有し、前記カウンタは、前記基準成分を示す列信号に対しては、入力されるクロック信号をダウンカウント又はアップカウントし、前記信号成分を示す列信号に対しては、前記ダウンカウント又はアップカウント後に得られたカウント値を初期値として前記クロック信号をアップカウント又はダウンカウントする構成とするのが好ましい。これにより、撮像部の列ごとに１個のアップダウンカウンタを設けることで、列信号の信号成分と基準成分との差分が算出され、減算器やメモリ等の付加回路を必要とすることなく簡易にデジタルＣＤＳが実現される。

なお、本発明は、上記のような固体撮像装置として実現できるだけでなく、上記のような固体撮像装置の駆動方法として、たとえば、前記列信号の大きさが、前記列増幅部で増幅された前記列ＡＤ変換部の入力レンジに最適化されるように、前記複数の列増幅部のそれぞれに対してゲインを指示するステップと、前記信号成分の大きさに依存しない予め定められたサンプリング期間だけ、前記列信号をサンプリングするように前記列サンプルホールド部を制御するステップとを含む固体撮像装置の駆動方法として、実現することもできる。

本発明に係る固体撮像装置及びその駆動方法により、画素信号に加わるＲＴＳノイズの発生が抑制されるとともに、ＡＤ変換後のＳ／Ｎが良好に保たれるデジタルＣＤＳ方式が実現される。

よって、本発明により、固体撮像装置で発生する各種ノイズが除去され、１画面分のダイナミックレンジが拡大され、特に、低照度時においても輝度レベルが変動することなく鮮明な画像が撮像され、デジタルカメラが普及してきた今日における本発明の実用的価値は極めて高い。

以下、本発明の固体撮像装置及びその駆動方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る固体撮像装置１の構成を示す回路ブロック図である。この固体撮像装置１は、デジタルＣＤＳ方式による列ＡＤ変換部を内蔵するＭＯＳ型のイメージセンサであって、ＲＴＳノイズを抑制し、かつ、小さな信号であってもＡＤ変換においてＳ／Ｎを劣化させてしまうことを回避する構成を備えることを特徴とし、撮像部１０、行走査回路２０、列処理部３０、出力回路４１、ＤＡ変換部５０、タイミング制御回路５２、画素信号検出部５４、列走査回路５６及びゲイン制御部５８を備える。

撮像部１０は、２次元状に配置された画素１１からなり、行選択線１２で選択された行に配置された画素１１からの信号を各列信号線１３に出力することで、行ごとに、画素１１での受光量に対応する信号である列信号（あるいは「画素信号」）を出力する。この列信号には、画素のリセット時におけるオフセット電圧に相当する基準成分と、その基準成分に、画素での受光により発生した電圧分が加算された後の電圧に相当する信号成分とが含まれる。

行走査回路２０は、撮像部１０の各画素における信号を行単位で列信号線１３に読み出すための行選択信号を、各行選択線１２に、順次、出力するシフトレジスタ等である。

列処理部３０は、いわゆるデジタルＣＤＳ方式によって各列信号をＡＤ変換する回路であり、列信号線１３ごとに設けられた列増幅部３４、列サンプルホールド部３５及び列ＡＤ変換部３１を備える。この列処理部３０は、各列ＡＤ変換部３１の前段として列増幅部３４及び列サンプルホールド部３５を有する点で、従来の固体撮像装置９が備える列処理部９０と異なる。

列増幅部３４は、画素１１から列信号線１３に出力された列信号に対して、可変ゲイン（タイミング制御回路５２からのゲイン制御信号ＧＣで指定されるゲイン）で画素信号成分を増幅すること、列増幅部３４の基準電圧を出力することを、タイミング制御回路５２からのＡＭＰクリア信号ＣＬに依存して、選択的に行うＳＣＦ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｆｉｌｔｅｒ）タイプのアンプである。なお、この列増幅部３４は、ＡＭＰクリア信号ＣＬに応じて、列増幅部３４の基準電圧を出力し、また、列信号が信号成分を示すときに、その列信号と基準成分との差分をゲイン制御信号ＧＣで定まるゲインで増幅し列増幅部３４の基準電圧に追加し出力する。

列サンプルホールド部３５は、タイミング制御回路５２からホールド信号ＨＤに応じて、列増幅部３４から出力された列信号に対して、サンプルホールドすること、および、通過させることを選択的に行う。具体的には、列サンプルホールド部３５は、列増幅部３４から出力されてくる基準成分を示すときに、その基準信号をそのまま通過させ、列信号が信号差分成分を示すときに、その列差分信号を一定のサンプリング期間だけサンプリングし、ホールドする。

列ＡＤ変換部３１は、各列信号に含まれる基準成分と信号成分とを示す列信号をランプ方式でデジタル変換することで両成分の差分（つまり、画素での受光量に対応する正味の信号）に相当するデジタル値を出力する。列ＡＤ変換部３１は、コンパレータ３２及びアップダウンカウンタ３３を備える。ここで、ランプ方式によるＡＤ変換とは、ランプ波を用いたＡＤ変換であり、アナログの入力信号が入力されると、一定の傾斜で電圧が上昇するランプ波を立ち上げ、その立ち上げ時点から、両信号（入力信号とランプ波）の電圧が一致するまでの時間を計測し、その計測時間をデジタル値で出力する方式である。コンパレータ３２は、列信号の電圧と、ランプ波として入力される参照信号Ｖｒの電圧とを比較し、参照信号Ｖｒの電圧が列信号の電圧と一致するタイミングを示す信号を出力する。アップダウンカウンタ３３は、コンパレータ３２に参照信号Ｖｒが入力されてからその参照信号Ｖｒが基準成分を示す列信号の電圧に達するまでの期間においてダウンカウント（あるいは、アップカウント）し、続いて、コンパレータ３２に参照電圧Ｖｒが入力されてからその参照信号Ｖｒが信号成分を示す列信号の電圧に達するまでの期間においてアップカウント（あるいは、ダウンカウント）することで、列信号の信号成分から基準成分を差し引いた差分に相当するデジタル値を最終的に保持する。

各アップダウンカウンタ３３に保持されたデジタル値は、順次、水平信号線（Ｎ本のバス）４０に出力され、出力回路（出力バッファ）４１を介して、外部に出力される。

ＤＡ変換部５０は、タイミング制御回路５２から制御の下で、コンパレータ３２に参照信号Ｖｒを供給するランプ波生成回路である。

タイミング制御回路５２は、各回路要素の動作タイミングを制御する回路であり、外部から供給されるマスタクロックＭＣＫに同期して動作し、列増幅部３４に対して、ＡＭＰクリア信号ＣＬを出力することで、入出力端子を短絡／開放するタイミングを制御したり、列サンプルホールド部３５に対して、ホールド信号ＨＤを出力することで、サンプルホールドするタイミングを制御したり、ＤＡ変換部５０に対してランプ波を生成させるタイミングを制御したり、画素信号検出部５４に対して画素信号を検出するタイミングを制御したり、列走査回路５６に対して列選択信号Ｍ１及びＭ２等を出力するタイミングを制御したり、ゲイン制御部５８に対してゲイン制御信号ＧＣを出力するタイミングを制御したりする。

列走査回路５６は、タイミング制御回路５２からの制御の下で、各アップダウンカウンタ３３に対して、順番に、出力をイネーブルにする列選択信号Ｍ１、Ｍ２、・・を出力することで、全てのアップダウンカウンタ３３に保持されたデジタル値を水平信号線４０に順次出力させるシフトレジスタ等である。

画素信号検出部５４及びゲイン制御部５８は、列増幅部３４で増幅された列差分信号の大きさが列ＡＤ変換部３１の入力レンジに最適化されるように、列増幅部３４のゲインを決定するための制御回路である。本実施の形態では、列増幅部３４のゲインの決定手法として、直前の１フレーム分の画素信号の平均値を算出し、その平均値が列ＡＤ変換部３１のフルスケールの５０〜１００％に収まるように、次のフレームの撮像における列増幅部３４のゲインを決定するというアルゴリズムを採用している。

そのために、画素信号検出部５４は、水平信号線４０に出力された１フレーム分の画素信号（アップダウンカウンタ３３から出力されるデジタル値）を監視することで、そのフレームにおける画素信号の平均値を算出し、その平均値を示す平均画素信号Ｓａをゲイン制御部５８に出力する。ここで、平均値を算出する対象となるフレームは、新たなゲインを適用するフレームの直前のフレームであるが、静止画像を撮影する場合は、新たなゲインを適用するフレームの直前において予備的に撮像したフレームであり、一方、動画像を撮影する場合は、新たなゲインを適用するフレームの直前における連続するフレームである。なお、動画像において連続するフレームを対象として画素信号の平均値を算出する方法は、例えば、単純移動平均、加重移動平均、指数平滑移動平均等の移動平均である。

ゲイン制御部５８は、画素信号検出部５４から出力された平均画素信号Ｓａに応じたゲイン制御信号ＧＣを全ての列増幅部３４に出力する。具体的には、ゲイン制御部５８は、入力された平均画素信号Ｓａが列ＡＤ変換部３１のフルスケールに比べて小さいほど、列増幅部３４でのゲインがより大きくなるように、ゲイン制御信号ＧＣを列増幅部３４に出力する。たとえば、列ＡＤ変換部３１のフルスケールが１０２４である場合に、ゲイン制御部５８は、現在の平均画素信号Ｓａを５１２〜１０２４の範囲に収めるためのゲイン（例として、現在の平均画素信号Ｓａが２００であれば、現在のゲインの４倍に相当するゲイン）を指示するゲイン制御信号ＧＣを列増幅部３４に出力する。

なお、図１に示されるように、この固体撮像装置１は、列増幅部３４のゲインを決定する回路（画素信号検出部５４及びゲイン制御部５８）を内蔵している点に特徴を有する。つまり、列増幅部３４のゲインを決定する回路（画素信号検出部５４及びゲイン制御部５８）、列増幅部３４、及び、列サンプルホールド部３５は、同一の半導体基板（同一半導体チップ）上に形成され、いわゆるワンチップ化されている。

この理由は、図６の参考図に示されるように、もし列増幅部のゲインを決定する回路が固体撮像装置の外部に設けられている場合には、（i）その外部から列増幅部のゲインを指示する信号線を介して列増幅部にノイズが進入し易いこと、（ii）外部から列増幅部にデジタル信号によってゲインを制御する場合には、そのデジタル信号に起因するノイズが発生すること、及び、（iii）列増幅部のゲインを決定するための処理が外部に必要とされること等の欠点があるためである。

なお、上記図６の参考図では、固体撮像装置２は、図１に示される固体撮像装置１のうち、画素信号検出部５４及びカラムゲイン制御部５８が、インターフェイス６０及びマイクロコンピュータ６２に置き換えられたものに相当する構成を備える。インターフェイス６０は、この固体撮像装置２がマイクロコンピュータ６２と通信するための入出力ポートである。マイクロコンピュータ６２は、固体撮像装置２の外部に設けられたプロセッサであり、固体撮像装置２を含む機器全体の制御をする。

このように、図１に示される本発明に係る固体撮像装置１は、図６の参考図に示される固体撮像装置２と異なり、列増幅部３４のゲインを決定する回路（画素信号検出部５４及びゲイン制御部５８）が内部に設けられており、これにより、列増幅部３４にゲインを指示する信号線を介してノイズが進入することが抑制され、ＲＴＳノイズと外部からのノイズの進入が高い次元で抑制される。

図２は、図１に示された画素１１の詳細な構成を示す回路図である。画素１１は、図１に示された撮像部１０を構成する単位セルに相当し、入射した光を光電変換し電荷を発生するフォトダイオード（ＰＤ）１１ａと、ＰＤ１１ａで発生した電荷を蓄積し、蓄積した電荷を電圧信号として出力するためのコンデンサ（フローティングディフュージョン；ＦＤ）１１ｄと、コンデンサ１１ｄの示す電圧が初期電圧（ここでは、ＶＤＤ）となるようにリセットするリセットＴｒ（ＮＭＯＳトランジスタ）１１ｃと、ＰＤ１１ａで発生した電荷をコンデンサ１１ｄに転送する転送Ｔｒ１１ｂと、コンデンサ１１ｄの示す電圧に追従して変化する電圧を出力する増幅Ｔｒ１１ｅと、行選択線１２から行選択信号を受けたときに増幅Ｔｒ１１ｅの出力を列信号線１３に出力する選択Ｔｒ１１ｆとを備えている。

このような構成を備える画素１１において、行選択線１２を介して画素１１が選択されると、まず、リセットＴｒ１１ｃのゲートにパルスが入力され、リセットＴｒ１１ｃが一定期間だけオンとなる。これによって、コンデンサ１１ｄが初期電圧ＶＤＤに初期化され、そのときの結合点１１ｇの電位が、「基準成分」として、増幅Ｔｒ１１ｅ及び選択Ｔｒ１１ｆを介して列信号線１３に出力される。

次に、転送Ｔｒ１１ｂのゲートにパルスが入力され、転送Ｔｒ１１ｂが一定期間だけオンとなる。これによって、受光によってＰＤ１１ａで発生した電荷がコンデンサ１１ｄに転送され、そのときの結合点１１ｇの電位が、「信号成分」として、増幅Ｔｒ１１ｅ及び選択Ｔｒ１１ｆを介して列信号線１３に出力される。

このようにして、１行分の画素１１の基準成分及び信号成分の列信号線１３への読み出しが完了すると、次の行の画素１１についても同様の読み出しが行われ、順次、行単位の読み出しが繰り返されることで、１垂直期間内に、全ての行（１フレーム分）についての読み出しが完了する。

図３は、図１に示された固体撮像装置１のうち、特徴的な構成である列増幅部３４及び列サンプルホールド部３５の詳細な構成を示す回路図である。

列増幅部３４は、カップリングコンデンサ３４ａ、アンプ３４ｂ、可変容量コンデンサ３４ｃ及びスイッチ素子３４ｄからなる。カップリングコンデンサ３４ａは、列信号線１３とアンプ３４ｂとを容量結合するコンデンサである。アンプ３４ｂは、電圧増幅器である。可変容量コンデンサ３４ｃは、アンプ３４ｂの入出力端子間に接続され、ゲイン制御部５８から送られてくるゲイン制御信号ＧＣに応じた容量に切り替わる可変容量素子である。スイッチ素子３４ｄは、アンプ３４ｂの入出力端子間に接続され、タイミング制御回路５２から送られてくるＡＭＰクリア信号ＣＬに応じて、アンプ３４ｂの入出力端子間を短絡又は開放するＭＯＳトランジスタ等であり、このスイッチ動によって、アンプ３４ｂにアンプの基準電圧を出力させたり、アンプ３４ｂ及び可変容量コンデンサ３４ｃを可変ゲインアンプとして動作させたりする。

この列増幅部３４において、スイッチ素子３４ｄがオフのときには、列信号線１３から入力された列信号の電圧は、カップリングコンデンサ３４ａ、可変容量コンデンサ３４ｃ及びホールドコンデンサ３５ｂによって容量分割され、列ＡＤ変換部３１（つまり、コンパレータ３２）に入力される。よって、可変容量コンデンサ３４ｃの容量によって、容量分割比、つまり、ゲインが変化することになる。

このように構成された列増幅部３４は、列信号線１３から入力される列信号の基準成分に対しては、そのまま通過させ、列信号の信号成分に対しては、列ＡＤ変換部３１に入力されるときの大きさがその入力レンジ（つまり、コンパレータ３２の入力レンジ）に最適化されるように、適切なゲインで増幅する。これにより、撮像部１０から出力される列信号が小さい電圧であっても、列増幅部３４で適切に増幅された後にコンパレータ３２に入力されるので、コンパレータ３２では、比較的大きな電圧（例えば、入力レンジの５０〜１００％の電圧）の信号どうし（列信号及び参照信号Ｖｒ）が比較されることとなり、高い精度で、かつ、安定して比較が行われ、信号成分が小さいことに起因するＳ／Ｎの劣化が回避される。

列サンプルホールド部３５は、スイッチ素子３５ａ及びホールドコンデンサ３５ｂからなる。スイッチ素子３５ａは、列増幅部３４の出力端子と列ＡＤ変換部３１の入力端子との間に接続されたＭＯＳトランジスタ等であり、タイミング制御回路５２から送られてくるホールド信号ＨＤに応じて、オン又はオフする。ホールドコンデンサ３５ｂは、列増幅部３４から出力された列信号の信号成分をサンプルホールドするためのコンデンサである。

このように構成された列サンプルホールド部３５は、列増幅部３４から出力されてくる列信号が基準成分を示すときに、その列信号をそのまま通過させ、列信号が信号成分を示すときに、その信号成分が安定する早い段階（つまり、ホールド信号ＨＤによって指示される一定期間）で、その列信号をサンプルし、ホールドする（スイッチ素子３５ａがオンからオフに変わる）。これにより、サンプリング期間（スイッチ素子３５ａがオンになっている時間）は、信号成分の大きさに依存しない一定の短い期間、つまり、コンパレータ３２に入力される参照信号Ｖｒの電圧が列信号の電圧に達するまでの期間よりも短い期間となるので、従来技術に比べ、ＲＴＳノイズの量が抑制される。

次に、以上のように構成された本実施の形態における固体撮像装置１の動作について説明する。

図４は、本実施の形態における固体撮像装置１の列増幅部３４の動作を示すタイミングチャートである。ここでは、列増幅部３４の出力信号、つまり、コンパレータ３２への入力信号の一つである画素信号Ｖｘと、コンパレータ３２への入力信号のもう一つである参照信号Ｖｒと、アップダウンカウンタ３３に入力されるクロックＣＫのタイミングが示されている。

本図の信号成分ＶｓｉｇのレベルＧ１〜Ｇ４に示されるように、列増幅部３４は、ゲイン制御信号ＧＣに従って可変容量コンデンサ３４ｃの容量を変化させることで、入力された列信号の信号成分Ｖｓｉｇに対しては、列ＡＤ変換部３１に入力されるときの大きさがその入力レンジ（つまり、コンパレータ３２の入力レンジ）に最適化されるように、適切なゲインで増幅する。

このゲインを決定するゲイン制御信号ＧＣを出力するゲイン制御部５８は、画素信号検出部５４で検出された直前の１フレーム分の画素信号の平均値を示す平均画素信号Ｓａに基づいて、列増幅部３４で増幅された列信号の大きさが列ＡＤ変換部３１の入力レンジに最適化されるように、列増幅部３４でのゲインを決定する。たとえば、ゲイン制御部５８は、１フレームにおける信号成分Ｖｓｉｇの平均電圧が列ＡＤ変換部３１の入力レンジの５０〜１００％の間となるように、列増幅部３４に対して、ゲインを指示するゲイン制御信号ＧＣを出力する。これにより、撮像部１０から出力される列信号が小さい電圧であっても、列増幅部３４で適切に増幅された後にコンパレータ３２に入力されるので、コンパレータ３２では、比較的大きな電圧（例えば、入力レンジの５０〜１００％の電圧）の信号どうし（列信号及び参照信号Ｖｒ）が比較されることとなり、高い精度で、かつ、安定して比較が行われ、信号成分が小さいことに起因するＳ／Ｎの劣化が回避される。

図５は、本実施の形態における固体撮像装置１の列サンプルホールド部３５の動作を示すタイミングチャートである。ここでは、撮像部１０から列信号線１３に出力される列信号、列増幅部３４に入力される制御信号であるＡＭＰクリア信号ＣＬ、列増幅部３４の出力信号（「ＡＭＰ出力」）、列サンプルホールド部３５に入力される制御信号であるホールド信号ＨＤ、コンパレータ３２に入力される列信号（「画素信号Ｖｘ」）及び参照信号Ｖｒ、及び、アップダウンカウンタ３３に入力されるクロックＣＫのタイミングが示されている。

ＡＭＰクリア信号ＣＬがＨｉｇｈになっている期間においては、列増幅部３４のスイッチ素子３４ｄがオンするので、撮像部１０から列信号線１３に出力された列信号の基準成分は、容量３４ａにサンプリングされ、その間アンプの基準電圧が出力される（「基準出力」）。この期間では、本図に示されるように、ホールド信号ＨＤがＨｉｇｈになっているので、列サンプルホールド部３５のスイッチ素子３５ａがオンになっており、その基準電圧を示す列信号は、画素信号Ｖｘとして、コンパレータ３２に入力され、参照信号Ｖｒと比較される。そして、アップダウンカウンタ３３において、基準電圧の大きさに対応するカウント値がダウンカウント（あるいは、アップカウント）され、保持される。

続いて、ＡＭＰクリア信号ＣＬがＬｏｗになることで、列増幅部３４は、ゲイン制御信号ＧＣに応じたゲインの電圧増幅器として動作する。そして、撮像部１０から列信号線１３に信号成分を含む列信号が出力され、ＡＭＰ出力に信号成分から基準成分を引いたものを増幅した信号にＡＭＰ基準電圧を加えた信号が出力される（図中の「ＣＤＳ出力」）。

その後、一定期間だけＨｉｇｈになっていたホールド信号ＨＤがＬｏｗになることで、列サンプルホールド部３５のスイッチ素子３５ａがオフとなり、列増幅部３４で増幅された差分信号成分を示す列信号がホールドコンデンサ３５ｂにサンプルホールドされる（図中の「サンプルホールド」）。なお、ホールド信号ＨＤがＨｉｇｈとなる期間は、たとえば、ＡＭＰクリア信号ＣＬがＨｉｇｈとなった時点、あるいは、ＡＭＰ基準出力に対するＡＤ変換が完了した時点、あるいは、ＡＭＰクリア信号ＣＬがＬｏｗになった時点、あるいは、列信号が差分信号成分を示す時点から、予め定められた一定時間である。

そして、コンパレータ３２に入力される参照信号Ｖｒがランプ状の昇圧を開始すると同時に、アップダウンカウンタ３３は、上記ダウンカウント（あるいは、アップカウント）後に得られたカウント値を初期値として、クロックＣＫのアップカウント（あるいは、ダウンカウント）を開始する。

参照信号Ｖｒがホールドコンデンサ３５ｂにホールドされている信号成分の電圧に達すると、コンパレータ３２は、そのタイミングをアップダウンカウンタ３３に通知し、その通知を受けたアップダウンカウンタ３３は、アップカウント（あるいは、ダウンカウント）を停止し、最終的なカウント値を保持する。保持されたデジタル値は、列走査回路５６からの列選択信号Ｍ１等によって、順次、水平信号線（Ｎ本のバス）４０に出力され、出力回路（出力バッファ）４１を介して、外部に出力される。

このように、信号成分Ｖｓｉｇを示す列信号は、列サンプルホールド部３５において、ホールド信号ＨＤがＨｉｇｈになっている一定の期間だけ、ホールドコンデンサ３５ｂに蓄積（つまり、サンプリング）され、ホールド信号ＨＤがＬｏｗになったときに、ホールドコンデンサ３５ｂの電圧がホールドされる。その後、ホールドされた電圧は、コンパレータ３２で、参照信号Ｖｒと比較される。これにより、サンプリング期間は、信号成分の大きさに依存しない一定の短い期間、つまり、コンパレータ３２に入力される参照信号Ｖｒの電圧が列信号の電圧に達するまでの期間よりも短い期間に抑えられので、その分だけ、ＲＴＳノイズの発生が抑制され、特に、低照度時に輝度レベルが変動（明滅）するという問題が回避される。

つまり、一般に、ランプ方式のＡＤ変換では、入力信号の電圧が大きいほどＡＤ変換の時間が大きくなり、その時間が大きいほど、ＲＴＳノイズの影響を多く受けるという課題があるが、本実施の形態における固体撮像装置によれば、列サンプルホールド部によって入力信号の電圧の大きさに依存しない一定の期間だけでサンプリングされるので、上記課題が解決される。また、列サンプルホールド部によって、列増幅部等の前段の回路と、列ＡＤ変換部等の後段の回路とがタイミング的に切り離され、前後の回路のパイプライン化が可能となり、高速化が実現される。

また、本実施の形態における固体撮像装置によれば、可変ゲインの列増幅部が設けられ、列ＡＤ変換部への入力信号の電圧が適切な値に最適化され、ランダムノイズに対するＳ／Ｎが向上される。さらに、列増幅部が列サンプルホールド部の前段に設けられているので、適切な電圧に増幅された後の信号が列サンプルホールド部に入力されることが確保され、小信号時に生じ得る列サンプルホールド部での誤差が抑制される。

以上のように、本発明に係る固体撮像装置によれば、撮像部の列ごとに設けられた可変ゲインの列増幅部と、列サンプルホールド部と、ランプ方式の列ＡＤ変換部とが有機的及び相補的に作用し合い、その結果として、ＲＴＳノイズが抑制され、かつ、小さな信号であっても列ＡＤ変換部でＳ／Ｎを劣化させてしまうことを回避される。

以上、本発明に係る固体撮像装置及びその駆動方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、本実施の形態に対して各種変形を施して得られる形態も本発明に含まれる。

また、本実施の形態では、列増幅部３４のゲインの決定手法として、直前の１フレーム分の画素信号の平均値に基づいて、次のフレームの画素信号の平均値を列ＡＤ変換部３１のフルスケールの５０〜１００％に収めるように列増幅部３４のゲインを決定するというアルゴリズムを採用したが、本発明は、このようなアルゴリズムだけに限定されない。

たとえば、直前の複数のフレームにおける画素信号の平均値の変化から次のフレームの画素信号の平均値を予測し、予測した平均値が列ＡＤ変換部３１のフルスケールに対して所定の割合の値となるように、列増幅部３４のゲインを決定してもよい。例として、直前の２フレームの画素信号の平均値を外挿することで、次のフレームの画素信号の平均値を予測し、予測した平均値が列ＡＤ変換部３１のフルスケールの７５％に相当する値となるように、列増幅部３４がもっている複数のゲインの中から最適なゲインを選択する。これにより、時間的に変化する画素信号に対応させて、列増幅部３４のゲインを最適化することができる。

また、列増幅部３４のゲインを決定するのに用いる参照情報としては、フレームごとの画素信号の平均値に限られず、フレームを構成する全ての画素、あるいは、一部の画素における画素信号の最大値、最小値、中央値、それらの複数の値から算出される値等であってもよい。さらに、撮像部１０とは異なる別のセンサ（輝度センサ等）で計測された輝度情報を用いて、列増幅部３４のゲインを決定してもよい。いずれの情報であっても、列増幅部３４のゲインを最適化するのに役立つからである。

また、本実施の形態では、列サンプルホールド部３５におけるサンプル期間は、タイミング制御回路５２から出力されるホールド信号ＨＤがＨｉｇｈになっている一定の期間であったが、この期間は、様々な方法によって決定してもよい。たとえば、タイミング制御回路５２は、ＡＭＰクリア信号ＣＬをＨｉｇｈにして出力すると同時に、ホールド信号ＨＤをＨｉｇｈにして出力し、それから一定時間後にホールド信号ＨＤをＬｏｗにして出力してもよい。あるいは、タイミング制御回路５２は、列信号の信号成分の大きさに依存して、サンプリング期間を変化させる制御をしてもよい。具体例として、タイミング制御回路５２は、ゲイン制御部５８からゲイン制御信号ＧＣの通知を受け取り、そのゲイン制御信号ＧＣが示すゲインが大きいほど（列信号の電圧が小さいほど）、短いサンプリング期間となるように、ホールド信号ＨＤを出力してもよい。これにより、サンプリング期間が最適化され、よりＲＴＳノイズの発生が抑えられる。

また、本発明に係る固体撮像装置が内蔵された各種電子機器も本発明に含まれるのは言うまでもない。たとえば、図７に示される機能ブロック図のように、本発明に係る固体撮像装置１０１（上記実施の形態における固体撮像装置１又は２に相当）が内蔵されたカメラも本発明に含まれる。このカメラは、図７に示されるように、レンズ１００と、固体撮像装置１０１と、駆動回路１０２（上記実施の形態における行走査回路２０及び列走査回路５６、あるいは、それらの走査回路を制御する回路）と、信号処理部１０３と、外部インターフェイス部１０４とを備える。レンズ１００を通過した光は、固体撮像装置１０１に入射する。信号処理部１０３は、駆動回路１０２を介して固体撮像装置１０１を駆動し、固体撮像装置１０１からの出力信号を取り込む。その出力信号は、信号処理部１０３で各種信号処理が施され、外部インターフェイス部１０４を介して外部に出力される。このようなカメラは、低いＲＴＳノイズで、かつ、高いＳ／ＮでデジタルＣＤＳを行うことができる固体撮像装置を備えるので、低照度であっても輝度レベルが変動することなく、鮮明な画像を撮影することができ、例えば、図８（ａ）に示されるデジタルスチルカメラや図８（ｂ）に示されるビデオカメラとして実現される。なお、図７では固体撮像装置１０１、駆動回路１０２、信号処理部１０３、外部インターフェイス部１０４のそれぞれを、適宜組みあわせてワンチップ化することも出来る。

本発明に係る固体撮像装置は、ノイズの少ない画素信号を生成することができ、特に、低照度時であっても輝度レベルが変動することなく安定した画素信号を生成することができるイメージセンサとして、特に、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラなどの種々の撮像機器のイメージセンサとして有用である。

本発明に係る固体撮像装置の構成を示す回路ブロック図 画素の詳細な構成を示す回路図 列増幅部及び列サンプルホールド部の詳細な回路図 列増幅部の動作を示すタイミングチャート 列サンプルホールド部の動作を示すタイミングチャート 本発明に係る固体撮像装置を理解するために参考図 本発明に係る固体撮像装置が内蔵されたカメラの機能ブロック図 同カメラの例を示す外観図 従来の固体撮像装置の構成を示す回路ブロック図 従来の固体撮像装置における問題点を説明するための図

符号の説明

１ 固体撮像装置
２ 固体撮像装置
１０ 撮像部
１１ 画素
１１ａ ＰＤ
１１ｂ 転送Ｔｒ
１１ｃ リセットＴｒ
１１ｄ コンデンサ（ＦＤ）
１１ｅ 増幅Ｔｒ
１１ｆ 選択Ｔｒ
１１ｇ 結合点
１２ 行選択線
１３ 列信号線
２０ 行走査回路
３０ 列処理部
３１ 列ＡＤ変換部
３２ コンパレータ
３３ アップダウンカウンタ
３４ 列増幅部
３４ａ カップリングコンデンサ
３４ｂ アンプ
３４ｃ 可変容量コンデンサ
３４ｄ スイッチ素子
３５ 列サンプルホールド部
３５ａ スイッチ素子
３５ｂ ホールドコンデンサ
４０ 水平信号線
４１ 出力回路
５０ ＤＡ変換部
５２ タイミング制御回路
５４ 画素信号検出部
５６ 列走査回路
５８ ゲイン制御部
６０ インターフェイス
６２ マイクロコンピュータ
１００ レンズ
１０１ 固体撮像装置
１０２ 駆動回路
１０３ 信号処理部
１０４ 外部インターフェイス部

Claims (9)

1. ２次元状に配置された画素からなる撮像部と、前記撮像部の列ごとに設けられ、前記撮像部から出力される基準成分と信号成分を示す列信号をデジタル変換することで前記両成分の差分に相当するデジタル値を出力する複数の列ＡＤ変換部とを備える固体撮像装置であって、さらに、
   前記撮像部の列ごとに設けられ、前記列信号を可変ゲインで増幅する複数の列増幅部と、
   前記撮像部の列ごとに設けられ、前記複数の列増幅部のうちの対応する列増幅部で増幅された列信号に対して、サンプルホールドすること、および、通過させること、又は、基準信号成分をサンプルホールドすることを選択的に行う複数の列サンプルホールド部と、
   前記複数の列増幅部のそれぞれに対してゲインを指示するゲイン制御部とを備え、
   前記複数の列増幅部のそれぞれは、前記ゲイン制御部から指示されたゲインで前記列信号を増幅し、
   前記複数の列ＡＤ変換部のそれぞれは、前記複数の列サンプルホールド部のうちの対応する列サンプルホールド部から出力された列信号をランプ方式でデジタル変換し、
   前記複数の列増幅部、前記複数の列サンプルホールド部、および、前記ゲイン制御部は、同一の半導体基板上に形成されている
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記ゲイン制御部は、前記列信号の大きさが、前記列増幅部で増幅された前記列ＡＤ変換部の入力レンジに最適化されるように、前記複数の列増幅部のそれぞれに対してゲインを指示する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記ゲイン制御部は、前記列信号が小さいほど、より大きなゲインを前記複数の列増幅部に指示することにより、前記列信号を前記列ＡＤ変換部の入力レンジに最適化させる
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記ゲイン制御部は、前記列ＡＤ変換部の出力結果に基づいて、ゲインを指示する
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
5. 前記ゲイン制御部は、前記列信号が基準信号成分以外の前記信号成分を示すときに、ゲインを指示する
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
6. 前記列サンプルホールド部は、前記信号成分の大きさに依存しない予め定められたサンプリング期間だけ、前記列信号をサンプリングする
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
7. 前記列サンプルホールド部は、前記列増幅部で増幅された列信号に含まれる信号成分をサンプルホールドし、前記列信号に含まれる基準成分を通過させるか、もしくはサンプルホールドする。
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
8. 前記複数の列ＡＤ変換部のそれぞれは、
   前記列信号とランプ波の参照信号とを比較するコンパレータと、
   前記参照信号が前記コンパレータに入力されてから前記コンパレータの出力が反転するまでの時間を計測するカウンタとを有し、
   前記カウンタは、前記基準成分を示す列信号に対しては、入力されるクロック信号をダウンカウント又はアップカウントし、前記信号成分を示す列信号に対しては、前記ダウンカウント又はアップカウント後に得られたカウント値を初期値として前記クロック信号をアップカウント又はダウンカウントする
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
9. 請求項１記載の固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記列信号の大きさが、前記列増幅部で増幅された前記列ＡＤ変換部の入力レンジに最適化されるように、前記複数の列増幅部のそれぞれに対してゲインを指示するステップと、
   前記信号成分の大きさに依存しない予め定められたサンプリング期間だけ、前記列信号をサンプリングするように前記列サンプルホールド部を制御するステップとを含む
   ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。

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