JP4449565B2 - 物理量分布検知の半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＡＤ（アナログ−デジタル）変換方法および複数の単位構成要素が配列されてなる物理量分布検知の半導体装置に関する。より詳細には、たとえば光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする複数の単位構成要素が配列されてなり、単位構成要素により電気信号に変換された物理量分布を、アドレス制御により任意選択して電気信号として読出可能な、たとえば固体撮像装置などの、物理量分布検知の半導体装置に用いて好適な、アナログで出力される電気信号をデジタルデータに変換する技術に関する。特に、カラー画像などの色情報を取り扱う際のデジタルデータ変換技術に関する。

光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする単位構成要素（たとえば画素）をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知半導体装置が様々な分野で使われている。

たとえば、映像機器の分野では、物理量のうちの光（電磁波の一例）を検知するＣＣＤ（Charge Coupled Device ）型あるいはＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-oxide Semiconductor ）型の固体撮像装置が使われている。これらは、単位構成要素（固体撮像装置にあっては画素）によって電気信号に変換された物理量分布を電気信号として読み出す。

また、固体撮像装置の中には、電荷生成部で生成された信号電荷に応じた画素信号を生成する画素信号生成部に増幅用の駆動トランジスタを有する増幅型固体撮像素子（ＡＰＳ；Active Pixel Sensor ／ゲインセルともいわれる）構成の画素を備えた増幅型固体撮像装置がある。たとえば、ＣＭＯＳ型固体撮像装置の多くはそのような構成をなしている。

このような増幅型固体撮像装置において画素信号を外部に読み出すには、複数の単位画素が配列されている画素部に対してアドレス制御をし、個々の単位画素からの信号を任意に選択して読み出すようにしている。つまり、増幅型固体撮像装置は、アドレス制御型の固体撮像装置の一例である。

たとえば、単位画素がマトリクス状に配されたＸ−Ｙアドレス型固体撮像素子の一種である増幅型固体撮像素子は、画素そのものに増幅機能を持たせるために、ＭＯＳ構造などの能動素子（ＭＯＳトランジスタ）を用いて画素を構成している。すなわち、光電変換素子であるフォトダイオードに蓄積された信号電荷（光電子）を前記能動素子で増幅し、画像情報として読み出す。

この種のＸ−Ｙアドレス型固体撮像素子では、たとえば、画素トランジスタが２次元行列状に多数配列されて画素部が構成され、ライン（行）ごとあるいは画素ごとに入射光に対応する信号電荷の蓄積が開始され、その蓄積された信号電荷に基づく電流または電圧の信号がアドレス指定によって各画素から順に読み出される。ここで、ＭＯＳ（ＣＭＯＳを含む）型においては、アドレス制御の一例として、１行分を同時にアクセスして行単位で画素信号を画素部から読み出す列並列読出方式が多く用いられている（たとえば特許文献１参照）。

特開２０００−２６１６０２号公報

また、固体撮像素子では、画素部から読み出されたアナログの画素信号を、必要に応じて、アナログ−デジタル変換装置（ＡＤ変換装置；Analog Digital Converter）にてデジタルデータに変換する。このため、種々のＡＤ変換の仕組みが提案されているが、一例として、鋸歯状の電圧波形と画素信号を反映した電気信号（パルス幅信号を含む）とを比較する比較器とカウンタとを備えた仕組みが考えられている（たとえば非特許文献１〜５、特許文献２，３参照）。

W. Yang et. al., "An Integrated 800x600 CMOS ImageSystem," ISSCC Digest of Technical Papers, pp. 304-305, Feb., 1999 米本和也著、"ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージセンサの基礎と応用"、ＣＱ出版社、2003年8月10日、初版p201〜203 今村俊文、山本美子、"３．高速・機能ＣＭＯＳイメージセンサの研究"、［online］、［平成16年3月15日検索］、インターネット＜URL:http://www.sankaken.gr.jp/project/iwataPJ/report/h12/h12index.html＞ 今村俊文、山本美子、長谷川尚哉、"３．高速・機能ＣＭＯＳイメージセンサの研究"、［online］、［平成16年3月15日検索］、インターネット＜URL:http://www.sankaken.gr.jp/project/iwataPJ/report/h14/h14index.html＞ Oh-Bong Kwon et. al.,"A Novel Double Slope Analog-to-Digital Converter for a High-Quality 640x480 CMOS Imaging System"、VL3-03 1999 IEEE p335〜338 特開平１１−３３１８８３号公報 特開２００２−２３２７８７号公報

また、カラー画像を取り扱う場合において、鋸歯状の電圧波形と画素信号を反映した電気信号とを比較してＡＤ変換を行なう場合に、カラー画像を撮像するための複数色の色フィルタが配された各画素の色特性を考慮してＡＤ変換を行なう仕組みが考えられている。

たとえば、上記特許文献１に記載の技術では、アナログイメージデータのデジタルイメージデータへの変換の際、特定カラーのアナログイメージデータ特性に応じて互いに異なる基準電圧を生成し比較動作を遂行することによって、単位画素から出力されるアナログイメージデータをデジタルイメージデータに変換する際、各々のカラーに応じて調節してさらに緻密なカラー制御を可能とするようにしている。

＜従来の固体撮像装置の構成＞
図１４は、特許文献１の図４に示されるＡＤ変換装置を画素部と同一の半導体基板に搭載した固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略構成図である。

この固体撮像装置は、各カラー画素によって互いに異なる初期電圧レベルから異なる減少率で減少するアナログ基準電圧を生成するアナログ基準電圧発生手段と、選択信号に応答して各カラー画素に対応してアナログ基準電圧を選択的に出力する選択手段と、この選択手段から出力されるアナログ基準電圧と画素アレイから出力されるアナログイメージデータを比較してデジタルイメージデータを出力する比較手段とを備え、各カラーのアナログイメージデータ特性に応じて画素アレイの各カラー画素から感知したアナログイメージデータをデジタルイメージデータに変換するようにしている。

具体的事例として、図１４に示すように、固体撮像装置は、ベイヤーパターンに配列されたＭ（行線）×Ｎ（列線）画素アレイ５０と、該画素アレイ５０からのアナログ信号をデジタル信号に変換するためのアナログ−デジタル変換部６０により構成されている。

アナログ−デジタル変換部６０は、ベイヤーパターンを構成する色成分Ｒ，Ｇ，Ｂごとに用意されるアナログ参照電圧発生装置６０１Ａ（Ｂ色用），６０１Ｂ（Ｇ色用），６０１Ｃ（Ｒ色用）と、垂直列ごとに配される比較器６０３Ａ，６０３Ｂと、アナログ参照電圧発生装置６０１Ａ，６０１Ｂ，６０１Ｃからの参照信号の何れか１つを選択して比較器６０３Ａ，６０３Ｂに入力するマルチプレクサ６０２Ａ，６０２Ｂとにより構成されている。

ここで、アナログ参照電圧発生器は、青色画素に対する参照電圧を発生する第１参照電圧発生器６０１Ａ、緑色画素に対する基準電圧を発生する第２参照電圧発生器６０１Ｂ、および赤色画素に対する参照電圧を発生する第３基準電圧発生器６０１Ｃにより構成され、各参照電圧発生器は、それぞれが担当するカラー特性に応じて、互いに異なる初期電圧レベルから互いに異なる減少率を有する参照電圧を発生する。

比較器６０３Ａ，６０３Ｂは、合計で、垂直列分（Ｎ個）だけ設けられ、たとえば、比較器６０３Ａは奇数列に、比較器６０３Ｂは偶数列に配される。これに対応して、マルチプレクサ６０２Ａは、奇数列の比較器６０３Ａの入力側に配され、マルチプレクサ６０２Ｂは、偶数列の比較器６０３Ｂの入力側に配される。

つまり、カラー画素によって互いに異なる初期電圧レベルから異なる減少率で減少する参照信号を生成する各アナログ参照電圧発生装置と、各列の比較器ごとに各アナログ参照電圧発生装置からの参照信号の何れか１つを選択的に出力する選択手段（マルチプレクサ）とを設けている。

マルチプレクサ６０２Ａ，６０２Ｂは、選択信号ＳＥＬに応答して、参照電圧発生器６０１Ａ，６０１Ｂ，６０１Ｃからの出力信号を選択的に出力する。比較器６０３Ａ，６０３Ｂはマルチプレクサ６０２Ａ，６０２Ｂからの出力信号と画素アレイ５０からのアナログ信号を比較する。

ベイヤーパターンの場合、たとえば画素アレイ５０中の第１列線、第３列線、第５列線など奇数列線には赤色画素または緑色画素が配列されているため、カラー画素によって奇数列線に配列されたマルチプレクサ６０２Ａは第２または第３参照電圧発生器６０１Ｂ，６０１Ｃの出力信号中の１つを出力する。これに対し、第２列線、第４列線、第６列線など偶数列線には緑色画素または青色画素が配列されているため、カラー画素によって偶数列線に配列されたマルチプレクサ６０２Ｂは第１または第２参照電圧発生器６０１Ａ，６０１Ｂの出力信号中の１つを出力する。

しかしながら、特許文献１に記載の仕組みでは、カラー画素によって互いに異なる初期電圧レベルから異なる減少率で減少する参照信号を各アナログ参照電圧発生装置において生成するとのことであるが、単に「カラー画素によって互いに異なる」と記載しているだけで、その詳細については明確でない。

本願発明者の検討によれば、参照信号の減少率は、カラー画素を構成するフォトダイオードなどの電荷生成部の色感度や、電荷生成部で生成された信号電荷を電気信号に変換する増幅用トランジスタなどの単位信号生成部の増幅率などを含む色特性に関係した感度特性に応じて調整する必要があるものの、初期電圧レベルに関しては、カラー画素の色特性（色フィルタに基づくもの）に関係して調整する必要は必ずしもないということが分かった。むしろ、たとえば黒基準や回路のオフセット成分など、色特性とは異なる観点から初期電圧レベルを調整するのが好ましいという点を発見した。

また特許文献１に記載の仕組みでは、ベイヤ配列の場合、第１参照電圧発生器６０１Ａ、第２参照電圧発生器６０１Ｂ、および第３基準電圧発生器６０１Ｃの３台というように、カラー画像を撮像するための色フィルタの色成分ごとにアナログ参照電圧発生装置を用意し、各アナログ参照電圧発生装置から出力される参照信号を垂直列ごとに設けられる比較器の入力側まで伝達し、それぞれの比較器の入力側に各アナログ参照電圧発生装置からの参照信号の何れか１つを選択的に出力する選択手段（マルチプレクサ）を設けている。

このため、各アナログ参照電圧発生装置から発せられる参照信号を比較器の入力側に伝達する信号線の数が、カラー画像を撮像するための色フィルタの色成分だけ必要になり、それぞれの比較器の入力側において切り替える必要のある各アナログ参照電圧発生装置からの参照信号の数よりも多くなってしまうという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、カラー画像の撮像により適した参照信号を生成して、この好適な参照信号を用いてＡＤ変換処理を行なうことのできる仕組みを提案することを目的とする。

また本発明は、カラー画素に応じた参照信号を比較器の入力側に伝達する信号線の数を、カラー画像を撮像するための色フィルタの色成分の数よりも少なくすることのできる仕組みを提案することを目的とする。

本発明に係る物理量分布検知の半導体装置は、入射された電磁波に対応する電荷を生成する電荷生成部および前記電荷生成部により生成された電荷に応じたアナログの単位信号を生成する単位信号生成部を単位構成要素内に含む有効領域を備え、かつ前記単位信号をデジタルデータに変換する機能要素として、前記単位信号をデジタルデータに変換するための参照信号を生成する参照信号生成部と、前記単位信号と前記参照信号生成部により生成された参照信号とを比較する比較部と、この比較部における比較処理と並行して、所定のカウントクロックでカウント処理を行ない、前記比較部における比較処理が完了した時点のカウント値を保持するカウンタ部とを備えた、物理量分布検知のための半導体装置であって、前記有効領域におけるそれぞれの前記電荷生成部の前記電磁波が入射される側の面には、色情報を取得するための複数色の色フィルタの組合せからなる色分解フィルタの何れかの色フィルタが設けられており、前記参照信号を生成して出力する個別の参照信号生成出力部を、前記読出単位に応じた所定方向および当該読出単位に応じた所定方向とは異なる方向である異方向のそれぞれにおける前記色フィルタの配列の繰返単位内に存在する前記色フィルタの色成分の数よりも少なく、かつ、前記単位信号の読出単位に応じた所定方向における前記色フィルタの配列の繰返単位内に存在する色フィルタの数分だけ有するとともに、前記参照信号生成出力部から独立に出力されるそれぞれの前記参照信号を、前記所定方向における共通の色特性を持つ前記色フィルタに対応する前記比較部に、共通の信号線を介して実質的に直接に伝達するように構成され、前記カウンタ部は、ダウンカウントモードおよびアップカウントモードの何れか一方のモードを選択してカウント処理を行なうことが可能に構成されていることを特徴とする。

本発明の物理量分布検知の半導体装置は、カラー画像を撮像するための色フィルタの色成分の数よりも少ない数だけ設ける前記個別の参照信号生成出力部を構成するに際しては、一例として、読出単位に応じた所定方向および読出単位に応じた所定方向とは異なる方向である異方向のそれぞれにおける色フィルタの配列の繰返単位内に存在する色フィルタのそれぞれに応じた色対応参照信号生成部と色対応参照信号生成部を読出単位（たとえば処理対象行）の変更に応じて切り替える選択部を設けるのではなく、処理対象の単位構成要素に設けられている色フィルタの色特性に応じた変化特性を持って変化する参照信号を生成するとともに、単位信号の読出単位の切り替えに応じて切り替る、色フィルタの配列の繰返単位を構成する色の組合せの変更に応じて、変化特性を変更するものとすることができる。

たとえば、行単位で単位信号の読出しを行なう構成の場合、少なくとも行方向には、色フィルタの配列の繰返単位を構成する色の組合せ分だけ参照信号生成出力部を設けておき、処理対象の行が切り替えられたときに、色の組合せの色要素の変更に応じて、それぞれの参照信号生成出力部から発せられる参照信号の変化特性を変更するようにすればよい。

あるいは、他の一例としては、対応する色フィルタの色特性に応じた参照信号を生成して出力する個別の色対応参照信号生成部を、読出単位に応じた所定方向とは異なる方向である異方向についても、色フィルタの配列の繰返単位分だけ有するものとするとともに、色対応参照信号生成部から独立に出力されるそれぞれの参照信号の何れか一方を、処理対象の読出単位の切替えに応じて選択して、対応する信号線に出力する選択部を有するものとすることもできる。

たとえば、行単位で単位信号の読出しを行なう構成の場合、行方向だけでなく列方向にも、色フィルタの配列の繰返単位を構成する色の組合せ分だけ参照信号生成出力部を設けておく。より具体的には、個別の色対応参照信号生成部には、繰返単位を構成する１つの分離フィルタの２次元マトリクス内に存在するそれぞれの色に応じた変化特性を持つ参照信号を生成する参照信号生成出力部を設けておく。そして、処理対象の行が切り替えられたときには、それぞれの参照信号生成出力部から出力される参照信号を、選択部を用いて、色の組合せの色要素の変更に応じて選択するようにすればよい。

ここで、たとえばベイヤ配列のように、繰返単位を構成する１つの分離フィルタの２次元マトリクス内に、同一色の色フィルタが複数存在する場合は、この同一色の色フィルタに関しては、個別の色対応参照信号生成部が、参照信号生成出力部を共通に利用する構成とするのがよい。

なお、個別の参照信号生成出力部は、複数の定電流源が並列に配され、対応する色フィルタの色特性に応じた参照信号を生成して出力する色対応参照信号生成部と、所定の制御信号に基づき、色対応参照信号生成部から出力される参照信号が、対応する色フィルタの色特性に応じた変化特性を持って変化するように、並列に配された複数の定電流源を選択する定電流源選択部とを備える構成とすることができる。

この場合、定電流源選択部は、個別の参照信号生成出力部ごとに設けることもできるし、個別の参照信号生成出力部に対して共通に１つだけ設けることもできる。

本発明によれば、色特性に応じた変化特性を持つとともに、この色特性とは異なる観点から規定される初期値から変化する参照信号を用いてＡＤ変換処理を行なうようにしたので、色特性の観点と色特性とは異なる観点の双方について好適な参照信号を用いてＡＤ変換処理を行なうことができるようになった。この結果、従来よりも適切な信号処理を行なうことができるようになる。

また、本発明の構成によれば、参照信号を生成する参照信号生成部の構成を、参照信号を生成して出力する個別の参照信号生成出力部で構成するとともに、この参照信号生成出力部を、読出単位に応じた所定方向および読出単位に応じた所定方向とは異なる方向である異方向のそれぞれにおける色フィルタの配列の繰返単位内に存在する色フィルタの色成分の数よりも少なく、かつ、単位信号の読出単位に応じた所定方向における色フィルタの配列の繰返単位内に存在する色フィルタの数分だけ設け、さらに、各参照信号生成出力部から独立に出力されるそれぞれの参照信号を、共通の色特性を持つ色フィルタに対応する比較部に、共通の信号線を介して実質的に直接に伝達するように構成する。

要するに、読出単位に応じた所定方向とこの所定方向とは異なる方向とで形成される色分離フィルタの繰返単位内に存在する色フィルタの色種に拘らず、読出単位に応じた所定方向ごとに、色分離フィルタの繰返単位内に存在する色フィルタの数分の参照信号生成部を用意しておき、それぞれから、生成した参照信号を、対応する色フィルタ用の各比較部に共通の信号線を介して直接に伝達する。

このため、本発明の構成によれば、カラー画像を撮像するための色分離フィルタの単位が２次元で規定される場合に、カラー画素に応じた参照信号を比較器の入力側に伝達する信号線の数を、全色成分の数よりも少なくすることができるようになった。

また、各参照信号生成出力部から独立に出力されるそれぞれの参照信号を、共通の色特性を持つ色フィルタに対応する比較部に、共通の信号線を介して実質的に直接に伝達するので、特許文献１で必要としていた、垂直列ごとの選択手段（マルチプレクサ）が不必要となり、大幅に回路規模を縮小することができる。

加えて、色フィルタのそれぞれに応じた色対応参照信号生成部と色対応参照信号生成部を処理対象行に応じて切り替える選択部を設けるのではなく、読出単位の切り替えがなされたときに、その切り替えに伴う、色フィルタの配列の繰返単位を構成する色の組合せの変更に応じて、個別の参照信号生成出力部から出力される参照信号の変化特性を変更するようにすれば、参照信号生成部の全体構成の規模をさらに縮小することができる。

また、本発明は、ＡＤ変換装置を同一チップ上に搭載したカラー撮像対応の半導体装置を構成するに当たり、回路規模や伝送信号線の数をコンパクトにしつつ、カラー撮像に適した参照信号をＡＤ変換用の比較部に供給することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下においては、Ｘ−Ｙアドレス型の固体撮像装置の一例である、ＣＭＯＳ撮像素子をデバイスとして使用した場合を例に説明する。また、ＣＭＯＳ撮像素子は、全ての画素がＮＭＯＳあるいはＰＭＯＳよりなるものであるとして説明する。

ただしこれは一例であって、対象となるデバイスはＭＯＳ型の撮像デバイスに限らない。光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする単位構成要素をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知用の半導体装置の全てに、後述する全ての実施形態が同様に適用できる。

＜第１実施形態；固体撮像装置の構成；ベイヤ配列＞
図１は、本発明に係る半導体装置の第１実施形態であるＣＭＯＳ固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略構成図である。また、図２は、画素部（撮像部）における有効画像領域（有効部）と、光学的黒を与える基準画素領域との関係の一例を示す図である。なお、このＣＭＯＳ固体撮像装置は、本発明に係る電子機器の一態様でもある。

固体撮像装置１は、入射光量に応じた信号を出力する受光素子（電荷生成部の一例）を含む複数個の画素が行および列に配列された（すなわち２次元マトリクス状の）画素部を有し、各画素からの信号出力が電圧信号であって、ＣＤＳ(Correlated Double Sampling ；相関２重サンプリング）処理機能部やデジタル変換部（ＡＤＣ；Analog Digital Converter）などが列並列に設けられているものである。

“列並列にＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部が設けられている”とは、垂直列の垂直信号線１９に対して実質的に並列に複数のＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部が設けられていることを意味する。複数の各機能部は、デバイスを平面視したときに、ともに画素部１０に対して列方向の一方の端縁側（図の下側に配されている出力側）にのみ配されている形態のものであってもよいし、画素部１０に対して列方向の一方の端縁側（図の下側に配されている出力側）とその反対側である他方の端縁側（図の上側）に分けて配されている形態のものであってもよい。後者の場合、行方向の読出走査（水平走査）を行なう水平走査部も、各端縁側に分けて配して、それぞれが独立に動作可能に構成するのがよい。

たとえば、列並列にＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部が設けられている典型例としては、撮像部の出力側に設けたカラム領域と呼ばれる部分に、ＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を垂直列ごとに設け、順次出力側に読み出すカラム型のものである。また、カラム型に限らず、隣接する複数（たとえば２つ分）の垂直信号線１９（垂直列）に対して１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を割り当てる形態や、Ｎ本おき（Ｎは正の整数；間にＮ−１本を配する）のＮ本分の垂直信号線１９（垂直列）に対して１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を割り当てる形態などを採ることもできる。

カラム型を除くものは、何れの形態も、複数の垂直信号線１９（垂直列）が１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を共通に使用する構成となるので、画素部１０側から供給される複数列分の画素信号を１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部に供給する切替回路（スイッチ）を設ける。なお、後段の処理によっては、出力信号を保持するメモリを設けるなどの対処が必要になる。

何れにしても、複数の垂直信号線１９（垂直列）に対して１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を割り当てる形態などを採ることで、各画素信号の信号処理を画素列単位で読み出した後に行なうことで、同様の信号処理を各単位画素内で行なうものに比べて、各単位画素内の構成を簡素化し、イメージセンサの多画素化、小型化、低コスト化などに対応できる。

また、列並列に配された複数の信号処理部にて１行分の画素信号を同時並行処理することができるので、出力回路側やデバイスの外部で１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部にて処理を行なう場合に比べて、信号処理部を低速で動作させることができ、消費電力や帯域性能やノイズなどの面で有利である。逆に言えば、消費電力や帯域性能などを同じにする場合、センサ全体の高速動作が可能となる。

なお、カラム型の構成の場合、低速で動作させることができ消費電力や帯域性能やノイズなどの面で有利であるとともに切替回路（スイッチ）が不要である利点もある。以下の実施形態では、特に断りのない限り、このカラム型で説明する。

図１に示すように、第１実施形態の固体撮像装置１は、画素形状が概ね正方状の複数の単位画素３が行および列（つまり正方格子状）に配列された画素部（撮像部）１０と、画素部１０の外側に設けられた駆動制御部７と、カラム処理部２６と、カラム処理部２６にＡＤ変換用の参照電圧を供給する参照信号生成部２７と、出力回路２８とを備えている。

なお、カラム処理部２６の前段または後段には、必要に応じて信号増幅機能を持つＡＧＣ(Auto Gain Control) 回路などをカラム処理部２６と同一の半導体領域に設けることも可能である。カラム処理部２６の前段でＡＧＣを行なう場合にはアナログ増幅、カラム処理部２６の後段でＡＧＣを行なう場合にはデジタル増幅となる。ｎビットのデジタルデータを単純に増幅してしまうと、階調が損なわれてしまう可能性があるため、どちらかというとアナログにて増幅した後にデジタル変換するのが好ましいと考えられる。

駆動制御部７は、画素部１０の信号を順次読み出すための制御回路機能を備えている。たとえば、駆動制御部７としては、列アドレスや列走査を制御する水平走査回路（列走査回路）１２と、行アドレスや行走査を制御する垂直走査回路（行走査回路）１４と、内部クロックを生成するなどの機能を持つ通信・タイミング制御部２０とを備えている。

なお、図中、通信・タイミング制御部２０の近傍に点線で示すように、高速クロック生成部の一例であって、入力されたクロック周波数よりも高速のクロック周波数のパルスを生成するクロック変換部２３を設けるようにしてもよい。通信・タイミング制御部２０は、端子５ａを介して入力される入力ロック（マスタークロック）CLK0やクロック変換部２３で生成された高速クロックに基づいて内部クロックを生成する。

クロック変換部２３で生成された高速クロックを源とする信号を用いることで、ＡＤ変換処理などを高速に動作させることができるようになる。また、高速クロックを用いて、高速の計算を必要とする動き抽出や圧縮処理を行なうことができる。また、カラム処理部２６から出力されるパラレルデータをシリアルデータ化してデバイス外部に映像データＤ１を出力することもできる。こうすることで、ＡＤ変換されたデジタルデータのビット分よりも少ない端子で高速動作出力する構成を採ることができる。

クロック変換部２３は、入力されたクロック周波数よりも高速のクロック周波数のパルスを生成する逓倍回路を内蔵している。このクロック変換部２３は、通信・タイミング制御部２０から低速クロックCLK2を受け取り、それを元にして２倍以上高い周波数のクロックを生成する。クロック変換部２３の逓倍回路としては、ｋ１を低速クロックCLK2の周波数の倍数としたときｋ１逓倍回路を設ければよく、周知の様々な回路を利用することができる。

図１では、簡単のため行および列の一部を省略して示しているが、現実には、各行や各列には、数十から数千の単位画素３が配置されて画素部１０が構成される。この単位画素３は、典型的には、受光素子（電荷生成部）としてのフォトダイオードと、増幅用の半導体素子（たとえばトランジスタ）を有する画素内アンプとから構成される。

画素内アンプとしては、たとえばフローティングディフュージョンアンプ構成のものが用いられる。一例としては、電荷生成部に対して、電荷読出部（転送ゲート部／読出ゲート部）の一例である読出選択用トランジスタ、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタ、垂直選択用トランジスタ、およびフローティングディフュージョンの電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタを有する、ＣＭＯＳセンサとして汎用的な４つのトランジスタからなる構成のものを使用することができる。

あるいは、特許第２７０８４５５号公報に記載のように、電荷生成部により生成された信号電荷に対応する信号電圧を増幅するための、ドレイン線（ＤＲＮ）に接続された増幅用トランジスタと、電荷生成部をリセットするためのリセットトランジスタと、垂直シフトレジスタより転送配線（ＴＲＦ）を介して走査される読出選択用トランジスタ（転送ゲート部）を有する、３つのトランジスタからなる構成のものを使用することもできる。

画素部１０は、画像を取り込む有効領域である有効画像領域（有効部）１０ａの他に、図２に示すように、光学的黒を与える基準画素領域１０ｂが、有効画像領域（有効部）１０ａの周囲に配されて構成される。一例としては、垂直列方向の上下に数行（たとえば１〜１０行）分の光学的黒を与える基準画素が配列され、また、有効画像領域（有効部）１０ａを含む水平行における左右に数画素〜数１０画素（たとえば３〜４０画素）分の光学的黒を与える基準画素が配列される。

光学的黒を与える基準画素は、その受光面側が、フォトダイオードなどからなる電荷生成部に光が入らないように、遮光される。この基準画素からの画素信号は、映像信号の黒基準に使われる。

また、この第１実施形態の固体撮像装置１は、画素部１０をカラー撮像対応にしている。すなわち、画素部１０における各電荷生成部（フォトダイオードなど）の電磁波（本例では光）が入射される受光面には、カラー画像を撮像するための複数色の色フィルタの組合せからなる色分解フィルタの何れかの色フィルタが設けられている。

図示した例は、いわゆるベイヤ（Ｂａｙｅｒ）配列の基本形のカラーフィルタを用いており、正方格子状に配された単位画素３が赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色カラーフィルタに対応するように、色分離フィルタの繰返単位が２画素×２画素で配されて画素部１０を構成している。

たとえば、奇数行奇数列には第１のカラー（赤；Ｒ）を感知するための第１のカラー画素を配し、奇数行偶数列および偶数行奇数列には第２のカラー（緑；Ｇ）を感知するための第２のカラー画素を配し、偶数行偶数列には第３のカラー（青；Ｂ）を感知するための第３のカラー画素を配しており、行ごとに異なったＲ／Ｇ、またはＧ／Ｂの２色のカラー画素が市松模様状に配置されている。

このようなベイヤ配列の基本形のカラーフィルタの色配列は、行方向および列方向の何れについても、Ｒ／ＧまたはＧ／Ｂの２色が２つごとに繰り返される。

また、駆動制御部７の他の構成要素として、水平走査回路１２、垂直走査回路１４、および通信・タイミング制御部２０が設けられている。水平走査回路１２は、カラム処理部２６からカウント値を読み出す読出走査部の機能を持つ。これらの駆動制御部７の各要素は、画素部１０とともに、半導体集積回路製造技術と同様の技術を用いて単結晶シリコンなどの半導体領域に一体的に形成され、半導体システムの一例である固体撮像素子（撮像デバイス）として構成される。

単位画素３は、行選択のための行制御線１５を介して垂直走査回路１４と、また垂直信号線１９を介してカラムＡＤ回路２５が垂直列ごとに設けられているカラム処理部２６と、それぞれ接続されている。ここで、行制御線１５は垂直走査回路１４から画素に入る配線全般を示す。

水平走査回路１２や垂直走査回路１４は、後述のようにデコーダを含んで構成され、通信・タイミング制御部２０から与えられる制御信号ＣＮ１，ＣＮ２に応答してシフト動作（走査）を開始するようになっている。このため、行制御線１５には、単位画素３を駆動するための種々のパルス信号（たとえば、リセットパルスＲＳＴ、転送パルスＴＲＦ、ＤＲＮ制御パルスＤＲＮなど）が含まれる。

通信・タイミング制御部２０は、図示しないが、各部の動作に必要なクロックや所定タイミングのパルス信号を供給するタイミングジェネレータＴＧ（読出アドレス制御装置の一例）の機能ブロックと、端子５ａを介してマスタークロックCLK0を受け取り、また端子５ｂを介して動作モードなどを指令するデータＤＡＴＡを受け取り、さらに固体撮像装置１の情報を含むデータを出力する通信インタフェースの機能ブロックとを備える。

たとえば、水平アドレス信号を水平デコーダ１２ａへ、また垂直アドレス信号を垂直デコーダ１４ａへ出力し、各デコーダ１２ａ，１４ａは、それを受けて対応する行もしくは列を選択する。

この際、単位画素３を２次元マトリックス状に配置してあるので、画素信号生成部５により生成され垂直信号線１９を介して列方向に出力されるアナログの画素信号を行単位で（列並列で）アクセスし取り込む（垂直）スキャン読みを行ない、この後に、垂直列の並び方向である行方向にアクセスし画素信号（本例ではデジタル化された画素データ）を出力側へ読み出す（水平）スキャン読みを行なうようにすることで、画素信号や画素データの読出しの高速化を図るのがよい。勿論、スキャン読みに限らず、読み出したい単位画素３を直接にアドレス指定することで、必要な単位画素３の情報のみを読み出すランダムアクセスも可能である。

また、第１実施形態の通信・タイミング制御部２０では、端子５ａを介して入力されるマスタークロック（マスタークロック）CLK0と同じ周波数のクロックCLK1や、それを２分周したクロックやより分周した低速のクロックをデバイス内の各部、たとえば水平走査回路１２、垂直走査回路１４、カラム処理部２６などに供給する。以下、２分周したクロックやそれ以下の周波数のクロック全般を纏めて、低速クロックCLK2という。

垂直走査回路１４は、画素部１０の行を選択し、その行に必要なパルスを供給するものである。たとえば、垂直方向の読出行を規定する（画素部１０の行を選択する）垂直デコーダ１４ａと、垂直デコーダ１４ａにて規定された読出アドレス上（行方向）の単位画素３に対する行制御線１５にパルスを供給して駆動する垂直駆動回路１４ｂとを有する。なお、垂直デコーダ１４ａは、信号を読み出す行の他に、電子シャッタ用の行なども選択する。

水平走査回路１２は、低速クロックCLK2に同期してカラム処理部２６のカラムＡＤ回路２５を順番に選択し、その信号を水平信号線（水平出力線）１８に導くものである。たとえば、水平方向の読出列を規定する（カラム処理部２６内の個々のカラムＡＤ回路２５を選択する）水平デコーダ１２ａと、水平デコーダ１２ａにて規定された読出アドレスに従って、カラム処理部２６の各信号を水平信号線１８に導く水平駆動回路１２ｂとを有する。なお、水平信号線１８は、たとえばカラムＡＤ回路２５が取り扱うビット数ｎ（ｎは正の整数）分、たとえば１０（＝ｎ）ビットならば、そのビット数分に対応して１０本配置される。

このような構成の固体撮像装置１において、単位画素３から出力された画素信号は、垂直列ごとに、垂直信号線１９を介して、カラム処理部２６のカラムＡＤ回路２５に供給される。

カラム処理部２６の各カラムＡＤ回路２５は、１列分の画素の信号を受けて、その信号を処理する。たとえば、各カラムＡＤ回路２５は、アナログ信号を、たとえば低速クロックCLK2を用いて、たとえば１０ビットのデジタルデータに変換するＡＤＣ(Analog Digital Converter)回路を持つ。

ＡＤＣ回路の構成については、詳細は後述するが、コンパレータ（電圧比較器）にランプ状の参照信号（参照電圧）RAMPを供給すると同時にクロック信号でのカウント（計数）を開始し、垂直信号線１９を介して入力されたアナログの画素信号を参照信号RAMPと比較することによってパルス信号が得られるまでカウントすることでＡＤ変換を行なう。

また、この際、回路構成を工夫することで、ＡＤ変換とともに、垂直信号線１９を介して入力された電圧モードの画素信号に対して、画素リセット直後の信号レベル（ノイズレベル）と真の（受光光量に応じた）信号レベルＶsig との差分をとる処理を行なうことができる。これにより、固定パターンノイズ（ＦＰＮ；Fixed Pattern Noise ）やリセットノイズといわれるノイズ信号成分を取り除くことができる。

このカラムＡＤ回路２５でデジタル化された画素データは、水平走査回路１２からの水平選択信号により駆動される図示しない水平選択スイッチを介して水平信号線１８に伝達され、さらに出力回路２８に入力される。なお、１０ビットは一例であって、１０ビット未満（たとえば８ビット）や１０ビットを超えるビット数（たとえば１４ビット）など、その他のビット数としてもよい。

このような構成によって、電荷生成部としての受光素子が行列状に配された画素部１０からは、行ごとに各垂直列について画素信号が順次出力される。そして、受光素子が行列状に配された画素部１０に対応する１枚分の画像すなわちフレーム画像が、画素部１０全体の画素信号の集合で示されることとなる。

＜カラムＡＤ回路と参照信号生成部の詳細＞
参照信号生成部２７は、画素部１０における色分解フィルタを構成する色フィルタの色の種類や配列に応じて、ＡＤ変換用の参照信号を発生する機能要素であるＤＡ変換回路（ＤＡＣ；Digital Analog Converter）を個別に備える。

使用する画素部１０（デバイス）を決めると、色分解フィルタにおける色フィルタの色の種類や配列は決まり、２次元格子位置における任意位置の色フィルタが何色であるのかを一義的に特定することができる。色フィルタの行方向および列方向の各繰返しサイクルも、その配列によって一義的に決まり、列並列に設けた各カラムＡＤ回路２５が処理対象とする１つの処理対象行には、色分解フィルタで使用される全色分ではなく、繰返しサイクルで決まるより少ない所定色の組合せの画素信号のみが存在することなる。

本実施形態では、この性質に着目し、比較回路とカウンタとでＡＤ変換回路を構成するに当たり、比較回路に供給するＡＤ変換用の参照信号を発生する機能要素である、個別の参照信号生成出力部の一例であるＤＡ変換回路を、色分解フィルタで使用される全色分設けるのではなく、先ず画素信号の読出単位である行方向に関して、色フィルタの繰返しサイクル内に存在する所定色の色フィルタの組合せに応じた数分だけとすることで、２次元における色フィルタの繰返しサイクル内に存在する色フィルタの全色分より少なくする。

さらに、各ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂから独立に出力されるそれぞれの参照信号RAMPa ，RAMPb を、それぞれ独立した信号線２５２ａ，２５２ｂを介して、共通の色特性を持つ色フィルタに対応する電圧比較部２５２に、それぞれ共通の信号線２５２ａ，２５２ｂを介して実質的に直接に伝達するように構成する。

なお、読出単位に応じた行方向とは異なる方向である異方向、すなわち垂直列方向に関しては、カラー画素の色特性に対応した変化特性（具体的には傾き）や、黒基準や回路オフセット成分などの色特性とは異なる非色特性の観点で規定された初期値を持って変化する色対応参照信号生成部を、垂直列方向における色フィルタの繰返しサイクル内に存在する所定色の色フィルタの組合せに応じた数分だけ、個別のＤＡ変換回路（参照信号生成出力部）のそれぞれに設け、その各出力の何れか一方を、処理対象行の切り替えに応じて選択する構成とすることができる。

この場合、たとえばベイヤ配列のように、２次元における色フィルタの繰返しサイクル内に、同色の色フィルタが存在する場合、この同色の色フィルタに関しては、個別のＤＡ変換回路（参照信号生成出力部）のそれぞれが、１つの色対応参照信号生成部を兼用（共用）する構成とすることもできる。

あるいは、個別のＤＡ変換回路（参照信号生成出力部）のそれぞれに対して、処理対象行が切り替わるごとに、その切り替えに伴う色フィルタの配列の繰返単位を構成する色の組合せの変更に応じて、対応するカラー画素の色特性に対応した変化特性（具体的には傾き）や、黒基準や回路オフセット成分などの色特性とは異なる観点に基づく初期値を、通信・タイミング制御部２０から設定するようにしてもよい。こうすることで、個別のＤＡ変換回路（参照信号生成出力部）のそれぞれに色対応参照信号生成部や色対応参照信号生成部の何れかを選択する選択部を設ける必要がなくなる。

何れの構成でも、各ＤＡ変換回路（参照信号生成出力部）のそれぞれは、処理対象行が切り替わることで、その処理対象行に存在する所定色の組合せが切り替わることに応じて、ＤＡ変換回路が発する参照信号（アナログ基準電圧）の変化特性（具体的には傾き）を、色フィルタすなわちアナログの画素信号の特性に応じて切り替えて出力する。また、初期値に関しては、たとえば黒基準や回路のオフセット成分など、色特性とは異なる観点に基づいて設定することとなる。

こうすることで、参照電圧発生器（本例ではＤＡ変換回路に相当）やこの参照電圧発生器からの配線を色分解フィルタを構成する色フィルタの数よりも少なくすることができる。また、色フィルタごとに参照電圧発生器を用意した場合に必要とされていた（特許文献１参照）、各参照電圧発生器からのアナログ基準電圧（本例の参照信号に相当）を選択的に出力する垂直列ごとの選択手段（マルチプレクサ）も不要となるので、回路規模を縮小できる。カラー画素に応じた参照信号を比較器の入力側に伝達する信号線の数を、カラー画像を撮像するための色フィルタの色成分の数よりも少なくすることができる。

また、変化特性（具体的には傾き）や初期値を、処理対象行が切り替わるごとに、その切り替えに伴う色フィルタの配列の繰返単位を構成する色の組合せの変更に応じて、ＤＡ変換回路に設定するようにすれば、色フィルタのそれぞれに応じた色対応参照信号生成部と色対応参照信号生成部を処理対象行に応じて切り替える選択部（後述する具体例１〜５を参照）を設ける必要がなく、参照信号生成部２７の全体構成の規模をさらに縮小することができる（後述する具体例６を参照）。

本例では、固体撮像装置１としては、ベイヤ方式の基本配列のものを使用しており、先にも述べたように、色フィルタの繰返しは２行および２列ごととなる。行単位で画素信号を読み出して、垂直信号線１９ごとに、列並列に設けた各カラムＡＤ回路２５に画素信号を入力するので、１つの処理対象行には、Ｒ／ＧまたはＧ／Ｂの何れか２色のみの画素信号が存在する。よって、本例では、奇数列に対応したＤＡ変換回路２７ａと偶数列に対応したＤＡ変換回路２７ｂとを設けることとする。

各ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂは、通信・タイミング制御部２０からの制御データＣＮ４（ＣＮ４ａ，ＣＮ４ｂ）で示される初期値から、通信・タイミング制御部２０からのカウントクロックＣＫdaca， ＣＫdacb（カウントクロックＣＫ０と同じでもよい）に同期して、階段状の鋸歯状波（ランプ電圧）を生成して、カラム処理部２６の対応する個々のカラムＡＤ回路２５に、この生成した鋸歯状波をＡＤ変換用の参照信号（ＡＤＣ基準信号）RAMPa ，RAMPb として供給するようになっている。なお、図示を割愛しているが、ノイズ防止用のフィルタを設けるとよい。

ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂは、本実施形態特有の機能として、所定位置の画素信号Ｖｘにおける信号成分Ｖsig について電圧比較部２５２とカウンタ部２５４とを用いてＡＤ変換処理を行なう際には、それぞれが発する参照信号RAMPa ，RAMPb の初期電圧を、画素の特性や回路ばら付きを反映させて、リセット成分ΔＶについてのＡＤ変換処理時とは異なる値に設定するとともに、色フィルタの配列を考慮して画素特性に適合するようにそれぞれの傾きβａ，βｂを設定する点に特徴を有する。

具体的には、先ず信号成分Ｖsig についての参照信号RAMPa ，RAMPb の初期電圧Ｖas、Ｖbsに関しては、任意の複数の黒基準を生成する画素から得られる信号を元に算出されたものとする。なお、黒基準を生成する画素は、カラー画素外に配置された電荷生成部３２をなす光電変換素子としてのフォトダイオードなど上に遮光層を有する画素とする。その配置場所や配置数などの配置形態および遮光手段は、特に限定されず、公知の仕組みを採ることができる。

また、この初期電圧は、各ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂの特性によりそれぞれ生じる固有のばらつき成分を含むものとする。通常は、各初期電圧Ｖas、Ｖbsは、リセット成分ΔＶについての参照信号RAMPa ，RAMPb の初期電圧Ｖar、Ｖbrに対して、それぞれオフセットOFFa，OFFb分だけ低くする。

リセット成分ΔＶについての参照信号RAMPa ，RAMPb の初期電圧Ｖar、Ｖbrを同じにしていても、通常は、オフセットOFFa，OFFb分は異なる値となるので、信号成分Ｖsig についての参照信号RAMPa ，RAMPb の初期電圧Ｖas、Ｖbsは異なるものとなる。

なお信号成分Ｖsig についての参照信号RAMPa ，RAMPb の初期電圧Ｖas、Ｖbsは、黒基準を生成する画素から得られる信号以外にも任意のオフセットを含むものとしてもよい。

参照信号生成部２７の各ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂが行なうオフセットOFFa，OFFb分の制御は、たとえば任意の複数の黒基準を生成する基準画素から得られる信号を元に初期電圧を算出する機能を通信・タイミング制御部２０に持たせ、この通信・タイミング制御部２０からの制御データＣＮ４で示される初期値に基づいて行なうようにしてもよい。もちろん、ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂが、初期電圧を算出する機能を持ち、自身で初期電圧を算出するようにしてもよい。

あるいは、チップ内の通信・タイミング制御部２０やＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂに、参照電圧の初期電圧を算出する機能を持つのではなく、チップ外の外部システムで黒基準を生成する基準画素から得られる信号を元に初期電圧を算出し、端子５ｂを介して動作モードの一部として初期電圧を示す情報を通信・タイミング制御部２０に通知し、この通信・タイミング制御部２０からの制御データＣＮ４で参照信号生成部２７に通知するようにしてもよい。

なお、参照信号生成部２７が発する階段状の参照信号、詳しくはＤＡ変換回路２７ａが発する参照信号RAMPa およびＤＡ変換回路２７ｂが発する参照信号RAMPb は、クロック変換部２３からの高速クロック、たとえば逓倍回路で生成される逓倍クロックを元に生成することで、端子５ａを介して入力されるマスタークロックCLK0に基づき生成するよりも高速に変化させることができる。

通信・タイミング制御部２０から参照信号生成部２７のＤＡ変換回路２７ａに供給する制御データＣＮ４ａ，ＣＮ４ｂは、比較処理ごとのランプ電圧の傾き（変化の度合い；時間変化量）を指示する情報も含んでいる。

カラムＡＤ回路２５は、参照信号生成部２７のＤＡ変換回路２７ａで生成される参照信号RAMPと、行制御線１５（Ｈ０，Ｈ１，…）ごとに単位画素３から垂直信号線１９（Ｖ０，Ｖ１，…）を経由し得られるアナログの画素信号とを比較する電圧比較部（コンパレータ）２５２と、電圧比較部２５２が比較処理を完了するまでの時間をカウントし、その結果を保持するカウンタ部２５４とを備えて構成されｎビットＡＤ変換機能を有している。

通信・タイミング制御部２０は、電圧比較部２５２が画素信号のリセット成分ΔＶと信号成分Ｖsig の何れについて比較処理を行なっているのかに応じてカウンタ部２５４におけるカウント処理のモードを切り替える制御部の機能を持つ。この通信・タイミング制御部２０から各カラムＡＤ回路２５のカウンタ部２５４には、カウンタ部２５４がダウンカウントモードで動作するのかアップカウントモードで動作するのかを指示するための制御信号ＣＮ５が入力されている。

電圧比較部２５２の一方の入力端子RAMPは、他の電圧比較部２５２の入力端子RAMPと共通に、参照信号生成部２７で生成される階段状の参照信号RAMPが入力され、他方の入力端子には、それぞれ対応する垂直列の垂直信号線１９が接続され、画素部１０からの画素信号電圧が個々に入力される。電圧比較部２５２の出力信号はカウンタ部２５４に供給される。

カウンタ部２５４のクロック端子ＣＫには、他のカウンタ部２５４のクロック端子ＣＫと共通に、通信・タイミング制御部２０からカウントクロックＣＫ０が入力されている。

このカウンタ部２５４は、その構成については図示を割愛するが、図６に示したラッチで構成されたデータ記憶部２５５の配線形態を同期カウンタ形式に変更することで実現でき、１本のカウントクロックＣＫ０の入力で、内部カウントを行なうようになっている。カウントクロックＣＫ０も、階段状の電圧波形と同様に、クロック変換部２３からの高速クロック（たとえば逓倍クロック）を元に生成することで、端子５ａを介して入力されるマスタークロックCLK0より高速にすることができる。

ｎ個のラッチの組合せでｎビットのカウンタ部２５４を実現でき、図６に示した２系統のｎ個のラッチで構成されたデータ記憶部２５５の回路規模に対して半分になる。加えて、カウンタ部２５４が不要になるから、全体としては、図６に示した構成よりも大幅にコンパクトになる。

ここで、第１実施形態のカウンタ部２５４は、詳細は後述するが、カウントモードに拘わらず共通のアップダウンカウンタ（Ｕ／Ｄ ＣＮＴ）を用いて、ダウンカウント動作とアップカウント動作とを切り替えて（具体的には交互に）カウント処理を行なうことが可能に構成されている点に特徴を有する。また、第１実施形態のカウンタ部２５４は、カウント出力値がカウントクロックＣＫ０に同期して出力される同期カウンタを使用する。

なお、同期カウンタの場合、すべてのフリップフロップ（カウンタ基本要素）の動作がカウントクロックＣＫ０で制限される。よって、より高周波数動作が要求される場合には、カウンタ部２５４としては、その動作制限周波数が最初のフリップフロップ（カウンタ基本要素）の制限周波数でのみ決められるため高速動作に適する非同期カウンタの使用がより好ましい。

カウンタ部２５４には、水平走査回路１２から制御線１２ｃを介して制御パルスが入力される。カウンタ部２５４は、カウント結果を保持するラッチ機能を有しており、制御線１２ｃを介しての制御パルスによる指示があるまでは、カウンタ出力値を保持する。

このような構成のカラムＡＤ回路２５は、先にも述べたように、垂直信号線１９（Ｖ０，Ｖ１，…）ごとに配置され、列並列構成のＡＤＣブロックであるカラム処理部２６が構成される。

個々のカラムＡＤ回路２５の出力側は、水平信号線１８に接続されている。先にも述べたように、水平信号線１８は、カラムＡＤ回路２５のビット幅であるｎビット幅分の信号線を有し、図示しないそれぞれの出力線に対応したｎ個のセンス回路を経由して出力回路２８に接続される。

このような構成において、カラムＡＤ回路２５は、水平ブランキング期間に相当する画素信号読出期間において、カウント動作を行ない、所定のタイミングでカウント結果を出力する。すなわち、先ず、電圧比較部２５２では、参照信号生成部２７からのランプ波形電圧と、垂直信号線１９を介して入力される画素信号電圧とを比較し、双方の電圧が同じになると、電圧比較部２５２のコンパレータ出力が反転（本例ではＨレベルからＬレベルへ遷移）する。

カウンタ部２５４は、参照信号生成部２７から発せられるランプ波形電圧に同期してダウンカウントモードもしくはアップカウントモードでカウント動作を開始しており、コンパレータ出力の反転した情報がカウンタ部２５４に通知されると、カウント動作を停止し、その時点のカウント値を画素データとしてラッチ（保持・記憶）することでＡＤ変換を完了する。

この後、カウンタ部２５４は、所定のタイミングで水平走査回路１２から制御線１２ｃを介して入力される水平選択信号ＣＨ（ｉ）によるシフト動作に基づいて、記憶・保持した画素データを、順次、カラム処理部２６外や画素部１０を有するチップ外へ出力端子５ｃから出力する。

なお、本実施形態の説明としては直接関連しないため特に図示しないが、その他の各種信号処理回路なども、固体撮像装置１の構成要素に含まれる場合がある。

＜参照信号生成部の機能説明＞
図３は、第１実施形態の固体撮像装置１において使用される参照信号生成部２７のＤＡ変換回路（ＤＡＣ）の機能を説明する図である。

ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂは、通信・タイミング制御部２０からＤＡＣ用のカウントクロックＣＫdac の供給を受け、カウントクロックＣＫdaca，ＣＫdacbに同期して、たとえば線形的に減少する階段状の鋸歯状波（ランプ波形）を生成し、カラムＡＤ回路２５の電圧比較部２５２に、この生成した鋸歯状波をＡＤ変換用の参照電圧（ＡＤＣ基準信号）として供給する。

ここで、ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂは、先ず、制御データＣＮ４に含まれている比較処理ごとのランプ電圧の初期値を指示する情報に基づき初期電圧を設定するとともに、制御データＣＮ４に含まれている比較処理ごとのランプ電圧の傾き（変化率）を指示する情報に基づき、１クロック当たりの電圧変化分ΔRAMPを設定し、単位時間（カウントクロックＣＫdac ）ごとに１ずつカウント値を変化させるようにする。実際には、カウントクロックＣＫdac の最大カウント数（たとえば１０ビットで２．０など）に対しての最大電圧幅を設定するだけでよい。初期電圧を設定するための回路構成はどのようなものであってもよい。

こうすることで、ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂは、制御データＣＮ４に含まれている初期値を示す電圧（たとえば３．０Ｖ）から、１つのカウントクロックＣＫdaca，ＣＫdacbごとにΔRAMPずつ電圧を低下させる。

また、単位画素３からの画素信号（詳しくは真の信号成分）に対する係数を設定する際は、通信・タイミング制御部２０は、係数１を設定するカウントクロックＣＫdac1の基準周期に対して１／ｍ分周したカウントクロックＣＫdacmをＤＡ変換回路２７ａに供給する。ＤＡ変換回路２７ａは、制御データＣＮ４に含まれている初期値を示す電圧（たとえば３．０Ｖ）から、１つのカウントクロックＣＫdacmごとにΔRAMPずつ電圧を低下させる。

こうすることで、電圧比較部２５２に供給される参照信号RAMPa ，RAMPb の傾きが、カウントクロックＣＫdac1（＝ＣＫ０）で参照信号RAMPa ，RAMPb を生成する場合に対して、１／ｍ倍となり、カウンタ部２５４にては、同じ画素電圧に対して、カウント値がｍ倍となる、すなわち係数としてｍを設定できる。

つまり、カウントクロックＣＫdaca，ＣＫdacbの周期を調整することで参照信号RAMPa ，RAMPb の傾きを変えることができる。たとえば、基準に対して１／ｍ分周したクロックを使うと傾きが１／ｍとなる。カウンタ部２５４でのカウントクロックＣＫ０を同一とすれば、カウンタ部２５４にては、同じ画素電圧に対して、カウント値がｍ倍となる、すなわち係数としてｍを設定できる。つまり、参照信号RAMPa ，RAMPb の傾きを変えることで、後述する差分処理時の係数を調整することができる。

図３から分かるように、参照信号RAMPa ，RAMPb の傾きが大きい程、単位画素３に蓄積された情報量に掛かる係数は小さく、傾きが小さい程係数が大きいことになる。たとえば、カウントクロックＣＫdac1の基準周期に対して１／２分周したカウントクロックＣＫdac2を与えることで、係数を“２”に設定でき、１／４分周したカウントクロックＣＫdac4を与えることで、係数を“４”に設定できる。なお、ｎ／ｍ分周したカウントクロックＣＫdacnm を与えることで、係数をｍ／ｎに設定することもできる。

このように、カウントクロックＣＫdacmごとにΔRAMPずつ電圧を変化（本例では低下）させるようにしつつ、参照信号生成部２７に与えるカウントクロックＣＫdacnm の周期を調整することで、簡単かつ精度よく係数を設定することができる。なお、画素信号の信号成分Ｖsig についてのカウント処理のモードを調整することで係数の符号（＋／−）を指定することができる。

なお、ここで示した参照信号RAMPa ，RAMPb の傾きを利用した係数の設定手法は一例であって、このような手法に限定されない。たとえば、参照信号生成部２７に与えるカウントクロックＣＫdaca，ＣＫdacbの周期を一定にしつつ、カウンタ出力値をｘ、制御データＣＮ４に含まれているランプ電圧の傾き（変化率）βとするとｙ＝α（初期値）−β＊ｘによって算出される電位を出力するなど、制御データＣＮ４に含まれているランプ電圧の傾き（変化率）を指示する情報により、１つのカウントクロックＣＫdac ごとの電圧変化分ΔRAMPを調整するなど、任意の回路を用いることができる。ランプ電圧の傾きすなわちＲＡＭＰスロープの傾きβの調整は、たとえばクロック数を変える以外に、単位電流源の電流量を変えることによって、クロック当たりのΔRAMPを調整することで実現できる。

オフセットを与え得るα（初期値）や傾きを与え得るβ（係数）の設定手法は、カウントクロックＣＫdaca，ＣＫdacbごとに少しずつ電圧変化するランプ波形を発生させる回路構成に応じたものとすればよい。一例としては、ランプ波形を発生させる回路を、定電流源の組合せと、その定電流源の何れか（１つもしくは任意数の複数）を選択する選択回路とで構成する場合、オフセットを与えるα（初期値）や傾きを与えるβ（係数）は何れも、定電流源を用いて、その定電流源に流れる電流を調整することで実現できる（詳しくは後述する）。

参照信号の生成手法に拘わらず、参照信号を、カラー画素の色特性に応じた傾きを持つとともに、たとえば黒基準や回路のオフセット成分など、色特性とは異なる観点に基づく初期値を持つようにすることで、色特性の観点と色特性とは異なる観点の双方について好適な参照信号を用いてＡＤ変換処理を行なうことができるようになる。

＜第１実施形態；固体撮像装置の動作＞
図４は、図１に示した第１実施形態の固体撮像装置１のカラムＡＤ回路２５における基本動作である信号取得差分処理を説明するためのタイミングチャートである。

画素部１０の各単位画素３で感知されたアナログの画素信号をデジタル信号に変換する仕組みとしては、たとえば、所定の傾きで下降するランプ波形状の参照信号RAMPと単位画素３からの画素信号における基準成分や信号成分の各電圧とが一致する点を探し、この比較処理で用いる参照信号RAMPの生成時点から、画素信号における基準成分や信号成分に応じた電気信号と参照信号とが一致した時点までをカウントクロックでカウント（計数）することで、基準成分や信号成分の各大きさに対応したカウント値を得る手法を採る。

ここで、垂直信号線１９から出力される画素信号は、時間系列として、基準成分としての画素信号の雑音を含むリセット成分ΔＶの後に信号成分Ｖsig が現れるものである。１回目の処理を基準成分（リセット成分ΔＶ）について行なう場合、２回目の処理は基準成分（リセット成分ΔＶ）に信号成分Ｖsig を加えた信号についての処理となる。以下具体的に説明する。

１回目の読出しのため、先ず通信・タイミング制御部２０は、モード制御信号ＣＮ５をローレベルにしてカウンタ部２５４をダウンカウントモードに設定するとともに、リセット制御信号ＣＮ６を所定期間アクティブ（本例ではハイレベル）にしてカウンタ部２５４のカウント値を初期値“０”にリセットさせる（ｔ９）。そして、任意の行Ｈｘの単位画素３から垂直信号線１９（Ｖ０，Ｖ１，…）への１回目の読出しが安定した後、通信・タイミング制御部２０は、参照信号生成部２７に向けて、参照信号RAMPa ，RAMPb 生成用の制御データＣＮ４ａ，ＣＮ４ｂを供給する。

これを受けて、参照信号生成部２７においては、先ず、Ｈｘ行上に存在する一方の色（奇数列のＲまたはＧ）のカラー画素特性に合わせた傾きβａを持ち全体として鋸歯状（RAMP状）に時間変化させた階段状の波形（RAMP波形）を持った参照信号RAMPa をＤＡ変換回路２７ａにて生成し、奇数列に対応するカラムＡＤ回路２５の電圧比較部２５２の一方の入力端子RAMPに、比較電圧として供給する。

同様に、Ｈｘ行上に存在する他方の色（偶数列のＧまたはＢ）のカラー画素特性に合わせた傾きβｂを持ち全体として鋸歯状（RAMP状）に時間変化させた階段状の波形（RAMP波形）を持った参照信号RAMPb をＤＡ変換回路２７ｂにて生成し、偶数列に対応するカラムＡＤ回路２５の電圧比較部２５２の一方の入力端子RAMPに、比較電圧として供給する。

電圧比較部２５２は、このRAMP波形の比較電圧と画素部１０から供給される任意の垂直信号線１９（Ｖｘ）の画素信号電圧とを比較する。

また、電圧比較部２５２の入力端子RAMPへの参照信号RAMPa ，RAMPb の入力と同時に、電圧比較部２５２における比較時間を、行ごとに配置されたカウンタ部２５４で計測するために、参照信号生成部２７から発せられるランプ波形電圧に同期して（ｔ１０）、カウンタ部２５４のクロック端子に通信・タイミング制御部２０からカウントクロックＣＫ０を入力し、１回目のカウント動作として、初期値“０”からダウンカウントを開始する。すなわち、負の方向にカウント処理を開始する。

電圧比較部２５２は、参照信号生成部２７からのランプ状の参照信号RAMPと垂直信号線１９を介して入力される画素信号電圧Ｖｘとを比較し、双方の電圧が同じになったときに、コンパレータ出力をＨレベルからＬレベルへ反転させる（ｔ１２）。つまり、リセット成分Ｖrst に応じた電圧信号と参照信号RAMPとを比較して、リセット成分Ｖrst の大きさに対応した時間経過後にアクティブロー（Ｌ）のパルス信号を生成して、カウンタ部２５４に供給する。

この結果を受けて、カウンタ部２５４は、コンパレータ出力の反転とほぼ同時にカウント動作を停止し、その時点のカウント値を画素データとしてラッチ（保持・記憶）することでＡＤ変換を完了する（ｔ１２）。つまり、電圧比較部２５２に供給するランプ状の参照信号RAMPの生成とともにダウンカウントを開始し、比較処理によってアクティブロー（Ｌ）のパルス信号が得られるまでクロックＣＫ０でカウント（計数）することで、リセット成分Ｖrst の大きさに対応したカウント値を得る。

通信・タイミング制御部２０は、所定のダウンカウント期間を経過すると（ｔ１４）、電圧比較部２５２への制御データの供給と、カウンタ部２５４へのカウントクロックＣＫ０の供給とを停止する。これにより、電圧比較部２５２は、ランプ状の参照信号RAMPの生成を停止する。

この１回目の読出し時は、画素信号電圧ＶｘにおけるリセットレベルＶrst を電圧比較部２５２で検知してカウント動作を行なっているので、単位画素３のリセット成分ΔＶを読み出していることになる。

このリセット成分ΔＶ内には、単位画素３ごとにばらつく雑音がオフセットとして含まれている。しかし、このリセット成分ΔＶのばらつきは一般に小さく、またリセットレベルＶrst は概ね全画素共通であるので、任意の垂直信号線１９の画素信号電圧Ｖｘにおけるリセット成分ΔＶの出力値はおおよそ既知である。

したがって、１回目のリセット成分ΔＶの読出し時には、RAMP電圧を調整することにより、ダウンカウント期間（ｔ１０〜ｔ１４；比較期間）を短くすることが可能である。本実施形態では、リセット成分ΔＶについての比較処理の最長期間を、７ビット分のカウント期間（１２８クロック）にして、リセット成分ΔＶの比較を行なっている。

続いての２回目の読出し時には、リセット成分ΔＶに加えて、単位画素３ごとの入射光量に応じた電気信号成分Ｖsig を読み出し、１回目の読出しと同様の動作を行なう。すなわち、先ず通信・タイミング制御部２０は、モード制御信号ＣＮ５をハイレベルにしてカウンタ部２５４をアップカウントモードに設定する（ｔ１８）。そして、任意の行Ｈｘの単位画素３から垂直信号線１９（Ｖ０，Ｖ１，…）への２回目の読出しが安定した後、通信・タイミング制御部２０は、信号成分Ｖsig についてのＡＤ変換処理のため、参照信号RAMPa生成用の制御データＣＮ４ａ（ここではオフセットOFFaと傾きβａを含む）をＤＡ変換回路２７ａに供給するとともに、参照信号RAMPb生成用の制御データＣＮ４ｂ（ここではオフセットOFFbと傾きβｂを含む）をＤＡ変換回路２７ｂに供給する。

これを受けて、参照信号生成部２７においては、先ず、Ｈｘ行上に存在する一方の色（奇数列のＲまたはＧ）のカラー画素特性に合わせた傾きβａを持ち全体として鋸歯状（RAMP状）に時間変化させた階段状の波形（RAMP波形）を持つとともに、リセット成分ΔＶ用の初期値Ｖarに対してオフセットOFFaだけ下がった参照信号RAMPa をＤＡ変換回路２７ａにて生成し、奇数列に対応するカラムＡＤ回路２５の電圧比較部２５２の一方の入力端子RAMPに、比較電圧として供給する。

同様に、Ｈｘ行上に存在する他方の色（偶数列のＧまたはＢ）のカラー画素特性に合わせた傾きβｂを持ち全体として鋸歯状（RAMP状）に時間変化させた階段状の波形（RAMP波形）を持つとともに、リセット成分ΔＶ用の初期値Ｖbrに対してオフセットOFFbだけ下がった参照信号RAMPb をＤＡ変換回路２７ｂにて生成し、偶数列に対応するカラムＡＤ回路２５の電圧比較部２５２の一方の入力端子RAMPに、比較電圧として供給する。

電圧比較部２５２は、このRAMP波形の比較電圧と画素部１０から供給される任意の垂直信号線１９（Ｖｘ）の画素信号電圧とを比較する。

先にも述べたように、このときの各参照電圧の初期電圧は、任意の複数の黒基準を生成する画素から得られる信号を元に算出されたものであり、ＤＡ変換回路２７ａから発せられる参照信号RAMPa とＤＡ変換回路２７ｂから発せられる参照信号RAMPb とでそれぞれ生ずる固有のばらつき成分を含む異なった値（オフセットOFFaおよびオフセットOFFb）となる。また、参照電圧の初期電圧は、黒基準を生成する画素から得られる信号以外にも任意のオフセットを含む場合もある。

電圧比較部２５２の入力端子RAMPへの参照信号RAMPa ，RAMPb の入力と同時に、電圧比較部２５２における比較時間を、行ごとに配置されたカウンタ部２５４で計測するために、参照信号生成部２７から発せられるランプ波形電圧に同期して（ｔ２０）、カウンタ部２５４のクロック端子に通信・タイミング制御部２０からカウントクロックＣＫ０を入力し、２回目のカウント動作として、１回目の読出し時に取得された単位画素３のリセット成分ΔＶに対応するカウント値から、１回目とは逆にアップカウントを開始する。すなわち、正の方向にカウント処理を開始する。

電圧比較部２５２は、参照信号生成部２７からのランプ状の参照信号RAMPと垂直信号線１９を介して入力される画素信号電圧Ｖｘとを比較し、双方の電圧が同じになったときに、コンパレータ出力をＨレベルからＬレベルへ反転させる（ｔ２２）。つまり、信号成分Ｖsig に応じた電圧信号と参照信号RAMPとを比較して、信号成分Ｖsig の大きさに対応した時間経過後にアクティブロー（Ｌ）のパルス信号を生成して、カウンタ部２５４に供給する。

この結果を受けて、カウンタ部２５４は、コンパレータ出力の反転とほぼ同時にカウント動作を停止し、その時点のカウント値を画素データとしてラッチ（保持・記憶）することでＡＤ変換を完了する（ｔ２２）。つまり、電圧比較部２５２に供給するランプ状の参照信号RAMPの生成とともにダウンカウントを開始し、比較処理によってアクティブロー（Ｌ）のパルス信号が得られるまでクロックＣＫ０でカウント（計数）することで、信号成分Ｖsig の大きさに対応したカウント値を得る。

通信・タイミング制御部２０は、所定のダウンカウント期間を経過すると（ｔ２４）、電圧比較部２５２への制御データの供給と、カウンタ部２５４へのカウントクロックＣＫ０の供給とを停止する。これにより、電圧比較部２５２は、ランプ状の参照信号RAMPの生成を停止する。

この２回目の読出し時は、画素信号電圧Ｖｘにおける信号成分Ｖsig を電圧比較部２５２で検知してカウント動作を行なっているので、単位画素３の信号成分Ｖsig を読み出していることになる。

ここで、本実施形態においては、カウンタ部２５４におけるカウント動作を、１回目の読出し時にはダウンカウント、２回目の読出し時にはアップカウントとしているので、カウンタ部２５４内で自動的に、式（１）で示す減算が行なわれ、この減算結果に応じたカウント値がカウンタ部２５４に保持される。

ここで、式（１）は、式（２）のように変形でき、結果としては、カウンタ部２５４に保持されるカウント値は信号成分Ｖsig に応じたものとなる。

つまり、上述のようにして、１回目の読出し時におけるダウンカウントと２回目の読出し時におけるアップカウントといった、２回の読出しとカウント処理によるカウンタ部２５４内での減算処理によって、単位画素３ごとのばらつきを含んだリセット成分ΔＶとカラムＡＤ回路２５ごとのオフセット成分とを除去することができ、単位画素３ごとの入射光量に応じた信号成分Ｖsig に黒基準成分の補正を加えた信号についてのデジタルデータのみを簡易な構成で取り出すことができる。この際、回路ばらつきやリセット雑音も除去できる利点がある。

よって、本実施形態のカラムＡＤ回路２５は、アナログの画素信号をデジタルの画素データに変換するデジタル変換部としてだけでなく、ＣＤＳ(Correlated Double Sampling ；相関２重サンプリング）処理機能部としても動作することとなる。

また、式（２）で得られるカウント値が示す画素データは正の信号電圧を示すので、補数演算などが不要となり、既存のシステムとの親和性が高い。

ここで、２回目の読出し時は、入射光量に応じた信号成分Ｖsig を読み出すので、光量の大小を広い範囲で判定するために、アップカウント期間（ｔ２０〜ｔ２４；比較期間）を広く取り、電圧比較部２５２に供給するランプ電圧を大きく変化させる必要がある。

そこで本実施形態では、信号成分Ｖsig についての比較処理の最長期間を、１０ビット分のカウント期間（１０２４クロック）にして、信号成分Ｖsig の比較を行なっている。つまり、リセット成分ΔＶ（基準成分）についての比較処理の最長期間を、信号成分Ｖsig についての比較処理の最長期間よりも短くする。リセット成分ΔＶ（基準成分）と信号成分Ｖsig の双方の比較処理の最長期間すなわちＡＤ変換期間の最大値を同じにするのではなく、リセット成分ΔＶ（基準成分）についての比較処理の最長期間を信号成分Ｖsig についての比較処理の最長期間よりも短くすることで、２回に亘るトータルのＡＤ変換期間が短くなるように工夫する。

この場合、１回目と２回目との比較ビット数が異なるが、通信・タイミング制御部２０から制御データを参照信号生成部２７に供給して、この制御データに基づいて参照信号生成部２７にてランプ電圧を生成するようにすることで、ランプ電圧の傾きすなわち参照信号RAMPの変化率を１回目と２回目とで同じにする。デジタル制御でランプ電圧を生成するので、ランプ電圧の傾きを１回目と２回目とで同じにすることが容易である。これにより、ＡＤ変換の精度を等しくできるため、アップダウンカウンタによる式（１）で示した減算結果が正しく得られる。

２回目のカウント処理が完了した後の所定のタイミングで（ｔ２８）、通信・タイミング制御部２０は水平走査回路１２に対して画素データの読出しを指示する。これを受けて、水平走査回路１２は、制御線１２ｃを介してカウンタ部２５４に供給する水平選択信号ＣＨ（ｉ）を順次シフトさせる。

こうすることで、カウンタ部２５４に記憶・保持した式（２）で示されるカウント値、すなわちｎビットのデジタルデータで表された画素データが、ｎ本の水平信号線１８を介して、順次、カラム処理部２６外や画素部１０を有するチップ外へ出力端子５ｃから出力され、その後、順次行ごとに同様の動作が繰り返されることで、２次元画像を表す映像データＤ１が得られる。

以上説明したように、第１実施形態の固体撮像装置によれば、アップダウンカウンタを用いつつ、その処理モードを切り替えて２回に亘ってカウント処理を行なうようにした。また、行列状に単位画素３が配列された構成において、カラムＡＤ回路２５を垂直列ごとに設けた列並列カラムＡＤ回路で構成した。

ここで、比較回路とカウンタとでＡＤ変換回路を構成するに当たり、比較回路に供給するＡＤ変換用の参照信号を発生する機能要素であるＤＡ変換回路を、カラー画像撮像に使用する色分解フィルタにおける色フィルタの全色分を用意するのではなく、色の種類や配列で決まる色の繰返しサイクルに応じた所定色の組合せに応じた分だけ設けるようにした。また、処理対象行が切り替わることで、その処理対象行に存在する所定色の組合せが切り替わることに応じて、ＤＡ変換回路が発する参照信号（アナログ基準電圧）の変化特性（具体的には傾き）や初期値を、色フィルタすなわちアナログの画素信号の特性に応じて切り替えるようにした。

これにより、参照電圧発生器として機能するＤＡ変換回路や参照電圧発生器からの配線を色分解フィルタを構成する色フィルタの数よりも少なくすることができ、また、色フィルタごとに参照電圧発生器を用意した場合に必要となるアナログ基準電圧（参照信号）を選択的に出力するマルチプレクサも不要となるので、大幅に回路規模が縮小できる。

また、処理対象行に存在する所定色の組合せが切り替わることに応じて、ＤＡ変換回路が発する参照信号の変化特性（具体的には傾き）を切替設定するようにしたので、画素部１０を構成する各カラー画素の特性に応じて互いに異なる基準電圧を各々生成して比較処理を行なうことによって、単位画素から出力されるアナログの画素信号をデジタルデータに変換する際、各々のカラーに応じて参照信号の傾きを調節することで、各カラーの特性を緻密に制御することができる。

加えて、ＤＡ変換回路が発する参照信号の初期値をＤＡ変換回路で生ずる固有のばらつき成分や黒基準成分に応じて切替設定するようにしたので、回路ばらつきを補正できるとともに、黒基準成分の補正を加えた信号のみについて簡易な構成でＡＤ変換することができる。

さらに、基準成分（リセット成分）と信号成分との減算処理が２回目のカウント結果として垂直列ごとに直接に取得することができ、基準成分と信号成分のそれぞれのカウント結果を保持するメモリ装置をカウンタ部が備えるラッチ機能で実現でき、ＡＤ変換されたデータを保持する専用のメモリ装置をカウンタとは別に用意する必要がない。

加えて、基準成分と信号成分との差を取るための特別な減算器が不要になる。よって、従来構成よりも、回路規模や回路面積を少なくすることができ、加えて、雑音の増加や電流あるいは消費電力の増大を解消することができる。

また、比較部とカウンタ部でカラムＡＤ回路（ＡＤ変換部）を構成したので、ビット数によらずカウンタ部を動作させるカウントクロック１本とカウントモードを切り替える制御線とでカウント処理を制御でき、従来構成で必要としていたカウンタ部のカウント値をメモリ装置まで導く信号線が不要になり、雑音の増加や消費電力の増大を解消することができる。

つまり、ＡＤ変換装置を同一チップ上に搭載した固体撮像装置１において、電圧比較部２５２とカウンタ部２５４とを対にしてＡＤ変換部としてのカラムＡＤ回路２５を構成するとともに、カウンタ部２５４の動作としてダウンカウントとアップカウントとを組み合わせて使用しつつ、処理対象信号の基本成分（本実施形態ではリセット成分）と信号成分との差をデジタルデータにすることで、回路規模や回路面積や消費電力、あるいは他の機能部と間のインタフェース用配線の数や、この配線によるノイズや消費電流などの問題を解消することができる。

＜第２実施形態；固体撮像装置の構成＞
図５は、本発明の第２実施形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置の概略構成図である。第２実施形態の固体撮像装置１は、第１実施形態の固体撮像装置１に対して、カラムＡＤ回路２５の構成を変形している。

すなわち、第２実施形態におけるカラムＡＤ回路２５は、カウンタ部２５４の後段に、このカウンタ部２５４の保持したカウント結果を保持するｎビットのメモリ装置としてのデータ記憶部２５６と、カウンタ部２５４とデータ記憶部２５６との間に配されたスイッチ２５８とを備えている。

スイッチ２５８には、他の垂直列のスイッチ２５８と共通に、通信・タイミング制御部２０から、所定のタイミングで、制御パルスとしてのメモリ転送指示パルスＣＮ８が供給される。スイッチ２５８は、メモリ転送指示パルスＣＮ８が供給されると、対応するカウンタ部２５４のカウント値をデータ記憶部２５６に転送する。データ記憶部２５６は、転送されたカウント値を保持・記憶する。

なお、カウンタ部２５４のカウント値を所定のタイミングでデータ記憶部２５６に保持させる仕組みは、両者間にスイッチ２５８を配する構成に限らず、たとえば、カウンタ部２５４とデータ記憶部２５６とを直接に接続しつつ、カウンタ部２５４の出力イネーブルをメモリ転送指示パルスＣＮ８で制御することで実現することもできるし、データ記憶部２５６のデータ取込タイミングを決めるラッチクロックとしてメモリ転送指示パルスＣＮ８を用いることでも実現できる。

データ記憶部２５６には、水平走査回路１２から制御線１２ｃを介して制御パルスが入力される。データ記憶部２５６は、制御線１２ｃを介しての制御パルスによる指示があるまでは、カウンタ部２５４から取り込んだカウント値を保持する。

水平走査回路１２は、カラム処理部２６の各電圧比較部２５２とカウンタ部２５４とが、それぞれが担当する処理を行なうのと並行して、各データ記憶部２５６が保持していたカウント値を読み出す読出走査部の機能を持つ。

＜第２実施形態；パイプライン処理の動作＞
図６は、図５に示した第２実施形態の固体撮像装置１のカラムＡＤ回路２５における基本動作を説明するためのタイミングチャートである。カラムＡＤ回路２５におけるＡＤ変換処理は、第１実施形態と同様である。ここではその詳細な説明を割愛する。

第２実施形態においては、第１実施形態の構成に、データ記憶部２５６を追加したものであり、ＡＤ変換処理を始めとする基本的な動作は第１実施形態と同様であるが、カウンタ部２５４の動作前（ｔ６）に、通信・タイミング制御部２０からのメモリ転送指示パルスＣＮ８に基づき、前行Ｈｘ−１の処理時におけるカウント結果をデータ記憶部２５６に転送する。

第１実施形態では、処理対象の画素信号における２回目の読出処理、すなわちＡＤ変換処理が完了した後でなければ画素データをカラム処理部２６の外部に出力することができないので、読出処理には制限があるのに対して、第２実施形態の構成では、処理対象の画素信号における１回目の読出処理（ＡＤ変換処理）に先立って前回の減算処理結果を示すカウント値をデータ記憶部２５６に転送しているので、読出処理には制限がない。

よって、このような第２実施形態の構成によれば、カウンタ部２５４が保持したカウント結果をデータ記憶部２５６に転送することができるため、カウンタ部２５４のカウント動作すなわちＡＤ変換処理と、カウント結果の水平信号線１８への読出動作とを独立して制御可能であり、ＡＤ変換処理と外部（先ずは水平信号線１８）への信号の読出動作とを独立・並行して行なうパイプライン動作が実現できる。

＜第３実施形態；固体撮像装置の構成；エメラルド画素を追加＞
図７は、本発明の第３実施形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置の概略構成図である。第３実施形態の固体撮像装置１は、色分離フィルタの色フィルタの配列を変形している点に特徴を有する。具体的には、第１および第２実施形態では、正方格子状に配された単位画素３に対して、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色カラーフィルタをベイヤ（Ｂａｙｅｒ）配列の基本形に従って配列していたが、フィルタ色やその配列順はベイヤ配列の基本形に限定されない。たとえば、ベイヤ配列の改良形にすることもできるし、補色フィルタあるいはその他のフィルタ色を用いることができる。

たとえば、図７に示すように、奇数行偶数列に配した第２のカラー（緑；Ｇ）を感知するための第２のカラー画素に代えて、第４のカラー（エメラルド；Ｅ）を感知するための第４のカラー画素を配してもよい。

この場合でも、行ごとに異なったＲ／Ｅ、またはＧ／Ｂの２色のカラー画素が市松模様状に配置されている。このような色配列は、行方向および列方向の何れについても、Ｒ／ＥまたはＧ／Ｂの２色が２つごとに繰り返される点においては、ベイヤ配列の基本形と同じである。

つまり、カラー画素に色再現性を高めるために第４のカラー画素Ｅが加わったものであり、全体の動作は、第１実施形態と全く同様にすることができ、処理対象行に存在する所定色の組合せが切り替わることに応じて、ＤＡ変換回路が発する参照信号の変化特性（傾き）や初期値を、色フィルタすなわちアナログの画素信号の特性に応じて切り替えるなどに関しては第１実施形態と同様にすればよく、参照電圧発生器として機能するＤＡ変換回路を削減できる点やマルチプレクサが不要である、各々のカラーに応じて参照信号の傾きを調節することで各カラーの特性を緻密に制御することができる、あるいは黒基準成分や回路オフセット成分の補正を加えた信号のみについて簡易な構成でＡＤ変換することができるなど、第１実施形態で述べたと同様の効果を享受することができる。

色信号処理についての詳細な説明は割愛するが、４色カラーフィルタに対応して、４色で撮影された各色の映像信号から、人間の目に近いＲＧＢの３色を作り出すためのマトリックス演算を行なう画像処理プロセッサを出力回路２８の後段に設ける。赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）のフィルタに加えてエメラルド（Ｅ）のフィルタを搭載すれば、３色カラーフィルタよりも色再現の差を低減させることができ、たとえば青緑色や赤色の再現性を向上させることができる。

＜参照信号生成部の構成例；第１例＞
図８は、参照信号生成部２７の具体的な構成例の第１例を示すブロック図である。この第１例の参照信号生成部２７は、読出単位である水平行方向に関して色分離フィルタの繰返単位内に存在する色フィルタの数分だけ設けた各参照信号生成出力部（本例ではＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂ）のそれぞれについて、対応する色フィルタの色特性の観点から決定される傾きを持つとともに、黒レベルや回路オフセットなど色特性とは異なる観点から決定される初期値を持つ参照信号を生成して出力する色対応参照信号生成部を、水平行方向とは異なる方向である異方向としての垂直列方向に関して、色フィルタ配列の繰返単位内に存在する色フィルタの数分だけ設けるとともに、この色対応参照信号生成部から独立に出力される各参照信号の何れか一方を、処理対象行の切替え（読出単位の切替え）に応じて選択して、対応する信号線に出力する選択部を設けるようにした点に、第１の特徴を有する。

また、それぞれの色対応参照信号生成部を、並列に配された複数の定電流源を含んで構成されるものとするとともに、所定の制御信号に基づき並列に配された複数の定電流源の中から１つもしくは複数を選択する定電流源選択部と、並列に配された複数の定電流源に流れる電流を制御することで、色対応参照信号生成部から出力される参照信号が、対応する色フィルタの色特性に応じた変化特性を持って変化するように制御する変化特性制御部とを設けるようにした点に、第２の特徴を有する。特に、定電流源選択部を、個別の参照信号生成出力部ごとに設けている点に特徴を有する。

さらに、変化特性制御部を、並列に配された複数の定電流源に対してカレントミラー構造を有する基準定電流源を有するもので構成し、この基準定電流源に流れる電流を調整可能に構成することで、色対応参照信号生成部から出力される参照信号が、対応する色フィルタの色特性に応じた変化特性を持って変化するようにした点に第３の特徴を有する。

さらに、それぞれの色対応参照信号生成部に設けられる並列に配された複数の定電流源によって生成される参照信号の初期値を設定する初期値設定部を各色対応参照信号生成部に設けるとともに、色対応参照信号生成部から出力される参照信号の初期値が、黒基準や回路オフセット成分など、対応する色フィルタの色特性とは異なる非色特性に基づくものに設定可能にした点に第４の特徴を有する。特に、この初期値設定部を、並列に配された複数の定電流源に流れる電流に初期値を与える電流を重畳する初期値設定電流源を有するもので構成し、この初期値設定電流源に流れる電流を調整可能に構成している点に特徴を有する。

具体的には、図８に示す第１例の参照信号生成部２７は、ベイヤ配列の画素部１０を有する第１および第２実施形態の固体撮像装置１に対応するものであり、先ず、Ｈｘ行上に存在する一方の色（奇数列のＲまたはＧ）用の参照信号RAMPa を発するＤＡ変換回路２７ａは、この奇数列のＲ色に対応した内部に並列に配された複数の定電流源２７０Ｒ-1〜-nを含む定電流源アレイ２７０ＲおよびＧ色に対応した内部に並列に配された複数の定電流源２７０Ｇ-1〜-nを含む定電流源アレイ２７０Ｇと、各定電流源アレイ２７０Ｒ，２７０Ｇの各定電流源を所定の規則に従って選択する定電流源選択部２８０とを含んで構成されている。

また、ＤＡ変換回路２７ａは、順次切り替わる処理対象行に応じて定電流源アレイ２７０Ｒ，２７０Ｇのうち一方に切り替える定電流源アレイ選択部２９０と、基準電圧Ｖref を定電流源アレイ２７０Ｒ，２７０Ｇの組合せで分圧する分圧抵抗２９８ａとを含んで構成されている。

分圧抵抗２９８ａと定電流源アレイ選択部２９０との接続点は、ＤＡ変換回路２７ａの出力端２９９ａに接続され、この出力端２９９ａからランプ波形を呈する参照信号RAMPa が出力される。

また同様に、Ｈｘ行上に存在する他方の色（偶数列のＧまたはＢ）用の参照信号RAMPb を発するＤＡ変換回路２７ｂは、この偶数列のＧに対応した内部に並列に配された複数の定電流源２７２Ｇ-1〜-nを含む定電流源アレイ２７２Ｇおよび内部に並列に配された複数の定電流源２７２Ｂ-1〜-nを含む定電流源アレイ２７２Ｂと、各定電流源アレイ２７２Ｇ，２７２Ｂの各定電流源を所定の規則に従って選択する定電流源選択部２８２とを含んで構成されている。

また、ＤＡ変換回路２７ｂは、順次切り替わる処理対象行に応じて定電流源アレイ２７２Ｇ，２７２Ｂのうち一方に切り替える定電流源アレイ選択部２９０と、基準電圧Ｖref を定電流源アレイ２７２Ｇ，２７２Ｂの組合せで分圧する分圧抵抗２９８ｂとを含んで構成されている。

分圧抵抗２９８ｂと定電流源アレイ選択部２９２との接続点は、ＤＡ変換回路２７ａの出力端２９９ｂに接続され、この出力端２９９ｂからランプ波形を呈する参照信号RAMPb が出力される。

定電流源アレイ２７０Ｒ，２７０Ｇ、２７２Ｇ、２７２Ｂは、何れも、対応する色フィルタの色特性に応じた参照信号を生成して出力する個別の色対応参照信号生成部の一例である。

定電流源選択部２８０にはカウントクロックＣＫdacaが、また、定電流源選択部２８２にはカウントクロックＣＫdacbが、それぞれ通信・タイミング制御部２０から入力される。定電流源選択部２８０，２８２は、各定電流源アレイ２７０Ｒ，２７０Ｇ，２７２Ｇ，２７２Ｂに内蔵されている所定数の定電流源に中から、カウントクロックＣＫdaca，ＣＫdacbごとに、１つもしくは複数個選択することで、階段状の鋸歯状波（ランプ電圧）が参照信号RAMPa ，RAMPb としてＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂの各出力端２９９ａ，２９９ｂから出力されるようにする。

定電流源アレイ２７０Ｒに設けられる定電流源２７０Ｒ-1〜-nとしては、第１例としては、電流値の重付けが全て等しいものを、たとえば８ビット対応の場合にはｎ＝２５６、１０ビット対応の場合にはｎ＝１０２４というように、ビット数に応じた段数分だけ用意するとよい。定電流源選択部２８０は、カウントクロックＣＫdacaのアクティブエッジ（たとえば立下りエッジ）が入力される度に、オンする定電流源を順次増やして行く。このような構成にすると、オンする定電流源が順次増えて行くので、ランプ波形に段差が生じることがない。なお、たとえば、ｎ＝１２８あるいは２５６程度ごとに別に設けたカウンタでカウントし、重み付けした別の定電流源を順次オンするようにしてもよい。

あるいは、第２例としては、定電流源アレイ２７０Ｒに設けられる定電流源２７０Ｒ-1〜-nとしては、ビット数分だけ用意する。各定電流源に対しては、ビットに応じた電流値の重付けをする。定電流源選択部２８０にはカウンタ回路を設け、そのカウンタ回路のビット出力で、ビット数分の各定電流源をオン／オフする。このような構成にすると、第１例の構成に比べて定電流源の数が飛躍的に少なくなるが、ビットに応じた重付けのばらつきや温度などの環境変化によりビットの桁上がり部分でランプ波形に段差が生じる虞れがある。

また、この第１例特有の構成として、定電流源アレイ２７０Ｒは、リセット成分ΔＶ用の初期値Ｖarに対してオフセットoffaR を制御信号Ｊ１−Ｒに従って設定する定電流源２７０Ｒ-offを有するとともに、奇数列のＲ色のカラー画素特性に合わせた傾きβaRを制御信号Ｊ２−Ｒに従って設定する定電流源２７０Ｒ-βaを有する。

定電流源２７０Ｒ-offは、処理対象の単位画素３（単位構成要素）に設けられている色フィルタの色特性とは異なる観点に基づいて初期値を設定する初期値設定部の一例である。この定電流源２７０Ｒ-offに流れる電流を制御信号Ｊ１−Ｒにより調整することで信号成分Ｖsig 用の初期値Ｖasを設定でき、ＤＡ変換回路２７ａの出力端２９９ａから出力される階段状を呈する参照信号RAMPa におけるリセット成分ΔＶ用の初期値Ｖarに対してのオフセットoffaR を設定することができる。

また、定電流源２７０Ｒ-βaは、定電流源アレイ２７０Ｒ内に存在する複数の定電流源２７０Ｒ-1〜-nおよび定電流源２７０Ｒ-offに流れる電流を制御することで、色対応参照信号生成部としてのＲ色用の定電流源アレイ２７０Ｒから出力される参照信号RAMPaRが、対応するＲ色フィルタの色特性に応じた変化特性を持って変化するように制御する変化特性制御部の一例である。

この定電流源２７０Ｒ-βaは、定電流源２７０Ｒ-1〜-nおよび定電流源２７０Ｒ-offとの間でカレントミラー（ＣＭ；Current Mirror）を構成しており、定電流源２７０Ｒ-βaに流れる電流と定電流源２７０Ｒ-1〜-nおよび定電流源２７０Ｒ-offに流れる電流との間には比の関係がある。よって、定電流源２７０Ｒ-βaに流れる電流を制御信号Ｊ２−Ｒにより調整することで、定電流源２７０Ｒ-1〜-nおよび定電流源２７０Ｒ-offに流れる電流、つまり定電流源アレイ２７０Ｒの出力端に現われる参照信号RAMPaRの傾きβaR、結果的には、ＤＡ変換回路２７ａの出力端に現われる参照信号RAMPa の傾きβaRを調整できる。

同様に、定電流源アレイ２７０Ｇは、リセット成分ΔＶ用の初期値Ｖagに対してオフセットoffaG を制御信号Ｊ１−Ｇに従って設定する定電流源２７０Ｇ-offを有するとともに、奇数列のＧ色のカラー画素特性に合わせた傾きβaGを制御信号Ｊ２−Ｇに従って設定する定電流源２７０Ｇ-βaを有する。また、定電流源アレイ２７２Ｇは、リセット成分ΔＶ用の初期値Ｖbgに対してオフセットoffbG を制御信号Ｊ３−Ｇに従って設定する定電流源２７２Ｇ-offを有するとともに、偶数列のＧ色のカラー画素特性に合わせた傾きβbGを制御信号Ｊ４−Ｇに従って設定する定電流源２７２Ｇ-βbを有する。また、定電流源アレイ２７２Ｂは、リセット成分ΔＶ用の初期値Ｖbbに対してオフセットoffbB を制御信号Ｊ３−Ｂに従って設定する定電流源２７２Ｂ-offを有するとともに、偶数列のＢ色のカラー画素特性に合わせた傾きβbBを制御信号Ｊ４−Ｂに従って設定する定電流源２７２Ｂ-βbを有する。

定電流源２７０Ｇ-off、定電流源２７０Ｇ-βa、定電流源２７２Ｇ-off、定電流源２７２Ｇ-βb、定電流源２７２Ｂ-off、定電流源２７２Ｂ-βbの何れも、各機能部の基本的な動作は、ＤＡ変換回路２７ａにおける定電流源アレイ２７０Ｒのものと同様である。ここでは、それらについての詳細な説明を割愛する。

このような第１例のＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂによれば、定電流源の組合せとその定電流源をオン／オフすることでランプ電圧を呈する参照信号を生成する定電流源アレイの構成に加えて、定電流源２７＃＠-off（＃は０，２の何れか、＠はＲ，Ｇ，Ｂの何れか）を用いてをリセット成分ΔＶ用の初期値Ｖa，Ｖｂに対してのオフセットoff を設定するとともに、同様に、定電流源２７＃＠-β*（＃は０，２の何れか、＠はＲ，Ｇ，Ｂの何れか、＊はａ，ｂの何れか）を用いてランプ電圧を呈する参照信号の傾きβ＊＠を調整するようにした。基本となる参照信号を生成する定電流源２７＃＠-1〜-nのアレイ（並列配置）の構成とのマッチングもよく、簡易な構成で、任意の行の２色のカラー画素特性に合わせた傾きβａもしくはβｂを持った参照電圧を生成することができ、しかも、オフセットも調整できるので、黒基準成分や回路オフセットの補正を加えることもできる利点がある。

なお、この第１例では、参照信号のオフセットおよび傾き変更用に、オフセット変更用の定電流源２７＃＠-offと傾き変更用の定電流源２７＃＠-β*を設けているが、その他の手段として、たとえば、オフセットは基準電圧Ｖref を直接変更することによっても調整可能である。また、傾きは、定電流源２７＃＠-１〜ｎの単位電流源の電流量を直接に制御することによっても調整可能である。

＜参照信号生成部の構成例；第２例＞
図９は、参照信号生成部２７の具体的な構成例の第２例を示すブロック図である。この第２例の参照信号生成部２７は、第１例の構成を採るとともに、第４のカラー画素としてエメラルド画素を追加した第３実施形態の固体撮像装置１に対応するものである。定電流源アレイ２７２Ｇを定電流源アレイ２７２Ｅに変更しただけであり、基本的な動作や効果は、第１例のものと同様である。ここでは、定電流源アレイ２７２Ｅについての詳細な説明を割愛する。

＜参照信号生成部の構成例；第３例＞
図１０は、参照信号生成部２７の具体的な構成例の第３例を示すブロック図である。この第３例の参照信号生成部２７は、所定の制御信号に基づき並列に配された複数の定電流源の中から１つもしくは複数を選択する定電流源選択部を、個別の参照信号生成出力部に対して共通に設けるようにした点に特徴を有する。

具体的には、図１０に示す第３例の参照信号生成部２７は、ベイヤ配列の画素部１０を有する第１および第２実施形態の固体撮像装置１に対応するものであり、第１例の構成におけるＤＡ変換回路２７ａおよびＤＡ変換回路２７ｂごとに設けていた定電流源選択部２８０，２８２を、共通の定電流源選択部２８４に変更している点に特徴を有する。

定電流源選択部２８４にはカウントクロックＣＫdac が通信・タイミング制御部２０から入力される。定電流源選択部２８４は、各定電流源アレイ２７０Ｒ，２７０Ｇ，２７２Ｇ，２７２Ｂに内蔵されている所定数の定電流源に中から、カウントクロックＣＫdac ごとに、１つもしくは複数個選択することで、階段状の鋸歯状波（ランプ電圧）が参照信号RAMPa ，RAMPb としてＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂの各出力端２９９ａ，２９９ｂから出力されるようにする。

ここで、第１例の構成における定電流源選択部２８０、２８２の選択動作は、定電流源アレイ２７０Ｒ，２７０Ｇ，２７２Ｇ，２７２Ｂを同様の構成とすれば、基本的に同じでよく、１つの回路によるオン／オフ動作で、階段状の鋸歯状波を参照信号RAMPa ，RAMPb としてＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂの各出力端２９９ａ，２９９ｂから出力させることができる。

第３例の構成はこの点に着目してなされたものである。このように構成することにより、定電流源アレイ内の定電流源を選択切替えする回路を第１例の構成に比べて減らすことが可能となる。

＜参照信号生成部の構成例；第４例＞
図１１は、参照信号生成部２７の具体的な構成例の第４例を示すブロック図である。この第４例の参照信号生成部２７は、第３例の構成を採るとともに、第４のカラー画素としてエメラルド画素を追加した第３実施形態の固体撮像装置１に対応するものである。定電流源アレイ２７２Ｇを定電流源アレイ２７２Ｅに変更しただけであり、基本的な動作は、第３例のものと同様である。ここでは、定電流源アレイ２７２Ｅや定電流源選択部２８４についての詳細な説明を割愛する。

＜参照信号生成部の構成例；第５例＞
図１２は、参照信号生成部２７の具体的な構成例の第５例を示すブロック図である。この第５例の参照信号生成部２７は、色分離フィルタの２次元の繰返単位内に同一色の色フィルタが複数存在する場合に、その同一色フィルタに対応する第１の色対応参照信号生成部を設け、単独に存在する色成分についての個別の参照信号生成出力部には、単独に存在する色成分についての第２の色対応参照信号生成部を設けるとともに、前記第１の色対応参照信号生成部を共通に使用する（兼用する）ように構成した点に特徴を有する。

また、第１の色対応参照信号生成部および第２の色対応参照信号生成部から独立に出力されるそれぞれの参照信号の何れか一方を、処理対象の読出単位（たとえば処理対象行）の切り替えに応じて選択して、対応する信号線に出力する選択部を設けるようにした点に特徴を有する。

具体的には、図１２に示す第５例の参照信号生成部２７は、ベイヤ配列の画素部１０を有する第１および第２実施形態の固体撮像装置１に対応するものであり、第３例の構成におけるＤＡ変換回路２７ａおよびＤＡ変換回路２７ｂごとに設けていた定電流源アレイ２７０Ｇと定電流源アレイ２７２Ｇとを、共通の定電流源アレイ２７４Ｇに変更している点に特徴を有する。つまり、ベイヤ配列における２箇所に現われる第２のカラー画素Ｇに対応した定電流源アレイを共有するようにしている点に特徴を有する。

処理対象行に応じて、定電流源アレイ選択部２９０および定電流源アレイ選択部２９２の何れか一方が、定電流源アレイ２７０Ｇを選択する。具体的には、処理対象行が奇数行のときには、定電流源アレイ選択部２９０が定電流源アレイ２７０Ｒを選択し、定電流源アレイ選択部２９０が定電流源アレイ２７０Ｇを選択する。一方、処理対象行が偶数行のときには、定電流源アレイ選択部２９０が定電流源アレイ２７０Ｇを選択し、定電流源アレイ選択部２９０が定電流源アレイ２７０Ｂを選択する。

このような構成にすることにより、定電流源アレイ内の定電流源を選択切替えする回路と、ベイヤ配列に応じた対となる２つの定電流源アレイの何れか一方を選択する回路とを第１例や第３例の構成に比べて減らすことが可能となる。

なお、この第５例では、第３例の構成に対してＧ色用の定電流源アレイを共有するように変更を加えていたが、第１例の構成に対してＧ色用の定電流源アレイを共有するように変更を加えることもできる。

＜参照信号生成部の構成例；第６例＞
図１３は、参照信号生成部２７の具体的な構成例の第６例を示すブロック図である。この第６例の参照信号生成部２７は、各ＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂに、垂直列方向の色フィルタ配列に応じた個別の色対応参照信号生成部を設けるのではなく、１つの色対応参照信号生成部を設けておき、処理対象行が切り替わるごとに、その切り替えに伴う色フィルタの配列の繰返単位を構成する色の組合せの変更に応じて、通信・タイミング制御部２０が、変化特性（具体的には傾き）や初期値をＤＡ変換回路に設定するようにした点に特徴を有する。

フィルタ配列としては、色分離フィルタの繰返しサイクルが２画素×２画素の２次元マトリクスである限り、何れものにも対応でき、たとえば第１あるいは第２実施形態のようなベイヤ配列に対応することもできるし、第４色をエメラルドとした第３実施形態のような配列にも対応できる。

回路構成としては、先ず、ＤＡ変換回路２７ａは、先ず定電流源アレイ選択部２９０を取り外し、色対応参照信号生成部の一例である１つの定電流源アレイ２７０ａを設ける。定電流源アレイ２７０ａの出力側を出力端２９９ａに直接に接続する。

定電流源アレイ２７０ａは、リセット成分ΔＶ用の初期値Ｖarに対してオフセットoffaを制御信号Ｊ１−ａに従って設定する定電流源２７０ａ-offを有するとともに、奇数列のＲ色やＧ色のカラー画素特性に合わせた傾きβａを制御信号Ｊ２−ａに従って設定する定電流源２７０ａ-βaを有する。

定電流源２７０ａ-offに流れる電流を制御信号Ｊ１−ａにより調整することで信号成分Ｖsig 用の初期値Ｖasを設定でき、ＤＡ変換回路２７ａの出力端２９９ａから出力される階段状を呈する参照信号RAMPa におけるリセット成分ΔＶ用の初期値Ｖarに対してのオフセットoffａ を設定することができる。

また、定電流源２７０ａ-βaは、定電流源２７０ａ-1〜-nおよび定電流源２７０ａ-offとの間でカレントミラー（ＣＭ；Current Mirror）を構成しており、定電流源２７０ａ-βaに流れる電流と定電流源２７０ａ-1〜-nおよび定電流源２７０ａ-offに流れる電流との間には比の関係がある。よって、定電流源２７０ａ-βaに流れる電流を制御信号Ｊ２−ａにより調整することで、定電流源２７０ａ-1〜-nおよび定電流源２７０ａ-offに流れる電流、つまりＤＡ変換回路２７ａの出力端に現われる傾きβａを調整できる。

同様に、ＤＡ変換回路２７ｂは、先ず定電流源アレイ選択部２９２を取り外し、色対応参照信号生成部の一例である１つの定電流源アレイ２７０ｂを設ける。定電流源アレイ２７０ｂの出力側を出力端２９９ｂに直接に接続する。

定電流源アレイ２７０ｂは、リセット成分ΔＶ用の初期値Ｖbrに対してオフセットoffbを制御信号Ｊ１−ｂに従って設定する定電流源２７０ｂ-offを有するとともに、偶数列のＧ色（もしくはＥ色）やＢ色のカラー画素特性に合わせた傾きβｂを制御信号Ｊ２−ｂに従って設定する定電流源２７０ｂ-βbを有する。

定電流源２７０ｂ-offに流れる電流を制御信号Ｊ１−ｂにより調整することで信号成分Ｖsig 用の初期値Ｖbsを設定でき、ＤＡ変換回路２７ｂの出力端２９９ｂから出力される階段状を呈する参照信号RAMPb におけるリセット成分ΔＶ用の初期値Ｖbrに対してのオフセットoffｂ を設定することができる。

また、定電流源２７０ｂ-βbは、定電流源２７０ｂ-1〜-nおよび定電流源２７０ｂ-offとの間でカレントミラー（ＣＭ；Current Mirror）を構成しており、定電流源２７０ｂ-βbに流れる電流と定電流源２７０ｂ-1〜-nおよび定電流源２７０ｂ-offに流れる電流との間には比の関係がある。よって、定電流源２７０ｂ-βbに流れる電流を制御信号Ｊ２−ｂにより調整することで、定電流源２７０ｂ-1〜-nおよび定電流源２７０ｂ-offに流れる電流、つまりＤＡ変換回路２７ｂの出力端に現われる傾きβｂを調整できる。

このように、読出単位である水平行方向に関して、色フィルタの繰返しサイクル（配列単位）内に存在する色フィルタ数分だけの色対応参照信号生成部（本例では定電流源アレイ２７０ａ，２７０ｂ）を設けておき、変化特性（具体的には傾き）や初期値を、処理対象行が切り替わるごとに、その切り替えに伴う色フィルタの配列の繰返単位を構成する色の組合せの変更に応じて、各ＤＡ変換回路（本例では色対応参照信号生成部の一例である定電流源アレイ）に設定するようにすれば、第１例〜第５例のような、垂直列方向に関しての色フィルタのそれぞれに応じた色対応参照信号生成部と、その色対応参照信号生成部を処理対象行に応じて切り替える選択部とを設ける必要がなく、参照信号生成部２７の全体構成の規模をさらに縮小することができる。

以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

また、上記の実施形態は、クレーム（請求項）にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

たとえば、上記実施形態では、正方形状の単位画素３が正方格子状に配列され、かつ２画素（行方向）×２画素（列方向）を繰返単位とする色分離フィルタを備えたものを対象に、行方向における繰返単位である２画素分のＤＡ変換回路２７ａ，２７ｂを用意した構成について説明したが、色分離フィルタの繰返単位は、２画素（行方向）×２画素（列方向）のものに限らない。たとえば、３画素（行方向）×２画素（列方向）のものの場合、行方向における繰返単位である３画素分のＤＡ変換回路を用意すればよい。

また、上記実施形態では、正方形状の単位画素３が正方格子状に配列されたものを対象に説明したが、単位画素の配列は、正方格子状に限らず、たとえば、図１に示した画素部１０を斜め４５度に傾けた配列状態の斜行格子状のものであってもよい。

また、単位画素の平面視上の形状が正方であるものとしていたが、正方に限らず、たとえば、６角形（ハニカム状）であってもよい。この場合、単位画素の配列は、たとえば以下のようにする。１つの単位画素列および１つの単位画素行は、それぞれ複数個の単位画素を含むようにする。

偶数列を構成している複数個の単位画素の各々は、奇数列を構成している複数個の単位画素に対し、各単位画素列内での単位画素同士のピッチの約１／２、列方向にずらす。同様に、偶数行を構成する複数個の単位画素の各々は、奇数行を構成する複数個の単位画素に対し、各単位画素行内での単位画素同士のピッチの約１／２、行方向にずらす。単位画素列の各々は、奇数行または偶数行の単位画素のみを含むようにする。

これら単位画素の電荷生成部に蓄積された信号電荷に基づく画素信号をカラム処理部２６側へ読み出すために、行制御線を設けるが、その配置は、ハニカム状の単位画素３の周りに蛇行して配される。逆に言えば、行制御線をハニカム状に配設することによって生じる６角形の隙間それぞれに、単位画素の各々が平面視上に位置するようにする。こうすることで、全体としては、約１／２ピッチの画素ずらしを交互にしながら、垂直方向に画素信号を読み出すようになる。

この単位画素や行制御線をハニカム配列にすれば、個々の単位画素における電荷生成部の受光面の面積低下を抑制しつつ、画素密度を向上させることができる。

単位画素の形状や配列に拘らず、何れの場合も、画素部１０をカラー撮像対応にする場合、同時アクセスする読出単位に応じた所定方向において、色分離フィルタの繰返単位の内に存在する色フィルタのそれぞれに対応させて個別の参照信号生成出力部を用意すればよい。要するに、色分離フィルタの繰返単位の内に存在する色フィルタの数分の独立した参照信号生成出力部を用意すればよい。

また、上記実施形態では、モード切替え後のカウント処理時に、切替え前の最終カウント値からカウント処理を開始するようにしていたが、カウント出力値がカウントクロックＣＫ０に同期して出力される同期式のアップダウンカウンタを用いる場合には、モード切替時に特段の対処を要することなく、このことを実現できる。

しかしながら、動作制限周波数が最初のフリップフロップ（カウンタ基本要素）の制限周波数でのみ決められ高速動作に適する利点がある非同期式のアップダウンカウンタを用いる場合には、カウントモードを切り替えた際、カウント値が破壊されてしまい、切替え前後で値を保ったまま連続しての正常なカウント動作が行なえない問題を有する。よって、モード切替え前のカウント値からモード切替え後のカウント処理を開始可能にする調整処理部を設けることが好ましい。なお、ここでは調整処理部の詳細については説明を割愛する。なお、複数の信号間で加算処理を行なう場合、前段と後段の各カウントモードを同じにすればよく、このような対処は不要である。

また、上記実施形態では、画素信号が、時間系列として、同一画素について、リセット成分ΔＶ（基準成分）の後に信号成分Ｖsig が現れ、後段の処理部が正極性（信号レベルが大きいほど正の値が大きい）の信号について処理するものに対応して、真の信号成分を求めるに際して、１回目の処理として、リセット成分ΔＶ（基準成分）について比較処理とダウンカウント処理を行ない、２回目の処理として、信号成分Ｖsig について比較処理とアップカウント処理を行なうようにしていたが、基準成分と信号成分が現れる時間系列に拘わらず、対象信号成分とカウントモードとの組合せや処理順は任意である。処理手順によっては、２回目の処理で得られるデジタルデータが負の値になることもあるが、その場合には、符号反転や補正演算をするなどの対処をすればよい。

もちろん、画素部１０のデバイスアーキテクチャとして、信号成分Ｖsig の後にリセット成分ΔＶ（基準成分）を読み込まなければならず、後段の処理部が正極性の信号について処理するものである場合には、１回目の処理として、信号成分Ｖsig について比較処理とダウンカウント処理を行ない、２回目の処理として、リセット成分ΔＶ（基準成分）について比較処理とアップカウント処理を行なうのが効率的である。

また、上記実施形態では、画素信号が、時間系列として、同一画素について、リセット成分ΔＶ（基準成分）の後に信号成分Ｖsig が現れるものとして、画素信号ごとに、真の信号成分を求める差分処理を行なうようにしていたが、リセット成分ΔＶ（基準成分）を無視できるなど、信号成分Ｖsig のみを対象としてもよい場合には、真の信号成分を求める差分処理を割愛することができる。

また、上記実施形態では、アップダウンカウンタを動作モードに拘わらず共通に使用しつつ、その処理モードを切り替えてカウント処理を行なうようにしていたが、ダウンカウントモードとアップカウントモードを組み合わせてカウント処理を行なうものであればよく、モード切替可能なアップダウンカウンタを用いた構成に限定されない。

たとえば、ダウンカウント処理を行なうダウンカウンタ回路と、アップカウント処理を行なうアップカウンタ回路との組合せでカウンタ部を構成することもできる。この場合、カウンタ回路は、公知の技術を利用して任意の初期値をロードすることのできる構成のものとするのがよい。

こうすることで、後段のカウンタ回路の出力としては、基準成分と信号成分との間で減算処理が直接にでき、各信号の差を取るための特別な加算回路（もしくは減算回路）が不要になる。また、非特許文献１では必要としていた減算器へのデータ転送が不要になり、そのための雑音の増加や電流あるいは消費電力の増大を解消することができる。

なお、ダウンカウンタ回路とアップカウンタ回路との組合せでカウンタ部を構成する場合、２回目のカウント処理に際して、１回目のカウント処理で取得したカウント値を初期値として設定せず、ゼロからカウントする構成を排除するものではない。

この場合、アップカウンタ回路の出力Ｑup（正方向の値）とダウンカウンタ回路の出力Ｑdown（負方向の値）の和を取る加算回路が必要となるが、この場合でも、比較部とカウンタ部とで構成されるＡＤ変換部ごとに加算回路を設けるので、配線長を短くでき、データ転送のための雑音の増加や電流あるいは消費電力の増大を解消することができる。

カウンタ回路の変形例としての何れの構成も、ダウンカウンタ回路とアップカウンタ回路の動作の指示は、上記実施形態と同様に通信・タイミング制御部２０が行なうことができる。また、ダウンカウンタ回路とアップカウンタ回路は、ともにカウントクロックＣＫ０で動作させればよい。

また、上記実施形態では、アドレス制御により個々の単位画素からの信号を任意選択して読出可能な固体撮像装置の一例として、センサ光を受光することで信号電荷を生成するＮＭＯＳあるいはＰＭＯＳより構成されている単位画素が行列状に配された画素部を備えたＣＭＯＳセンサを例に示したが、信号電荷の生成は、光に限らず、たとえば赤外線、紫外線、あるいはＸ線などの電磁波一般に適用可能であり、この電磁波を受けてその量に応じたアナログ信号を出力する素子が多数配列された単位構成要素を備えた半導体装置に、上記実施形態で示した事項を適用可能である。

本発明に係る半導体装置の第１実施形態であるＣＭＯＳ固体撮像装置の概略構成図である。 画素部における有効画像領域と、光学的黒を与える基準画素領域との関係の一例を示す図である。 第１実施形態の固体撮像装置において使用される参照信号生成部のＤＡ変換回路（ＤＡＣ）の機能を説明する図である。 図１に示した第１実施形態の固体撮像装置のカラムＡＤ回路における基本動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置の概略構成図である。 図５に示した第２実施形態の固体撮像装置のカラムＡＤ回路における基本動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置の概略構成図である。 参照信号生成部の具体的な構成例の第１例を示すブロック図である。 参照信号生成部の具体的な構成例の第２例を示すブロック図である。 参照信号生成部の具体的な構成例の第３例を示すブロック図である。 参照信号生成部の具体的な構成例の第４例を示すブロック図である。 参照信号生成部の具体的な構成例の第５例を示すブロック図である。 参照信号生成部の具体的な構成例の第６例を示すブロック図である。 特許文献１の図４に示される固体撮像装置の概略構成図である。

符号の説明

１…固体撮像装置、３…単位画素、７…駆動制御部、１０…画素部、１２…水平走査回路、１４…垂直走査回路、１５…行制御線、１８…水平信号線、１９…垂直信号線、２０…通信・タイミング制御部、２４…カウンタ部、２５…カラムＡＤ回路、２６…カラム処理部、２７…参照信号生成部、２７ａ，２７ｂ…ＤＡ変換回路、２８…出力回路、２７０ａ，２７０ｂ，２７０Ｒ，２７０Ｇ，２７２Ｇ，２７２Ｂ，２７２Ｅ，２７４Ｇ…定電流源アレイ、２８０，２８２，２８４…定電流源選択部、２９０，２９２…定電流源アレイ選択部、２９８ａ，２９８ｂ…分圧抵抗

Claims (14)

1. 入射された電磁波に対応する電荷を生成する電荷生成部および前記電荷生成部により生成された電荷に応じたアナログの単位信号を生成する単位信号生成部を単位構成要素内に含む有効領域を備え、かつ前記単位信号をデジタルデータに変換する機能要素として、前記単位信号をデジタルデータに変換するための参照信号を生成する参照信号生成部と、前記単位信号と前記参照信号生成部により生成された参照信号とを比較する比較部と、この比較部における比較処理と並行して、所定のカウントクロックでカウント処理を行ない、前記比較部における比較処理が完了した時点のカウント値を保持するカウンタ部とを備えた、物理量分布検知のための半導体装置であって、
   前記有効領域におけるそれぞれの前記電荷生成部の前記電磁波が入射される側の面には、色情報を取得するための複数色の色フィルタの組合せからなる色分解フィルタの何れかの色フィルタが設けられており、
   前記参照信号を生成して出力する個別の参照信号生成出力部を、前記読出単位に応じた所定方向および当該読出単位に応じた所定方向とは異なる方向である異方向のそれぞれにおける前記色フィルタの配列の繰返単位内に存在する前記色フィルタの色成分の数よりも少なく、かつ、前記単位信号の読出単位に応じた所定方向における前記色フィルタの配列の繰返単位内に存在する色フィルタの数分だけ有するとともに、前記参照信号生成出力部から独立に出力されるそれぞれの前記参照信号を、前記所定方向における共通の色特性を持つ前記色フィルタに対応する前記比較部に、共通の信号線を介して実質的に直接に伝達するように構成され、
   前記カウンタ部は、ダウンカウントモードおよびアップカウントモードの何れか一方のモードを選択してカウント処理を行なうことが可能に構成されている
   ことを特徴とする物理量分布検知の半導体装置。
2. 前記個別の参照信号生成出力部のそれぞれは、
   対応する前記色フィルタの色特性に応じた前記参照信号を生成して出力する個別の色対応参照信号生成部を、前記読出単位に応じた所定方向とは異なる方向である異方向における前記色フィルタの配列の繰返単位内に存在する色フィルタの数分だけ有するとともに、
   前記色対応参照信号生成部から独立に出力されるそれぞれの前記参照信号の何れか一方を、処理対象の前記読出単位の切替えに応じて選択して、対応する前記信号線に出力する選択部と、
   前記色対応参照信号生成部は、当該色対応参照信号生成部から出力される前記参照信号が、対応する前記色フィルタの色特性に応じた変化特性を持って変化するように制御する変化特性制御部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の物理量分布検知の半導体装置。
3. 前記個別の参照信号生成出力部は共通に、前記読出単位に応じた所定方向および当該読出単位に応じた所定方向とは異なる方向である異方向のそれぞれにおける前記色フィルタの配列の繰返単位内で、複数存在する色成分について、当該色成分ごとに前記複数に対して共通に使用される、対応する前記色フィルタの色特性に応じた前記参照信号を生成して出力する第１の色対応参照信号生成部を有し、
   前記個別の参照信号生成出力部のそれぞれは個別に、
   前記配列の繰返単位内で、単独に存在する色成分について、当該色成分ごとに、対応する前記色フィルタの色特性に応じた前記参照信号を生成して出力する第２の色対応参照信号生成部を有するとともに、
   前記第１の色対応参照信号生成部および前記第２の色対応参照信号生成部から独立に出力されるそれぞれの前記参照信号の何れか一方を、処理対象の前記読出単位の切り替えに応じて選択して、対応する前記信号線に出力する選択部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の物理量分布検知の半導体装置。
4. 前記第１および第２の各色対応参照信号生成部は、当該色対応参照信号生成部から出力される前記参照信号が、対応する前記色フィルタの色特性に応じた変化特性を持って変化するように制御する変化特性制御部を有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の物理量分布検知の半導体装置。
5. 前記個別の参照信号生成出力部は、
   並列に配された複数の定電流源を含み、前記参照信号を生成して出力する色対応参照信号生成部と、
   所定の制御信号に基づき、前記複数の定電流源を選択する定電流源選択部と、
   前記複数の定電流源に流れる電流を制御することで、前記色対応参照信号生成部から出力される前記参照信号が、対応する前記色フィルタの色特性に応じた変化特性を持って変化するように制御する変化特性制御部と
   を備え、
   前記定電流源選択部は、前記個別の参照信号生成出力部に対して共通に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の物理量分布検知の半導体装置。
6. 前記個別の参照信号生成出力部は、
   処理対象の前記単位構成要素に設けられている前記色フィルタの色特性とは異なる観点
   に基づいて前記初期値を設定する初期値設定部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の物理量分布検知の半導体装置。
7. 前記有効領域を除く部分である基準領域におけるそれぞれの前記電荷生成部の前記電磁波が入射される側は、前記基準領域の前記単位信号生成部から出力される前記単位信号が前記有効領域の前記単位信号生成部から出力される前記単位信号に対して基準レベルを与えるように構成されており、
   前記初期値設定部は、前記色特性とは異なる観点から規定される初期値を、前記基準レベルに基づいて設定する
   ことを特徴とする請求項６に記載の物理量分布検知の半導体装置。
8. 前記初期値設定部は、前記色特性とは異なる観点から規定される初期値を、前記単位構成要素や前記機能要素を構成する回路に起因した、前記有効領域の前記単位信号生成部から出力される前記単位信号に含まれるオフセット成分に基づいて設定する
   ことを特徴とする請求項６に記載の物理量分布検知の半導体装置。
9. 前記有効領域を除く部分である基準領域におけるそれぞれの前記電荷生成部の前記電磁波が入射される側は、前記基準領域の前記単位信号生成部から出力される前記単位信号が前記有効領域の前記単位信号生成部から出力される前記単位信号に対して基準レベルを与えるように構成されており、
   前記初期値設定部は、前記色特性とは異なる観点から規定される初期値を、前記基準レベルと、前記単位構成要素や前記機能要素を構成する回路に起因した、前記有効領域の前記単位信号生成部から出力される前記単位信号に含まれるオフセット成分とに基づいて設定する
   ことを特徴とする請求項６に記載の物理量分布検知の半導体装置。
10. 前記個別の参照信号生成出力部は、並列に配された複数の定電流源を含み、前記参照信号を生成して出力する色対応参照信号生成部を有し、
    前記初期値設定部は、前記複数の定電流源と並列に配され、前記色対応参照信号生成部から出力される前記参照信号が、処理対象の前記単位構成要素に設けられている前記色フィルタの色特性とは異なる観点に基づく初期値から変化するように制御する
    を有することを特徴とする請求項６に記載の物理量分布検知の半導体装置。
11. 前記初期値設定部は、前記並列に配された複数の定電流源に流れる電流に、前記初期値を与える電流を重畳する初期値設定電流源を有し、当該初期値設定電流源に流れる電流が調整可能に構成されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の物理量分布検知の半導体装置。
12. 前記単位信号は、基準成分と信号成分とを含んで表されるものであり、
    前記カウンタ部は、前記比較部が前記基準成分と前記信号成分の何れについて前記比較処理を行なっているのかに応じて前記カウント処理のモードを切り替える
    ことを特徴とする請求項１に記載の物理量分布検知の半導体装置。
13. 前記カウンタ部は、ダウンカウントモード時において前記単位信号に含まれるオフセット電圧をカウントし、前記アップカウントモードの時に前記単位信号のレベルをカウントする
    ことを特徴とする請求項１に記載の物理量分布検知の半導体装置。
14. 前記ダウンカウントモードのカウントビット長を前記アップカウントモードのカウントビット長より短い
    ことを特徴とする請求項１３に記載の物理量分布検知の半導体装置。

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