JP6304572B2 - 固体撮像装置及びそれを備える撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置及びそれを備える撮像装置 Download PDF

Info

Publication number
JP6304572B2
JP6304572B2 JP2017036396A JP2017036396A JP6304572B2 JP 6304572 B2 JP6304572 B2 JP 6304572B2 JP 2017036396 A JP2017036396 A JP 2017036396A JP 2017036396 A JP2017036396 A JP 2017036396A JP 6304572 B2 JP6304572 B2 JP 6304572B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
frequency band
unit
signal
imaging device
voltage
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.)
Active
Application number
JP2017036396A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2017092998A (ja
Inventor
洋 藤中
洋 藤中
阿部　豊
豊 阿部
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.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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 Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Publication of JP2017092998A publication Critical patent/JP2017092998A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6304572B2 publication Critical patent/JP6304572B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/618—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise for random or high-frequency noise
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/65—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to reset noise, e.g. KTC noise related to CMOS structures by techniques other than CDS
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/67—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/67—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response
    • H04N25/671—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response for non-uniformity detection or correction
    • H04N25/677—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response for non-uniformity detection or correction for reducing the column or line fixed pattern noise
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/78—Readout circuits for addressed sensors, e.g. output amplifiers or A/D converters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Description

本発明は、固体撮像装置及びそれを備える撮像装置に関する。
ＭＯＳイメージセンサのＡＤ変換として、徐々に変化するアナログ値の参照信号電圧を発生し、参照信号電圧と信号電圧との大小関係が変化するまでの時間情報からデジタル信号値を得る、いわゆるシングルスロープ型ＡＤ変換回路が用いられている。
以下、図９を用いて、列毎にシングルスロープ型ＡＤ変換回路を備える特許文献１に記載された従来の固体撮像装置の構成について説明する。
図９より、固体撮像装置１００１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）を含む単位画素１００３が行列状に複数個配列された（すなわち２次元マトリクス状に配置された）画素アレイ１０１０を有し、各単位画素１００３からは信号電圧が出力される。固体撮像装置１００１では、アナログデジタル変換部（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）が単位画素１００３の列毎に設けられている。
具体的には、固体撮像装置１００１は、画素アレイ１０１０の外側に設けられた、垂直走査回路１０１４、タイミング制御回路１０２０及び水平走査回路１０１２を有する駆動制御部と、列毎に配された列ＡＤ回路１０２５を有する列処理部１０２６と、列処理部１０２６にＡＤ変換用の複数の参照信号電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２を供給する参照電圧生成部１０２７とを備えている。
列ＡＤ回路１０２５は、電圧比較部１２５２と、カウンタ＆データ記憶部１２５４と、ＡＤ変換選択回路１２５３と、スイッチ１２５５と、スイッチ１２５６と、容量１２５７とを備えている。
駆動制御部は、画素アレイ１０１０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。例えば、駆動制御部は、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）１０１２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）１０１４と、内部クロックを生成するなどの機能を持つタイミング制御回路１０２０とを備えている。
単位画素１００３は、行選択のための行制御線１０１５を介して垂直走査回路１０１４と、列信号線１０１９を介して列処理部１０２６と接続されている。ここで、行制御線１０１５は垂直走査回路１０１４から単位画素１００３に入る配線全般を示す。
水平走査回路１０１２は、列選択のための水平制御線１０１６を介して列処理部１０２６からカウント値を水平信号線（図示しない）へ読み出す読出走査部の機能を持つ。
水平走査回路１０１２や垂直走査回路１０１４は、例えばデコーダを含んで構成され、タイミング制御回路１０２０から与えられる制御信号に応答して走査を開始するようになっている。垂直走査回路１０１４は、画素アレイ１０１０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。水平走査回路１０１２は、列処理部１０２６の列ＡＤ回路１０２５を順番に選択し、その信号を水平信号線（水平出力線）に導くものである。なお、水平信号線は、例えば列ＡＤ回路１０２５が取り扱うビット数ｎ（自然数）分、例えば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。
また、単位画素１００３から出力された画素信号は、列毎に、列信号線１０１９を介して、列処理部１０２６の列ＡＤ回路１０２５に供給される。列処理部１０２６の各列ＡＤ回路１０２５は、１列分の単位画素１００３のアナログ信号を受けて、そのアナログ信号を処理する。
ここで、列処理部１０２６におけるＡＤ変換処理としては、行単位で並列に供給されるアナログ信号を、列毎に設けられた列ＡＤ回路１０２５を使用して、行毎に並列にＡＤ変換する方法が採られる。この際には、シングルスロープ積分型（あるいはランプ信号比較型）のＡＤ変換の手法が使用される。
シングルスロープ積分型のＡＤ変換では、変換開始から参照信号電圧Ｖｒｅｆ１，２と処理対象信号電圧とが一致するまでの時間に基づいて、アナログの処理対象信号がデジタル信号に変換される。この仕組みとしては、原理的には、コンパレータ（電圧比較器）にランプ状の参照信号電圧Ｖｒｅｆ１，２を供給するとともにクロック信号でのカウント（計数）を開始し、列信号線１０１９を介して入力されたアナログの画素信号を参照信号電圧Ｖｒｅｆ１，２と比較することによって一致結果を示すパルス信号が得られるまでのクロック数をカウンタ＆データ記憶部１２５４によって、カウントすることでＡＤ変換を行う。
特開２０１１−４１０９１号公報
特許文献１に示された従来技術の固体撮像装置は、ＡＤ変換処理の際、ＡＤ変換選択回路１２５３によって判断される画素信号の信号レベルに応じて、列毎にスイッチ１２５５と、スイッチ１２５６とを切り替えることで、画素信号の信号レベルが大きい場合には、傾きの急な（つまり、量子化誤差の大きい）参照信号電圧Ｖｒｅｆ１を用いると同時に、容量１２５７による電圧比較部１２５２の周波数帯域制限を行わず（つまり、高速な）ノイズを抑制しないＡＤ変換を行う。一方、画素信号の信号レベルが小さい場合には、傾きの緩い（つまり、量子化誤差の小さい）参照信号電圧Ｖｒｅｆ２を用いると同時に、容量１２５７による電圧比較部１２５２の周波数帯域制限を行った（つまり、低速な）ノイズを抑制したＡＤ変換を行う。
このように、従来技術の固体撮像装置は、ＡＤ変換の高速化と電圧比較部の周波数帯域制限による低ノイズ化を図っている。
その一方で、特許文献１に示された従来技術の固体撮像装置は、ＡＤ変換回路として、画素からの「基準信号」（画素信号読み出し前の画素のリセットレベル）に対して、ダウンカウントモードでＡＤ変換を行い、画素からの「画素信号＋基準信号」（画素信号読み出し後の画素信号レベル）に対して、アップカウントモードでＡＤ変換を行い、２回のＡＤ変換値の差分信号を得る（「画素信号＋基準信号」−「基準信号」を得る）ことで、画素信号のＡＤ変換値を得る相関サンプリング動作については考慮されていない。
つまり、いわゆるアップダウンカウントによる相関サンプリング動作を行うことにより、画素部のリセット動作に伴うＫＴＣノイズや、ＡＤ変換遅延のばらつきによる縦線等、様々な固定パターンノイズ、および、主に低周波数の１／ｆノイズ起因のランダムノイズをキャンセルすることについては考慮されておらず、何ら知見も示されていない。
また、従来技術の固体撮像装置では、画素信号の信号レベルに応じて、電圧比較部の周波数帯域を切り替えるため、１回目の「基準信号」に対してのＡＤ変換時点では、画素信号の信号レベルが不明であり、２回目の「画素信号＋基準信号」に対してのＡＤ変換と１回目の「基準信号」に対してのＡＤ変換とを、同一の周波数帯域、および、同一の参照信号傾きで動作させることができない。したがって、相関サンプリング動作をした場合であっても、固定パターンノイズをキャンセルすることが困難である。
また、「画素信号＋基準信号」に対してのＡＤ変換を１回目に行う場合、１回目のＡＤ変換時点で、画素信号の信号レベルを判断することはできるが、１回目のＡＤ変換と、２回目のＡＤ変換とにおいて、「基準信号」が同一ではないため、リセット動作に伴うＫＴＣノイズが異なる。したがって、相関サンプリング動作をした場合であっても、固定パターンノイズをキャンセルすることが困難である。
以上のことから、従来技術に示された固体撮像装置は、アップダウンカウントを用いた相関サンプリング動作による固定パターンノイズのキャンセル機能と、電圧比較部の周波数帯域制限によるノイズ抑制を両立させることができない。つまり、ノイズにより画質が劣化するという課題を有する。
前記課題に鑑み、本発明は、ノイズによる画質劣化を低減できる固体撮像装置を提供する。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、行列状に配置され、受光した光を信号電圧に変換する複数の画素と、前記信号電圧をデジタル信号に変換する列ＡＤ変換部とを備える固体撮像装置であって、前記列ＡＤ変換部は、前記信号電圧と電圧値が漸次変化する参照信号電圧との大小を比較する比較部と、前記画素のリセットレベルの前記信号電圧である基準信号成分に対して、前記比較部の比較結果が変化するまでの時間をダウンカウント及びアップカウントの一方によりカウントし、前記画素が受光した光量に対応する前記信号電圧である画素信号成分と前記基準信号成分とが重畳された重畳信号成分に対して、前記比較部の比較結果が変化するまでの時間をダウンカウント及びアップカウントの他方によりカウントするアップダウンカウント部とを有し、前記比較部は、切り替え可能な複数の周波数帯域特性を有し、前記固体撮像装置は、さらに、前記複数の周波数帯域特性のうち一の周波数帯域特性を選択し、前記比較部の周波数帯域特性を、前記一の周波数帯域特性に切り替えさせる帯域選択部と、複数の動作モードを識別する動作モード判定部とを備え、前記帯域選択部は、前記動作モード判定部の判定結果に応じて、前記一の周波数帯域特性を選択する。
すなわち、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、行列状に配置され、受光した光を信号電圧に変換する複数の画素と、前記信号電圧をデジタル信号に変換する列ＡＤ変換部とを備え、前記列ＡＤ変換部は、前記信号電圧と電圧値が漸次変化する参照信号電圧との大小を比較する比較部と、前記画素のリセットレベルの前記信号電圧である基準信号成分に対して、前記比較部の比較結果が変化するまでの時間をダウンカウント及びアップカウントの一方によりカウントし、前記画素が受光した光量に対応する前記信号電圧である画素信号成分と前記基準信号成分とが重畳された重畳信号成分に対して、前記比較部の比較結果が変化するまでの時間をダウンカウント及びアップカウントの他方によりカウントするアップダウンカウント部とを有し、前記比較部は、切り替え可能な複数の周波数帯域特性を有する。
これにより、各列で同一の参照信号電圧を使用することにより変換ゲインを均一化できる。その結果、変換ゲインが均一であるという前提で定められているホワイトバランスゲインからのずれがなくなるので、着色による色ノイズの発生を低減できる。また、比較部の周波数帯域特性の切り替えにより、ランダムノイズの抑制が可能となる。
このように、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、ノイズによる画質劣化を低減できる。
本発明に係る固体撮像装置は、ノイズによる画質劣化を低減できる。
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。 図２は、単位画素の詳細な構成を示す回路図である。 図３Ａは、電圧比較部の詳細な構成の一例を示す回路図である。 図３Ｂは、電圧比較部の周波数帯域特性を示すグラフである。 図４は、固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 図５は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。 図６は、第２の実施形態の変形例１を説明するために単位画素の出力インピーダンスを表した回路図である。 図７Ａは、ビデオカメラの一例を示す外観図である。 図７Ｂは、デジタルスチルカメラの一例を示す外観図である。 図８は、第３の実施形態に係る撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。 図９は、従来技術の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
以下、各実施形態及び変形例について、図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、以下で説明する各実施形態及び変形例は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態及び変形例における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
（第１の実施形態）
本実施形態に係る固体撮像装置は、ダウンカウント期間中に比較部の周波数特性を狭帯域に選択し、アップカウント期間中にダウンカウント期間と同一の周波数帯域を選択することで、相関サンプリング動作による固定パターンノイズ抑制と、比較部における周波数帯域制限によるランダムノイズ抑制と、アップカウント開始前及びダウンカウント開始前の期間で比較部の周波数特性を広帯域に選択することでＡＤ変換処理の高速化を実現する。
以下、図面を参照しながら、第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成及び動作について説明する。
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置１の全体構成を示すブロック図であり、画素アレイ３と、垂直走査回路４と、行制御線５と、複数の列信号線６と、読み出し電流源群７と、ＡＤ変換部８と、水平信号線９と、水平走査回路１０と、水平制御線１１と、出力回路１２と、タイミング制御部１３と、参照信号生成部１４と、帯域選択部２０とを備える。なお、図１に示す各機能ブロックは、画素アレイ３から見て、片側のみに配置されているが、画素アレイ３の両側に配置される構成であってもよい。
画素アレイ３は、行列状に配置された複数の単位画素２を備え、単位画素２は、受光した光を光電変換して信号電圧に変換する。具体的には、単位画素２は、単位画素２のリセットレベルの信号電圧である基準信号成分Ｖｒｓｔと、単位画素２が受光した光量に対応する信号電圧である画素信号成分Ｖｓｉｇに対して基準信号成分が重畳された信号電圧である重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇを出力する。
垂直走査回路４は、タイミング制御部１３から出力される信号に従って、行制御線５を順次アクティブにすることで、単位画素２の行を順次選択して垂直走査を行う。選択された行の信号電圧は、列毎に設けられた列信号線６と読み出し電流源群７によりＡＤ変換部８へ伝送される。
複数の列信号線６は、単位画素２の列に対応して設けられ、対応する列の単位画素２より出力された信号電圧を伝達する。
読み出し電流源群７は、画素アレイ３の各列に対応する読み出し電流源を備え、列信号線６に出力された信号電圧をＡＤ変換部８へ出力する。
ＡＤ変換部８は、画素アレイ３から出力された信号電圧をＡＤ変換することによりデジタル信号に変換する。このＡＤ変換部８は、具体的には、列信号線６に対応して設けられ、対応する列信号線６により伝達された信号電圧をデジタル信号に変換する、複数の列ＡＤ変換回路１７を有する。
各列ＡＤ変換回路１７は、信号電圧と電圧値が漸次変化する参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅとの大小を比較する電圧比較部１５と、単位画素２のリセットレベルの信号電圧である基準信号成分Ｖｒｓｔに対して、電圧比較部１５の比較結果が変化するまでの時間をダウンカウントによりカウントし、単位画素２が受光した光量に対応する信号電圧である重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇに対して、電圧比較部１５の比較結果が変化するまでの時間をアップカウントによりカウントするアップダウンカウンタ＆データ記憶部１６とを有し、電圧比較部１５は、切り替え可能な、狭帯域の周波数特性及び広帯域の周波数特性を有する。なお、列ＡＤ変換回路１７は、列ＡＤ変換部の一例である。
水平信号線９は、ＡＤ変換部８から出力されたデジタル信号を出力回路１２へ伝送する。
水平走査回路１０は、タイミング制御部１３から出力される信号に従って、水平制御線１１を順次アクティブにすることで、列ＡＤ変換回路１７の列を順次選択して水平走査を行う。選択された列のデジタル信号は、上述の水平信号線９に出力される。
出力回路１２は、水平信号線９を介して伝送されたデジタル信号値を固体撮像装置１の外部に出力する。出力回路１２として好適にはＬＶＤＳ等の高速伝送回路が用いられるが、デジタル信号値を出力可能な出力手段であれば出力回路１２の出力方式・回路・構成は特に制限されるものではなく、またシリアル出力・パラレル出力の種別や、その出力ポート数なども特に制限されるものではない。
タイミング制御部１３は、各処理部の動作タイミングを制御する回路であり、具体的には、垂直走査回路４に対して行制御線５をアクティブにするタイミングを制御したり、水平走査回路１０に対して水平制御線１１をアクティブにするタイミングを制御したりする。また、参照信号生成部１４に対して参照信号Ｖｓｌｏｐｅを生成させるタイミングを制御したり、帯域選択部２０に対して帯域選択信号Ｆ＿ＳＥＬの生成タイミングを制御したりする。
参照信号生成部１４は、タイミング制御部１３の制御に応じて、ＡＤ変換部８におけるＡＤ変換用の参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅを生成し、各列ＡＤ変換回路１７へ同一の参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅを出力する。
帯域選択部２０は、タイミング制御部１３の制御に応じて、列ＡＤ変換回路１７が有する電圧比較部１５の周波数帯域特性を選択し、選択した周波数帯域特性を示す信号である帯域選択信号Ｆ＿ＳＥＬを各列ＡＤ変換回路１７へ出力する。具体的には、電圧比較部１５の周波数帯域特性として、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６における基準信号成分Ｖｒｓｔ及び重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇに対するカウント期間では狭周波数帯域特性（以下、狭帯域特性と記載する場合がある）を選択し、当該カウント期間以外では広周波数帯域特性（以下、広帯域特性と記載する場合がある）を選択する。
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置１は、行列状に配置され、受光した光を信号電圧に変換する複数の単位画素２と、信号電圧をデジタル信号に変換する列ＡＤ変換回路１７とを備え、列ＡＤ変換回路１７は、信号電圧と電圧値が漸次変化する参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅとの大小を比較する電圧比較部１５と、単位画素２のリセットレベルの信号電圧である基準信号成分Ｖｒｓｔに対して、電圧比較部１５の比較結果が変化するまでの時間をダウンカウントによりカウントし、単位画素２が受光した光量に対応する信号電圧である画素信号成分Ｖｓｉｇと基準信号成分Ｖｒｓｔとが重畳された重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇに対して、電圧比較部１５の比較結果が変化するまでの時間をアップカウントによりカウントするアップダウンカウンタ＆データ記憶部１６とを有し、電圧比較部１５は、切り替え可能な狭帯域の周波数特性及び広帯域の周波数特性を有する。なお、電圧比較部１５、及び、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６は、それぞれ、比較部、及び、アップダウンカウント部に相当する。
これにより、各列で同一の参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅを使用することにより変換ゲインを均一化できる。その結果、変換ゲインが均一であるという前提で定められているホワイトバランスゲインからのずれがなくなるので、着色による色ノイズの発生を低減できる。また、電圧比較部１５の周波数帯域特性の切り替えにより、ランダムノイズの抑制が可能となる。
このように、本実施形態に係る固体撮像装置１は、ノイズによる画質劣化を低減できる。
次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の詳細な構成について説明する。
図２は、図１に示す固体撮像装置１の単位画素２の詳細な構成を示す回路図である。単位画素２は、いわゆる４トランジスタ型の単位画素であり、フォトダイオード（画素）３０と、転送トランジスタ３１と、増幅トランジスタ３２と、選択トランジスタ３３と、リセットトランジスタ３４とを備えている。なお、同図には、ｍ行目の単位画素２及びｍ＋１行目の単位画素２と、これら単位画素２の列に対応して設けられた列信号線６及び読み出し電流源７ａが示されている。
また、ｍ行目の行制御線５としてリセット信号線ＲＳＴ＿ｍと、画素選択信号線ＳＥＬ＿ｍと、電荷転送信号線ＴＲＧ＿ｍとが垂直走査回路４からｍ行目の単位画素２へ供給される。同列に配された複数の単位画素２からの出力は、列毎に設けられた列信号線６にて共通接続され、列信号線６毎に設けられた読み出し電流源７ａと、選択トランジスタ３３が導通した行の増幅トランジスタ３２とによってソースフォロアが構成される。つまり、増幅トランジスタ３２は、信号電圧を列ＡＤ変換回路１７へ出力するためのトランジスタである。
なお、図示した単位画素２の構成は一例であり、単位画素２は、選択トランジスタ３３が無い、いわゆる３トランジスタ型の単位画素であってもよく、単位画素２を構成する各トランジスタは、ＮＭＯＳトランジスタ及びＰＭＯＳトランジスタのいずれであってもよい。また、列信号線６が、一つの列に対して複数本存在してもよい。
また、フォトダイオード３０からの信号電圧を列信号線６へ出力できる構成であれば、単位画素２の構成に制限されるものではない。例えば、図２の単位画素２は、一つのフォトダイオード３０に対して、一つの転送トランジスタ３１と、一つの増幅トランジスタ３２と、を備える、いわゆる１画素１セル構成を例示したが、複数のフォトダイオード３０に対して、転送トランジスタ３１と、増幅トランジスタ３２と、を共用する、いわゆる多画素１セル構成であってもよい。さらに、読み出し電流源７ａについても、その構成に制限されるものではなく、読み出し電流源７ａは抵抗性の負荷手段（抵抗素子やトランジスタのオン抵抗）を用いてもよい。
ｍ行目の単位画素２においては、まず、リセット信号線ＲＳＴ＿ｍによってリセットトランジスタ３４が導通することで、増幅トランジスタ３２のゲート部電圧、いわゆるフローティングディフュージョン部の電圧がリセットされる。続いて、画素選択信号線ＳＥＬ＿ｍによって選択トランジスタ３３が導通し、フローティングディフュージョン部のリセット後の電圧は、ｍ行目の単位画素２のリセットレベルの電圧Ｖｒｓｔ（基準信号成分）として、増幅トランジスタ３２を介して列信号線６へ出力され、後段のＡＤ変換部８へ供給されてＡＤ変換される。
また、フォトダイオード３０は、露光時間中に受光した光を光電変換して得られる電荷を蓄積する。所定の露光時間終了後に、電荷転送信号線ＴＲＧ＿ｍによってｍ行目の単位画素２において、転送トランジスタ３１が導通し、フォトダイオード３０の蓄積電荷がフローティングディフュージョン部へ転送される。転送された電荷は、ｍ行目の単位画素２のリセットレベルの電圧Ｖｒｓｔに受光光量に応じたｍ行目の信号レベルの電圧Ｖｓｉｇを重畳した電圧（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）（基準信号成分＋画素信号成分）として、増幅トランジスタ３２を介して列信号線６へ出力され、後段のＡＤ変換部８へ供給されてＡＤ変換される。
これにより、ＡＤ変換部８では、２度のＡＤ変換の結果により生じる信号の差分を抽出する、いわゆる相関サンプリング動作をすることで、受光光量に応じたｍ行目の単位画素２の信号レベルを得ることができる。つまり、単位画素２のリセットレベルの信号電圧である基準信号成分Ｖｒｓｔと、単位画素２の受光光量に対応する信号電圧である画素信号成分Ｖｒｓｔと基準信号成分Ｖｓｉｇとが重畳された重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇとの差分を抽出する相関サンプリング動作によって、画素信号成分Ｖｓｉｇを得ることができる。
また、フローティングディフュージョン部のリセット動作に伴って発生し、リセットレベルの電圧である基準信号成分Ｖｒｓｔに含まれるＫＴＣノイズや、列ごとのＡＤ変換遅延のばらつきによる縦線等、様々な固定パターンノイズ、および、主に低周波数の１／ｆノイズ起因のランダムノイズを、相関サンプリング動作によって、キャンセルすることができる。なお、相関サンプリング動作においては、キャンセル動作を有効に行うため、リセットレベルに対してのＡＤ変換動作と、画素信号レベルに対してのＡＤ変換動作の、ぞれぞれのＡＤ変換動作において、同じ応答速度と周波数帯域特性による駆動方法で動作させることができる。
なお、上述した駆動方法に限定されるものではなく、ｍ行目の単位画素２のリセットレベルの電圧Ｖｒｓｔと、ｍ行目のリセットレベルの電圧Ｖｒｓｔに受光光量に応じたｍ行目の信号レベルの電圧Ｖｓｉｇを重畳した電圧（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）とをＡＤ変換部８へ供給し、相関サンプリング動作が有効に行える駆動方法であればよい。
また、本実施形態では、ＡＤ変換部８へ入力される信号をサンプルホールドするためのサンプルホールド手段が設けられてもよい。この場合は、ＡＤ変換部８の変換動作と、単位画素２から列信号線６への信号読み出しとを並列動作させる、いわゆるパイプライン化が可能となり、固体撮像装置１としてフレームレートを向上させることができる。
また、本実施形態では、単位画素２の出力からＡＤ変換部８の入力へ至る信号経路に、ＡＧＣ（Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）等の信号増幅手段、いわゆる列アンプを備えてもよい。この場合は、ＡＤ変換部８へ入力される信号の信号レベルを大きくすることが可能となり、その結果、ＡＤ変換における入力換算Ｓ／Ｎを良化させ、固体撮像装置１として画質を向上させることができる。なお、その列アンプは、定電流性の負荷をソース接地増幅回路で駆動する、いわゆるシングルエンドのインバータアンプが好ましいが、信号増幅手段であればこの構成に制限されるものではなく、差動増幅回路等の増幅手段が用いられてもよい。
次に、ＡＤ変換部８の構成とＡＤ変換動作について説明する。
図１より、ＡＤ変換部８は、シングルスロープ型ＡＤ変換回路であって、列毎に設けられた列ＡＤ変換回路１７によって、各列の列信号線６に出力された複数の信号電圧を同時にデジタル信号に変換する。
列ＡＤ変換回路１７は、電圧比較部１５と、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６とを備える。電圧比較部１５は、周波数帯域特性を切り替える機能を有し、固体撮像装置１は、電圧比較部１５の周波数帯域特性を、駆動タイミングに応じて選択する帯域選択部２０を備える。
参照信号生成部１４は、時間経過と共に徐々に変化する参照信号電圧（ランプ波形信号電圧）Ｖｓｌｏｐｅを生成する。参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅは、滑らかなスロープ状の波形であっても階段状の波形であってもよく、ある傾きで推移する波形であればその波形は特に制限されるものではない。参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅの傾きも、同様に正負のいずれであってもよい。参照信号生成部１４は、ＤＡＣ（デジタルアナログコンバータ）に増加もしくは減少するコード値を与えＤＡＣ出力をフィルタリングすることでも、容量素子を用いて積分動作を成さしめることでも構成できるが、ある傾きで推移する波形を生成できる参照信号生成部１４であればその構成は特に制限されるものではない。ただし、各列で変換ゲインを同一とするためには、同一の参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅを、各列の列ＡＤ変換回路１７へ供給する。
電圧比較部１５は、列信号線６に出力されデジタル信号に変換される信号電圧と、電圧比較部１５へ入力され漸次変化する参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅとの大小を比較する。
なお、その電圧比較部１５は、列信号線６の信号電圧と参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅとを比較でき、かつ、周波数帯域特性を切り替えることができるものであれば、その構成は特に制限されるものではない。例えば、よく知られるオフセットキャンセル機能を備えた差動比較器以外にも、いわゆる、チョッパコンパレータ等で構成された差動比較器も用いることができる。
アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６は、電圧比較部１５が比較を開始してから電圧比較部１５の比較結果が変化するまでの時間、つまり列信号線６の信号電圧と、参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅとの大小関係が変化するまで（電圧比較部１５の出力が反転するまで）の時間をカウントすることでＡＤ変換を行う。つまり、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６は、比較を開始してから信号電圧と参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅとの大小関係が変化するまで入力されるクロックＣＫをカウントすることによりＡＤ変換を行う。ＡＤ変換終了後、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６は、デジタル信号値（カウント値）を保持する。このＡＤ変換は、リセットレベルの電圧Ｖｒｓｔと、リセットレベルＶｒｓｔに受光光量に応じた信号レベル電圧Ｖｓｉｇを重畳した電圧（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）とに対して、ダウンカウントと、アップカウントと、で計２度行われ、その差分情報より単位画素２の信号レベルが得られる。
つまり、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６は、単位画素２のリセットレベルの信号電圧である基準信号成分Ｖｒｓｔと、単位画素２の受光光量に対応する信号電圧である画素信号成分Ｖｓｉｇと基準信号成分Ｖｒｓｔとが重畳された重畳信号成分Ｖｓｉｇ＋Ｖｒｓｔとの差分を抽出する相関サンプリング動作によって、画素信号成分Ｖｓｉｇを得る。
帯域選択部２０は、相関サンプリングを有効に動作させ、かつ、ノイズを抑制するために、アップカウント期間とダウンカウント期間で、狭帯域かつ同一の周波数帯域特性を選択するための帯域選択信号Ｆ＿ＳＥＬを出力し、ＡＤ変換動作を高速化するために、アップダウンカウント開始前の期間で、広帯域の周波数帯域特性を選択するための帯域選択信号Ｆ＿ＳＥＬを出力する。
つまり、帯域選択部２０は、タイミング制御部１３の制御に応じて、列ＡＤ変換回路１７が有する電圧比較部１５の周波数帯域特性を選択し、電圧比較部１５の周波数帯域特性を選択した周波数帯域特性に切り替えさせる。具体的には、帯域選択部２０は、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６における基準信号成分Ｖｒｓｔ及び重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇに対するカウント期間では狭帯域特性を選択し、当該カウント期間以外では広帯域特性を選択する。
これにより、周波数帯域制限によるノイズ抑制をカウント期間に限定し、その他の動作期間で高速動作を優先することができる。具体的には、電圧比較部１５の周波数帯域特性を狭くする（周波数帯域制限をする）と、ランダムノイズを抑制することができる。一方、電圧比較部１５の周波数帯域特性を広くするとＡＤ変換を高速に行うことができる。したがって、相関サンプリング動作による固定パターンノイズ抑制と、電圧比較部１５の周波数帯域特性の切り替えによるランダムノイズ抑制と、ＡＤ変換の高速化とを実現することが可能となる。
なお、帯域選択部２０は、基準信号成分Ｖｒｓｔ及び重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇに対するカウント期間の一部の期間において狭帯域特性を選択し、基準信号成分Ｖｒｓｔ及び重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇに対するカウント開始前の一部の期間において、広帯域特性を選択してもよい。
次に、図３Ａ及び図３Ｂを用いて電圧比較部１５の詳細を説明する。図３Ａは、電圧比較部１５の詳細な構成の一例を示す回路図であり、図３Ｂは、電圧比較部１５の周波数帯域特性を示すグラフである。
まず、図３Ａに示すように、電圧比較部１５は、差動比較回路４０と、オフセットキャンセル容量４６ａ、４６ｂとを備え、この差動比較回路４０は、オフセットキャンセルスイッチ４１ａ、４１ｂと、容量４２と、スイッチ４３と、プリチャージ部４４とを備える。なお、プリチャージ部４４はなくてもよいが、プリチャージ部を備えると、後述のように更にＡＤ変換の高速化ができる。
この電圧比較部１５は、オートゼロ動作の制御信号ＺＥＲＯによって、オフセットキャンセルスイッチ４１ａ、４１ｂを導通させることで、差動比較回路４０の動作点を設定し、差動比較回路４０のオフセット電圧をオフセットキャンセル容量４６ａ、４６ｂに保持させることで、オフセットをキャンセルした比較動作、いわゆるオートゼロ動作を備えた比較動作を行う。
また、電圧比較部１５は、帯域選択部２０からの帯域選択信号Ｆ＿ＳＥＬに応じて、周波数帯域特性を切り替えることができる。
具体的には、電圧比較部１５は、帯域選択部２０からの帯域選択信号Ｆ＿ＳＥＬに応じて、スイッチ４３の導通を制御し、容量４２の接続を制御する。その容量４２の接続状態によって、その周波数帯域特性が異なる。つまり、スイッチ４３の導通及び非導通を切り替えることにより、容量４２の接続状態を切り替える。その結果、電圧比較部１５の周波数帯域特性が切り替わる。
例えば、図３Ｂに示すように、容量４２を差動比較回路４０の差動出力間に接続した場合には、周波数帯域特性は狭帯域となる。一方、容量４２を差動比較回路４０の差動出力間から切断した場合には、周波数帯域特性は広帯域となる。つまり、帯域選択部２０によりスイッチ４３が導通状態とされた場合に、電圧比較部１５の周波数帯域特性は狭帯域となり、帯域選択部２０によりスイッチ４３が非導通状態とされた場合に、電圧比較部１５の周波数帯域特性は広帯域となる。
このように、電圧比較部１５は、信号電圧と参照信号電圧とを比較する差動比較回路４０と、差動比較回路４０の一方の差動出力に一端が接続された容量４２と、差動比較回路４０の他方の差動出力と容量４２の他端との導通及び非導通を制御するスイッチ４３とを有し、スイッチ４３の導通及び非導通を切り替えることによって、周波数帯域特性を切り替える。
これにより、例えば、接地又は電源と、電圧比較部１５の出力との間に容量が挿入された場合と比較して、同一容量値で、より狭い周波数帯域特性を実現することができる。
ここで、本実施形態に係る固体撮像装置１は、電圧比較部１５の周波数帯域特性を狭帯域に設定した場合には、入力される画素からの信号に対して、相対的にノイズを抑制することができる。つまり、電圧比較部１５の周波数帯域特性を広帯域に設定した場合と比較して、ノイズを抑制することができる。
よって、帯域選択部２０が、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６における基準信号成分Ｖｒｓｔ及び重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇに対するカウント期間では狭帯域特性を選択することにより、列ＡＤ変換回路１７における相関サンプリング動作において、固定パターンノイズを抑制することができる。
一方、周波数帯域特性を広帯域に設定した場合には、相対的に比較動作の応答を高速化、すなわち、ＡＤ変換動作を高速化することができる。つまり、電圧比較部１５の周波数帯域特性を狭帯域に設定した場合と比較して、電圧比較部１５における比較動作の応答を高速化できるので、列ＡＤ変換回路１７におけるＡＤ変換動作を高速化できる。
よって、帯域選択部２０が、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６における基準信号成分Ｖｒｓｔ及び重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇに対するカウント期間以外の期間では広帯域特性を選択することにより、列ＡＤ変換回路１７におけるＡＤ変換を高速化できる。
このように、電圧比較部１５は、帯域選択部２０から出力された帯域選択信号Ｆ＿ＳＥＬに応じて、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６における基準信号成分Ｖｒｓｔ及び重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇに対するカウント期間では狭帯域特性を選択し、当該カウント期間以外では広帯域特性を選択する。
これにより、アップダウンカウントを用いた相関サンプリング動作によって固定パターンノイズを抑制できるとともに、ＡＤ変換を高速化できる。
また、電圧比較部１５は、スイッチ４３を遮断させた場合に、容量４２の一端をプリチャージするプリチャージ部４４を有する。つまり、電圧比較部１５は、スイッチ４３の非導通状態である遮断時に、容量４２の電荷をプリチャージするプリチャージ部４４を有する。
これにより、電圧比較部１５の周波数帯域特性が広帯域特性から狭帯域特性に遷移する際、すなわち、容量４２を切断から接続に遷移させる際に、接続前後の容量４２の電位差による過渡応答遅延を回避できる。つまり、プリチャージ部４４が、接続前後の容量４２の電位差を小さくするべく、容量４２の電位をプリチャージすることができる。また、接続直前の差動比較回路４０の出力電圧と同一の電圧、すなわちスイッチ４３を導通することで容量４２に供給される電圧と同一の電圧を、容量４２にプリチャージすることができる。
言い換えれば、本実施形態では、電圧比較部１５の周波数帯域特性が広帯域の場合、図３ＡにてＣｎｏｄｅで示すノードの電圧を、ＣＯＵＴ１の電圧と同一の電圧にプリチャージできる。すなわち、差動比較回路４０の帯域を決定する容量４２の導通・切断を制御する側の端子の電圧を、容量４２の切断によって、広帯域の周波数帯域特性を選択している期間中、プリチャージ部４４によって、接続先ＣＯＵＴ１と同一の電圧にプリチャージする。これにより、図３Ａに示すＣｎｏｄｅの電圧は、帯域選択部２０の出力信号Ｆ＿ＳＥＬにより、周波数帯域特性を切り替える前後で、電圧の変化が発生せず、容量４２の切断に伴ったノイズの混入や、応答遅延を抑制し、更なるＡＤ変換の高速化を行うことができる。
なお、図３Ａを用いて説明した周波数帯域特性の切り替え手段は、一例であり、帯域選択部２０からの帯域選択信号Ｆ＿ＳＥＬに応じて、周波数帯域特性が切り替え可能であれば、その構成を限定せず、例えば、差動比較回路４０の出力と接地間に接続され、その接続を制御可能な周波数帯域特性の切り替え手段であってもよい。
言い換えると、電圧比較部１５は、信号電圧と参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅとを比較する差動比較回路４０と、差動比較回路４０とアップダウンカウンタ＆データ記憶部１６との間の接続点に接続された容量と、容量に直列接続され、差動比較回路４０の出力と容量との導通及び非導通を制御するスイッチとを有し、スイッチの導通及び非導通を切り替えることによって、周波数帯域特性を切り替えてもよい。
これにより、例えば、電圧比較部１５のバイアス電流と出力寄生容量とで、周波数帯域特性を切り替える場合と比較して、精度良く、容易に、電圧比較部１５の周波数帯域特性を切り替えることができる。
このように、本実施形態に係る固体撮像装置１は、リセットレベル（すなわち基準信号）の比較のための参照信号スイープ時と、リセットレベルと信号レベルを重畳した電圧（すなわち、基準信号＋画素信号）の比較のための参照信号スイープ時とにおいて、帯域選択部２０からの帯域選択信号Ｆ＿ＳＥＬを介して、差動比較回路４０の周波数帯域特性を狭帯域（切り替え可能な電圧比較部１５の複数の周波数帯域特性から、最も広帯域な周波数帯域特性以外の周波数帯域特性）に設定し、参照信号スイープ開始前、すなわち、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６によるカウントの開始前の期間において、差動比較回路４０の周波数帯域特性を広帯域に設定することが特徴である。
次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作タイミングを用いて、発明の詳細を更に説明する。図４は、固体撮像装置１の動作を示すタイミングチャートである。
同図には、列信号線６を介して電圧比較部１５に入力される信号電圧ＶＳＩＧと、参照信号生成部１４で生成された参照信号Ｖｓｌｏｐｅと、電圧比較部１５のオートゼロ動作を制御するための制御信号ＺＥＲＯと、帯域選択部２０で選択された帯域を示す信号Ｆ＿ＳＥＬと、容量４２の一端の電圧（ノードＣｎｏｄｅの電圧）ｃｎｏｄｅと、差動比較回路４０の出力端の電圧ＣＯＵＴ１と、電圧比較部１５の出力端の電圧ＣＯＵＴ２と、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６におけるカウント値とのタイミングが示されている。なお、帯域選択部２０は、電圧比較部１５の周波数帯域特性として、狭帯域特性を選択したときにはＦ＿ＳＥＬをハイ、広帯域特性を選択したときにはＦ＿ＳＥＬをローとする。
まず、時刻ｔ０〜ｔ１において、オートゼロ動作の制御信号ＺＥＲＯによって、差動比較回路４０の動作点を設定する。この動作点を設定する期間（以下、動作点設定期間と記載）中は、単位画素２からは列信号線６を介して、差動比較回路４０にリセットレベルＶｒｓｔが供給されているが、ＡＤ変換動作を行っていないため、ノイズを抑制する必要はない。つまり、差動比較回路４０の周波数帯域特性を狭帯域に設定する必要はない。逆に、差動比較回路４０の周波数帯域特性を狭帯域に設定してしまうと、差動比較回路４０の出力電圧ＣＯＵＴ１が動作点電圧に収束するまでの時間、すなわち、動作点設定期間が長くなる。
そこで、本実施形態に係る固体撮像装置１では、差動比較回路４０の動作点設定期間中を含む、参照信号スイープ開始前の期間で、帯域選択部２０の出力信号Ｆ＿ＳＥＬによって、差動比較回路４０の周波数帯域特性を広帯域に設定する。
つまり、帯域選択部２０は、基準信号成分Ｖｒｓｔに対するカウント開始前の期間において、広帯域特性を選択する。
これにより、差動比較回路４０の動作点設定期間を含むＡＤ変換に係る全体の時間を短縮し、ＡＤ変換の高速化を行う。
なお、図４では、差動比較回路４０の出力を確実に初期の極性に固定するため、時刻ｔ２〜ｔ３において、参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅに初期電圧を付加する。ここで、付加した初期電圧に対して、差動比較回路４０の出力電圧ＣＯＵＴ１が応答する時間も、差動比較回路４０の周波数帯域特性によって、影響される。よって、本実施形態では、参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅにオフセットを付加した期間（時刻ｔ２〜ｔ３）においても、差動比較回路４０の周波数帯域特性を広帯域に設定する。これにより、更にＡＤ変換に係る全体の時間を短縮し、ＡＤ変換の高速化を行うことができる。つまり、帯域選択部２０は、時刻ｔ２〜ｔ３の参照信号初期化期間において、広帯域特性を選択する。
次に、時刻ｔ３において、リセットレベル（すなわち基準信号成分Ｖｒｓｔ）の比較のための参照信号スイープを開始し、同時に、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６によるカウント（図４ではダウンカウント）を開始することで、シングルスロープ型のＡＤ変換を行う。このとき、帯域選択部２０は、出力信号Ｆ＿ＳＥＬをハイにすることによって、差動比較回路４０の周波数帯域特性を狭帯域に設定する。つまり、帯域選択部２０は、基準信号成分Ｖｒｓｔに対するカウント期間（時刻ｔ３〜ｔ４）において、狭帯域特性を選択し、電圧比較部１５の周波数帯域特性を狭帯域特性に切り替えさせる。
このことにより、差動比較回路４０による帯域抑制効果を得ることができ、ランダム性のノイズ成分を抑制することで、低ノイズのＡＤ変換を実現できる。
また、リセットレベルに対してのＡＤ変換の後、リセットレベルと信号レベルを重畳した電圧Ｖｓｉｇ＋Ｖｒｓｔに対して、ＡＤ変換を行う。このため、一旦、参照信号Ｖｓｌｏｐｅを初期電圧に戻す必要があり、その際、差動比較回路４０の出力電圧ＣＯＵＴ１も初期電圧に収束する。
よって、時刻ｔ４〜ｔ５において、参照信号Ｖｓｌｏｐｅに初期電圧を付加する。上述したように、付加した初期電圧に対して、差動比較回路４０の出力電圧ＣＯＵＴ１が応答する時間は、差動比較回路４０の周波数帯域特性によって影響される。そこで、本実施形態では、リセットレベルに対してのＡＤ変換の後、帯域選択部２０の出力信号Ｆ＿ＳＥＬによって、差動比較回路４０の周波数帯域特性を広帯域に設定し、差動比較回路４０の出力電圧ＣＯＵＴ１の収束を高速化することで、ＡＤ変換の高速化を行える。つまり、帯域選択部２０は、時刻ｔ４〜ｔ５の参照信号初期化期間において、広帯域特性を選択し、電圧比較部１５の周波数帯域特性を広帯域特性に切り替えさせる。
また、時刻ｔ４において、参照信号Ｖｓｌｏｐｅを初期電圧に戻すと同時に、単位画素２からは列信号線６を介して、差動比較回路４０にリセットレベルと信号レベル（すなわち画素信号成分Ｖｓｉｇ）とを重畳した電圧Ｖｓｉｇ＋Ｖｒｓｔが供給される。
その後、時刻ｔ５において、参照信号Ｖｓｌｏｐｅのスイープを開始し、同時に、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６によるカウント（図４ではアップカウント）を開始することで、シングルスロープ型のＡＤ変換を行う。このとき、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６によるカウントの方向を、リセットレベルのＡＤ変換時と異ならしめることによって、リセットレベルと信号レベルを重畳した電圧Ｖｓｉｇ＋Ｖｒｓｔから、リセットレベルＶｒｓｔを減算する動作を行うことに相当する。その結果、信号レベルＶｓｉｇに対してのＡＤ変換結果を得ることができる。本動作を一般に、相関サンプリングと呼び、画素部のリセット動作に伴うＫＴＣノイズや、ＡＤ変換遅延のばらつきによる縦線等、様々な固定パターンノイズ、および、主に低周波数の１／ｆノイズ起因のランダムノイズを抑制できる。
すなわち、本実施形態では、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６によるアップカウントと、ダウンカウントとにおいて、差動比較回路４０の周波数帯域特性を同一の狭帯域特性とすることで、相関サンプリングの効果を最大限に得ることができる。
つまり、帯域選択部２０は、基準信号成分Ｖｒｓｔに対するカウント期間において、複数の周波数帯域特性のうち、狭周波数帯域特性を選択し、かつ、重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇに対するカウント期間において、基準信号成分Ｖｒｓｔに対するカウント期間に選択した周波数帯域特性と実質的に同一の狭周波数帯域特性を選択する。
これにより、相関サンプリング動作による固定パターンノイズ抑制と、電圧比較部１５の周波数帯域特性の切り替えによるランダムノイズ抑制とを両立することが可能となる。つまり、ノイズによる画質劣化をより低減できる。
なお、帯域選択部２０は、基準信号成分Ｖｒｓｔに対するカウント期間の一部の期間において、狭周波数帯域特性を選択し、かつ、重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇに対するカウント期間の一部の期間において、基準信号成分Ｖｒｓｔに対するカウント期間に選択した周波数帯域特性と実質的に同一の狭周波数帯域特性を選択してもよい。
なお、本実施形態では、アップカウントとダウンカウントの周波数帯域特性差による相関サンプリングの効果不足に起因した固定パターンノイズとランダムノイズ増加が、固体撮像装置１として許容できる範囲であれば、実質的に同一の狭帯域特性とみなすことができる。
なお、本発明は、図４で示したダウンカウントとアップカウントが逆となる、すなわち、リセットレベルＶｒｓｔ（すなわち基準信号）の比較のための参照信号スイープを開始し、同時に、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６によるアップカウントを行い、参照信号Ｖｓｌｏｐｅを初期電圧に戻すと同時に、画素からは列信号線６を介して、差動比較回路４０にリセットレベルと信号レベルを重畳した電圧Ｖｓｉｇ＋Ｖｒｓｔが供給され、その後、参照信号Ｖｓｌｏｐｅのスイープを開始し、同時に、アップダウンカウンタ＆データ記憶部１６によるダウンカウントを行ってもよい。
以上図面を用いて説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置は、両ＡＤ変換動作中に、同一、かつ、狭帯域の周波数帯域特性を選択することで、相関サンプリングを有効に動作させ、かつ、差動比較回路によるノイズ抑制効果を最大化することで、ランダムノイズと固定パターンノイズを最大限に抑制することができる。
言い換えると、本実施形態に係る固体撮像装置１は、行列状に配置され、受光した光を信号電圧に変換する複数の単位画素２と、信号電圧をデジタル信号に変換する列ＡＤ変換回路１７とを備え、列ＡＤ変換回路１７は、信号電圧と電圧値が漸次変化する参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅとの大小を比較する電圧比較部１５と、単位画素２のリセットレベルの信号電圧である基準信号成分Ｖｒｓｔに対して、電圧比較部１５の比較結果が変化するまでの時間をダウンカウントによりカウントし、単位画素２が受光した光量に対応する信号電圧である画素信号成分Ｖｓｉｇと基準信号成分Ｖｒｓｔとが重畳された重畳信号成分Ｖｓｉｇ＋Ｖｒｓｔに対して、電圧比較部１５の比較結果が変化するまでの時間をアップカウントによりカウントするアップダウンカウンタ＆データ記憶部１６とを有し、電圧比較部１５は、切り替え可能な、狭周波数帯域特性及び広周波数帯域特性を有する。
これにより、アップダウンカウントを用いた相関サンプリング動作による固定パターンノイズが抑制できる。また、基準信号成分Ｖｒｓｔに対するカウント期間、及び、重畳信号成分Ｖｓｉｇ＋Ｖｒｓｔに対するカウント期間以外の期間には広周波数帯域特性に切り替えることにより、カウント期間以外に要する時間を短縮することが可能となる。
更に、アップカウントによりカウントする期間と、ダウンカウントによりカウントする期間とで、同一の周波数帯域特性を選択する。これにより、両ＡＤ変換における変換遅延を揃えることになり、相関サンプリングによるキャンセル効果を最大化して、縦線ノイズ等の少ない高画質画像を得ることができる。
また、参照信号のスイープを開始する前の期間で、広帯域の周波数帯域特性を選択する。
これにより、ＡＤ変換結果のノイズ特性に寄与しない部分の高速化を行い、ＡＤ変換全体の高速化を行う。特に参照信号Ｖｓｌｏｐｅの電圧値が大きく変化する部分で、広帯域の周波数帯域特性を選択することは、差動比較回路の高速化効果も大きく、ＡＤ変換時間の短縮による高速化、および、固体撮像装置１としてのフレームレートの向上や連写枚数の向上を実現できる。
さらに、従来技術の固体撮像装置では、電圧比較部の帯域制限時と非制限時とで、大きく変換時間を異ならせないため、傾きが異なる複数の参照信号電圧が必須となる。仮に、単一の参照信号電圧を用いた場合には、狭い周波数帯域を選択した列のＡＤ変換時間が支配的となり、広い周波数帯域を画素信号レベルに応じて選択する必要はない。
また、片方の参照信号電圧＝他方の参照信号電圧×２倍の傾きを有する複数の参照信号電圧を用いた場合、参照信号電圧の傾き差による設計値２倍のゲイン差が存在するため、画像としてＡＤ変換ゲインを揃えるためには、カウントクロックの周波数調整、もしくは、ＡＤ変換後のデジタル演算等によって、変換ゲイン差を換算することが必要である。
しかしながら、複数の参照信号電圧を使用する場合、全く同じ回路構成の参照信号生成部を用いたとしても、ＡＤ変換ゲイン、すなわち参照信号電圧の傾きが設計値と完全同一とはならず、仮に理想的には２倍の傾き差を有する複数の参照信号電圧であっても、現実の参照信号電圧は、例えば、２．１倍の傾き差を有する。この場合、２倍の傾き差を前提とした変換ゲイン差異の換算動作では、ゲイン差異を換算しきれず、使用した参照信号電圧毎にＡＤ変換ゲインが異なり、同一の変換ゲインを前提としたホワイトバランスゲインからずれることで、着色による色ノイズを招き、画質として致命的な劣化を招く。このゲインのずれによる画質劣化は、信号の大きさに応じて、固定パターン的に出現するノイズ成分となるため、回路的な（ランダム）ノイズとは異なり、非常に大きな画質課題となる。
これに対し、本実施形態に係る固体撮像装置１は、各列の信号電圧に対して、単一の参照信号電圧Ｖｓｌｏｐｅを用いることで、列間のゲイン差異の問題を回避することができる。列間のゲイン差異がなくなることで、ＡＤの変換ゲインは、各列・各画素で同一であるという前提の中で定まるホワイトバランスゲインからのずれがなくなり、着色や色ノイズといった画質劣化の少ない高画質画像を得ることができる。
すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置１は、ＡＤ変換の高速化と、ランダムノイズ・固定パターンノイズ両面の低ノイズ化を、高い次元で両立させることができる。
（第２の実施形態）
以下、図面を参照しながら、第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成及び動作について、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
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１と比較して、ほぼ同様の構成を有するが、モード制御信号が入力され、帯域選択部２０を通じて、電圧比較部１５の周波数帯域特性を選択するモード判定回路を有し、モードに応じた周波数帯域特性の選択を行う点が異なる。
図５は、本実施形態に係る固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。なお、図１と同様の要素については同一の符号を用いる。
図５より、固体撮像装置２０１は、モード判定回路５０を除いて、第１の実施形態に係る固体撮像装置１と同じ構成を有している。また、モード判定回路５０は、入力されるモード制御信号毎に、指令されたモードが画素信号加算動作を含むモードか否か、を判定し、画素信号加算動作を含むモードの場合に、帯域選択部２０を通じて、電圧比較部１５の周波数帯域特性として広周波数帯域特性を選択し、画素信号加算動作を含まないモードの場合に、電圧比較部１５の周波数帯域特性として狭周波数帯域特性を選択する。
なお、本実施形態において、広周波数帯域特性は第３の周波数帯域特性に相当し、狭周波数帯域特性は第４の周波数帯域特性に相当する。
入力されるモード制御信号は、例えば、ＨＤ動画モードや、静止画モードといったモードの内容を指定する。いくつかのモードでは、画素の信号を、画素数分出力するのではなく、水平垂直各２画素、計４画素の信号を加算して出力するといった画素信号加算動作を行う。
一般的に、画素信号加算動作では、例えば、４画素加算であれば、信号量は４倍になるが、ランダム性のノイズ成分は、平方根での増分に留まるため、ノイズ量は２倍となる。したがって、ＳＮ比としては、加算を行わない場合と比べて、２倍改善することになる。
そこで、本実施形態に係る固体撮像装置２０１は、画素信号加算動作を含まないモードの場合には、電圧比較部１５の周波数帯域特性を狭帯域とすることによるノイズ削減を最大限に実施し、一方、画素信号加算動作を含むモードの場合には、画素信号加算動作によるノイズ削減効果が存在するため、電圧比較部１５の周波数帯域特性を相対的に広帯域とすることによるＡＤ変換の高速化を実施し、低ノイズ化と動作速度を両立させる。
すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置２０１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１と同様に、基準信号成分と重畳信号成分とに対する両ＡＤ変換動作中に、同一、かつ、狭帯域の周波数帯域特性を選択することで、相関サンプリングを有効に動作させ、かつ、差動比較回路によるノイズ抑制効果を最大化することで、ランダムノイズ・固定パターンノイズを最大限に抑制するとともに、本実施形態では更に画素信号加算動作を含むモードの場合に、電圧比較部１５の周波数帯域特性を相対的に広帯域とすることによるＡＤ変換の高速化を実施し、低ノイズ化と動作速度を両立させることができる。
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置２０１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１と比較して、さらに、異なる単位画素２で変換された複数の信号電圧を加算する動作である画素信号加算動作を含む複数のモードを識別するモード判定回路５０を備え、帯域選択部２０は、モード判定回路５０の判定結果に応じて、画素信号加算動作を含む少なくとも一つのモードでは広周波数帯域特性を選択し、画素信号加算動作を含まない少なくとも一つのモードでは狭周波数帯域特性を選択する。
これにより、画素信号加算動作によってランダムノイズが抑制される動作モードでは、周波数帯域制限によるノイズ抑制よりも、高速動作を優先し、画素信号加算動作がなくランダムノイズが抑制されない動作モードでは、周波数帯域制限によるノイズ抑制を優先することができる。
（第２の実施形態の変形例１）
本変形例に係る固体撮像装置は、第２の実施形態に係る固体撮像装置２０１と比較して、ほぼ同様の構成を有するが、動作モードが異なる。以下、本変形例について、第２の実施形態に係る固体撮像装置２０１と異なる点を中心に説明する。
図６は、本変形例の理解を容易とするため、単位画素２の増幅トランジスタ３２の出力インピーダンスＲｏを表した図である。
本変形例に係る固体撮像装置は、画素平均動作を含む複数のモードのいずれかを示すモード制御信号が入力され、帯域選択部２０を通じて、電圧比較部１５の周波数帯域特性を選択するモード判定回路５０を有し、モードに応じた周波数帯域特性の選択を行う。
本変形例に係る固体撮像装置は、画素信号平均動作では、例えば、ｍ行目の増幅トランジスタ３２と、選択トランジスタ３３と、ｍ＋１行目の増幅トランジスタ３２と、選択トランジスタ３３と、を同時に導通させ、２行分の基準信号、もしくは、画素信号を平均した信号を、同一の列信号線６へ出力する。つまり、複数の単位画素２の増幅トランジスタ３２を同時に複数個導通させることによる画素信号平均動作が行われる。
ここで、読み出し電流源７ａを複数個の増幅トランジスタ３２で共有する場合、通常であれば、片方の増幅トランジスタで出力電圧が決定されるが、イメージセンサで使用される増幅トランジスタ３２は、画素ピッチに格納するため、サイズが小さくなり、出力インピーダンスＲｏが大きくなる。また、増幅トランジスタ３２のゲートがフローティングで駆動されているため、ゲート・ソース間の容量成分で、ソースからゲートへ信号がフィードバックされる。また、増幅トランジスタ３２を同時に複数個導通させた場合、抵抗分割、容量分割の作用によって、画素信号平均動作が行われる。
この動作により複数個の増幅トランジスタ３２が同時に導通するため、トータルの出力インピーダンスは、Ｒｏ／導通個数となり、出力インピーダンスを低下させることができ、増幅トランジスタを通じて出力される基準信号、画素信号の収束時間は早くなり、ＡＤ変換に費やせる時間に余裕を確保することができる。更に、本変形例では、画素信号平均動作を含むモードの場合に、ＡＤ変換に費やせる時間の余裕を使用して、ノイズをさらに抑制するため、画素信号平均動作を含むモード場合と比して、相対的に狭い周波数帯域特性を選択する。
これにより、本変形例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１と同様に、基準信号成分と重畳信号成分に対する両ＡＤ変換動作中に、同一、かつ、狭帯域の周波数帯域特性を選択することで、相関サンプリングを有効に動作させ、かつ、差動比較回路によるノイズ抑制効果を最大化することで、ランダムノイズ・固定パターンノイズを最大限に抑制する。また、本実施形態では更に、画素信号平均動作を含むモードの場合に、電圧比較部１５の周波数帯域特性を相対的に狭帯域とすることにより、ＡＤ変換時間を犠牲にすることなく更なるノイズ抑制を実施し、低ノイズ化と動作速度を両立させることができる。
以上のように、本変形例に係る固体撮像装置は、モード判定回路５０が複数の単位画素２の各増幅トランジスタ３２を同時に複数個導通させることによる画素信号平均動作を含む複数のモードを識別し、帯域選択部２０は、モード判定回路５０の判定結果に応じて、画素信号平均動作を含まない少なくとも一つの動作モードでは、広周波数帯域特性を選択し、画素信号平均動作を含む少なくとも一つの動作モードでは、狭周波数帯域特性を選択する。なお、モード判定回路５０は動作モード判定部に相当する。
これにより、増幅トランジスタ３２の複数個導通による出力インピーダンス低下によって画素信号成分Ｖｓｉｇの読み出しが高速化される画素信号平均動作を含む動作モードでは、周波数帯域制限によるノイズ抑制を優先し、画素信号の読み出しが高速化される画素信号平均動作を含まない動作モードでは、高速動作を優先することができる。その結果、本変形例に係る固体撮像装置は、画素信号平均動作を含む複数の動作モードで動作しても、相関サンプリング動作による固定パターンノイズ抑制と、電圧比較部１５の周波数帯域特性の切り替えによるランダムノイズ抑制と、ＡＤ変換の高速化とを実現することが可能となる。
（第２の実施形態の変形例２）
本変形例に係る固体撮像装置は、第２の実施形態に係る固体撮像装置２０１と比較して、ほぼ同様の構成を有するが、動作モードが異なり、モード判定回路５０が動画撮影モード、及び、静止画撮影モードの少なくとも一方を含む複数のモードを識別し、帯域選択部２０は、モード判定回路５０の判定結果に応じて、動画撮影モードでは、広周波数帯域特性を選択し、静止画撮影モードでは、狭周波数帯域特性を選択する点が異なる。以下、本変形例について、第２の実施形態に係る固体撮像装置２０１と異なる点を中心に説明する。
動画撮影モードの場合、多くの場合、秒６０フレーム、あるいは秒３０フレームといった制約により、ＡＤ変換に費やせる時間が厳しく制限される。一方で、静止画撮影モードの場合、単発の撮影動作であり、厳しいフレームレートの制限がなく、相対的にＡＤ変換に費やせる時間に余裕を確保することができる。
また、動画撮影モードの場合、時間軸方向に複数のフレームが順次表示されるため、人間の目によって、時間軸方向にランダムノイズを抑制する視覚的なフィルタを期待することができ、ノイズに対して相対的に寛容であることができる。一方で、静止画撮影モードの場合、一枚のフレームで完結するため、ノイズに対して相対的に厳しい要求が存在する。
そこで、静止画撮影モードの場合に、ＡＤ変換に費やせる時間の余裕を使用して、ノイズに対して相対的に厳しい要求を実現するため、動画撮影モード場合と比較して、電圧比較部１５の周波数帯域特性として相対的に狭い周波数帯域特性を選択する。また、動画撮影モードでは、静止画撮影モードと比較して、電圧比較部１５の周波数帯域特性として相対的に広い周波数帯域特性を選択し、ＡＤ変換の高速化を実現する。
これにより、本変形例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１と同様に、基準信号成分と重畳信号成分とに対する両ＡＤ変換動作中に、同一、かつ、狭帯域の周波数帯域特性を選択することで、相関サンプリングを有効に動作させ、かつ、差動比較回路によるノイズ抑制効果を最大化することで、ランダムノイズ・固定パターンノイズを最大限に抑制する。また、静止画撮影モードの場合に、電圧比較部１５の周波数帯域特性を相対的に狭帯域とし、動画撮影モードの場合に相対的に広帯域とすることにより、低ノイズ化と動作速度を両立させることができる。
以上のように、本変形例に係る固体撮像装置は、動画撮影モード、及び、静止画撮影モードの少なくとも一方を含む複数の動作モードを識別するモード判定回路を備え、帯域選択部は、モード判定回路の判定結果に応じて、動画撮影モードでは、広周波数帯域特性を選択し、静止画撮影モードでは、狭周波数帯域特性を選択する。
これにより、フレームレートに制限があり、高速動作の要求される動画撮影モードでは、高速動作を優先し、フレームレートが要求されない静止画撮影モードでは、ノイズ抑制を優先することができる。その結果、動画撮影モード及び静止画撮影モードで動作する固体撮像装置であっても、相関サンプリング動作による固定パターンノイズ抑制と、電圧比較部１５の周波数帯域特性の切り替えによるランダムノイズ抑制と、ＡＤ変換の高速化とを実現することが可能となる。
（第３の実施形態）
上記した各実施形態及びその変形例に係る固体撮像装置は、図７Ａに示すビデオカメラや図７Ｂに示すデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話等のモバイル機器向けカメラモジュール等の撮像装置において、その撮像デバイス（画像入力装置）として用いて好適なものである。
図８は、撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。図８に示すように、本実施形態に係る撮像装置は、レンズ６１を含む光学系、撮像デバイス６２、カメラ信号処理回路６３およびシステムコントローラ６４等によって構成されている。レンズ６１は、被写体からの像光を撮像デバイス６２の撮像面に結像する。撮像デバイス６２は、レンズ６１によって撮像面に結像された像光を画素単位で電気信号に変換して得られる画像信号を出力する。この撮像デバイス６２として、上述の各実施形態又はその変形例に係る固体撮像装置が用いられる。
カメラ信号処理回路６３は、撮像デバイス６２から出力される画像信号に対して種々の信号処理を行う。システムコントローラ６４は、撮像デバイス６２やカメラ信号処理回路６３に対する制御を行う。
このように、本実施形態に係る撮像装置は、ノイズによる画質劣化を低減できる撮像デバイス６２を備える。
以上、本発明の固体撮像装置及び撮像装置について、実施形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、この実施形態及び変形例に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものや、異なる実施形態及び変形例における構成要素を組み合わせて構成される形態も本発明の範囲内に含まれる。
例えば、電圧比較部１５の周波数帯域特性は、挟周波数帯域特性及び広周波数帯域特性に限らず、周波数帯域特性が異なる３つ以上の周波数帯域特性であってもよい。その場合、帯域選択部２０は、基準信号成分Ｖｒｓｔに対するカウント期間の少なくとも一部の期間において、複数の周波数帯域特性のうち、最も広帯域な周波数帯域特性以外の周波数帯域特性を選択し、かつ、重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇに対するカウント期間の少なくとも一部の期間において、基準信号成分Ｖｒｓｔに対するカウント期間に選択した周波数帯域特性と実質的に同一の周波数帯域特性を選択してもよい。
また、帯域選択部２０は、基準信号成分Ｖｒｓｔ及び重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇに対するカウント期間の少なくとも一部の期間において、３つ以上の周波数帯域特性のうち第１の周波数帯域特性を選択し、基準信号成分Ｖｒｓｔ及び重畳信号成分Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇに対するカウント開始前の少なくとも一部の期間において、３つ以上の周波数帯域特性のうち第１の周波数帯域特性より広い第２の周波数帯域特性を選択してもよい。
また、帯域選択部２０は、モード判定回路５０の判定結果に応じて、画素信号加算動作を含む少なくとも一つの動作モードでは、３つ以上の周波数帯域特性のうち第３の周波数帯域特性を選択し、画素信号加算動作を含まない少なくとも一つの動作モードでは、３つ以上の周波数帯域特性のうち第３の周波数帯域特性より狭い第４の周波数帯域特性を選択してもよい。
また、帯域選択部２０は、モード判定回路５０の判定結果に応じて、画素信号平均動作を含まない少なくとも一つの動作モードでは、３つ以上の周波数帯域特性のうち第３の周波数帯域特性を選択し、画素信号平均動作を含む少なくとも一つの動作モードでは、第３の周波数帯域特性より狭い第４の周波数帯域特性を選択してもよい。
また、帯域選択部２０は、モード判定回路５０の判定結果に応じて、動画撮影モードでは、３つ以上の周波数帯域特性のうち第３の周波数帯域特性を選択し、静止画撮影モードでは、第３の周波数帯域特性より狭い第４の周波数帯域特性を選択してもよい。
また、上記実施形態に係る固体撮像装置に含まれる各処理部は典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように１チップ化されてもよい。
また、集積回路化はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
また、上記各実施形態に係る、固体撮像装置の機能又は構成のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。
また、上記で用いた数字は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。さらに、ハイ／ローにより表される論理レベル又はオン／オフにより表されるスイッチング状態は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、例示された論理レベル又はスイッチング状態の異なる組み合わせにより、同等な結果を得ることも可能である。また、トランジスタ等のｎ型及びｐ型等は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、これらを反転させることで、同等の結果を得ることも可能である。また、構成要素間の接続関係は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。
また、ブロック図における機能ブロックの分割は一例であり、複数の機能ブロックを一つの機能ブロックとして実現したり、一つの機能ブロックを複数に分割したり、一部の機能を他の機能ブロックに移してもよい。また、類似する機能を有する複数の機能ブロックの機能を単一のハードウェア又はソフトウェアが並列又は時分割に処理してもよい。
また、上記説明では、ＭＯＳトランジスタを用いた例を示したが、他の種類のトランジスタを用いてもよい。
また、上記回路図に示す回路構成は、一例であり、本発明は上記回路構成に限定されない。つまり、上記回路構成と同様に、本発明の特徴的な機能を実現できる回路も本発明に含まれる。例えば、上記回路構成と同様の機能を実現できる範囲で、ある素子に対して、直列又は並列に、トランジスタ、抵抗素子、又は容量素子等の素子を接続したものも本発明に含まれる。言い換えると、上記実施形態における「接続される」とは、２つの端子（ノード）が直接接続される場合に限定されるものではなく、同様の機能が実現できる範囲において、当該２つの端子（ノード）が、素子を介して接続される場合も含む。
本発明は、固体撮像装置及び撮像装置に有用であり、特に高速及び高画質が求められるデジタルスチルカメラ及びデジタルビデオカメラ等として有用である。
１、２０１、１００１ 固体撮像装置
２、１００３ 単位画素
３、１０１０ 画素アレイ
４、１０１４ 垂直走査回路
５、１０１５ 行制御線
６、１０１９ 列信号線
７ 読み出し電流源群
７ａ 読み出し電流源
８ ＡＤ変換部
９ 水平信号線
１０、１０１２ 水平走査回路
１１、１０１６ 水平制御線
１２ 出力回路
１３ タイミング制御部
１４ 参照信号生成部
１５、１２５２ 電圧比較部
１６ アップダウンカウンタ＆データ記憶部
１７ 列ＡＤ変換回路
２０ 帯域選択部
３０ フォトダイオード（画素）
３１ 転送トランジスタ
３２ 増幅トランジスタ
３３ 選択トランジスタ
３４ リセットトランジスタ
４０ 差動比較回路
４１ａ、４１ｂ オフセットキャンセルスイッチ
４２、１２５７ 容量
４３、１２５５、１２５６ スイッチ
４４ プリチャージ部
４６ａ、４６ｂ オフセットキャンセル容量
５０ モード判定回路
６１ レンズ
６２ 撮像デバイス
６３ カメラ信号処理回路
６４ システムコントローラ
１０２０ タイミング制御回路
１０２５ 列ＡＤ回路
１０２６ 列処理部
１０２７ 参照電圧生成部
１２５３ ＡＤ変換選択回路
１２５４ カウンタ＆データ記憶部

Claims (9)

  1. 行列状に配置され、受光した光を信号電圧に変換する複数の画素と、
    前記信号電圧をデジタル信号に変換する列ＡＤ変換部とを備える固体撮像装置であって、
    前記列ＡＤ変換部は、
    前記信号電圧と電圧値が漸次変化する参照信号電圧との大小を比較する比較部と、
    前記画素のリセットレベルの前記信号電圧である基準信号成分に対して、前記比較部の比較結果が変化するまでの時間をダウンカウント及びアップカウントの一方によりカウントし、前記画素が受光した光量に対応する前記信号電圧である画素信号成分と前記基準信号成分とが重畳された重畳信号成分に対して、前記比較部の比較結果が変化するまでの時間をダウンカウント及びアップカウントの他方によりカウントするアップダウンカウント部とを有し、
    前記比較部は、切り替え可能な複数の周波数帯域特性を有し、
    前記固体撮像装置は、さらに、
    前記複数の周波数帯域特性のうち一の周波数帯域特性を選択し、前記比較部の周波数帯域特性を、前記一の周波数帯域特性に切り替えさせる帯域選択部と、
    複数の動作モードを識別する動作モード判定部とを備え、
    前記帯域選択部は、前記動作モード判定部の判定結果に応じて、前記一の周波数帯域特性を選択する
    固体撮像装置。
  2. 前記動作モード判定部は、異なる画素で変換された複数の信号電圧を加算する動作である画素信号加算動作を含む複数の動作モードを識別し、
    前記帯域選択部は、
    前記画素信号加算動作を含む少なくとも一つの動作モードでは、第１周波数帯域特性を選択し、
    前記画素信号加算動作を含まない少なくとも一つの動作モードでは、前記第１周波数帯域特性より狭い第２周波数帯域特性を選択する
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記画素は、前記信号電圧を出力するための増幅トランジスタを有し、
    前記動作モード判定部は、前記複数の画素の各増幅トランジスタを同時に複数個導通させることによる画素信号平均動作を含む複数の動作モードを識別し、
    前記帯域選択部は、
    前記画素信号平均動作を含まない少なくとも一つの動作モードでは、第１周波数帯域特性を選択し、
    前記画素信号平均動作を含む少なくとも一つの動作モードでは、前記第１周波数帯域特性より狭い第２周波数帯域特性を選択する
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  4. 前記動作モード判定部は、動画撮影モード、及び、静止画撮影モードの少なくとも一方を含む複数の動作モードを識別し、
    前記帯域選択部は、
    前記動画撮影モードでは、第１周波数帯域特性を選択し、
    前記静止画撮影モードでは、前記第１周波数帯域特性より狭い第２周波数帯域特性を選択する
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  5. 前記固体撮像装置は、さらに、内部クロックを生成するタイミング制御回路を備え、
    前記動作モード判定部は、前記タイミング制御回路に備わる
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  6. 前記比較部は、
    前記信号電圧と前記参照信号電圧とを比較する比較回路と、
    前記比較回路と前記アップダウンカウント部との間の接続点に接続された容量と、
    前記容量に直列接続され、前記比較回路の出力と前記容量との導通及び非導通を制御するスイッチとを有し、
    前記スイッチの導通及び非導通を切り替えることによって、周波数帯域特性を切り替える
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  7. 前記比較部は、
    前記信号電圧と前記参照信号電圧とを比較する差動比較回路と、
    前記差動比較回路の一方の差動出力に一端が接続された容量と、
    前記差動比較回路の他方の差動出力と前記容量の他端との導通及び非導通を制御するスイッチとを有し、
    前記スイッチの導通及び非導通を切り替えることによって、周波数帯域特性を切り替える
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  8. 前記比較部は、さらに、
    前記スイッチの非導通状態である遮断時に、前記容量の電荷をプリチャージするプリチャージ部を有する
    請求項６又は７に記載の固体撮像装置。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備える
    撮像装置。
JP2017036396A 2011-11-25 2017-02-28 固体撮像装置及びそれを備える撮像装置 Active JP6304572B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011257530 2011-11-25
JP2011257530 2011-11-25

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013545770A Division JP6112306B2 (ja) 2011-11-25 2012-10-26 固体撮像装置及びそれを備える撮像装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017092998A JP2017092998A (ja) 2017-05-25
JP6304572B2 true JP6304572B2 (ja) 2018-04-04

Family

ID=48469389

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013545770A Active JP6112306B2 (ja) 2011-11-25 2012-10-26 固体撮像装置及びそれを備える撮像装置
JP2017036396A Active JP6304572B2 (ja) 2011-11-25 2017-02-28 固体撮像装置及びそれを備える撮像装置

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013545770A Active JP6112306B2 (ja) 2011-11-25 2012-10-26 固体撮像装置及びそれを備える撮像装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9294696B2 (ja)
JP (2) JP6112306B2 (ja)
WO (1) WO2013076919A1 (ja)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6175355B2 (ja) * 2013-11-07 2017-08-02 ルネサスエレクトロニクス株式会社 固体撮像素子
WO2016009836A1 (ja) * 2014-07-15 2016-01-21 ソニー株式会社 比較回路、固体撮像装置、および電子機器
CN111968998A (zh) * 2014-12-26 2020-11-20 松下知识产权经营株式会社 摄像装置
EP3101812B1 (en) * 2015-06-05 2022-10-26 Cmosis Bvba In-pixel differential transconductance amplifier for adc and image sensor architecture
JP6815777B2 (ja) * 2016-07-25 2021-01-20 キヤノン株式会社 撮像装置及び撮像装置の制御方法
JP6702821B2 (ja) * 2016-07-28 2020-06-03 キヤノン株式会社 撮像装置及びその制御方法、プログラム、記憶媒体
US9961279B1 (en) 2016-12-20 2018-05-01 Omnivision Technologies, Inc. Blooming free high dynamic range image sensor read out architecture using in-frame multi-bit exposure control
US9888185B1 (en) * 2016-12-20 2018-02-06 Omnivision Technologies, Inc. Row decoder for high dynamic range image sensor using in-frame multi-bit exposure control
US9955091B1 (en) 2016-12-20 2018-04-24 Omnivision Technologies, Inc. High dynamic range image sensor read out architecture using in-frame multi-bit exposure control
KR20190012659A (ko) * 2017-07-28 2019-02-11 에스케이하이닉스 주식회사 저 밴딩 노이즈를 위한 비교 장치 및 그에 따른 씨모스 이미지 센서
JP2019149713A (ja) * 2018-02-27 2019-09-05 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 センサ素子および電子機器
KR102520450B1 (ko) * 2018-04-17 2023-04-12 에스케이하이닉스 주식회사 이미지 센싱 장치
US11725985B2 (en) 2018-05-03 2023-08-15 Verity Instruments, Inc. Signal conversion system for optical sensors
WO2020261746A1 (ja) 2019-06-25 2020-12-30 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体撮像装置およびカメラ

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3456099B2 (ja) * 1996-08-16 2003-10-14 ソニー株式会社 チョッパーコンパレータおよびａ／ｄコンバータ
JP3818711B2 (ja) * 1996-12-02 2006-09-06 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社 相関二重サンプリング回路
JP4581573B2 (ja) * 2004-09-07 2010-11-17 ソニー株式会社 固体撮像装置
JP2009538074A (ja) * 2006-05-23 2009-10-29 トムソン ライセンシング イメージ・センサ回路
JP2008187565A (ja) * 2007-01-31 2008-08-14 Sony Corp 固体撮像装置及び撮像装置
JP2010081546A (ja) * 2008-09-29 2010-04-08 Canon Inc 撮像装置
JP5407264B2 (ja) * 2008-10-09 2014-02-05 ソニー株式会社 固体撮像素子およびカメラシステム
JP5219962B2 (ja) * 2009-08-13 2013-06-26 キヤノン株式会社 固体撮像素子、その駆動方法、及び撮像システム
JP2011109612A (ja) * 2009-11-20 2011-06-02 Sony Corp 固体撮像装置
JP5620693B2 (ja) * 2010-02-26 2014-11-05 パナソニック株式会社 固体撮像装置およびその駆動方法、カメラ
JP5868065B2 (ja) * 2011-08-05 2016-02-24 キヤノン株式会社 撮像装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20140252208A1 (en) 2014-09-11
US9294696B2 (en) 2016-03-22
WO2013076919A1 (ja) 2013-05-30
JP6112306B2 (ja) 2017-04-12
JP2017092998A (ja) 2017-05-25
JPWO2013076919A1 (ja) 2015-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6304572B2 (ja) 固体撮像装置及びそれを備える撮像装置
US11758305B2 (en) Comparator, ad converter, solid-state imaging device, electronic apparatus, and method of controlling comparator
US10070103B2 (en) Solid-state imaging device, driving method, and electronic device
JP6735582B2 (ja) 撮像素子およびその駆動方法、および撮像装置
US8259196B2 (en) Comparator, method of calibrating comparator, solid-state imaging device, and camera system
JP4380439B2 (ja) データ処理方法およびデータ処理装置並びに物理量分布検知の半導体装置および電子機器
US8072522B2 (en) Solid-state imaging device, imaging apparatus, and electronic apparatus
WO2016121352A1 (ja) 固体撮像装置およびカメラ
JP2016201649A (ja) 撮像装置、撮像システム、および撮像装置の駆動方法
US9876971B2 (en) Solid-state imaging device
JP2010258737A (ja) Ｄａ変換装置、固体撮像素子、およびカメラシステム
EP2360912A1 (en) Solid-state image pickup apparatus and driving method therefor
JP2012147164A (ja) 固体撮像装置
CN110249623B (zh) 摄像元件及电子相机
JP6421341B2 (ja) 固体撮像装置及び撮像装置
EP2482545B1 (en) An imaging apparatus, an imaging system, and a driving method of an imaging apparatus
CN110235435B (zh) 摄像元件及摄像装置
JP7175712B2 (ja) 撮像装置及びその制御方法、プログラム、記憶媒体
JP7339779B2 (ja) 撮像装置
JP2013110457A (ja) 固体撮像装置
JP6688451B2 (ja) 固体撮像装置及び画像読取装置
WO2012001870A1 (ja) 固体撮像装置
JP2022184314A (ja) 撮像素子、及び、撮像装置
TW202110162A (zh) 固態影像擷取元件、影像擷取裝置及控制固態影像擷取元件之方法
WO2016009866A1 (ja) 固体撮像素子、ｄａ変換器、サンプルホールド回路、および電子機器

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170306

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180115

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: 20180206

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180221

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6304572

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113

SZ03 Written request for cancellation of trust registration

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313Z03

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113

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

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250