JP4098884B2

JP4098884B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP4098884B2
Application number: JP19304798A
Authority: JP
Inventors: 誠一郎水野; 博雄山川
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2018-07-08
Also published as: AU4649699A; DE69937754T2; EP1154483B1; EP1154483A4; WO2000002434A1; DE69937754D1; JP2000032342A; US6977682B2; EP1154483A1; US20010008422A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元光像を撮像することができるＭＯＳ型の固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用ビデオ等の様々な分野で使用されている固体撮像装置は、高感度で低ノイズ等の優れた特性を有する電荷結合素子（ＣＣＤ）方式のものが主流である。しかし、特定の分野では、受光により発生する電荷の転送効率が優れたＭＯＳ型の固体撮像装置が使用されている。
【０００３】
ＭＯＳ型の固体撮像装置のうち２次元光像を撮像することができるものは、半導体チップ上に２次元配列された多数の受光素子に対してディスクリートの増幅器およびＡ／Ｄ変換器を設け、各受光素子から出力された電流信号を増幅器により増幅して電圧信号とし、この電圧信号をＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換して出力する方式が従来から採用されてきた。しかし、近年、ＭＯＳ型であることの長所を活かしつつ装置小型化を目指して、増幅器およびＡ／Ｄ変換器を受光素子アレイと同一のチップ上に搭載するとともに回路構成方式を変更する試みが提案されている。
【０００４】
例えば、特開平９−５１４７６号公報に開示された固体撮像装置は、受光素子アレイの各列毎に対応して積分回路等を受光素子アレイと同一のチップ上に搭載し、その積分回路等により、受光素子から出力された電流信号を増幅するとともにＡ／Ｄ変換するものである。そして、このように構成することにより、チップ上に搭載される回路規模の増加、チップ面積の増加およびチップの消費電力の増加それぞれの抑制を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、積分回路等による電流信号から電圧信号への積分への変換に際して発生するノイズに対し、これを除去するための信号処理を行っていないことから、増幅の際のＳ／Ｎ比が良くないという問題点がある。また、積分回路の要素回路である増幅器が有するオフセットばらつきに対して対策を施していないことから、Ａ／Ｄ変換の結果に若干のオフセット誤差が生じる可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、Ｓ／Ｎ比が優れ、増幅器がオフセットばらつきを有する場合であってもオフセット誤差を生じることなく、回路規模が小さい固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像装置は、(1) 入力した光信号を電流信号に変換する光電変換素子と該電流信号を出力端子に出力するスイッチ素子とを含む受光素子と、(2) 受光素子の出力端子と接続される入力端子を有する電荷増幅器と、電荷増幅器の入力端子と出力端子との間に設けられた容量素子と、電荷増幅器の入力端子と出力端子との間に設けられたリセット用スイッチ素子とを有し、受光素子の出力端子から出力された電流信号を入力して電荷を容量素子に蓄積し当該電荷蓄積量に応じた電圧信号を出力端子に出力する積分回路と、 (3) 積分回路の出力端子からから出力された電圧信号を入力する容量素子と、容量素子から出力される電圧信号を入力端子に入力する増幅器と、増幅器の入力端子と出力端子との間に設けられ容量値が可変である可変容量部と、増幅器の入力端子と出力端子との間に設けられたリセット用スイッチ素子とを有し、容量素子に入力した電圧信号の変動に応じた値の積分信号を増幅器の出力端子から出力する可変容量積分回路と、(4) 可変容量積分回路から出力された積分信号を入力し、この積分信号の値と基準値とを大小比較して比較結果信号を出力する比較回路と、(5) 比較回路から出力された比較結果信号を入力し、この比較結果信号に基づいて可変容量部の容量値を制御するとともに、この比較結果信号に基づいて積分信号の値と基準値とが所定の分解能で一致していると判断した場合に可変容量部の容量値に応じた第１のデジタル信号を出力する容量制御部と、(6) 受光素子のスイッチ素子が開いていて積分回路および可変容量積分回路それぞれのリセット用スイッチ素子が閉じた状態から、積分回路のリセット用スイッチ素子を開いた後に、可変容量積分回路のリセット用スイッチ素子を開き、更にその後に受光素子のスイッチ素子を閉じるタイミング制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
この固体撮像装置によれば、先ず初期状態として、受光素子のスイッチ素子は開いており、積分回路はリセット状態とされている。また、可変容量積分回路は、リセット用スイッチ素子が閉じてリセットされ、可変容量部の容量値が初期設定される。その後、積分回路は積分可能状態とされ、その後の一定時間経過後に可変容量積分回路のリセット用スイッチ素子が開く。そして、受光素子のスイッチ素子が閉じると、光電変換素子の受光量に応じた電流信号が積分回路に入力して積分され、積分回路から電圧信号が出力される。積分回路から出力された電圧信号は可変容量積分回路の容量素子に入力し、容量素子に入力した電圧信号の変動分が増幅器に入力し、その電圧信号の変動分と可変容量部の容量値とに応じた電荷が可変容量部に流入する。これにより、可変容量積分回路からは、容量素子に入力した電圧信号の変動分に応じた値の積分信号が出力される。
【０００９】
可変容量積分回路から出力された積分信号は比較回路に入力し、この積分信号の値と基準値とが比較回路により大小比較され、その比較結果である比較結果信号が比較回路から出力される。比較回路から出力された比較結果信号は容量制御部に入力し、容量制御部により、この比較結果信号に基づいて可変容量部の容量値が制御される。すなわち、可変容量積分回路、比較回路および容量制御部からなるフィードバックループにより、積分信号の値と基準値とが所定の分解能で一致していると容量制御部により判断されるまで、可変容量部の容量値の設定および積分信号の値と基準値との大小比較が繰り返される。そして、積分信号の値と基準値とが所定の分解能で一致していると容量制御部により判断された場合に、可変容量部の容量値に応じた第１のデジタル信号が容量制御部から出力される。すなわち、可変容量積分回路、比較回路および容量制御部を含む信号処理部は、オフセット誤差を除去するＣＤＳ（相関二重サンプリング、Correlated Double Sampling）機能、および、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換機能を有する。
【００１０】
また、本発明に係る固体撮像装置は、容量制御部から出力された第１のデジタル信号を入力し、この第１のデジタル信号の値から可変容量積分回路のオフセット値を除去した値を示す第２のデジタル信号を出力する読み出し部を更に備えることを特徴とする。この場合には、容量制御部から出力された第１のデジタル信号は、読み出し部により、対応する第２のデジタル信号に変換されて出力される。
【００１１】
また、本発明に係る固体撮像装置は、(1) 受光素子が第１の方向に配列されるとともに各々のスイッチ素子の出力端子が互いに接続され共通の信号出力端子とされて垂直受光部とされ、垂直受光部が第２の方向にＭ１個配列されており、(2) 積分回路がＭ２個（ただし、Ｍ２≦Ｍ１）設けられ、(3) 可変容量積分回路、比較回路および容量制御部を１組とする信号処理部がＭ３組（ただし、Ｍ３≦Ｍ２，Ｍ３＜Ｍ１）設けられ、(4) Ｍ１個の垂直受光部、Ｍ２個の積分回路およびＭ３組の信号処理部を選択的に接続する選択的接続手段を更に備える、ことを特徴とする。この場合には、Ｍ１個の垂直受光部、Ｍ２個の積分回路およびＭ３組の信号処理部それぞれの何れかが、選択的接続手段により選択されて接続され、上記と同様に作用する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
（第１の実施形態）
先ず、本発明に係る固体撮像装置の第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の回路構成図である。なお、この図は、２次元配列された受光素子アレイの各列について、または、１次元配列された受光素子アレイについて、その構成を示すものである。以下では、２次元配列された受光素子アレイの各列についての構成を説明するものとし、受光素子アレイの各列を垂直受光部１１とする。
【００１４】
垂直受光部１１は、受光素子１２_i （ｉ＝１〜Ｌ）が配列されてなる。受光素子１２_i （ｉ＝１〜Ｌ）それぞれは、光電変換素子１３およびスイッチ素子１４からなる。受光素子１２_i （ｉ＝１〜Ｌ）それぞれの光電変換素子１３は、例えば、アノード端子が接地されたフォトダイオードであり、受光した光信号に応じて電流信号を出力する。受光素子１２_i （ｉ＝１〜Ｌ）それぞれのスイッチ素子１４は、垂直走査信号に基づいて開閉し、光電変換素子１３のカソード端子から出力される電流信号を入力し、互いに接続された共通の信号出力端子に出力する。受光素子１２_i （ｉ＝１〜Ｌ）それぞれのスイッチ素子１４は、２以上のものが同時に開くことはない。
【００１５】
スイッチ素子２０は、垂直受光部１１の共通の信号出力端子から出力された電流信号を入力端子に入力し、閉じているときには、その電流信号を出力端子に出力する。
【００１６】
積分回路３０は、スイッチ素子２０の出力端子から出力された電流信号を入力し、その電流信号を積分して電圧信号を出力端子に出力する。積分回路３０は、電荷増幅器３１、容量素子３２およびリセット用のスイッチ素子３３を備える。電荷増幅器３１は、＋入力端子が接地され、−入力端子に電流信号を入力する。容量素子３２は、電荷増幅器３１の−入力端子と出力端子との間に設けられ、入力した電流信号すなわち電荷を蓄える。スイッチ素子３３は、電荷増幅器３１の−入力端子と出力端子との間に設けられ、開いているときには容量素子３２に電荷の蓄積を行わせ、閉じているときには容量素子３２における電荷蓄積をリセットする。
【００１７】
スイッチ素子４０は、積分回路３０の出力端子から出力された電圧信号を入力端子に入力し、閉じているときには、その電圧信号を出力端子に出力する。
【００１８】
可変容量積分回路５０は、スイッチ素子４０の出力端子から出力された電圧信号を入力する。可変容量積分回路５０は、容量素子５１、増幅器５２、可変容量部５３およびリセット用のスイッチ素子５４を備える。容量素子５１は、スイッチ素子４０の出力端子と増幅器５２の−入力端子との間に設けられている。増幅器５２は、＋入力端子が接地され、−入力端子に容量素子５１からの電圧信号を入力する。可変容量部５３は、容量が可変であって制御可能であり、増幅器５２の−入力端子と出力端子との間に設けられ、入力した電圧信号に応じて電荷を蓄える。スイッチ素子５４は、増幅器５２の−入力端子と出力端子との間に設けられ、開いているときには可変容量部５３に電荷の蓄積を行わせ、閉じているときには可変容量部５３における電荷蓄積をリセットする。そして、可変容量積分回路５０は、スイッチ素子４０の出力端子から出力された電圧信号を入力し、可変容量部５０の容量に応じて積分し、積分した結果である積分信号を出力する。
【００１９】
比較回路６０は、可変容量積分回路５０から出力された積分信号を−入力端子に入力し、＋入力端子が基準電位Ｖ_ref に設定されており、積分信号の値と基準電位Ｖ_ref とを大小比較して、その大小比較の結果である比較結果信号を出力する。
【００２０】
容量制御部７０は、比較回路６０から出力された比較結果信号を入力し、この比較結果信号に基づいて可変容量部５３の容量を制御する容量指示信号Ｃを出力するとともに、この比較結果信号に基づいて積分信号の値と基準電位Ｖ_ref とが所定の分解能で一致していると判断した場合に可変容量部５３の容量に応じた第１のデジタル信号を出力する。
【００２１】
読み出し部８０は、容量制御部７０から出力された第１のデジタル信号を入力し、この第１のデジタル信号に対応する第２のデジタル信号を出力する。第２のデジタル信号は、第１のデジタル信号の値から可変容量積分回路５０のオフセット値を除去した値を示すものである。読み出し部８０は、例えば記憶素子であり、第１のデジタル信号をアドレスとして入力し、記憶素子のそのアドレスに記憶されているデータを第２のデジタル信号として出力する。この第２のデジタル信号は、本実施形態に係る固体撮像装置から出力される光検出信号となる。
【００２２】
可変容量積分回路５０、比較回路６０、容量制御部７０および読み出し部８０を１組として信号処理部１００が構成される。信号処理部１００は、オフセット誤差を除去するＣＤＳ機能、および、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換機能を有する。
【００２３】
また、タイミング制御部（図示せず）が更に備えられている。タイミング制御部は、受光素子１２_i （ｉ＝１〜Ｌ）それぞれのスイッチ素子１４、スイッチ素子２０、積分回路３０のリセット用のスイッチ素子３３、スイッチ素子４０、および、可変容量積分回路５０のリセット用のスイッチ素子５４それぞれを所定のタイミングで開閉制御し、また、容量制御部７０の動作を制御する。
【００２４】
図２は、可変容量積分回路５０の回路構成図である。この図２では、１／２⁴＝１／１６の分解能を有するＡ／Ｄ変換機能を備える回路構成を示し、以下、この回路構成で説明する。
【００２５】
図２に示すように、可変容量部５３は、容量素子Ｃ１〜Ｃ４、スイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４およびスイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４を備える。容量素子Ｃ１およびスイッチ素子ＳＷ１１は、互いに縦続接続されて、増幅器５２の−入力端子と出力端子との間に設けられている。スイッチ素子ＳＷ２１は、容量素子Ｃ１およびスイッチ素子ＳＷ１１の接続点と接地電位との間に設けられている。容量素子Ｃ２およびスイッチ素子ＳＷ１２は、互いに縦続接続されて、増幅器５２の−入力端子と出力端子との間に設けられている。スイッチ素子ＳＷ２２は、容量素子Ｃ２およびスイッチ素子ＳＷ１２の接続点と接地電位との間に設けられている。容量素子Ｃ３およびスイッチ素子ＳＷ１３は、互いに縦続接続されて、増幅器５２の−入力端子と出力端子との間に設けられている。スイッチ素子ＳＷ２３は、容量素子Ｃ３およびスイッチ素子ＳＷ１３の接続点と接地電位との間に設けられている。また、容量素子Ｃ４およびスイッチ素子ＳＷ１４は、互いに縦続接続されて、増幅器５２の−入力端子と出力端子との間に設けられている。スイッチ素子ＳＷ２４は、容量素子Ｃ４およびスイッチ素子ＳＷ１４の接続点と接地電位との間に設けられている。
【００２６】
スイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４それぞれは、容量制御部７０から出力された容量指示信号ＣのＣ₁₁〜Ｃ₁₄の値に応じて開閉する。スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４それぞれは、容量制御部７０から出力された容量指示信号ＣのＣ₂₁〜Ｃ₂₄の値に応じて開閉する。容量素子Ｃ１〜Ｃ４の容量値Ｃ₁〜Ｃ₄は、
Ｃ₁＝２Ｃ₂＝４Ｃ₃＝８Ｃ₄
Ｃ₁＋Ｃ₂＋Ｃ₃＋Ｃ₄＝Ｃ₀
なる関係を満たす。
【００２７】
本実施形態に係る固体撮像装置は以下のように動作する。図３は、本実施形態に係る固体撮像装置の動作説明図である。なお、以下では、スイッチ素子２０およびスイッチ素子４０それぞれは常に閉じているものとする。
【００２８】
本実施形態に係る固体撮像装置では、まず、受光素子１２_i （ｉ＝１〜Ｌ）それぞれのスイッチ素子１４を開く。積分回路３０のスイッチ素子３３を閉じることにより、積分回路３０をリセット状態とする。可変容量積分回路５０のスイッチ素子５４を閉じることにより可変容量積分回路５０をリセット状態とする。また、可変容量積分回路５０のスイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４それぞれを閉じ、スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４それぞれを開くことにより、可変容量部５３の容量値をＣ₀に設定する。そして、この状態で、積分回路３０のスイッチ素子３３を開くことにより、積分回路３０での積分動作を可能にする。この時点で、スイッチ素子３３の寄生容量の作用により、積分回路３０にはスイッチングノイズとなるオフセット電圧が発生する。
【００２９】
スイッチ素子３３を開いた時刻から僅かな時間ΔＴｄだけ遅れて、スイッチ素子５４を開く。これにより、積分回路５０の出力端子には、積分回路３０のオフセットレベルが除去された形で、この後に発生する光電荷分に応じただけの電圧レベルが相対的に変化する。すなわち、いわゆるＣＤＳ（相関二重サンプリング、Correlated Double Sampling）作用が生じる。
【００３０】
次に、垂直受光部１１における第１番目の受光素子１２₁のスイッチ素子１４のみを閉じる。これにより、それまでの受光によって受光素子１２₁の光電変換素子１３に蓄積された電荷は、電流信号となって垂直受光部１１の共通の信号出力端子から出力され、スイッチ素子２０を介して積分回路３０に入力し、積分回路３０により積分され電圧信号として出力される。
【００３１】
積分回路３０から出力された電圧信号は、スイッチ素子４０を介して可変容量積分回路５０に入力する。可変容量積分回路５０の容量素子５１に入力する電圧信号は、積分回路３０での光電荷量に応じた出力電圧変化分だけ変動し、その電圧変動分と可変容量部５３の容量値Ｃ₀とに応じた電荷Ｑが可変容量部５３に流入する（図３（ａ）参照）。
【００３２】
引き続き、容量制御部７０は、可変容量部５３のスイッチ素子ＳＷ１２〜ＳＷ１４を開いた後、スイッチ素子ＳＷ２２〜ＳＷ２４を閉じる（図３（ｂ）参照）。この結果、可変容量部５３の容量値はＣ₁となり、可変容量積分回路５０から出力される積分信号の値Ｖ_sbは、
Ｖ_sb＝Ｑ／Ｃ₁
となる。この積分信号は、比較回路６０に入力し、その値が基準電位Ｖ_REFと大小比較される。
【００３３】
もし、Ｖ_sb＞Ｖ_REFであれば、この比較結果を受けて容量制御部７０は、更に、可変容量部５３のスイッチ素子ＳＷ２２を開いた後に、スイッチ素子ＳＷ１２を閉じる（図３（ｃ）参照）。この結果、可変容量部５３の容量値はＣ₁＋Ｃ₂となり、可変容量積分回路５０から出力される積分信号の値Ｖ_scは、
Ｖ_sc＝Ｑ／（Ｃ₁＋Ｃ₂）
となる。この積分信号は、比較回路６０に入力し、その値が基準電位Ｖ_REFと大小比較される。
【００３４】
また、Ｖ_sb＜Ｖ_REFであれば、この比較結果を受けて容量制御部７０は、更に、可変容量部５３のスイッチ素子ＳＷ１１およびＳＷ２２を開いた後に、スイッチ素子ＳＷ１２およびＳＷ２１を閉じる（図３（ｄ）参照）。この結果、可変容量部５３の容量値はＣ₂となり、可変容量積分回路５０から出力される積分信号の値Ｖ_sdは、
Ｖ_sd＝Ｑ／Ｃ₂
となる。この積分信号は、比較回路６０に入力し、その値が基準電位Ｖ_REFと大小比較される。
【００３５】
以後、同様にして、可変容量積分回路５０、比較回路６０および容量制御部７０からなるフィードバックループにより、積分信号の値と基準電位Ｖ_ref とが所定の分解能で一致していると容量制御部７０により判断されるまで、可変容量部５３の容量値の設定および積分信号の値と基準電位Ｖ_ref との大小比較を繰り返す。容量制御部７０は、このようにして可変容量部５３の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の全てについて容量制御を終了すると、可変容量部５３の最終的な容量値に応じたデジタル信号を読み出し部８０へ向けて出力する。
【００３６】
読み出し部８０では、容量制御部７０から出力されたデジタル信号をアドレスとして入力し、記憶素子のそのアドレスに記憶されているデジタルデータを、本実施形態に係る固体撮像装置の光検出信号として出力する。
【００３７】
なお、垂直受光部１１の第１番目の受光素子１２₁ の光電変換素子１３が蓄積した電荷を放出しきったと推定される時間を見計らって、受光素子１２₁ のスイッチ素子１４を開く。垂直受光部１１の第１番目の受光素子１２₁に応じた光検出信号の読み出しが終了すると、積分回路３０のスイッチ素子３３を閉じることにより、積分回路３０をリセット状態とする。可変容量積分回路５０のスイッチ素子５４を閉じることにより可変容量積分回路５０をリセット状態とする。また、可変容量積分回路５０のスイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４それぞれを閉じ、スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４それぞれを開くことにより、可変容量部５３の容量値をＣ₀に設定する。そして、この状態で、積分回路３０のスイッチ素子３３を開くことにより、積分回路３０での積分動作を可能にする。以後、垂直受光部１１の第１番目の受光素子１２₁と同様にして、垂直受光部１１の第２番目の受光素子１２₂に応じた光検出信号を読み出す。垂直受光部１１の第ｉ番目の受光素子１２_i（ｉ＝３〜Ｌ）についても同様である。
【００３８】
なお、可変容量積分回路５０の可変容量部５３の構成は、図２に示された回路構成に限られるものではなく、他の回路構成であってもよい。図４は、可変容量積分回路５０の他の回路構成図である。可変容量積分回路５０をこの図に示すような回路構成とすることにより、本実施形態に係る固体撮像装置は、光電変換素子１３に蓄積された電荷が極微小であっても、良好なＳ／Ｎ比を確保することができる。
【００３９】
この可変容量積分回路５０の可変容量部５３は、容量素子Ｃ１〜Ｃ４、スイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４、スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４、スイッチ素子ＳＷ３１〜ＳＷ３３およびスイッチ素子ＳＷ４１〜ＳＷ４３を備える。スイッチ素子ＳＷ３１、容量素子Ｃ１およびスイッチ素子ＳＷ１１は、この順に縦続接続されて、増幅器５２の−入力端子と出力端子との間に設けられている。スイッチ素子ＳＷ２１は、容量素子Ｃ１およびスイッチ素子ＳＷ１１の接続点と接地電位との間に設けられている。スイッチ素子ＳＷ４１は、容量素子Ｃ１およびスイッチ素子ＳＷ３１の接続点と接地電位との間に設けられている。スイッチ素子ＳＷ３２、容量素子Ｃ２、スイッチ素子ＳＷ１２、スイッチ素子ＳＷ２２およびスイッチ素子ＳＷ４２も同様である。スイッチ素子ＳＷ３３、容量素子Ｃ３、スイッチ素子ＳＷ１３、スイッチ素子ＳＷ２３およびスイッチ素子ＳＷ４３も同様である。容量素子Ｃ４およびスイッチ素子ＳＷ１４は、互いに縦続接続されて、増幅器５２の−入力端子と出力端子との間に設けられている。スイッチ素子ＳＷ２４は、容量素子Ｃ４およびスイッチ素子ＳＷ１４の接続点と接地電位との間に設けられている。
【００４０】
スイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４それぞれは、容量制御部７０から出力された容量指示信号ＣのＣ₁₁〜Ｃ₁₄の値に応じて開閉する。スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４それぞれは、容量制御部７０から出力された容量指示信号ＣのＣ₂₁〜Ｃ₂₄の値に応じて開閉する。スイッチ素子ＳＷ３１〜ＳＷ３３それぞれは、容量制御部７０から出力された容量指示信号ＣのＣ₃₁〜Ｃ₃₃の値に応じて開閉する。スイッチ素子ＳＷ４１〜ＳＷ４３それぞれは、容量制御部７０から出力された容量指示信号ＣのＣ₄₁〜Ｃ₄₃の値に応じて開閉する。
【００４１】
この図４に示す回路構成の可変容量積分回路５０を有する固体撮像装置は以下のように動作する。
【００４２】
この本実施形態に係る固体撮像装置では、まず、受光素子１２_i （ｉ＝１〜Ｌ）それぞれのスイッチ素子１４を開く。積分回路３０のスイッチ素子３３を閉じることにより、積分回路３０をリセット状態とする。スイッチ素子４０を開く。可変容量積分回路５０のスイッチ素子５４を閉じることにより可変容量積分回路５０をリセット状態とし、その後、スイッチ素子５４を開く。また、可変容量積分回路５０のスイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４およびスイッチ素子ＳＷ４１〜ＳＷ４３それぞれを閉じ、スイッチ素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４およびスイッチ素子ＳＷ３１〜ＳＷ３３それぞれを開くことにより、可変容量部５３の容量値をＣ₄に設定する。そして、この状態で、積分回路３０のスイッチ素子３３を開くことにより、積分回路３０での積分動作を開始させる。
【００４３】
次に、垂直受光部１１における第１番目の受光素子１２₁のスイッチ素子１４のみを閉じる。これにより、それまでの受光によって受光素子１２₁の光電変換素子１３に蓄積された電荷は、電流信号となって垂直受光部１１の共通の信号出力端子から出力され、スイッチ素子２０を介して積分回路３０に入力し、積分回路３０により積分され電圧信号として出力される。
【００４４】
そして、スイッチ素子４０を閉じる。これにより、積分回路３０から出力された電圧信号は、スイッチ素子４０を介して可変容量積分回路５０に入力する。スイッチ素子４０が閉じることにより、可変容量積分回路５０の容量素子５１に入力する電圧信号が急激に変動し、その電圧信号の変動分が容量素子５１から増幅器５２に入力する。すなわち、入力した電圧信号の変動分と可変容量部５３の容量値Ｃ₄とに応じた電荷Ｑが可変容量部５３に流入する。このとき、可変容量積分回路５０から出力される積分信号の値Ｖ_Sは、
Ｖ_S＝Ｑ／Ｃ₄
となる。
【００４５】
次に、スイッチ素子ＳＷ４１〜ＳＷ４３それぞれを開いた後、スイッチ素子ＳＷ３１〜ＳＷ３３それぞれを閉じて、可変容量部５３の容量値をＣ₀ とする。このように変化しても容量素子Ｃ１〜Ｃ３の両端の電圧関係は変化せず、積分信号の値Ｖ_Sには変化がないので、容量素子Ｃ１〜Ｃ４に発生する電荷の総計は、
Ｑ′＝Ｑ・（Ｃ₀／Ｃ₄）
となる。すなわち、図２の場合に比べて（Ｃ₀／Ｃ₄）倍の電荷が可変容量部５３に蓄積されることになる。以後、図２の場合と同様にして、垂直受光部１１の第ｉ番目の受光素子１２_i（ｉ＝１〜Ｌ）それぞれに応じた光検出信号を順次読み出す。したがって、光電変換素子１３に蓄積された電荷が極微小の場合にも良好なＳ／Ｎを確保することができる。
【００４６】
以上のように本実施形態に係る固体撮像装置では、可変容量積分回路５０、比較回路６０、容量制御部７０および読み出し部８０を１組として構成される信号処理部１００は、ＣＤＳ機能およびＡ／Ｄ変換機能を有するので、Ｓ／Ｎ比の向上およびオフセット誤差の抑制を簡単な回路構成で実現することができる。
【００４７】
なお、垂直受光部１１、積分回路３０および信号処理部１００それぞれの個数を互いに同一としてもよい。しかし、以降の実施形態に示すように、垂直受光部１１の個数Ｍ１、積分回路３０の個数Ｍ２および信号処理部１００の個数Ｍ３の間の関係を
Ｍ３≦Ｍ２≦Ｍ１，Ｍ３＜Ｍ１
とし、Ｍ１個の垂直受光部１１、Ｍ２個の積分回路３０およびＭ３組の信号処理部１００を選択的に接続する選択的接続手段を更に備える場合には、これらを同一チップ上に搭載したときに、チップ上に搭載される回路規模の増加、チップ面積の増加およびチップの消費電力の増加それぞれを抑制することができるので好適である。ここで、選択的接続手段として、スイッチ素子２０およびスイッチ素子４０が用いられる。
【００４８】
（第２の実施形態）
次に、本発明に係る固体撮像装置の第２の実施形態について説明する。図５は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。本実施形態に係る固体撮像装置は、垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）が配列された受光部１０、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）、積分回路３０_j （ｊ＝１〜１６）、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）、シフトレジスタ部９１〜９４および信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）を備える。なお、垂直受光部１１、スイッチ素子２０、積分回路３０およびスイッチ素子４０それぞれの個数は、ここでは１６としているが、更に多くてもよい。
【００４９】
受光部１０は、受光素子１２が２次元配列されたものである。すなわち、受光部１０は、受光素子１２が第１の方向に配列されて垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）とされて、垂直受光部１１_j が第２の方向に配列されたものである。垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）それぞれは、第１の実施形態の垂直受光部１１と同様の構成である。積分回路３０_j （ｊ＝１〜１６）それぞれは、第１の実施形態の積分回路３０と同様の構成である。信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）それぞれは、第１の実施形態の信号処理部１００と同様の構成であり、可変容量積分回路５０、比較回路６０、容量制御部７０および読み出し部８０からなる。
【００５０】
スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）それぞれは、第１の実施形態のスイッチ素子２０に相当し、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）それぞれは、第１の実施形態のスイッチ素子４０に相当する。また、スイッチ素子２０_j およびスイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）は、垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）、積分回路３０_j （ｊ＝１〜１６）および信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）を選択的に接続する選択的接続手段として作用する。すなわち、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）は、垂直受光部１１_j の共通の信号出力端子と積分回路３０_j の入力端子との間に設けられている。また、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１，５，９，１３）は、積分回路３０_j の出力端子と信号処理部１００₁ の入力端子との間に設けられている。スイッチ素子４０_j （ｊ＝２，６，１０，１４）は、積分回路３０_j の出力端子と信号処理部１００₂ の入力端子との間に設けられている。スイッチ素子４０_j （ｊ＝３，７，１１，１５）は、積分回路３０_j の出力端子と信号処理部１００₃ の入力端子との間に設けられている。スイッチ素子４０_j （ｊ＝４，８，１２，１６）は、積分回路３０_j の出力端子と信号処理部１００₄ の入力端子との間に設けられている。
【００５１】
シフトレジスタ部９１〜９４それぞれは、選択的接続手段であるスイッチ素子２０_j およびスイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）それぞれの開閉を制御する。また、タイミング制御部（図示せず）が更に備えられている。タイミング制御部は、垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）のスイッチ素子１４、積分回路３０_j （ｊ＝１〜１６）のリセット用のスイッチ素子３３、および、信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）の可変容量積分回路５０のリセット用のスイッチ素子５４それぞれを所定のタイミングで開閉制御し、また、信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）の容量制御部７０およびシフトレジスタ部９１〜９４それぞれの動作を制御する。
【００５２】
本実施形態に係る固体撮像装置は以下のように動作する。まず、シフトレジスタ部９１〜９４それぞれにより、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子２０₁ ，２０₂ ，２０₃ および２０₄ のみを閉じる。また、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子４０₁ ，４０₂ ，４０₃ および４０₄ のみを閉じる。これにより、垂直受光部１１₁ 、スイッチ素子２０₁ 、積分回路３０₁ 、スイッチ素子４０₁ および信号処理回路１００₁ は第１の実施形態の図１の構成となる。垂直受光部１１₂ 、スイッチ素子２０₂ 、積分回路３０₂ 、スイッチ素子４０₂ および信号処理回路１００₂ も第１の実施形態の図１の構成となる。垂直受光部１１₃ 、スイッチ素子２０₃ 、積分回路３０₃ 、スイッチ素子４０₃ および信号処理回路１００₃ も第１の実施形態の図１の構成となる。垂直受光部１１₄ 、スイッチ素子２０₄ 、積分回路３０₄ 、スイッチ素子４０₄ および信号処理回路１００₄ も第１の実施形態の図１の構成となる。そして、これら４組が第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作と同様の手順で並列的に動作することにより、垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜４）それぞれの各受光素子１２の受光量に応じたデジタル信号を信号処理部１００_k （ｋ＝１〜４）から同時に出力する。
【００５３】
続いて、シフトレジスタ部９１〜９４それぞれにより、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子２０₅ ，２０₆ ，２０₇ および２０₈ のみを閉じ、また、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子４０₅ ，４０₆ ，４０₇ および４０₈ のみを閉じて、垂直受光部１１_j （ｊ＝５，６，７，８）それぞれの各受光素子１２の受光量に応じたデジタル信号を信号処理部１００_k （ｋ＝１〜４）から同時に出力する。
【００５４】
さらに続いて、シフトレジスタ部９１〜９４それぞれにより、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子２０₉ ，２０₁₀，２０₁₁および２０₁₂のみを閉じ、また、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子４０₉ ，４０₁₀，４０₁₁および４０₁₂のみを閉じて、垂直受光部１１_j （ｊ＝９，１０，１１，１２）それぞれの各受光素子１２の受光量に応じたデジタル信号を信号処理部１００_k （ｋ＝１〜４）から同時に出力する。
【００５５】
そして、シフトレジスタ部９１〜９４それぞれにより、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子２０₁₃，２０₁₄，２０₁₅および２０₁₆のみを閉じ、また、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子４０₁₃，４０₁₄，４０₁₅および４０₁₆のみを閉じて、垂直受光部１１_j （ｊ＝１３，１４，１５，１６）それぞれの各受光素子１２の受光量に応じたデジタル信号を信号処理部１００_k （ｋ＝１〜４）から同時に出力する。
【００５６】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置は、第１の実施形態に係る固体撮像装置が奏する効果と同様の効果を奏する他、以下のような効果をも奏する。すなわち、従来の固体撮像装置では、チップ上において１つの垂直受光部毎に１つの信号処理部が備えられており、チップレイアウトの都合上、各信号処理部の幅は垂直受光部の幅と等しくならざるを得ず、各信号処理部のレイアウト形状は一方向に長いものとなる。チップサイズは大きかった。これに対して、本実施形態に係る固体撮像装置では、信号処理部の個数が削減されたので、全体の回路規模は小さく、チップサイズは小さくなる。また、各信号処理部のレイアウト設計の自由度が増すので、この点でもチップサイズは小さくなる。
【００５７】
（第３の実施形態）
次に、本発明に係る固体撮像装置の第３の実施形態について説明する。図６は、第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。本実施形態に係る固体撮像装置は、垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）が配列された受光部１０、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）、積分回路３０_j （ｊ＝１〜４）、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）、シフトレジスタ部９１〜９４および信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）を備える。なお、ここでは、垂直受光部１１、スイッチ素子２０およびスイッチ素子４０それぞれの個数は１６とし、積分回路３０の個数は４としているが、これらの個数は更に多くてもよい。
【００５８】
受光部１０は、受光素子１２が２次元配列されたものである。すなわち、受光部１０は、受光素子１２が第１の方向に配列されて垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）とされて、垂直受光部１１_j が第２の方向に配列されたものである。垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）それぞれは、第１の実施形態の垂直受光部１１と同様の構成である。積分回路３０_j （ｊ＝１〜４）それぞれは、第１の実施形態の積分回路３０と同様の構成である。信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）それぞれは、第１の実施形態の信号処理部１００と同様の構成であり、可変容量積分回路５０、比較回路６０、容量制御部７０および読み出し部８０からなる。
【００５９】
スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）それぞれは、第１の実施形態のスイッチ素子２０に相当し、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）それぞれは、第１の実施形態のスイッチ素子４０に相当する。また、スイッチ素子２０_j およびスイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）は、垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）、積分回路３０_j （ｊ＝１〜４）および信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）を選択的に接続する選択的接続手段として作用する。すなわち、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜４）は、垂直受光部１１_j の共通の信号出力端子と積分回路３０₁ の入力端子との間に設けられている。スイッチ素子２０_j （ｊ＝５〜８）は、垂直受光部１１_j の共通の信号出力端子と積分回路３０₂ の入力端子との間に設けられている。スイッチ素子２０_j （ｊ＝９〜１２）は、垂直受光部１１_j の共通の信号出力端子と積分回路３０₃ の入力端子との間に設けられている。スイッチ素子２０_j （ｊ＝１３〜１６）は、垂直受光部１１_j の共通の信号出力端子と積分回路３０₄ の入力端子との間に設けられている。また、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜４）は、積分回路３０₁ の出力端子と信号処理部１００₁ の入力端子との間に設けられている。スイッチ素子４０_j （ｊ＝５〜８）は、積分回路３０₂ の出力端子と信号処理部１００₂ の入力端子との間に設けられている。スイッチ素子４０_j （ｊ＝９〜１２）は、積分回路３０₃ の出力端子と信号処理部１００₃ の入力端子との間に設けられている。スイッチ素子４０_j （ｊ＝１３〜１６）は、積分回路３０₄ の出力端子と信号処理部１００₄ の入力端子との間に設けられている。
【００６０】
シフトレジスタ部９１〜９４それぞれは、選択的接続手段であるスイッチ素子２０_j およびスイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）それぞれの開閉を制御する。また、タイミング制御部（図示せず）が更に備えられている。タイミング制御部は、垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）のスイッチ素子１４、積分回路３０_j （ｊ＝１〜４）のリセット用のスイッチ素子３３、および、信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）の可変容量積分回路５０のリセット用のスイッチ素子５４それぞれを所定のタイミングで開閉制御し、また、信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）の容量制御部７０およびシフトレジスタ部９１〜９４それぞれの動作を制御する。
【００６１】
本実施形態に係る固体撮像装置は以下のように動作する。まず、シフトレジスタ部９１〜９４それぞれにより、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子２０₁ ，２０₅ ，２０₉ および２０₁₃のみを閉じ、また、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子４０₁ ，４０₅ ，４０₉ および４０₁₃のみを閉じる。これにより、垂直受光部１１₁ 、スイッチ素子２０₁ 、積分回路３０₁ 、スイッチ素子４０₁ および信号処理回路１００₁ は第１の実施形態の図１の構成となる。垂直受光部１１₅ 、スイッチ素子２０₅ 、積分回路３０₂ 、スイッチ素子４０₅ および信号処理回路１００₂ も第１の実施形態の図１の構成となる。垂直受光部１１₉ 、スイッチ素子２０₉ 、積分回路３０₃ 、スイッチ素子４０₉ および信号処理回路１００₃ も第１の実施形態の図１の構成となる。垂直受光部１１₁₃、スイッチ素子２０₁₃、積分回路３０₄ 、スイッチ素子４０₁₃および信号処理回路１００₄ も第１の実施形態の図１の構成となる。そして、これら４組が第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作と同様の手順で並列的に動作することにより、垂直受光部１１_j （ｊ＝１，５，９，１３）それぞれの各受光素子１２の受光量に応じたデジタル信号を信号処理部１００_k （ｋ＝１〜４）から同時に出力する。
【００６２】
続いて、シフトレジスタ部９１〜９４それぞれにより、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子２０₂ ，２０₆ ，２０₁₀および２０₁₄のみを閉じ、また、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子４０₂ ，４０₆ ，４０₁₀および４０₁₄のみを閉じて、垂直受光部１１_j （ｊ＝２，６，１０，１４）それぞれの各受光素子１２の受光量に応じたデジタル信号を信号処理部１００_k （ｋ＝１〜４）から同時に出力する。
【００６３】
さらに続いて、シフトレジスタ部９１〜９４それぞれにより、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子２０₃ ，２０₇ ，２０₁₁および２０₁₅のみを閉じ、また、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子４０₃ ，４０₇ ，４０₁₁および４０₁₅のみを閉じて、垂直受光部１１_j （ｊ＝３，７，１１，１５）それぞれの各受光素子１２の受光量に応じたデジタル信号を信号処理部１００_k （ｋ＝１〜４）から同時に出力する。
【００６４】
そして、シフトレジスタ部９１〜９４それぞれにより、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子２０₄ ，２０₈ ，２０₁₂および２０₁₆のみを閉じ、また、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子４０₄ ，４０₈ ，４０₁₂および４０₁₆のみを閉じて、垂直受光部１１_j （ｊ＝４，８，１２，１６）それぞれの各受光素子１２の受光量に応じたデジタル信号を信号処理部１００_k （ｋ＝１〜４）から同時に出力する。
【００６５】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置は、第１の実施形態に係る固体撮像装置が奏する効果と同様の効果を奏する他、以下のような効果をも奏する。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置では、積分回路および信号処理部の個数が削減されたので、全体の回路規模は小さく、チップサイズは小さくなる。また、各信号処理部のレイアウト設計の自由度が増すので、この点でもチップサイズは小さくなる。
【００６６】
（第４の実施形態）
次に、本発明に係る固体撮像装置の第４の実施形態について説明する。図７は、第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。本実施形態に係る固体撮像装置は、垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）が配列された受光部１０、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）、積分回路３０_j （ｊ＝１〜４）、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜４）、シフトレジスタ部９１〜９４および信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）を備える。なお、ここでは、垂直受光部１１およびスイッチ素子２０それぞれの個数は１６とし、積分回路３０およびスイッチ素子４０の個数は４としているが、これらの個数は更に多くてもよい。
【００６７】
受光部１０は、受光素子１２が２次元配列されたものである。すなわち、受光部１０は、受光素子１２が第１の方向に配列されて垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）とされて、垂直受光部１１_j が第２の方向に配列されたものである。垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）それぞれは、第１の実施形態の垂直受光部１１と同様の構成である。積分回路３０_j （ｊ＝１〜４）それぞれは、第１の実施形態の積分回路３０と同様の構成である。信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）それぞれは、第１の実施形態の信号処理部１００と同様の構成であり、可変容量積分回路５０、比較回路６０、容量制御部７０および読み出し部８０からなる。
【００６８】
スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）それぞれは、第１の実施形態のスイッチ素子２０に相当し、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜４）それぞれは、第１の実施形態のスイッチ素子４０に相当する。また、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）およびスイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜４）は、垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）、積分回路３０_j （ｊ＝１〜４）および信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）を選択的に接続する選択的接続手段として作用する。すなわち、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜４）は、垂直受光部１１_j の共通の信号出力端子と積分回路３０₁ の入力端子との間に設けられている。スイッチ素子２０_j （ｊ＝５〜８）は、垂直受光部１１_j の共通の信号出力端子と積分回路３０₂ の入力端子との間に設けられている。スイッチ素子２０_j （ｊ＝９〜１２）は、垂直受光部１１_j の共通の信号出力端子と積分回路３０₃ の入力端子との間に設けられている。スイッチ素子２０_j （ｊ＝１３〜１６）は、垂直受光部１１_j の共通の信号出力端子と積分回路３０₄ の入力端子との間に設けられている。また、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜４）は、積分回路３０_j の出力端子と信号処理部１００_j の入力端子との間に設けられている。
【００６９】
シフトレジスタ部９１〜９４それぞれは、選択的接続手段であるスイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）およびスイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜４）それぞれの開閉を制御する。また、タイミング制御部（図示せず）が更に備えられている。タイミング制御部は、垂直受光部１１_j （ｊ＝１〜１６）のスイッチ素子１４、積分回路３０_j （ｊ＝１〜４）のリセット用のスイッチ素子３３、および、信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）の可変容量積分回路５０のリセット用のスイッチ素子５４それぞれを所定のタイミングで開閉制御し、また、信号処理部１００_j （ｊ＝１〜４）の容量制御部７０およびシフトレジスタ部９１〜９４それぞれの動作を制御する。
【００７０】
本実施形態に係る固体撮像装置は以下のように動作する。なお、図７に示すように垂直受光部１１の数が１６個であれば、スイッチ素子４０_j （ｊ＝１〜４）それぞれは閉じたままでよい。
【００７１】
まず、シフトレジスタ部９１〜９４それぞれにより、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子２０₁ ，２０₅ ，２０₉ および２０₁₃のみを閉じる。これにより、垂直受光部１１₁ 、スイッチ素子２０₁ 、積分回路３０₁ 、スイッチ素子４０₁ および信号処理回路１００₁ は第１の実施形態の図１の構成となる。垂直受光部１１₅ 、スイッチ素子２０₂ 、積分回路３０₂ 、スイッチ素子４０₂ および信号処理回路１００₂ も第１の実施形態の図１の構成となる。垂直受光部１１₉ 、スイッチ素子２０₃ 、積分回路３０₃ 、スイッチ素子４０₃ および信号処理回路１００₃ も第１の実施形態の図１の構成となる。垂直受光部１１₁₃、スイッチ素子２０₄ 、積分回路３０₄ 、スイッチ素子４０₄ および信号処理回路１００₄ も第１の実施形態の図１の構成となる。そして、これら４組が第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作と同様の手順で並列的に動作することにより、垂直受光部１１_j （ｊ＝１，５，９，１３）それぞれの各受光素子１２の受光量に応じたデジタル信号を信号処理部１００_k （ｋ＝１〜４）から同時に出力する。
【００７２】
続いて、シフトレジスタ部９１〜９４それぞれにより、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子２０₂ ，２０₆ ，２０₁₀および２０₁₄のみを閉じて、垂直受光部１１_j （ｊ＝２，６，１０，１４）それぞれの各受光素子１２の受光量に応じたデジタル信号を信号処理部１００_k （ｋ＝１〜４）から同時に出力する。
【００７３】
さらに続いて、シフトレジスタ部９１〜９４それぞれにより、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子２０₃ ，２０₇ ，２０₁₁および２０₁₅のみを閉じて、垂直受光部１１_j （ｊ＝３，７，１１，１５）それぞれの各受光素子１２の受光量に応じたデジタル信号を信号処理部１００_k （ｋ＝１〜４）から同時に出力する。
【００７４】
そして、シフトレジスタ部９１〜９４それぞれにより、スイッチ素子２０_j （ｊ＝１〜１６）のうちスイッチ素子２０₄ ，２０₈ ，２０₁₂および２０₁₆のみを閉じて、垂直受光部１１_j （ｊ＝４，８，１２，１６）それぞれの各受光素子１２の受光量に応じたデジタル信号を信号処理部１００_k （ｋ＝１〜４）から同時に出力する。
【００７５】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置は、第１の実施形態に係る固体撮像装置が奏する効果と同様の効果を奏する他、以下のような効果をも奏する。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置では、積分回路、スイッチ素子および信号処理部の個数が削減されたので、全体の回路規模は小さく、チップサイズは小さくなる。また、各信号処理部のレイアウト設計の自由度が増すので、この点でもチップサイズは小さくなる。
【００７６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、可変容量積分回路、比較回路および容量制御部を含む信号処理部は、ＣＤＳ機能およびＡ／Ｄ変換機能を有するので、Ｓ／Ｎ比の向上およびオフセット誤差の抑制を簡単な回路構成で実現することができる。また、Ｍ３≦Ｍ２≦Ｍ１，Ｍ３＜Ｍ１として、Ｍ１個の垂直受光部、Ｍ２個の積分回路およびＭ３組の信号処理部それぞれの何れかが選択的接続手段により選択されて接続される場合には、全体の回路規模は小さく、チップサイズは小さくなる。さらに、各信号処理部のレイアウト設計の自由度が増すことにより、受光部の各垂直受光部の配列方向の側部に各信号処理部を配置することができるので、この点でもチップサイズは小さくなり、また、正方形に近い形状のイメージセンサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る固体撮像装置の回路構成図である。
【図２】可変容量積分回路の回路構成図である。
【図３】第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作説明図である。
【図４】可変容量積分回路の他の回路構成図である。
【図５】第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。
【図６】第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。
【図７】第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。
【符号の説明】
１０…受光部、１１…垂直受光部、１２…受光素子、１３…光電変換素子、１４…スイッチ素子、２０…スイッチ素子、３０…積分回路、３１…電荷増幅器、３２…容量素子、３３…スイッチ素子、４０…スイッチ素子、５０…可変容量積分回路、５１…容量素子、５２…増幅器、５３…可変容量部、５４…スイッチ素子、６０…比較回路、７０…容量制御部、８０…読み出し部、９１〜９４…シフトレジスタ部、１００…信号処理部。

Claims

入力した光信号を電流信号に変換する光電変換素子と該電流信号を出力端子に出力するスイッチ素子とを含む受光素子と、
前記受光素子の出力端子と接続される入力端子を有する電荷増幅器と、前記電荷増幅器の入力端子と出力端子との間に設けられた容量素子と、前記電荷増幅器の入力端子と出力端子との間に設けられたリセット用スイッチ素子とを有し、前記受光素子の出力端子から出力された電流信号を入力して電荷を前記容量素子に蓄積し当該電荷蓄積量に応じた電圧信号を出力端子に出力する積分回路と、
前記積分回路の出力端子から出力された電圧信号を入力する容量素子と、前記容量素子から出力される電圧信号を入力端子に入力する増幅器と、前記増幅器の入力端子と出力端子との間に設けられ容量値が可変である可変容量部と、前記増幅器の入力端子と出力端子との間に設けられたリセット用スイッチ素子とを有し、前記容量素子に入力した電圧信号の変動分に応じた値の積分信号を前記増幅器の出力端子から出力する可変容量積分回路と、
前記可変容量積分回路から出力された積分信号を入力し、この積分信号の値と基準値とを大小比較して比較結果信号を出力する比較回路と、
前記比較回路から出力された比較結果信号を入力し、この比較結果信号に基づいて前記可変容量部の容量値を制御するとともに、この比較結果信号に基づいて前記積分信号の値と前記基準値とが所定の分解能で一致していると判断した場合に前記可変容量部の容量値に応じた第１のデジタル信号を出力する容量制御部と、
前記受光素子のスイッチ素子が開いていて前記積分回路および前記可変容量積分回路それぞれのリセット用スイッチ素子が閉じた状態から、前記積分回路のリセット用スイッチ素子を開いた後に、前記可変容量積分回路のリセット用スイッチ素子を開き、更にその後に前記受光素子のスイッチ素子を閉じるタイミング制御部と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
前記容量制御部から出力された第１のデジタル信号を入力し、この第１のデジタル信号の値から前記可変容量積分回路のオフセット値を除去した値を示す第２のデジタル信号を出力する読み出し部を更に備えることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記受光素子が第１の方向に配列されるとともに各々のスイッチ素子の出力端子が互いに接続され共通の信号出力端子とされて垂直受光部とされ、前記垂直受光部が第２の方向にＭ１個配列されており、
前記積分回路がＭ２個（ただし、Ｍ２≦Ｍ１）設けられ、
前記可変容量積分回路、前記比較回路および前記容量制御部を１組とする信号処理部がＭ３組（ただし、Ｍ３≦Ｍ２，Ｍ３＜Ｍ１）設けられ、
Ｍ１個の前記垂直受光部、Ｍ２個の前記積分回路およびＭ３組の前記信号処理部を選択的に接続する選択的接続手段を更に備える、
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。