JP2011182320A - 固体撮像装置および駆動方法 - Google Patents

固体撮像装置および駆動方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2011182320A
JP2011182320A JP2010046776A JP2010046776A JP2011182320A JP 2011182320 A JP2011182320 A JP 2011182320A JP 2010046776 A JP2010046776 A JP 2010046776A JP 2010046776 A JP2010046776 A JP 2010046776A JP 2011182320 A JP2011182320 A JP 2011182320A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
signal
pixel
unit
row
level
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2010046776A
Other languages
English (en)
Other versions
JP5468939B2 (ja
Inventor
Seisuke Matsuda
成介 松田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Corp filed Critical Olympus Corp
Priority to JP2010046776A priority Critical patent/JP5468939B2/ja
Publication of JP2011182320A publication Critical patent/JP2011182320A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5468939B2 publication Critical patent/JP5468939B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

【課題】固体撮像装置内の単位画素からの画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することにより、画像信号の読み出しの更なる高速化を行うことができる固体撮像装置および駆動方法を提供する。
【解決手段】信号電荷を発生する光電変換部と、信号電荷を増幅した画素信号を出力する増幅部と、を含んだ画素を二次元の行列方向に複数配置した画素部と、画素を行毎に選択して画素信号を読み出す垂直走査部と、画素信号を画素行毎に保持する信号保持部と、画素信号を画素行毎に複数の信号線から出力させる水平走査部と、を備え、垂直走査部は、複数行の画素を組とし、第１の行の第１の画素信号の読み出しと第２の画素信号の読み出しとの間に、第２の行の第１の画素信号の読み出しを行い、さらに、第１の行の第１の画素信号、第２の行の第１の画素信号、第１の行の第２の画素信号、第２の行の第２の画素信号を信号保持部に順次保持させる信号保持制御部、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に係わり、特に複数の出力チャンネルを有する固体撮像装置および駆動方法に関する。
近年、固体撮像素子を用いた固体撮像装置において、画素数が増大している。この画素数の増大に伴い、固体撮像装置から読み出す画像データの読み出しの高速化が図られている。従来、画素数の増大に応じた画像データ読み出しの高速化の対応として、固体撮像装置から画像データを読み出す信号出力線の本数を増やし、固体撮像素子から画像信号を並列に読み出すようにした技術が知られている（特許文献１参照）。
ここで、特許文献１で開示された並列読み出しの技術を、単位画素内に４つのトランジスタが含まれる固体撮像装置に適用したときの一例を説明する。図１０は、並列読出し手段を持った従来の固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。
図１０に示すように、従来の固体撮像装置５００は、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２を行方向および列方向に二次元的に配置した画素部１と、画素部１の読出し行を選択する垂直走査回路２と、画素部１にバイアス電流を供給する電流供給部３と、画素部１の出力信号に含まれるノイズ成分と信号成分とをそれぞれ保持する信号保持部４と、信号保持部４の信号を出力するための水平選択スイッチ部５と、水平選択スイッチ部５の読出し列を選択する水平走査回路６および水平走査回路７と、から構成される。この構成によって、固体撮像装置５００は、画素部１から出力されるノイズ成分の信号と信号成分の信号とを、それぞれの単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２に対応した複数の出力ライン５０１〜５０８を介して出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ１１〜ＶＯＵＴ＿Ｎ２２および出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ１１〜ＶＯＵＴ＿Ｓ２２に出力する。
画素部１内に備えた単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２のそれぞれは、光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１と、フォトダイオードＰＤ１の信号電荷を転送する転送トランジスタＭ１と、転送した信号電荷をリセットするリセットトランジスタＭ２と、転送した信号電荷を増幅する増幅トランジスタＭ３と、画素部１の各行を選択するための行選択トランジスタＭ４とから構成される。
そして、画素部１は、垂直走査回路２から出力される行リセットラインφＲＳＴ１，φＲＳＴ２、行転送ラインφＴＲ１，φＴＲ２、および行選択ラインφＲＯＷ１，φＲＯＷ２に応じて、画素部１の読出し行が選択され、選択された行の単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２から行単位で画素信号が読み出される。
信号保持部４は、サンプル用トランジスタＭ４０１〜Ｍ４０４と、リセットレベル保持容量Ｃ４０１とＣ４０３と、信号レベル保持容量Ｃ４０２とＣ４０４とを備えるサンプルホールド回路ＳＨ１，ＳＨ２が画素部１の列毎に設けられており、固体撮像装置５００の外部から入力されるリセットレベルサンプルラインφＮ１，φＮ２と、信号レベルサンプルラインφＳ１，φＳ２に応じて、画素部１の各列において、２行分の画素信号を保持する。
ここで、特許文献１で開示された並列読み出しにおける駆動タイミングの一例を説明する。図１１は、図１０に示した固体撮像装置５００において、画像信号を並列出力する場合の駆動タイミングの概略を示したタイミングチャートである。ここでは、左から１列目の画素列（単位画素Ｐ１１およびＰ２１）の動作に注目して説明する。なお、左から２列目の画素列（単位画素Ｐ１２およびＰ２２）の動作は、左から１列目の画素列の動作と並行して同時に行われる。
固体撮像装置５００による並列読み出しでは、はじめに、画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１を読み出すために、以下の動作を行う。
まず、タイミングｔ１から、行選択ラインφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ１１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３と、垂直信号線Ｖ１とを接続する。また、同時に、行リセットラインφＲＳＴ１を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ１１のリセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子がリセットされる。その後、タイミングｔ２において、行リセットラインφＲＳＴ１を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ１１のリセットトランジスタＭ２をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子のリセット動作を終了する。
続いて、リセットレベルサンプルラインφＮ１を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４０１をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１から出力されるリセットレベルの画素信号を、リセットレベル保持容量Ｃ４０１に保持する。その後、タイミングｔ３において、リセットレベルサンプルラインφＮ１を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４０１をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ１１のリセットレベル保持動作を終了する。
続いて、行転送ラインφＴＲ１を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ１１の行転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷が増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送される。その後、タイミングｔ４において、行転送ラインφＴＲ１を“Ｌ”レベルに戻して、行転送トランジスタＭ１をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ１１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷の転送を終了する。
続いて、信号レベルサンプルラインφＳ１を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４０２をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１から出力される信号レベルの画素信号を、信号レベル保持容量Ｃ４０２に保持する。その後、タイミングｔ５において、信号レベルサンプルラインφＳ１を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４０２をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ１１の信号レベル保持動作を終了する。
また、同時に、行選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ１１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３と、垂直信号線Ｖ１との接続が切り離され、１行目の単位画素Ｐ１１の読み出し動作を終了する。
引き続き、タイミングｔ５から、画素部１の２行目の単位画素Ｐ２１を読み出す動作を行う。なお、２行目の単位画素Ｐ２１の読み出し動作であるタイミングｔ５〜タイミングｔ９の期間は、タイミングｔ１〜タイミングｔ５の期間における１行目の単位画素Ｐ１１を読み出し動作と同様である。すなわち、１行目の単位画素Ｐ１１を読み出し動作における行選択ラインφＲＯＷ１、行リセットラインφＲＳＴ１、リセットレベルサンプルラインφＮ１、行転送ラインφＴＲ１、信号レベルサンプルラインφＳ１を、行選択ラインφＲＯＷ２、行リセットラインφＲＳＴ２、リセットレベルサンプルラインφＮ２、行転送ラインφＴＲ２、信号レベルサンプルラインφＳ２にそれぞれ読み替えるのみである。従って、２行目の単位画素Ｐ２１の読み出し動作に関する詳細な説明は省略する。
画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１と２行目の単位画素Ｐ２１との読み出し動作が終了すると、信号保持部４に保持された信号レベルの画素信号と、リセットレベルの画素信号との出力するために、以下の動作を行う。信号保持部４から出力ライン５０１〜５０８への信号読出しは、水平走査回路６および水平走査回路７によって選択される水平選択スイッチ部５を介して行われる。
まず、タイミングｔ１０において、水平信号読出しラインφＨ１を“Ｈ”レベルとして、水平選択トランジスタＭ５０１、Ｍ５０２、Ｍ５０５、およびＭ５０６をＯＮ状態とする。これより、単位画素Ｐ１１のリセットレベルの画素信号と信号レベルの画素信号とが、それぞれ出力ライン５０１（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ１１）と出力ライン５０２（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ１１）とに読み出される。また、同時に単位画素Ｐ１２のリセットレベルの画素信号と信号レベルの画素信号とが、それぞれ出力ライン５０５（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ１２）と出力ライン５０６（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ１２）とに読み出される。その後、固体撮像装置５００の外部の差分回路での差分処理によって、固体撮像装置５００の単位画素Ｐ１１およびＰ１２で発生した固定パターンノイズ、リセットノイズや熱ノイズなどのＫＴＣノイズをキャンセルする。
続いて、タイミングｔ１１において、水平信号読出しラインφＨ２を“Ｈ”レベルとして、水平選択トランジスタＭ５０３、Ｍ５０４、Ｍ５０７、およびＭ５０８をＯＮ状態とする。これより、単位画素Ｐ２１のリセットレベルの画素信号と信号レベルの画素信号とが、それぞれ出力ライン５０３（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ２１）と出力ライン５０４（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ２１）とに読み出される。また、同時に単位画素Ｐ２２のリセットレベルの画素信号と信号レベルの画素信号とが、それぞれ出力ライン５０７（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ２２）と出力ライン５０８（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ２２）とに読み出される。その後、同様に、固体撮像装置５００の外部の差分回路での差分処理によって、固体撮像装置５００の単位画素Ｐ２１およびＰ２２で発生した固定パターンノイズやＫＴＣノイズをキャンセルする。
このように、従来の固体撮像装置５００では、固体撮像装置５００から画素信号を読み出す信号出力線の本数を、例えば、図１０に示した出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ１１〜ＶＯＵＴ＿Ｓ２２のように増やし、固体撮像素子５００内の単位画素の画素信号を並列に読み出すことによって、画像信号を高速に読み出すことができる。
特開２００４−３１２１０７号公報
しかしながら、特許文献１で開示されているような、従来の並列読出し機能を持った固体撮像装置では、画素部の１行目の画素信号の読み出しと、２行目の画素信号の読み出しとを時系列の処理で行っている。このため、固体撮像装置内において、２行分の画素信号を単位画素から読み出すためにかかる時間は、単純に１行分の画素信号を単位画素から読み出す時間の２倍の時間が必要である。従って、従来の並列読出し機能を持った固体撮像装置では、２行分の画像信号を連続して読み出すことができるが、固体撮像装置内における単位画素からの画素信号の読み出しの高速化に対しては、十分な考慮がなされていないという問題がある。
本発明は、上記の課題認識に基づいてなされたものであり、並列読出し機能を持った固体撮像装置において、固体撮像装置内の単位画素からの画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することにより、画像信号の読み出しの更なる高速化を行うことができる固体撮像装置および駆動方法を提供することを目的としている。
上記の課題を解決するため、本発明の固体撮像装置は、入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換部と、前記信号電荷を増幅した画素信号を出力する増幅部と、を含んだ画素を二次元の行列方向に複数配置した画素部と、前記画素を行毎に選択して前記画素部から画素信号を読み出す垂直走査部と、前記垂直走査部が読み出した画素信号を、前記画素の行毎に保持する信号保持部と、前記信号保持部が保持している前記画素信号を、前記画素の行毎に複数の信号線から出力させる水平走査部と、を備え、前記垂直走査部は、前記画素部内の複数の行の画素を組とし、該組とした画素の第１の行の第１の画素信号の読み出しと第２の画素信号の読み出しとの間に、該組とした画素の第２の行の第１の画素信号の読み出しを行い、さらに、前記信号保持部に、前記垂直走査部が読み出した、前記第１の行の第１の画素信号、前記第２の行の第１の画素信号、前記第１の行の第２の画素信号、前記第２の行の第２の画素信号を順次保持させる信号保持制御部、を備えることを特徴とする。
また、本発明の前記信号保持部は、さらに、前記垂直走査部が読み出した、前記第１の行の第１の画素信号と前記第１の行の第２の画素信号との差分処理を行った第１の差分信号を保持する第１の差分処理部と、前記垂直走査部が読み出した、前記第２の行の第１の画素信号と前記第２の行の第２の画素信号との差分処理を行った第２の差分信号を保持する第２の差分処理部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の前記信号保持部は、さらに、前記垂直走査部が読み出した、前記第１の行の第１の画素信号と前記第１の行の第２の画素信号との差分処理を行った差分信号を増幅して保持する第１の差分処理部と、前記垂直走査部が読み出した、前記第２の行の第１の画素信号と前記第２の行の第２の画素信号との差分処理を行った差分信号を増幅して保持する第２の差分処理部と、ことを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換部と、前記信号電荷を増幅した画素信号を出力する増幅部と、を含んだ画素を二次元の行列方向に複数配置した画素部と、前記画素を行毎に選択して前記画素部から画素信号を読み出す垂直走査部と、前記垂直走査部が読み出した画素信号を、前記画素の行毎に保持する信号保持部と、前記信号保持部が保持している前記画素信号を、前記画素の行毎に複数の信号線から出力させる水平走査部と、を備えた固体撮像装置の駆動方法であって、前記垂直走査部は、前記画素部内の複数の行の画素を組とし、該組とした画素の第１の行の第１の画素信号の読み出しと第２の画素信号の読み出しとの間に、該組とした画素の第２の行の第１の画素信号の読み出しを行い、さらに、信号保持制御部が、前記信号保持部に、前記垂直走査部が読み出した、前記第１の行の第１の画素信号、前記第２の行の第１の画素信号、前記第１の行の第２の画素信号、前記第２の行の第２の画素信号を順次保持させる信号保持制御手順、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、並列読出し機能を持った固体撮像装置において、固体撮像装置内の単位画素からの画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することにより、画像信号の読み出しの更なる高速化を行うことができるという効果が得られる。
本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。 本発明の第１の実施形態の固体撮像装置における駆動タイミングの概略を示したタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態の固体撮像装置における別の駆動タイミングの概略を示したタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態の固体撮像装置におけるさらに別の駆動タイミングの概略を示したタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。 本発明の第２の実施形態の固体撮像装置における駆動タイミングの概略を示したタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態による固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。 本発明の第３の実施形態の固体撮像装置における駆動タイミングの概略を示したタイミングチャートである。 本発明の第４の実施形態による固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。 従来の固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。 従来の固体撮像装置における駆動タイミングの概略を示したタイミングチャートである。
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本第１の実施形態による並列読出し機能を持った固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。図１において、固体撮像装置１００は、４つのトランジスタを含む単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２を行方向および列方向（図１においては、２行２列）に二次元的に配置した画素部１と、画素部１の読出し行を選択する垂直走査回路２０と、画素部１にバイアス電流を供給する電流供給部３と、画素部１の各列から出力された画素信号を画素部１の行毎にそれぞれ保持する信号保持部４と、信号保持部４に保持された信号を選択して出力する水平選択スイッチ部５と、水平選択スイッチ部５が選択して出力する固体撮像装置１００の読出し列を選択する水平走査回路６および水平走査回路７と、から構成される。また、垂直走査回路２０は、画素部１から出力された画素信号を信号保持部４に保持させる制御信号を出力する信号保持制御部２０１を備えている。
なお、図１に示した本第１の実施形態における固体撮像装置１００は、図１０に示した従来の固体撮像装置５００における垂直走査回路２が、垂直走査回路２０に変更されているのみである。従って、図１に示した本第１の実施形態における固体撮像装置１００におけるその他の構成要素は、図１０に示した従来の固体撮像装置５００と同様の機能および動作の構成要素であるため、同一の符号を付加している。
固体撮像装置１００は、これらの構成によって、画素部１から出力されるノイズ成分の信号と信号成分の信号とを、それぞれの単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２に対応した複数の出力ライン５０１〜５０８に出力する。図１においては、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２のノイズ成分の信号を出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ１１〜ＶＯＵＴ＿Ｎ２２に出力し、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２の信号成分の信号を出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ１１〜ＶＯＵＴ＿Ｓ２２に出力する構成を示している。
画素部１は、垂直走査回路２０から出力される行リセットラインφＲＳＴ１，φＲＳＴ２、行転送ラインφＴＲ１，φＴＲ２、および行選択ラインφＲＯＷ１，φＲＯＷ２に応じて、読み出される行が選択される。そして、選択された行の単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２から読み出された画素信号を、垂直信号線Ｖ１および垂直信号線Ｖ２に、行単位で出力する。
画素部１内に備えた単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２は、それぞれ、光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１と、フォトダイオードＰＤ１で発生した信号電荷を転送する転送トランジスタＭ１と、転送した信号電荷をリセットするリセットトランジスタＭ２と、転送された信号電荷を増幅する増幅トランジスタＭ３と、増幅トランジスタＭ３の出力を各行の出力として出力するための行選択トランジスタＭ４とから構成される。
フォトダイオードＰＤ１は、被写体光に応じた信号電荷を発生する。転送トランジスタＭ１は、垂直走査回路２０から入力された行転送ラインφＴＲ１または行転送ラインφＴＲ２に基づいて、フォトダイオードＰＤ１で発生した信号電荷を増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送する。リセットトランジスタＭ２は、垂直走査回路２０から入力された行リセットラインφＲＳＴ１または行リセットラインφＲＳＴ２に基づいて増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位をリセットする。増幅トランジスタＭ３は、転送トランジスタＭ１によって転送されたフォトダイオードＰＤ１の信号電荷に応じた電圧を出力する。行選択トランジスタＭ４は、垂直走査回路２０から入力された行選択ラインφＲＯＷ１または行選択ラインφＲＯＷ２に基づいて、増幅トランジスタＭ３が出力した電圧を、自行選択トランジスタＭ４を備える単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２の出力として出力する。
信号保持部４は、垂直走査回路２０に備えた信号保持制御部２０１から入力されるリセットレベルサンプルラインφＮ１，φＮ２と、信号レベルサンプルラインφＳ１，φＳ２に応じて、画素部１の各列の垂直信号線Ｖ１および垂直信号線Ｖ２に出力された画素信号に含まれるノイズ成分と信号成分とを、画素部１の行毎にそれぞれ保持する。図１においては、２行分の画素信号を保持する構成を示している。
信号保持部４内には、サンプル用トランジスタＭ４０１〜Ｍ４０４と、リセットレベル保持容量Ｃ４０１，Ｃ４０３と、信号レベル保持容量Ｃ４０２，Ｃ４０４とを備えるサンプルホールド回路ＳＨ１およびサンプルホールド回路ＳＨ２を、画素部１の列毎に備えている。
サンプルホールド回路ＳＨ１は、画素部１の１列目の単位画素Ｐ１１および単位画素Ｐ２１から垂直信号線Ｖ１に出力された画素信号に含まれるノイズ成分と信号成分とを保持する。また、サンプルホールド回路ＳＨ２は、画素部１の２列目の単位画素Ｐ１２および単位画素Ｐ２２から垂直信号線Ｖ２に出力された画素信号に含まれるノイズ成分と信号成分とを保持する。
リセットレベル保持容量Ｃ４０１は、信号保持制御部２０１から入力されたリセットレベルサンプルラインφＮ１に応じて、画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１または単位画素Ｐ１２のノイズ成分を保持する。信号レベル保持容量Ｃ４０２は、信号保持制御部２０１から入力された信号レベルサンプルラインφＳ１に応じて、画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１または単位画素Ｐ１２の信号成分を保持する。リセットレベル保持容量Ｃ４０３は、信号保持制御部２０１から入力されたリセットレベルサンプルラインφＮ２に応じて、画素部１の２行目の単位画素Ｐ２１または単位画素Ｐ２２のノイズ成分を保持する。信号レベル保持容量Ｃ４０４は、信号保持制御部２０１から入力された信号レベルサンプルラインφＳ２に応じて、画素部１の２行目の単位画素Ｐ２１または単位画素Ｐ２２の信号成分を保持する。
水平選択スイッチ部５は、水平走査回路６から入力される水平信号読出しラインφＨ１、および水平走査回路７から入力される水平信号読出しラインφＨ２に応じて、信号保持部４に保持されたノイズ成分の信号と信号成分の信号を、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２に対応したそれぞれの出力ライン５０１〜５０８を介して、出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ１１〜ＶＯＵＴ＿Ｎ２２および出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ１１〜ＶＯＵＴ＿Ｓ２２に出力する。
水平選択スイッチ部５内には、水平選択トランジスタＭ５０１〜Ｍ５０８を備えている。水平選択トランジスタＭ５０１は、水平走査回路６から入力される水平信号読出しラインφＨ１に応じて、サンプルホールド回路ＳＨ１内のリセットレベル保持容量Ｃ４０１に保持されている単位画素Ｐ１１のノイズ成分の信号を読み出し、出力ライン５０１を介して、出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ１１に出力する。水平選択トランジスタＭ５０２は、水平走査回路６から入力される水平信号読出しラインφＨ１に応じて、サンプルホールド回路ＳＨ１内の信号レベル保持容量Ｃ４０２に保持されている単位画素Ｐ１１の信号成分の信号を読み出し、出力ライン５０２を介して、出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ１１に出力する。水平選択トランジスタＭ５０３は、水平走査回路７から入力される水平信号読出しラインφＨ２に応じて、サンプルホールド回路ＳＨ１内のリセットレベル保持容量Ｃ４０３に保持されている単位画素Ｐ２１のノイズ成分の信号を読み出し、出力ライン５０３を介して、出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ２１に出力する。水平選択トランジスタＭ５０４は、水平走査回路７から入力される水平信号読出しラインφＨ２に応じて、サンプルホールド回路ＳＨ１内の信号レベル保持容量Ｃ４０４に保持されている単位画素Ｐ２１の信号成分の信号を読み出し、出力ライン５０４を介して、出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ２１に出力する。
同様に、水平選択トランジスタＭ５０５は、水平走査回路６から入力される水平信号読出しラインφＨ１に応じて、サンプルホールド回路ＳＨ２内のリセットレベル保持容量Ｃ４０１に保持されている単位画素Ｐ１２のノイズ成分の信号を読み出し、出力ライン５０５を介して、出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ１２に出力する。水平選択トランジスタＭ５０６は、水平走査回路６から入力される水平信号読出しラインφＨ１に応じて、サンプルホールド回路ＳＨ２内の信号レベル保持容量Ｃ４０２に保持されている単位画素Ｐ１２の信号成分の信号を読み出し、出力ライン５０６を介して、出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ１２に出力する。水平選択トランジスタＭ５０７は、水平走査回路７から入力される水平信号読出しラインφＨ２に応じて、サンプルホールド回路ＳＨ２内のリセットレベル保持容量Ｃ４０３に保持されている単位画素Ｐ２２のノイズ成分の信号を読み出し、出力ライン５０７を介して、出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ２２に出力する。水平選択トランジスタＭ５０８は、水平走査回路７から入力される水平信号読出しラインφＨ２に応じて、サンプルホールド回路ＳＨ２内の信号レベル保持容量Ｃ４０４に保持されている単位画素Ｐ２２の信号成分の信号を読み出し、出力ライン５０８を介して、出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ２２に出力する。
次に、本第１の実施形態の固体撮像装置の駆動タイミングについて説明する。図２は、本第１の実施形態の固体撮像装置１００における駆動タイミングの概略を示したタイミングチャートである。ここでは、左から１列目の画素列（単位画素Ｐ１１およびＰ２１）の動作に注目し、２行分の画素信号の読み出しを行う駆動タイミングを説明する。なお、左から２列目の画素列（単位画素Ｐ１２およびＰ２２）の動作は、左から１列目の画素列の動作と並行して同時に行われる。固体撮像装置１００の駆動タイミングは、図１０に示した従来の固体撮像装置５００の駆動タイミングに対して、垂直走査回路２０が画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１からの画素信号の読み出し動作と、２行目の単位画素Ｐ２１からの画素信号の読み出し動作とを時分割で行うように駆動することが異なる。
まず、タイミングｔ１において、垂直走査回路２０は、行リセットラインφＲＳＴ１を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ１１のリセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子がリセットされる。その後、タイミングｔ２において、垂直走査回路２０は、行リセットラインφＲＳＴ１を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ１１のリセットトランジスタＭ２をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子のリセット動作を終了する。
続いて、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ１１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを接続する。また、このとき、信号保持制御部２０１は、リセットレベルサンプルラインφＮ１を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４０１をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３から出力されるリセットレベルの画素信号を、サンプル用トランジスタＭ４０１を介して、リセットレベル保持容量Ｃ４０１に保持する。
また、同時に、垂直走査回路２０は、行リセットラインφＲＳＴ２を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ２１のリセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子がリセットされる。
続いて、タイミングｔ３において、信号保持制御部２０１は、リセットレベルサンプルラインφＮ１を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４０１をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ１１のリセットレベル保持動作を終了する。また、このとき、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ１１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
また、垂直走査回路２０は、行リセットラインφＲＳＴ２を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ２１のリセットトランジスタＭ２をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子のリセット動作を終了する。
続いて、垂直走査回路２０は、行転送ラインφＴＲ１を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ１１の行転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷が増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送される。
また、同時に、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ２を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ２１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを接続する。また、このとき、信号保持制御部２０１は、リセットレベルサンプルラインφＮ２を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４０３をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３から出力されるリセットレベルの画素信号を、サンプル用トランジスタＭ４０３を介して、リセットレベル保持容量Ｃ４０３に保持する。
続いて、タイミングｔ４において、垂直走査回路２０は、行転送ラインφＴＲ１を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ１１の行転送トランジスタＭ１をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ１１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷の転送を終了する。また、このとき、信号保持制御部２０１は、リセットレベルサンプルラインφＮ２を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４０３をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ２１のリセットレベル保持動作を終了する。また、さらに、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ２を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ２１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
続いて、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ１１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを再び接続する。また、このとき、信号保持制御部２０１は、信号レベルサンプルラインφＳ１を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４０２をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３から出力される信号レベルの画素信号を、サンプル用トランジスタＭ４０２を介して、信号レベル保持容量Ｃ４０２に保持する。
また、同時に、垂直走査回路２０は、行転送ラインφＴＲ２を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ２１の行転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ２１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷が増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送される。
続いて、タイミングｔ５において、信号保持制御部２０１は、信号レベルサンプルラインφＳ１を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４０２をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ１１の信号レベル保持動作を終了する。また、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ１１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。また、垂直走査回路２０は、行転送ラインφＴＲ２を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ２１の行転送トランジスタＭ１をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ２１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷の転送を終了する。
続いて、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ２を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ２１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを再び接続する。また、このとき、信号保持制御部２０１は、信号レベルサンプルラインφＳ２を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４０４をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３から出力される信号レベルの画素信号を、サンプル用トランジスタＭ４０４を介して、信号レベル保持容量Ｃ４０４に保持する。
続いて、タイミングｔ６において、信号保持制御部２０１は、信号レベルサンプルラインφＳ２を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４０４をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ２１の信号レベル保持動作を終了する。また、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ２を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ２１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
上記に述べたように、本第１の実施形態における固体撮像装置１００では、画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１からの画素信号の読み出し動作と、２行目の単位画素Ｐ２１からの画素信号の読み出し動作とを時分割で行う。
続いて、タイミングｔ７以降において、信号保持部４に保持された信号レベルの画素信号と、リセットレベルの画素信号とを出力するために、以下の動作を行う。信号保持部４から出力ライン５０１〜５０８への信号読出しは、水平走査回路６および水平走査回路７によって選択される水平選択スイッチ部５を介して行われる。
まず、タイミングｔ７において、水平走査回路６は、水平信号読出しラインφＨ１を“Ｈ”レベルとして、水平選択トランジスタＭ５０１、Ｍ５０２、Ｍ５０５、およびＭ５０６をＯＮ状態とする。これより、単位画素Ｐ１１のリセットレベルの画素信号と信号レベルの画素信号とが、それぞれ出力ライン５０１（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ１１）と出力ライン５０２（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ１１）とに読み出される。また、同時に単位画素Ｐ１２のリセットレベルの画素信号と信号レベルの画素信号とが、それぞれ出力ライン５０５（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ１２）と出力ライン５０６（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ１２）とに読み出される。その後、固体撮像装置１００の外部の差分回路での差分処理によって、固体撮像装置１００の単位画素Ｐ１１およびＰ１２で発生した固定パターンノイズやＫＴＣノイズをキャンセルする。
続いて、タイミングｔ８において、水平走査回路７は、水平信号読出しラインφＨ２を“Ｈ”レベルとして、水平選択トランジスタＭ５０３、Ｍ５０４、Ｍ５０７、およびＭ５０８をＯＮ状態とする。これより、単位画素Ｐ２１のリセットレベルの画素信号と信号レベルの画素信号とが、それぞれ出力ライン５０３（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ２１）と出力ライン５０４（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ２１）とに読み出される。また、同時に単位画素Ｐ２２のリセットレベルの画素信号と信号レベルの画素信号とが、それぞれ出力ライン５０７（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ２２）と出力ライン５０８（出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ２２）とに読み出される。その後、同様に、固体撮像装置１００の外部の差分回路での差分処理によって、固体撮像装置１００の単位画素Ｐ２１およびＰ２２で発生した固定パターンノイズやＫＴＣノイズをキャンセルする。
上記に述べたように、本第１の実施形態における固体撮像装置１００では、画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１におけるリセットレベルの画素信号の読み出し動作と信号レベルの画素信号の読み出し動作との間に、画素部１の２行目の単位画素Ｐ２１のリセットレベルの画素信号の読み出し動作を並列に行う。これにより、画素部１から２行分の画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することができ、固体撮像装置１００の画像信号の読み出しの更なる高速化を実現することができる。
より具体的には、図１０に示した従来の固体撮像装置５００において、画素部１から２行分の単位画素（例えば、単位画素Ｐ１１と単位画素Ｐ２１）の画素信号の読み出しに要する時間は、図１１に示したように、４サイクル×２行の合計８サイクル（タイミングｔ１〜タイミングｔ９）であった。これに対して、本第１の実施形態における固体撮像装置１００では、図２に示すように、５サイクル（タイミングｔ１〜タイミングｔ６）で、画素部１から２行分の単位画素の画素信号を読み出すことができる。
また、固体撮像装置１００では、２行分の画素信号の読み出し動作を並列に行う場合について説明したが、画素信号の読み出し動作を並列に行う行数が更に増えた場合においても、図２に示した駆動タイミングと同様に考えることにより、画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することができる。
ここで、画素信号の読み出し動作を並列に行う行数が更に増えた場合のいくつかの例を説明する。図３は、本第１の実施形態の固体撮像装置１００を、３行分の画素信号を保持する構成とした場合の駆動タイミングの概略を示したタイミングチャートである。図４は、本第１の実施形態の固体撮像装置１００を、４行分の画素信号を保持する構成とした場合の駆動タイミングの概略を示したタイミングチャートである。
まず、図３に示した３行分の画素信号を保持する構成とした場合の駆動タイミングについて説明する。ここでは、左から１列目の画素列（単位画素Ｐ１１、Ｐ２１、および図示しないＰ３１）の動作に注目した駆動タイミングを説明する。なお、左から２列目の画素列（単位画素Ｐ１２、Ｐ２２、および図示しないＰ３２）の動作は、左から１列目の画素列の動作と並行して同時に行われる。
また、３行分の画素信号を保持する構成とした固体撮像装置１００は、図１に示した固体撮像装置１００に、以下の構成要素が追加されたものとして説明する。まず、３行目の単位画素Ｐ３１に対応して垂直走査回路２０から出力される制御信号は、行リセットラインφＲＳＴ３、行転送ラインφＴＲ３、および行選択ラインφＲＯＷ３とする。また、信号保持部４内のサンプルホールド回路ＳＨ１には、サンプル用トランジスタＭ４０５〜Ｍ４０６と、リセットレベル保持容量Ｃ４０５と、信号レベル保持容量Ｃ４０６とを備える構成とする。そして、リセットレベル保持容量Ｃ４０５と信号レベル保持容量Ｃ４０６とのそれぞれは、信号保持制御部２０１から入力されたリセットレベルサンプルラインφＮ３または信号レベルサンプルラインφＳ３に応じて、画素部１の３行目の単位画素Ｐ３１のノイズ成分または信号成分を保持するものとする。
まず、タイミングｔ１から、１行目の単位画素Ｐ１１と２行目の単位画素Ｐ２１とのリセットレベルの画素信号の読み出し動作と信号レベルの画素信号の読み出し動作とが行われる。この単位画素Ｐ１１と２行目の単位画素Ｐ２１との読み出し動作の期間である、タイミングｔ１〜タイミングｔ６の期間は、図２に示した駆動タイミングにおけるタイミングｔ１〜タイミングｔ６の期間と同様であるため、説明を省略する。そして、図２に示した駆動タイミングと異なる３行目の単位画素Ｐ３１の読み出し動作に注目して説明する。
３行目の単位画素Ｐ３１の読み出し動作は、タイミングｔ５において、１行目の単位画素Ｐ１１と２行目の単位画素Ｐ２１との読み出し動作と並行して行われる。まず、タイミングｔ５において、垂直走査回路２０は、行リセットラインφＲＳＴ３を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ３１のリセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ３１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子がリセットされる。
続いて、タイミングｔ６において、垂直走査回路２０は、行リセットラインφＲＳＴ３を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ３１のリセットトランジスタＭ２をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ３１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子のリセット動作を終了する。
また、同時に、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ３を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ３１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ３１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを接続する。また、このとき、信号保持制御部２０１は、リセットレベルサンプルラインφＮ３を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４０５をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ３１の増幅トランジスタＭ３から出力されるリセットレベルの画素信号を、サンプル用トランジスタＭ４０５を介して、リセットレベル保持容量Ｃ４０５に保持する。
続いて、タイミングｔ７において、信号保持制御部２０１は、リセットレベルサンプルラインφＮ３を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４０５をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ３１のリセットレベル保持動作を終了する。また、さらに、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ３を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ３１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ３１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
また、同時に、垂直走査回路２０は、行転送ラインφＴＲ３を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ３１の行転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ３１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷が増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送される。
続いて、タイミングｔ８において、垂直走査回路２０は、行転送ラインφＴＲ３を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ３１の行転送トランジスタＭ１をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ３１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷の転送を終了する。
続いて、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ３を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ３１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ３１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを再び接続する。また、このとき、信号保持制御部２０１は、信号レベルサンプルラインφＳ３を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４０６をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ３１の増幅トランジスタＭ３から出力される信号レベルの画素信号を、サンプル用トランジスタＭ４０６を介して、信号レベル保持容量Ｃ４０６に保持する。
続いて、タイミングｔ９において、信号保持制御部２０１は、信号レベルサンプルラインφＳ３を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４０６をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ３１の信号レベル保持動作を終了する。また、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ３を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ３１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ３１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
上記に述べたように、本第１の実施形態における固体撮像装置１００を、３行分の画素信号を保持する構成とした場合においても、画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１、２行目の単位画素Ｐ２１、および３行目の単位画素Ｐ３１からの画素信号の読み出し動作を時分割で行うことができる。これにより、画素部１から３行分の画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することができる。
より具体的には、図１０に示した従来の固体撮像装置５００において、画素部１から３行分の単位画素の画素信号の読み出しに要する時間は、４サイクル×３行の合計１２サイクルである。これに対して、本第１の実施形態における固体撮像装置１００では、図３に示すように、８サイクル（タイミングｔ１〜タイミングｔ９）で、画素部１から３行分の単位画素の画素信号を読み出すことができる。
続いて、タイミングｔ９以降において、信号保持部４に保持された信号レベルの画素信号と、リセットレベルの画素信号とを出力するために、水平選択スイッチ部５を介したリセットレベルの画素信号と信号レベルの画素信号との読み出し動作を行うが、図２に示した駆動タイミングと同様に考えることができるため、説明を省略する。
次に、図４に示した４行分の画素信号を保持する構成とした場合の駆動タイミングについて説明する。ここでは、図２および図３に示した駆動タイミングと同様に、左から１列目の画素列（単位画素Ｐ１１、Ｐ２１、図示しないＰ３１、および図示しないＰ４１）の動作に注目した駆動タイミングを説明する。なお、左から２列目の画素列（単位画素Ｐ１２、Ｐ２２、図示しないＰ３２、および図示しないＰ４２）の動作も、図２および図３に示した駆動タイミングと同様に、左から１列目の画素列の動作と並行して同時に行われる。
また、４行分の画素信号を保持する構成とした固体撮像装置１００は、図１に示した固体撮像装置１００に、以下の構成要素が追加されたものとして説明する。なお、４行分の画素信号を保持する構成とした固体撮像装置１００は、上述した３行分の画素信号を保持する構成とした固体撮像装置１００に対して、更に以下の構成要素が追加される。まず、４行目の単位画素Ｐ４１に対応して垂直走査回路２０から出力される制御信号は、行リセットラインφＲＳＴ４、行転送ラインφＴＲ４、および行選択ラインφＲＯＷ４とする。また、信号保持部４内のサンプルホールド回路ＳＨ１には、サンプル用トランジスタＭ４０７〜Ｍ４０８と、リセットレベル保持容量Ｃ４０７と、信号レベル保持容量Ｃ４０８とを備える構成とする。そして、リセットレベル保持容量Ｃ４０７と信号レベル保持容量Ｃ４０８とのそれぞれは、信号保持制御部２０１から入力されたリセットレベルサンプルラインφＮ４または信号レベルサンプルラインφＳ４に応じて、画素部１の４行目の単位画素Ｐ４１のノイズ成分または信号成分を保持するものとする。
まず、タイミングｔ１から、１行目の単位画素Ｐ１１と２行目の単位画素Ｐ２１とのリセットレベルの画素信号の読み出し動作と信号レベルの画素信号の読み出し動作とが行われる。この単位画素Ｐ１１と２行目の単位画素Ｐ２１との読み出し動作の期間である、タイミングｔ１〜タイミングｔ６の期間は、図２および図３に示した駆動タイミングにおけるタイミングｔ１〜タイミングｔ６の期間と同様であるため、説明を省略する。また、タイミングｔ５〜タイミングｔ９の期間における３行目の単位画素Ｐ３１の読み出し動作も図３に示した駆動タイミングにおけるタイミングｔ５〜タイミングｔ９の期間と同様であるため、説明を省略する。そして、図２および図３に示した駆動タイミングと異なる４行目の単位画素Ｐ４１の読み出し動作に注目して説明する。
４行目の単位画素Ｐ４１の読み出し動作は、タイミングｔ６において、２行目の単位画素Ｐ２１と３行目の単位画素Ｐ３１との読み出し動作と並行して行われる。まず、タイミングｔ６において、垂直走査回路２０は、行リセットラインφＲＳＴ４を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ４１のリセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ４１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子がリセットされる。
続いて、タイミングｔ７において、垂直走査回路２０は、行リセットラインφＲＳＴ４を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ４１のリセットトランジスタＭ２をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ４１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子のリセット動作を終了する。
また、同時に、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ４を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ４１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ４１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを接続する。また、このとき、信号保持制御部２０１は、リセットレベルサンプルラインφＮ４を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４０７をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ４１の増幅トランジスタＭ３から出力されるリセットレベルの画素信号を、サンプル用トランジスタＭ４０７を介して、リセットレベル保持容量Ｃ４０７に保持する。
続いて、タイミングｔ８において、信号保持制御部２０１は、リセットレベルサンプルラインφＮ４を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４０７をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ４１のリセットレベル保持動作を終了する。また、さらに、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ４を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ４１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ４１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
また、同時に、垂直走査回路２０は、行転送ラインφＴＲ４を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ４１の行転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ４１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷が増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送される。
続いて、タイミングｔ９において、垂直走査回路２０は、行転送ラインφＴＲ４を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ４１の行転送トランジスタＭ１をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ４１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷の転送を終了する。
続いて、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ４を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ４１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ４１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを再び接続する。また、このとき、信号保持制御部２０１は、信号レベルサンプルラインφＳ４を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４０８をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ４１の増幅トランジスタＭ３から出力される信号レベルの画素信号を、サンプル用トランジスタＭ４０８を介して、信号レベル保持容量Ｃ４０８に保持する。
続いて、タイミングｔ１０において、信号保持制御部２０１は、信号レベルサンプルラインφＳ４を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４０８をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ４１の信号レベル保持動作を終了する。また、垂直走査回路２０は、行選択ラインφＲＯＷ４を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ４１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ４１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
上記に述べたように、本第１の実施形態における固体撮像装置１００を、４行分の画素信号を保持する構成とした場合においても、画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１、２行目の単位画素Ｐ２１、３行目の単位画素Ｐ３１、および４行目の単位画素Ｐ４１からの画素信号の読み出し動作を時分割で行うことができる。これにより、画素部１から３行分の画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することができる。
より具体的には、図１０に示した従来の固体撮像装置５００において、画素部１から４行分の単位画素の画素信号の読み出しに要する時間は、４サイクル×４行の合計１６サイクルである。これに対して、本第１の実施形態における固体撮像装置１００では、図４に示すように、９サイクル（タイミングｔ１〜タイミングｔ１０）で、画素部１から４行分の単位画素の画素信号を読み出すことができる。
続いて、タイミングｔ１０以降において、信号保持部４に保持された信号レベルの画素信号と、リセットレベルの画素信号とを出力するために、水平選択スイッチ部５を介したリセットレベルの画素信号と信号レベルの画素信号との読み出し動作を行うが、図２に示した駆動タイミングと同様に考えることができるため、説明を省略する。
上記に述べたように、本第１の実施形態によれば、画素部内の１つの行の単位画素（本第１の実施形態においては、画素部１の奇数行目の単位画素である単位画素Ｐ１１、単位画素Ｐ３１）におけるリセットレベルの画素信号の読み出し動作と信号レベルの画素信号の読み出し動作との間に、他の行の単位画素（本第１の実施形態においては、画素部１の偶数行目の単位画素である単位画素Ｐ２１、単位画素Ｐ４１）のリセットレベルの画素信号の読み出し動作を並列に行うことができる。また、画素部内の１つの行の単位画素（本第１の実施形態においては、画素部１の２行目の単位画素Ｐ２１）の読み出し動作と画素部内の次の行の単位画素（本第１の実施形態においては、画素部１の３行目の単位画素Ｐ３１）の読み出し動作とを時分割で行うことができる。これにより、画素部から複数行分の画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することができ、固体撮像装置の画像信号の読み出しの更なる高速化を実現することができる。
また、固体撮像装置１００では、画素部１内に４つのトランジスタを含む単位画素を備えた場合について説明したが、本発明の固体撮像装置および駆動方法では、画素部内の単位画素の構成要素と駆動方法が変わった場合においても、対応することができる。
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の実施形態において、画素部内の単位画素の構成要素と駆動方法が異なる場合について説明する。図５は、本第２の実施形態による固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。図５において、固体撮像装置１１０は、３つのトランジスタを含む単位画素Ｐ０１１〜Ｐ０２２を行方向および列方向（図５においては、２行２列）に二次元的に配置した画素部１０と、画素部１０の読出し行を選択する垂直走査回路２１と、画素部１０にバイアス電流を供給する電流供給部３と、画素部１０の各列から出力された画素信号を画素部１０の行毎にそれぞれ保持する信号保持部４と、信号保持部４に保持された信号を選択して出力する水平選択スイッチ部５と、水平選択スイッチ部５が選択して出力する固体撮像装置１１０の読出し列を選択する水平走査回路６および水平走査回路７と、から構成される。また、垂直走査回路２１は、画素部１から出力された画素信号を信号保持部４に保持させる制御信号を出力する信号保持制御部２１１を備えている。
固体撮像装置１１０は、これらの構成によって、画素部１０から出力されるノイズ成分の信号と信号成分の信号とを、それぞれの単位画素Ｐ０１１〜Ｐ０２２に対応した複数の出力ライン５０１〜５０８に出力する。図５においては、単位画素Ｐ０１１〜Ｐ０２２のノイズ成分の信号を出力端子ＶＯＵＴ＿Ｎ１１〜ＶＯＵＴ＿Ｎ２２に出力し、単位画素Ｐ０１１〜Ｐ０２２の信号成分の信号を出力端子ＶＯＵＴ＿Ｓ１１〜ＶＯＵＴ＿Ｓ２２に出力する構成を示している。
なお、図５に示した本第２の実施形態における固体撮像装置１１０は、図１に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における画素部１内の単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２が、単位画素Ｐ０１１〜Ｐ０２２に変更されている。また、この変更に伴って、図１に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における垂直走査回路２０が垂直走査回路２１に変更されているのみである。従って、図５に示した本第２の実施形態における固体撮像装置１１０の構成要素において、図１に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００と同様の構成要素には、同一の符号を付加して説明を省略する。
画素部１０は、垂直走査回路２１から出力される行リセットラインφＲＳＴ１，φＲＳＴ２、および行選択ラインφＲＯＷ１，φＲＯＷ２に応じて、読み出される行が選択される。そして、選択された行の単位画素Ｐ０１１〜Ｐ０２２から読み出された画素信号を、垂直信号線Ｖ１および垂直信号線Ｖ２に、行単位で出力する。
画素部１０内に備えた単位画素Ｐ０１１〜Ｐ０２２は、それぞれ、光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１と、フォトダイオードＰＤ１で発生した信号電荷をリセットするリセットトランジスタＭ２と、フォトダイオードＰＤ１で発生した信号電荷を増幅する増幅トランジスタＭ３と、増幅トランジスタＭ３の出力を各行の出力として出力するための行選択トランジスタＭ４とから構成される。
フォトダイオードＰＤ１は、被写体光に応じた信号電荷を発生する。リセットトランジスタＭ２は、垂直走査回路２１から入力された行リセットラインφＲＳＴ１または行リセットラインφＲＳＴ２に基づいて、フォトダイオードＰＤ１で発生した信号電荷、すなわち、増幅トランジスタＭ３のゲート端子の電位をリセットする。増幅トランジスタＭ３は、フォトダイオードＰＤ１の信号電荷に応じた電圧を出力する。行選択トランジスタＭ４は、垂直走査回路２１から入力された行選択ラインφＲＯＷ１または行選択ラインφＲＯＷ２に基づいて、増幅トランジスタＭ３が出力した電圧を、自行選択トランジスタＭ４を備える単位画素Ｐ０１１〜Ｐ０２２の出力として出力する。
次に、本第２の実施形態の固体撮像装置の駆動タイミングについて説明する。図６は、本第２の実施形態の固体撮像装置１１０における駆動タイミングの概略を示したタイミングチャートである。ここでは、左から１列目の画素列（単位画素Ｐ０１１およびＰ０２１）の動作に注目し、２行分の画素信号の読み出しを行う駆動タイミングを説明する。なお、左から２列目の画素列（単位画素Ｐ０１２およびＰ０２２）の動作は、左から１列目の画素列の動作と並行して同時に行われる。固体撮像装置１１０の駆動タイミングは、図２に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００の駆動タイミングと同様に、垂直走査回路２１が画素部１０の１行目の単位画素Ｐ０１１からの画素信号の読み出し動作と、２行目の単位画素Ｐ０２１からの画素信号の読み出し動作とを時分割で行うように駆動する。
まず、タイミングｔ１において、垂直走査回路２１は、行選択ラインφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ０１１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ０１１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを接続する。また、このとき、信号保持制御部２１１は、信号レベルサンプルラインφＳ１を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４０２をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ０１１の増幅トランジスタＭ３から出力される信号レベルの画素信号を、サンプル用トランジスタＭ４０２を介して、信号レベル保持容量Ｃ４０２に保持する。
続いて、タイミングｔ２において、信号保持制御部２１１は、信号レベルサンプルラインφＳ１を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４０２をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ０１１の信号レベル保持動作を終了する。また、垂直走査回路２１は、行選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルに戻した、単位画素Ｐ０１１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ０１１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
続いて、垂直走査回路２１は、行リセットラインφＲＳＴ１を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ０１１のリセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ０１１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子がリセットされる。
また、同時に、垂直走査回路２１は、行選択ラインφＲＯＷ２を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ０２１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ０２１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを接続する。また、このとき、信号保持制御部２１１は、信号レベルサンプルラインφＳ２を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４０４をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ０２１の増幅トランジスタＭ３から出力される信号レベルの画素信号を、サンプル用トランジスタＭ４０４を介して、信号レベル保持容量Ｃ４０４に保持する。
続いて、タイミングｔ３において、垂直走査回路２１は、行リセットラインφＲＳＴ１を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ０１１のリセットトランジスタＭ２をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ０１１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子のリセット動作を終了する。
また、信号保持制御部２１１は、信号レベルサンプルラインφＳ２を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４０４をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ０２１の信号レベル保持動作を終了する。また、垂直走査回路２１は、行選択ラインφＲＯＷ２を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ０２１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ０２１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
続いて、垂直走査回路２１は、行選択ラインφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ０１１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ０１１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを再び接続する。また、このとき、信号保持制御部２１１は、リセットレベルサンプルラインφＮ１を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４０１をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ０１１の増幅トランジスタＭ３から出力されるリセットレベルの画素信号を、サンプル用トランジスタＭ４０１を介して、リセットレベル保持容量Ｃ４０１に保持する。
また、同時に、垂直走査回路２１は、行リセットラインφＲＳＴ２を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ０２１のリセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ０２１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子がリセットされる。
続いて、タイミングｔ４において、信号保持制御部２１１は、リセットレベルサンプルラインφＮ１を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４０１をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ０１１のリセットレベル保持動作を終了する。また、このとき、垂直走査回路２１は、行選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ０１１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ０１１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
また、垂直走査回路２１は、行リセットラインφＲＳＴ２を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ０２１のリセットトランジスタＭ２をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ０２１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子のリセット動作を終了する。
続いて、垂直走査回路２１は、行選択ラインφＲＯＷ２を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ０２１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ０２１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを再び接続する。また、このとき、信号保持制御部２１１は、リセットレベルサンプルラインφＮ２を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４０３をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ０２１の増幅トランジスタＭ３から出力されるリセットレベルの画素信号を、サンプル用トランジスタＭ４０３を介して、リセットレベル保持容量Ｃ４０３に保持する。
続いて、タイミングｔ５において、信号保持制御部２１１は、リセットレベルサンプルラインφＮ２を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４０３をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ０２１のリセットレベル保持動作を終了する。また、さらに、垂直走査回路２１は、行選択ラインφＲＯＷ２を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ０２１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ０２１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
上記に述べたように、本第２の実施形態における固体撮像装置１１０では、画素部１０の１行目の単位画素Ｐ０１１からの画素信号の読み出し動作と、２行目の単位画素Ｐ０２１からの画素信号の読み出し動作とを時分割で行う。これにより、画素部１から３行分の画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することができる。
より具体的には、単位画素の構成が本第２の実施形態における固体撮像装置１１０と同様である従来の固体撮像装置において、画素部から２行分の単位画素の画素信号の読み出しに要する時間は、３サイクル×２行の合計６サイクルである。これに対して、本第２の実施形態における固体撮像装置１１０では、図６に示すように、４サイクル（タイミングｔ１〜タイミングｔ５）で、画素部１０から２行分の単位画素の画素信号を読み出すことができる。
続いて、タイミングｔ６以降において、信号保持部４に保持された信号レベルの画素信号と、リセットレベルの画素信号とを出力するために、水平選択スイッチ部５を介したリセットレベルの画素信号と信号レベルの画素信号との読み出し動作を行うが、図２に示した駆動タイミングと同様であるため、説明を省略する。
上記に述べたように、本第２の実施形態における固体撮像装置１１０では、画素部１０の１行目の単位画素Ｐ０１１における信号レベルの画素信号の読み出し動作とリセットレベルの画素信号の読み出し動作との間に、画素部１０の２行目の単位画素Ｐ０２１の信号レベルの画素信号の読み出し動作を並列に行う。これにより、画素部１０から２行分の画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することができ、固体撮像装置１１０の画像信号の読み出しの更なる高速化を実現することができる。
なお、固体撮像装置１１０では、２行分の画素信号の読み出し動作を並列に行う場合について説明したが、画素信号の読み出し動作を並列に行う行数が更に増えた場合においても、図６に示した駆動タイミングと同様に考えることにより、画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することができる。この画素信号の読み出し動作を並列に行う行数が更に増えた場合に関しては、図３および図４に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における対応と同様に考えることができるため、説明を省略する。
また、図１に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００および本第２の実施形態の固体撮像装置１１０では、画素部の各列の垂直信号線に出力された画素信号に含まれるノイズ成分と信号成分とを、画素部の行毎にそれぞれ保持するサンプルホールド回路を備えた場合について説明したが、本発明の固体撮像装置および駆動方法では、サンプルホールド回路以外の信号保持回路を備えた固体撮像装置においても、対応することができる。
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の実施形態において、異なる信号保持回路を備えた固体撮像装置の場合について説明する。図７は、本第３の実施形態による固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。図７において、固体撮像装置１２０は、４つのトランジスタを含む単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２を行方向および列方向（図７においては、２行２列）に二次元的に配置した画素部１と、画素部１の読出し行を選択する垂直走査回路２２と、画素部１にバイアス電流を供給する電流供給部３と、画素部１の各列から出力された画素信号に基づいて、画素部１の行毎に画素信号の信号レベルとリセットレベルとの差分処理をそれぞれ行う差分処理部４１と、差分処理部４１から出力された差分信号を選択して出力する水平選択スイッチ部５１と、水平選択スイッチ部５１が選択して出力する固体撮像装置１２０の読出し列を選択する水平走査回路６および水平走査回路７と、から構成される。また、垂直走査回路２２は、画素部１から出力された画素信号を差分処理部４１によって差分処理させる制御信号を出力する信号保持制御部２２１を備えている。
固体撮像装置１２０は、これらの構成によって、画素部１から出力される信号成分の信号からノイズ成分の信号を除去した差分信号を、それぞれの単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２に対応した複数の出力ライン５１１〜５１４に出力する。図７においては、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２の差分信号を出力端子ＶＯＵＴ１〜ＶＯＵＴ４に出力する構成を示している。
なお、図７に示した本第３の実施形態における固体撮像装置１２０は、図１に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における信号保持部４が、差分処理部４１に変更されている。また、この変更に伴って、図１に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における水平選択スイッチ部５が水平選択スイッチ部５１に、垂直走査回路２が垂直走査回路２２にそれぞれ変更されているのみである。従って、図７に示した本第３の実施形態における固体撮像装置１２０の構成要素において、図１に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００と同様の構成要素には、同一の符号を付加して説明を省略する。
差分処理部４１は、垂直走査回路２２に備えた信号保持制御部２２１から入力されサンプルラインφＳＨ１，φＳＨ２と、クランプラインφＣＬ１，φＣＬ２に応じて、画素部１の各列の垂直信号線Ｖ１および垂直信号線Ｖ２に出力された画素信号に含まれる信号成分とノイズ成分とに基づいた差分処理を行った差分信号を、画素部１の行毎にそれぞれ保持する。図７においては、２行分の差分信号を画素信号として保持する構成を示している。
差分処理部４１内には、サンプル用トランジスタＭ４１１，Ｍ４１３と、クランプ用トランジスタＭ４１２，Ｍ４１４と、クランプ用容量Ｃ４１１，Ｃ４１３と、ホールド用容量Ｃ４１２，Ｃ４１４とを備える差分処理回路ＣＤＳ１および差分処理回路ＣＤＳ２を、画素部１の列毎に備えている。
差分処理回路ＣＤＳ１は、画素部１の１列目の単位画素Ｐ１１および単位画素Ｐ２１から垂直信号線Ｖ１に出力された画素信号に含まれるノイズ成分と信号成分とに基づいた差分処理を行った差分信号を保持する。また、差分処理回路ＣＤＳ２は、画素部１の２列目の単位画素Ｐ１２および単位画素Ｐ２２から垂直信号線Ｖ２に出力された画素信号に含まれるノイズ成分と信号成分とに基づいた差分処理を行った差分信号を保持する。
クランプ用容量Ｃ４１１は、信号保持制御部２２１から入力されたサンプルラインφＳＨ１に応じて、画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１または単位画素Ｐ１２のリセットレベルに応じた電圧を保持する。ホールド用容量Ｃ４１２は、信号保持制御部２２１から入力されたクランプラインφＣＬ１に応じて、基準電圧ラインＲＥＦの電圧値ＶＲＥＦを保持する。また、ホールド用容量Ｃ４１２は、画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１または単位画素Ｐ１２の画素信号に含まれる信号成分とノイズ成分とに基づいた差分信号を保持する。クランプ用容量Ｃ４１３は、信号保持制御部２２１から入力されたサンプルラインφＳＨ２に応じて、画素部１の２行目の単位画素Ｐ２１または単位画素Ｐ２２のリセットレベルに応じた電圧を保持する。ホールド用容量Ｃ４１４は、信号保持制御部２２１から入力されたクランプラインφＣＬ２に応じて、基準電圧ラインＲＥＦの電圧値ＶＲＥＦを保持する。また、ホールド用容量Ｃ４１２は、画素部１の２行目の単位画素Ｐ２１または単位画素Ｐ２２の画素信号に含まれる信号成分とノイズ成分とに基づいた差分信号を保持する。
水平選択スイッチ部５１は、水平走査回路６から入力される水平信号読出しラインφＨ１、および水平走査回路７から入力される水平信号読出しラインφＨ２に応じて、差分処理部４１に保持された差分信号を、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２に対応したそれぞれの出力ライン５１１〜５１４を介して、出力端子ＶＯＵＴ１〜ＶＯＵＴ４に出力する。
水平選択スイッチ部５１内には、水平選択トランジスタＭ５１１〜Ｍ５１４を備えている。水平選択トランジスタＭ５１１は、水平走査回路６から入力される水平信号読出しラインφＨ１に応じて、差分処理回路ＣＤＳ１内のホールド用容量Ｃ４１２に保持されている単位画素Ｐ１１の差分信号を読み出し、出力ライン５１１を介して、出力端子ＶＯＵＴ１に出力する。水平選択トランジスタＭ５１２は、水平走査回路７から入力される水平信号読出しラインφＨ２に応じて、差分処理回路ＣＤＳ１内のホールド用容量Ｃ４１４に保持されている単位画素Ｐ２１の差分信号を読み出し、出力ライン５１２を介して、出力端子ＶＯＵＴ２に出力する。
同様に、水平選択トランジスタＭ５１３は、水平走査回路６から入力される水平信号読出しラインφＨ１に応じて、差分処理回路ＣＤＳ２内のホールド用容量Ｃ４１２に保持されている単位画素Ｐ１２の差分信号を読み出し、出力ライン５１３を介して、出力端子ＶＯＵＴ３に出力する。水平選択トランジスタＭ５１４は、水平走査回路７から入力される水平信号読出しラインφＨ２に応じて、差分処理回路ＣＤＳ２内のホールド用容量Ｃ４１４に保持されている単位画素Ｐ２２の差分信号を読み出し、出力ライン５１４を介して、出力端子ＶＯＵＴ４に出力する。
次に、本第３の実施形態の固体撮像装置の駆動タイミングについて説明する。図８は、本第３の実施形態の固体撮像装置１２０における駆動タイミングの概略を示したタイミングチャートである。ここでは、左から１列目の画素列（単位画素Ｐ１１およびＰ２１）の動作に注目し、２行分の画素信号の読み出しを行う駆動タイミングを説明する。なお、左から２列目の画素列（単位画素Ｐ１２およびＰ２２）の動作は、左から１列目の画素列の動作と並行して同時に行われる。固体撮像装置１２０の駆動タイミングは、図２に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００の駆動タイミングと同様に、垂直走査回路２２が画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１からの画素信号の読み出し動作と、２行目の単位画素Ｐ２１からの画素信号の読み出し動作とを時分割で行うように駆動する。
まず、タイミングｔ１において、垂直走査回路２２は、行リセットラインφＲＳＴ１を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ１１のリセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子がリセットされる。その後、タイミングｔ２において、垂直走査回路２２は、行リセットラインφＲＳＴ１を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ１１のリセットトランジスタＭ２をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子のリセット動作を終了する。
続いて、垂直走査回路２２は、行選択ラインφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ１１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを接続する。これにより、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３から、単位画素Ｐ１１のリセットレベルの画素信号が、垂直信号線Ｖ１に出力される。また、このとき、信号保持制御部２２１は、サンプルラインφＳＨ１を“Ｈ”レベル、クランプラインφＣＬ１を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４１１およびクランプ用トランジスタＭ４１２をＯＮ状態とする。これにより、クランプ用容量Ｃ４１１には、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３から出力されるリセットレベルの画素信号に応じた電圧が保持される。また、サンプル容量Ｃ４１２には、基準電圧ラインＲＥＦの電圧値ＶＲＥＦが保持される。
また、同時に、垂直走査回路２２は、行リセットラインφＲＳＴ２を“Ｈ”レベルとした、単位画素Ｐ２１のリセットトランジスタＭ２をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子がリセットされる。
続いて、タイミングｔ３において、信号保持制御部２２１は、サンプルラインφＳＨ１を“Ｌ”レベル、クランプラインφＣＬ１を“Ｌ”レベルに戻すことによって、サンプル用トランジスタＭ４１１およびクランプ用トランジスタＭ４１２をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３から出力されるリセットレベルの画素信号のクランプ動作を終了する。また、このとき、垂直走査回路２２は、行選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ１１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
また、垂直走査回路２２は、行リセットラインφＲＳＴ２を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ２１のリセットトランジスタＭ２をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３のゲート端子のリセット動作を終了する。
続いて、垂直走査回路２２は、行転送ラインφＴＲ１を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ１１の行転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷が増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送される。
また、同時に、垂直走査回路２２は、行選択ラインφＲＯＷ２を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ２１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを接続する。これにより、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３から、単位画素Ｐ２１のリセットレベルの画素信号が、垂直信号線Ｖ１に出力される。また、このとき、信号保持制御部２２１は、サンプルラインφＳＨ２を“Ｈ”レベル、クランプラインφＣＬ２を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４１３およびクランプ用トランジスタＭ４１４をＯＮ状態とする。これにより、クランプ用容量Ｃ４１３には、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３から出力されるリセットレベルの画素信号に応じた電圧が保持される。また、サンプル容量Ｃ４１４には、基準電圧ラインＲＥＦの電圧値ＶＲＥＦが保持される。
続いて、タイミングｔ４において、垂直走査回路２２は、行転送ラインφＴＲ１を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ１１の行転送トランジスタＭ１をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ１１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷の転送を終了する。また、このとき、信号保持制御部２２１は、サンプルラインφＳＨ２を“Ｌ”レベル、クランプラインφＣＬ２を“Ｌ”レベルに戻すことによって、サンプル用トランジスタＭ４１３およびクランプ用トランジスタＭ４１４をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３から出力されるリセットレベルの画素信号のクランプ動作を終了する。また、このとき、垂直走査回路２２は、行選択ラインφＲＯＷ２を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ２１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
続いて、垂直走査回路２２は、行選択ラインφＲＯＷ１を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ１１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを再び接続する。これにより、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３から、単位画素Ｐ１１の信号レベルの画素信号が、垂直信号線Ｖ１に出力される。また、このとき、信号保持制御部２２１は、サンプルラインφＳＨ１を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４１１をＯＮ状態とする。これにより、ホールド用容量Ｃ４１２には、画素単位で発生する固定パターンノイズとＫＴＣノイズが取り除かれた、下式（１）に示す差分信号の電圧ＶＣ４１２が保持される。
Figure 2011182320
上式（１）において、ＶＲＥＦは基準電圧ラインＲＥＦの電圧値、ＣＣ４１２はホールド用容量Ｃ４１２の容量値、ＣＣ４１１はクランプ用容量Ｃ４１１の容量値、ΔＶｓｉｇ（Ｐ１１）は垂直信号線Ｖ１における単位画素Ｐ１１の信号レベルとリセットレベルの差電圧を示す。
また、同時に、垂直走査回路２２は、行転送ラインφＴＲ２を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ２１の行転送トランジスタＭ１をＯＮ状態とする。これにより、単位画素Ｐ２１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷を増幅トランジスタＭ３のゲート端子に転送される。
続いて、タイミングｔ５において、信号保持制御部２２１は、サンプルラインφＳＨ１を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４１１をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３から出力される信号レベルの画素信号のサンプル動作を終了する。また、このとき、垂直走査回路２２は、行選択ラインφＲＯＷ１を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ１１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ１１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
また、垂直走査回路２２は、行転送ラインφＴＲ２を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ２１の行転送トランジスタＭ１をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ２１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷の転送を終了する。
続いて、垂直走査回路２２は、行選択ラインφＲＯＷ２を“Ｈ”レベルとして、単位画素Ｐ２１の行選択トランジスタＭ４をＯＮ状態とし、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１とを再び接続する。これにより、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３から、単位画素Ｐ２１の信号レベルの画素信号が、垂直信号線Ｖ１に出力される。また、このとき、信号保持制御部２２１は、サンプルラインφＳＨ２を“Ｈ”レベルとして、サンプル用トランジスタＭ４１３をＯＮ状態とする。これにより、ホールド用容量Ｃ４１４には、画素単位で発生する固定パターンノイズとＫＴＣノイズが取り除かれた、下式（２）に示す差分信号の電圧ＶＣ４１４が保持される。
Figure 2011182320
上式（２）において、ＶＲＥＦは基準電圧ラインＲＥＦの電圧値、ＣＣ４１４はホールド用容量Ｃ４１４の容量値、ＣＣ４１３はクランプ用容量Ｃ４１３の容量値、ΔＶｓｉｇ（Ｐ２１）は垂直信号線Ｖ１における単位画素Ｐ２１の信号レベルとリセットレベルの差電圧を示す。
続いて、タイミングｔ６において、信号保持制御部２２１は、サンプルラインφＳＨ２を“Ｌ”レベルに戻すことによってサンプル用トランジスタＭ４１３をＯＦＦ状態とし、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３から出力される信号レベルの画素信号のサンプル動作を終了する。また、このとき、垂直走査回路２２は、行選択ラインφＲＯＷ２を“Ｌ”レベルに戻して、単位画素Ｐ２１の行選択トランジスタＭ４をＯＦＦ状態とする。これにより、単位画素Ｐ２１の増幅トランジスタＭ３と垂直信号線Ｖ１との接続が切り離される。
上記に述べたように、本第３の実施形態における固体撮像装置１２０では、画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１からの画素信号の読み出し動作と、２行目の単位画素Ｐ２１からの画素信号の読み出し動作とを時分割で行う。これにより、画素部１から２行分の画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することができる。
より具体的には、本第３の実施形態における固体撮像装置１２０と同様の構成である従来の固体撮像装置において、画素部から２行分の単位画素の画素信号の読み出しに要する時間は、４サイクル×２行の合計８サイクルである。これに対して、本第３の実施形態における固体撮像装置１２０では、図８に示すように、５サイクル（タイミングｔ１〜タイミングｔ６）で、画素部１から２行分の単位画素の画素信号を読み出すことができる。
続いて、タイミングｔ７以降において、差分処理部４１に保持された差分信号を出力するために、以下の動作を行う。差分処理部４１から出力ライン５１１〜５１４への信号読出しは、水平走査回路６および水平走査回路７によって選択される水平選択スイッチ部５１を介して行われる。
まず、タイミングｔ７において、水平走査回路６は、水平信号読出しラインφＨ１を“Ｈ”レベルとして、水平選択トランジスタＭ５１１とＭ５１３とをＯＮ状態とする。これにより、差分処理回路ＣＤＳ１内のホールド用容量Ｃ４１２に保持されている単位画素Ｐ１１の差分信号が出力ライン５１１（出力端子ＶＯＵＴ１）に読み出される。また、差分処理回路ＣＤＳ２内のホールド用容量Ｃ４１２に保持されている単位画素Ｐ１２の差分信号が出力ライン５１３（出力端子ＶＯＵＴ３）に読み出される。
続いて、タイミングｔ８において、水平走査回路７は、水平信号読出しラインφＨ２を“Ｈ”レベルとして、水平選択トランジスタＭ５１２とＭ５１４とをＯＮ状態とする。これにより、差分処理回路ＣＤＳ１内のホールド用容量Ｃ４１４に保持されている単位画素Ｐ２１の差分信号が出力ライン５１２（出力端子ＶＯＵＴ２）に読み出される。また、差分処理回路ＣＤＳ２内のホールド用容量Ｃ４１４に保持されている単位画素Ｐ２２の差分信号が出力ライン５１４（出力端子ＶＯＵＴ４）に読み出される。
上記に述べたように、本第３の実施形態における固体撮像装置１２０では、画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１におけるリセットレベルの画素信号の読み出し動作と信号レベルの画素信号の読み出し動作との間に、画素部１の２行目の単位画素Ｐ２１のリセットレベルの画素信号の読み出し動作を並列に行う。これにより、画素部１から２行分の画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することができ、固体撮像装置１２０の画像信号の読み出しの更なる高速化を実現することができる。
また、本第３の実施形態における固体撮像装置１２０では、差分処理部４１によって、画素部１の行毎に画素信号の信号レベルとリセットレベルとの差分処理を行うことができる。これにより、画素単位で発生する固定パターンノイズとＫＴＣノイズを除去した差分信号を固体撮像装置１２０の画像信号として読み出すことができ、高品質な画像信号を得ることができる。
なお、固体撮像装置１２０では、２行分の画素信号の読み出し動作を並列に行う場合について説明したが、画素信号の読み出し動作を並列に行う行数が更に増えた場合においても、図８に示した駆動タイミングと同様に考えることにより、画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することができる。この画素信号の読み出し動作を並列に行う行数が更に増えた場合に関しては、図３および図４に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における対応と同様に考えることができるため、説明を省略する。
また、固体撮像装置１２０では、画素部１内に４つのトランジスタを含む単位画素を備えた場合について説明したが、本発明の固体撮像装置および駆動方法では、画素部内の単位画素の構成要素と駆動方法が変わった場合においても、対応することができる。なお、画素部内の単位画素の構成要素と駆動方法が変わった場合に関しては、図５および図６に示した第２の実施形態の固体撮像装置１１０と同様に考えることができるため、説明を省略する。
また、固体撮像装置１２０では、差分処理部４１を備えた場合について説明したが、本発明の固体撮像装置および駆動方法では、差分処理部４１以外の差分処理部を備えた固体撮像装置においても、対応することができる。
＜第４の実施形態＞
次に、本発明の実施形態において、異なる差分処理部を備えた固体撮像装置の場合について説明する。図９は、本第４の実施形態による固体撮像装置の概略構成を示したブロック図である。図９において、固体撮像装置１３０は、４つのトランジスタを含む単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２を行方向および列方向（図７においては、２行２列）に二次元的に配置した画素部１と、画素部１の読出し行を選択する垂直走査回路２２と、画素部１にバイアス電流を供給する電流供給部３と、画素部１の各列から出力された画素信号に基づいて、画素部１の行毎に画素信号の信号レベルとリセットレベルとの差分処理をそれぞれ行い、差分処理を行った差分信号を増幅する非反転増幅回路を含んだ差分処理部４２と、差分処理部４２から出力された差分信号を選択して出力する水平選択スイッチ部５１と、水平選択スイッチ部５１が選択して出力する固体撮像装置１３０の読出し列を選択する水平走査回路６および水平走査回路７と、から構成される。また、垂直走査回路２２は、画素部１から出力された画素信号を差分処理部４２によって差分処理させる制御信号を出力する信号保持制御部２２１を備えている。
固体撮像装置１３０は、これらの構成によって、画素部１から出力される信号成分の信号からノイズ成分の信号を除去した差分信号を増幅し、それぞれの単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２に対応した複数の出力ライン５１１〜５１４に出力する。図９においては、単位画素Ｐ１１〜Ｐ２２の増幅した差分信号を出力端子ＶＯＵＴ１〜ＶＯＵＴ４に出力する構成を示している。
なお、図９に示した本第４の実施形態における固体撮像装置１３０は、図７に示した第３の実施形態の固体撮像装置１２０における差分処理部４１が、差分処理部４２に変更されているのみである。従って、図９に示した本第４の実施形態における固体撮像装置１３０の構成要素において、図７に示した第３の実施形態の固体撮像装置１２０と同様の構成要素には、同一の符号を付加して説明を省略する。
差分処理部４２は、垂直走査回路２２に備えた信号保持制御部２２１から入力されサンプルラインφＳＨ１，φＳＨ２と、クランプラインφＣＬ１，φＣＬ２に応じて、画素部１の各列の垂直信号線Ｖ１および垂直信号線Ｖ２に出力された画素信号に含まれる信号成分とノイズ成分とに基づいた差分処理を行った差分信号を、非反転増幅回路によって増幅する。そして、増幅した差分信号を、画素部１の行毎にそれぞれ保持する。図９においては、２行分の増幅した差分信号を画素信号として保持する構成を示している。
差分処理部４２内には、サンプル用トランジスタＭ４１１，Ｍ４１３，Ｍ４２６，Ｍ４２８と、クランプ用トランジスタＭ４１２，Ｍ４１４と、クランプ用容量Ｃ４１１，Ｃ４１３と、ホールド用容量Ｃ４１２，Ｃ４１４と、反転入力容量Ｃ４２５，Ｃ４２７と、帰還容量Ｃ４２６，Ｃ４２８と、帰還容量短絡トランジスタＭ４２５，Ｍ４２７と、オペアンプＯＰ４２１，ＯＰ４２２とを備える差分処理回路ＣＤＳ２１および差分処理回路ＣＤＳ２２を、画素部１の列毎に備えている。
差分処理回路ＣＤＳ２１は、画素部１の１列目の単位画素Ｐ１１および単位画素Ｐ２１から垂直信号線Ｖ１に出力された画素信号に含まれるノイズ成分と信号成分とに基づいた差分処理を行った差分信号を、非反転増幅回路によって増幅して保持する。また、差分処理回路ＣＤＳ２２は、画素部１の２列目の単位画素Ｐ１２および単位画素Ｐ２２から垂直信号線Ｖ２に出力された画素信号に含まれるノイズ成分と信号成分とに基づいた差分処理を行った差分信号を、非反転増幅回路によって増幅して保持する。
クランプ用容量Ｃ４１１は、信号保持制御部２２１から入力されたサンプルラインφＳＨ１およびクランプラインφＣＬ１に応じて、画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１または単位画素Ｐ１２の画素信号と、基準電圧ラインＲＥＦの電圧値ＶＲＥＦとの差電圧を保持する。ホールド用容量Ｃ４１２は、信号保持制御部２２１から入力されたサンプルラインφＳＨ１に応じて、オペアンプＯＰ４２１によって増幅された画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１または単位画素Ｐ１２の差分信号を保持する。クランプ用容量Ｃ４１３は、信号保持制御部２２１から入力されたサンプルラインφＳＨ２およびクランプラインφＣＬ２に応じて、画素部１の２行目の単位画素Ｐ２１または単位画素Ｐ２２の画素信号と、基準電圧ラインＲＥＦの電圧値ＶＲＥＦとの差電圧を保持する。ホールド用容量Ｃ４１４は、信号保持制御部２２１から入力されたサンプルラインφＳＨ２に応じて、オペアンプＯＰ４２２によって増幅された画素部１の２行目の単位画素Ｐ２１または単位画素Ｐ２２の差分信号を保持する。
反転入力容量Ｃ４２５と帰還容量Ｃ４２６とオペアンプＯＰ４２１とは、信号保持制御部２２１から入力されたクランプラインφＣＬ１に応じて、画素部１の１行目の単位画素Ｐ１１または単位画素Ｐ１２の差分信号を増幅する非反転増幅回路を構成する。反転入力容量Ｃ４２７と帰還容量Ｃ４２８とオペアンプＯＰ４２２とは、信号保持制御部２２１から入力されたクランプラインφＣＬ２に応じて、画素部１の２行目の単位画素Ｐ２１または単位画素Ｐ２２の差分信号を増幅する非反転増幅回路を構成する。この非反転増幅回路の増幅率（ゲイン）Ｇは、下式（３）で示される。
Figure 2011182320
上式（３）において、ＣＩＮは反転入力容量Ｃ４２５とＣ４２７とを同じ容量としたときの容量値、ＣＦは帰還容量Ｃ４２６とＣ４２８とを同じ容量としたときの容量値を示す。
本第４の実施形態の固体撮像装置１３０における駆動タイミングは、図８に示した第３の実施形態の固体撮像装置１２０の駆動タイミングと同様であるため、説明を省略する。
ただし、図８に示した第３の実施形態の固体撮像装置１２０の駆動タイミングにおいて、タイミングｔ４およびタイミングｔ５のときに、ホールド用容量Ｃ４１２およびホールド用容量Ｃ４１４に保持される、画素単位で発生する固定パターンノイズとＫＴＣノイズが取り除かれた、すなわち、ノイズ抑圧後の電圧は、下式（４）および下式（５）で示される。
Figure 2011182320
Figure 2011182320
上式（４）および上式（５）において、ＶＲＥＦは基準電圧ラインＲＥＦの電圧値、ＣＩＮは反転入力容量Ｃ４２５とＣ４２７とを同じ容量としたときの容量値、ＣＦは帰還容量Ｃ４２６とＣ４２８とを同じ容量としたときの容量値、ΔＶｓｉｇ（Ｐ１１）は垂直信号線Ｖ１における単位画素Ｐ１１の信号レベルとリセットレベルの差電圧、ΔＶｓｉｇ（Ｐ２１）は垂直信号線Ｖ１における単位画素Ｐ２１の信号レベルとリセットレベルの差電圧を示す。
上記に述べたように、本第４の実施形態における固体撮像装置１３０では、第３の実施形態における固体撮像装置１２０と同様に、画素部１の画素信号の読み出し動作を並列に行うことによって、画素部１の読み出しにかかる時間を短縮し、固体撮像装置１２０の画像信号の読み出しの更なる高速化を実現することができる。また、差分処理部４２によって、画素部１の行毎に画素信号の差分処理を行うことによって、画素単位で発生する固定パターンノイズとＫＴＣノイズを除去した差分信号を画像信号として読み出すことができる。
また、本第４の実施形態における固体撮像装置１３０では、差分処理部４２によって、差分信号を増幅することができる。これにより、画素部１から出力される画素信号の振幅（例えば、式（４）における差電圧：ΔＶｓｉｇ（Ｐ１１））よりも大きい振幅の画像信号を出力することができる。より具体的には、第３の実施形態における固体撮像装置１２０では、式（１）および式（２）に示したように、画素部１から出力される画素信号の振幅に、例えば、式（１）の係数＝（ＣＣ４１２／（ＣＣ４１１＋ＣＣ４１２））がかかるため、画素部１から出力される画素信号の振幅よりも小さい振幅の画像信号が出力されていた。本第４の実施形態における固体撮像装置１３０では、式（３）に示したゲインによって増幅することができるため、画素部１から出力される画素信号の振幅よりも大きい振幅の画像信号を出力することができる。これにより、差分処理部４２以降で発生するノイズの影響を抑えることができ、固体撮像装置１３０の画像信号のＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）を改善することができる。
なお、差分処理部４２に含まれる増幅回路の形式は、各種の変形が可能である。例えば、反転入力抵抗と帰還抵抗とでゲインを決める回路形式でも良い。また、非反転増幅回路に限定されるものではなく、反転増幅回路を使用することもできる。
なお、固体撮像装置１３０では、２行分の画素信号の読み出し動作を並列に行う場合について説明したが、画素信号の読み出し動作を並列に行う行数が更に増えた場合においても、図８に示した駆動タイミングと同様に考えることにより、画素信号の読み出しにかかる時間を短縮することができる。この画素信号の読み出し動作を並列に行う行数が更に増えた場合に関しては、図３および図４に示した第１の実施形態の固体撮像装置１００における対応と同様に考えることができるため、説明を省略する。
また、固体撮像装置１３０では、画素部１内に４つのトランジスタを含む単位画素を備えた場合について説明したが、本発明の固体撮像装置および駆動方法では、画素部内の単位画素の構成要素と駆動方法が変わった場合においても、対応することができる。なお、画素部内の単位画素の構成要素と駆動方法が変わった場合に関しては、図５および図６に示した第２の実施形態の固体撮像装置１１０と同様に考えることができるため、説明を省略する。
上記に述べたとおり、本発明を実施するための形態によれば、画素部内の１つの行の単位画素の読み出し動作と画素部内の次の行の単位画素の読み出し動作とを時分割で行うことができる。そして、画素部内の１つの行の単位画素におけるリセットレベルまたは信号レベルの画素信号の読み出し動作と、信号レベルまたはリセットレベルの画素信号の読み出し動作との間に、他の行の単位画素のリセットレベルまたは信号レベルの画素信号の読み出し動作を並列に行うことができる。これにより、画素部から複数行分の画素信号を読み出す際の読み出しにかかる時間を短縮することができ、固体撮像装置の画像信号の読み出しの更なる高速化を実現することができる。
なお、本発明における回路構成および駆動方法の具体的な構成は、本発明を実施するための形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更をすることができる。例えば、ｎ行とｎ＋２行などの隣り合わない行の読出し動作にも対応することもできる。また、加えて、単位画素の構成要素および駆動方法が変わった場合においても、垂直走査回路、信号保持制御部、信号保持部、および差分処理部の回路構成や駆動方法を変更することによって対応することができる。
また、本実施形態においては、単位画素の行方向および列方向の配置に関して、例えば、２行２列の例を示したが、単位画素の行方向および列方向の配置は、本発明を実施するための形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において単位画素を配置する行方向および列方向の数を変更することができる。
以上、本発明の実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においての種々の変更も含まれる。
１００，１２０，１３０，５００・・・固体撮像装置
１，１０・・・画素部（画素部）
Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ０１１，Ｐ０１２，Ｐ０２１，Ｐ０２２・・・単位画素（光電変換部）
ＰＤ１・・・フォトダイオード
Ｍ１・・・転送トランジスタ
Ｍ２・・・リセットトランジスタ
Ｍ３・・・増幅トランジスタ（増幅部）
Ｍ４・・・行選択トランジスタ
２，２０，２１，２２・・・垂直走査回路（垂直走査部）
２０１，２１１，２２１・・・信号保持制御部（信号保持制御部）
３・・・電流供給部
４・・・信号保持部（信号保持部）
ＳＨ１，ＳＨ２・・・サンプルホールド回路（信号保持部）
Ｍ４０１，Ｍ４０２，Ｍ４０３，Ｍ４０４・・・サンプル用トランジスタ
Ｃ４０１，Ｃ４０３・・・リセットレベル保持容量
Ｃ４０２，Ｃ４０４・・・信号レベル保持容量
４１，４２・・・差分処理部（信号保持部）
ＣＤＳ１，ＣＤＳ２，ＣＤＳ２１，ＣＤＳ２２・・・差分処理回路（第１の差分処理部，第２の差分処理部）
Ｍ４１１，Ｍ４１３，Ｍ４２６，Ｍ４２８・・・サンプル用トランジスタ
Ｍ４１２，Ｍ４１４・・・クランプ用トランジスタ
Ｃ４１１，Ｃ４１３・・・クランプ用容量
Ｃ４１２，Ｃ４１４・・・ホールド用容量
Ｃ４２５，Ｃ４２７・・・反転入力容量
Ｃ４２６，Ｃ４２８・・・帰還容量
Ｍ４２５，Ｍ４２７・・・帰還容量短絡トランジスタ
ＯＰ４２１，ＯＰ４２２・・・オペアンプ
５，５１・・・水平選択スイッチ部（水平走査部）
Ｍ５０１，Ｍ５０２，Ｍ５０３，Ｍ５０４，Ｍ５０５，Ｍ５０６，Ｍ５０７，Ｍ５０８，Ｍ５１１，Ｍ５１２，Ｍ５１３，Ｍ５１４・・・水平選択トランジスタ
６，７・・・水平走査回路（水平走査部）

Claims (4)

  1. 入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換部と、前記信号電荷を増幅した画素信号を出力する増幅部と、を含んだ画素を二次元の行列方向に複数配置した画素部と、
    前記画素を行毎に選択して前記画素部から画素信号を読み出す垂直走査部と、
    前記垂直走査部が読み出した画素信号を、前記画素の行毎に保持する信号保持部と、
    前記信号保持部が保持している前記画素信号を、前記画素の行毎に複数の信号線から出力させる水平走査部と、
    を備え、
    前記垂直走査部は、
    前記画素部内の複数の行の画素を組とし、該組とした画素の第１の行の第１の画素信号の読み出しと第２の画素信号の読み出しとの間に、該組とした画素の第２の行の第１の画素信号の読み出しを行い、
    さらに、
    前記信号保持部に、前記垂直走査部が読み出した、前記第１の行の第１の画素信号、前記第２の行の第１の画素信号、前記第１の行の第２の画素信号、前記第２の行の第２の画素信号を順次保持させる信号保持制御部、
    を備えることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記信号保持部は、さらに、
    前記垂直走査部が読み出した、前記第１の行の第１の画素信号と前記第１の行の第２の画素信号との差分処理を行った第１の差分信号を保持する第１の差分処理部と、
    前記垂直走査部が読み出した、前記第２の行の第１の画素信号と前記第２の行の第２の画素信号との差分処理を行った第２の差分信号を保持する第２の差分処理部と、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記信号保持部は、さらに、
    前記垂直走査部が読み出した、前記第１の行の第１の画素信号と前記第１の行の第２の画素信号との差分処理を行った差分信号を増幅して保持する第１の差分処理部と、
    前記垂直走査部が読み出した、前記第２の行の第１の画素信号と前記第２の行の第２の画素信号との差分処理を行った差分信号を増幅して保持する第２の差分処理部と、
    ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  4. 入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換部と、前記信号電荷を増幅した画素信号を出力する増幅部と、を含んだ画素を二次元の行列方向に複数配置した画素部と、
    前記画素を行毎に選択して前記画素部から画素信号を読み出す垂直走査部と、
    前記垂直走査部が読み出した画素信号を、前記画素の行毎に保持する信号保持部と、
    前記信号保持部が保持している前記画素信号を、前記画素の行毎に複数の信号線から出力させる水平走査部と、
    を備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記垂直走査部は、
    前記画素部内の複数の行の画素を組とし、該組とした画素の第１の行の第１の画素信号の読み出しと第２の画素信号の読み出しとの間に、該組とした画素の第２の行の第１の画素信号の読み出しを行い、
    さらに、
    信号保持制御部が、前記信号保持部に、前記垂直走査部が読み出した、前記第１の行の第１の画素信号、前記第２の行の第１の画素信号、前記第１の行の第２の画素信号、前記第２の行の第２の画素信号を順次保持させる信号保持制御手順、
    を含むことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
JP2010046776A 2010-03-03 2010-03-03 固体撮像装置および駆動方法 Expired - Fee Related JP5468939B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010046776A JP5468939B2 (ja) 2010-03-03 2010-03-03 固体撮像装置および駆動方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010046776A JP5468939B2 (ja) 2010-03-03 2010-03-03 固体撮像装置および駆動方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011182320A true JP2011182320A (ja) 2011-09-15
JP5468939B2 JP5468939B2 (ja) 2014-04-09

Family

ID=44693336

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010046776A Expired - Fee Related JP5468939B2 (ja) 2010-03-03 2010-03-03 固体撮像装置および駆動方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5468939B2 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016502365A (ja) * 2012-12-21 2016-01-21 トリクセル 撮像装置の読み取り方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0433482A (ja) * 1990-05-30 1992-02-04 Sony Corp 固体撮像素子
JP2001016502A (ja) * 1999-06-30 2001-01-19 Toshiba Corp 固体撮像装置
JP2005269471A (ja) * 2004-03-22 2005-09-29 Sony Corp 固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法
JP2005277709A (ja) * 2004-03-24 2005-10-06 Renesas Technology Corp 固体撮像装置
JP2005348324A (ja) * 2004-06-07 2005-12-15 Canon Inc 撮像装置及び撮像システム
JP2006148284A (ja) * 2004-11-17 2006-06-08 Sony Corp 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法
JP2008028517A (ja) * 2006-07-19 2008-02-07 Olympus Corp 固体撮像装置
JP2008172434A (ja) * 2007-01-10 2008-07-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 固体撮像装置、その駆動方法及びカメラシステム
JP2009290613A (ja) * 2008-05-29 2009-12-10 Sharp Corp 固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子情報機器
WO2010119702A1 (ja) * 2009-04-16 2010-10-21 パナソニック株式会社 固体撮像素子および駆動方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0433482A (ja) * 1990-05-30 1992-02-04 Sony Corp 固体撮像素子
JP2001016502A (ja) * 1999-06-30 2001-01-19 Toshiba Corp 固体撮像装置
JP2005269471A (ja) * 2004-03-22 2005-09-29 Sony Corp 固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法
JP2005277709A (ja) * 2004-03-24 2005-10-06 Renesas Technology Corp 固体撮像装置
JP2005348324A (ja) * 2004-06-07 2005-12-15 Canon Inc 撮像装置及び撮像システム
JP2006148284A (ja) * 2004-11-17 2006-06-08 Sony Corp 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法
JP2008028517A (ja) * 2006-07-19 2008-02-07 Olympus Corp 固体撮像装置
JP2008172434A (ja) * 2007-01-10 2008-07-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 固体撮像装置、その駆動方法及びカメラシステム
JP2009290613A (ja) * 2008-05-29 2009-12-10 Sharp Corp 固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子情報機器
WO2010119702A1 (ja) * 2009-04-16 2010-10-21 パナソニック株式会社 固体撮像素子および駆動方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016502365A (ja) * 2012-12-21 2016-01-21 トリクセル 撮像装置の読み取り方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP5468939B2 (ja) 2014-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4500862B2 (ja) 固体撮像装置の駆動方法
JP6103934B2 (ja) 光電変換装置、撮像システム、および光電変換装置の駆動方法
US10419702B2 (en) Imaging apparatus, imaging system, and method of driving an imaging system
US9787927B2 (en) Solid-state imaging apparatus
JP2011004390A (ja) 撮像装置、撮像システム、及び撮像装置の駆動方法
JP4440315B2 (ja) 固体撮像装置
CN110231693B (zh) 图像传感器
JP4366501B2 (ja) ディジタルノイズキャンセル機能をもつイメージセンサ
JP2007300521A (ja) 固体撮像装置
JP2015128253A (ja) 固体撮像装置およびその駆動方法
JP2008259179A (ja) 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法
JP6192390B2 (ja) 光電変換装置、光電変換システム
JP6539157B2 (ja) 固体撮像装置および撮像システム
JP5495551B2 (ja) 固体撮像装置
JP4693863B2 (ja) 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法
JP2010109564A (ja) 固体撮像装置、および、固体撮像方法
JPH10173997A (ja) 増幅型固体撮像装置
JP2003051989A (ja) 光電変換装置、固体撮像装置及びシステム
US8045027B2 (en) Solid-state imaging apparatus
JP5468939B2 (ja) 固体撮像装置および駆動方法
JP4478798B2 (ja) オフセット低減機能をもつ巡回型ａ／ｄ変換器、およびオフセット電圧を低減する方法
JP4503481B2 (ja) 固体撮像装置
US20100188542A1 (en) Imaging device and image sensor chip
JP2011259301A (ja) 光電変換装置
JP2012257172A (ja) 撮像装置及び撮像素子

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130111

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130709

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130716

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130912

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20130912

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140114

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140130

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5468939

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees