KR20110014089A

KR20110014089A - 고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 아날로그-디지털 변환 방법 및 전자기기

Info

Publication number: KR20110014089A
Application number: KR1020100068387A
Authority: KR
Inventors: 히로야스 콘도
Original assignee: 소니 주식회사
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2011-02-10
Also published as: CN101990070A; TWI446789B; US20110025900A1; TW201117612A; JP5251778B2; US8355068B2; BRPI1002425A2; JP2011035689A; RU2010131659A; CN101990070B

Abstract

고체 촬상 장치는 광전 변환 소자를 포함하는 화소가 행렬형상으로 배치되고, 화소열마다 수직 신호선이 배선된 화소 어레이부와; 상기 화소 어레이부의 화소열마다 마련되고, 상기 수직 신호선을 통하여 상기 화소로부터 공급되는 아날로그 신호를 비교 대상 입력으로 하는 비교기 및 해당 비교기의 비교 시작부터 비교 완료까지의 시간을 계측하는 카운터를 갖는 아날로그-디지털 변환 회로와; 경사형상 파형의 복수의 참조신호를 생성하는 참조신호 생성부와; 상기 화소 어레이부의 특정한 화소열군의 화소로부터 상기 수직 신호선에 신호를 판독하는 솎아냄 판독 모드일 때에, 해당 특정한 화소열군의 하나의 화소열에 속하는 상기 수직 신호선과, 상기 특정한 화소열군 이외의 화소열군에 속하고, 화소로부터 신호가 판독되지 않는 상기 수직 신호선을 단락하는 제 1의 스위치와; 상기 솎아냄 판독 모드일 때에, 상기 하나의 화소열에 속하는 상기 비교기와 상기 특정한 화소열군 이외의 화소열군에 속하는 상기 비교기에 대해 상기 복수의 참조신호를 각각 비교 기준 입력으로서 주는 제 2의 스위치를 구비한다.

Description

고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 아날로그-디지털 변환 방법 및 전자기기{SOLID-STATE IMAGE SENSING DEVICE, ANALOG-DIGTAL CONVERSION METHOD OF SOLID-STATE IMAGE SENSING DEVICE, AND ELECTRONIC APPARATUS}

본 발명은, 고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 아날로그-디지털 변환 방법 및 전자기기에 관한 것으로, 특히, CMOS(MOS를 포함한다) 이미지 센서로 대표되는 X-Y어드레스형의 고체 촬상 장치, 아날로그-디지털 변환 방법 및 전자기기에 관한 것이다.

디지털 카메라 등 광을 전기 신호로 변환하여 화상 신호를 출력하는 촬상 장치는, 그 화상 취입부(광전 변환부)로서 고체 촬상 장치를 이용하고 있다. 이 고체 촬상 장치의 분야에서는, 근래, 화소수의 증가나 고(高)프레임 레이트화에 수반하여, 고속 판독을 실현하는 기술이나 저소비 전력화를 도모하는 기술이 필수의 기술로 되어 있다.

고체 촬상 장치의 일종으로서, CMOS 집적회로와 같은 프로세스로 제조할 수 있는 특징을 활용한 CMOS(MOS를 포함한다)형 이미지 센서(이하, CMOS 이미지 센서라고 기술한다)가 있다. CMOS 이미지 센서는, 화소마다 전하를 전기 신호로 변환하고, 화소로부터 판독하는 전기 신호를 화소열마다 병렬로 처리하는 구성을 채택하고 있다. 이 화소열마다의 병렬 처리에 의해, 화소 신호의 판독 속도를 향상시킬 수 있다.

종래, 행렬형상으로 배열된 복수의 화소로부터 신호를 화소열마다 병렬로 판독하는 CMOS 이미지 센서로서, 화소열마다 화소 신호를 아날로그-디지털 변환(이하, 「AD 변환」이라고 기술한다)하는 칼럼 AD 변환 방식의 것이 알려져 있다(예를 들면, 일본 특개2005-278135호 공보 참조).

칼럼 AD 변환 방식의 CMOS 이미지 센서는, 행렬형상으로 2차원 배치된 화소의 수직 방향으로 신호 판독선(이하, 수직 신호선라고 기술한다)을 공유하고, 그 화소열마다 AD 변환 회로 및 판독 회로를 마련한 구성을 채택하고 있다. 그리고, AD 변환 회로 및 판독 회로를 동시에 구동함으로써, 화소열의 총수에 상당하는 동시 신호 처리를 행하고 있다.

AD 변환 회로는, 다음의 일련의 회로 동작에 의해 AD 변환을 행한다. 즉, 우선, 수직 신호선을 통하여 화소로부터 판독되는 아날로그 화소 신호를, 어느 기울기를 갖은 선형(線形)으로 변화하는 슬로프 파형의 참조신호와 화소열마다 비교기에서 비교하는 동시에, 카운터의 카운트 동작을 시작한다. 이 때, 카운터는 일정 주기의 클록에 동기하여 카운트 동작을 행한다.

그 후, AD 변환 회로는, 아날로그 화소 신호와 참조신호가 교차하고, 비교기의 출력의 반전 타이밍에서 카운터의 카운트 동작을 정지한다. 그리고, 카운터의 최종적인 카운트값이, 아날로그 화소 신호의 크기에 응한 디지털 신호가 된다. 이와 같이 칼럼 AD 변환 방식은, 1행분의 화소 신호를 한번에 AD 변환하기 때문에 고속 촬상을 특징으로 하는 판독 방식이다.

근래, 고속 촬상의 요구는 점점 높아지고 있다. 칼럼 AD 변환 방식의 CMOS 이미지 센서에서는, 수직 판독 갯수(행수/라인수)를 삭감함으로써 프레임 레이트의 향상을 도모하고, 고속 촬상을 실현하고 있다. 여기서, 수직 판독 갯수를 삭감하는 방법으로서는, 예를 들면, 일정한 행 주기로 화소행을 건너뛰어 판독하는 수직 솎아냄 판독(Vertical thinning readout)이나, 수직 방향의 특정한 영역의 화소의 신호를 판독하는 수직 절출(vertical clipping) 등의 비월(飛越; line interlace) 주사라고 하는 방법이 있다. 그러나, 프레임 레이트의 향상을 도모하기 위해 수직 판독 갯수를 삭감하면, 종(수직)방향의 화각(畵角)이 축소하여, 촬상 화상이 가로로 길게 된다는 문제가 발생한다.

그래서, 본 발명은, 촬상 화상의 종횡의 밸런스를 유지하면서 프레임 레이트의 향상을 도모하는 것이 가능한 고체 촬상 장치, 아날로그-디지털 변환 방법 및 해당 고체 촬상 장치를 갖는 전자기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,

광전 변환 소자를 포함하는 화소가 행렬형상으로 배치되고, 화소열마다 수직 신호선이 배선된 화소 어레이부와,

상기 화소 어레이부의 화소열마다 마련되고, 상기 수직 신호선을 통하여 상기 화소로부터 공급되는 아날로그 신호를 비교 대상 입력으로 하는 비교기 및 해당 비교기의 비교 시작부터 비교 완료까지의 시간을 계측하는 카운터를 갖는 아날로그-디지털 변환 회로와,

경사형상 파형의 복수의 참조신호를 생성하는 참조신호 생성부를 구비하는 고체 촬상 장치에 있어서,

상기 화소 어레이부의 특정한 화소열군(畵素列群)의 화소로부터 상기 수직 신호선에 신호를 판독하는 솎아냄 판독 모드일 때에, 해당 특정한 화소열군의 하나의 화소열에 속하는 상기 수직 신호선과, 상기 특정한 화소열군 이외의 화소열군에 속하고, 화소로부터 신호가 판독되지 않는 상기 수직 신호선을 단락함과 함께,

상기 하나의 화소열에 속하는 상기 비교기와 상기 특정한 화소열군 이외의 화소열군에 속하는 상기 비교기에 대해 상기 복수의 참조신호를 각각 비교 기준 입력으로서 준다.

화소 어레이부의 특정한 화소열군의 화소로부터 수직 신호선에 신호를 판독하는 솎아냄 판독 모드, 즉 수평 솎아냄 판독 모드에서는, 특정한 화소열군 이외의 화소열군의 화소로부터는 수직 신호선에 대해 신호의 판독이 행하여보존 않는다. 따라서 이 수평 솎아냄 판독 모드를 가지며, 수평 솎아냄 판독에 의해 수평 방향의 화소 정보를 삭감함으로써, 프레임 레이트의 향상을 도모할 수 있다. 특히, 주지의 수직 솎아냄 판독이나 수직 절출 등과 수평 솎아냄 판독을 조합시키고, 그 솎아냄률을 적절히 설정함으로써, 촬상 화상의 종횡의 밸런스를 유지할 수 있다.

또한, 특정한 화소열군의 하나의 화소열에 속하는 비교기와 해당 특정한 화소열군 이외의 화소열군에 속하는 비교기에 대해 복수의 참조신호를 각각 비교 기준 입력으로서 주고, 이들 비교기에서 비교 동작에 관해 병렬 처리함에 의해 AD 변환 시간을 단축할 수 있기 때문에, 프레임 레이트를 더욱 향상할 수 있다. 특히, 비교 동작에 관해 병렬 처리로는, 신호의 판독이 행하여보존 않는 화소열에 속하는 비교기를 이용하게 되어, 비교기로서는 하나의 화소열에 대해 1개로 끝나기 때문에, 회로 규모 및 회로 면적이 커지는 일도 없다.

본 발명에 의하면, 수평 솎아냄 판독 모드를 가지며, 수평 솎아냄 판독와 주지의 수직 솎아냄 판독이나 수직 절출 등을 조합시킴으로써, 촬상 화상의 종횡의 밸런스를 유지하면서 프레임 레이트의 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 CMOS 이미지 센서의 시스템 구성의 개략을 도시하는 시스템 구성도.
도 2는 단위화소의 회로 구성의 한 예를 도시하는 회로도.
도 3은 본 발명의 한 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서의 시스템 구성의 개략을 도시하는 시스템 구성도.
도 4는 전 화소 판독 모드인 경우의 AD 변환 동작의 설명에 제공하는 타이밍 파형도.
도 5는 수평 솎아냄 판독 모드인 경우의 스위치부의 각 스위치의 접속 관계를 도시하는 도면.
도 6은 실시예 1에 관한 AD 변환 동작의 설명에 제공하는 타이밍 파형도.
도 7은 실시예 2에 관한 AD 변환 동작의 설명에 제공하는 타이밍 파형도.
도 8은 참고예에 관한 CMOS 이미지 센서의 시스템 구성의 개략을 도시하는 시스템 구성도.
도 9는 본 발명에 관한 전자기기의 하나인 촬상 장치의 구성의 한 예를 도시하는 블록도.

이하, 발명을 실시하기 위한 형태(이하, 「실시 형태」라고 기술한다)에 관해 도면을 이용하여 상세히 설명한다. 또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.

1. 본 발명이 적용되는 고체 촬상 장치(CMOS 이미지 센서의 예)

1-1. 시스템 구성

1-2. 단위화소의 회로 구성

2. 실시 형태

2-1. 시스템 구성

2-2. 전 화소 판독 모드

2-3. 수평 솎아냄 판독 모드

2-3-1. 실시예 1

2-3-2. 실시예 2

2-4. 실시 형태의 작용 효과

3. 참고예(화소열마다 2개의 비교기를 갖는 AD 변환 회로의 예)

4. 변형례

5. 전자기기(촬상 장치의 예)

<1. 본 발명이 적용되는 고체 촬상 장치>

[1-1. 시스템 구성]

도 1은, 본 발명이 적용되는 고체 촬상 장치, 예를 들면 X-Y어드레스형의 고체 촬상 장치의 일종인 CMOS 이미지 센서의 시스템 구성의 개략을 도시하는 시스템 구성도이다. 여기서, CMOS 이미지 센서란, CMOS 프로세스를 응용하여, 또는 부분적으로 사용하여 작성된 이미지 센서이다.

본 적용례에 관한 CMOS 이미지 센서(10)는, 반도체 기판(이하, 「칩」이라고 기술하는 경우도 있다)(11)상에 형성된 화소 어레이부(12)와, 해당 화소 어레이부(12)와 같은 칩(11)상에 집적된 주변 회로부를 갖는 구성으로 되어 있다. 본 예에서는, 주변 회로부로서, 예를 들면, 행 주사부(13), 칼럼 처리부(14), 열 주사부(15) 및 시스템 제어부(16)가 마련되어 있다.

화소 어레이부(12)에는, 입사광량에 응한 전하량의 광전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전 변환 소자를 갖는 단위화소(이하, 단지 「화소」라고 기술하는 경우도 있다)가 행렬형상으로 2차원 배치되어 있다. 단위화소의 구체적인 구성례에 관해서는 후술한다.

화소 어레이부(12)에는 또한, 행렬형상의 화소 배열에 대해 화소행마다 화소 구동선(17)이 수평 방향/행방향(화소행의 화소의 배열 방향)에 따라 배선되고, 화소열마다 수직 신호선(18)이 수직 방향/열방향(화소열의 화소의 배열 방향)에 따라 배선되어 있다. 화소 구동선(17)은, 화소로부터 신호를 판독하기 위한 구동을 행하는 구동 신호를 전송한다. 도 1에서는, 화소 구동선(17)에 관해 1개의 배선으로서 도시하고 있지만, 1개로 한정되는 것이 아니다. 화소 구동선(17)의 일단은, 행 주사부(13)의 각 행에 대응한 출력단에 접속되어 있다.

행 주사부(13)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 화소 어레이부(12)의 각 화소를, 전 화소 동시 또는행 단위 등으로 구동하는 화소 구동부이다. 이행 주사부(13)는 그 구체적인 구성에 관해서는 도시를 생략하지만, 일반적으로, 판독 주사계라고 소출(掃出) 주사계의 2개의 주사계를 갖는 구성으로 되어 있다.

판독 주사계는, 단위화소로부터 신호를 판독하기 위해, 화소 어레이부(12)의 단위화소를 행 단위로 차례로 선택 주사한다. 단위화소로부터 판독되는 신호는 아날로그 신호이다. 소출 주사계는, 판독 주사계에 의해 판독 주사가 행하여지는 판독 행에 대해, 그 판독 주사보다도 셔터 스피드의 시간분만큼 선행하여 소출 주사를 행한다.

이 소출 주사계에 의한 소출 주사에 의해, 판독 행의 단위화소의 광전 변환 소자로부터 불필요한 전하가 쓸어 내여짐(掃出)으로써, 해당 광전 변환 소자가 리셋된다. 그리고, 이 소출 주사계에 의한 불필요 전하가 소출(리셋)에 의해, 이른바 전자 셔터 동작이 행하여진다. 여기서, 전자 셔터 동작이란, 광전 변환 소자의 광전하를 버리고, 새롭게 노광을 시작하는(광전하의 축적을 시작하는) 동작인 것을 말한다.

판독 주사계에 의한 판독 동작에 의해 판독되는 신호는, 그 직전의 판독 동작 또는 전자 셔터 동작 이후에 입사한 광량에 대응하는 것이다. 그리고, 직전의 판독 동작에 의한 판독 타이밍 또는 전자 셔터 동작에 의한 소출 타이밍부터, 금회의 판독 동작에 의한 판독 타이밍까지의 기간이, 단위화소에 있어서의 광전하의 축적 기간(노광 기간)이 된다.

행 주사부(13)에 의해 선택 주사된 화소행의 각 단위화소로부터 출력되는 신호는, 수직 신호선(18)의 각각을 통하여 칼럼 처리부(14)에 공급된다. 칼럼 처리부(14)는, 화소 어레이부(12)의 화소열마다, 행 주사부(13)에 의한 선택행의 각 화소로부터 수직 신호선(18)을 통하여 출력되는 신호에 대해 소정의 신호 처리를 행함과 함께, 신호 처리 후의 화소 신호를 일시적으로 보존한다.

구체적으로는, 칼럼 처리부(14)는, 단위화소의 신호를 받아서 해당 신호에 대해, 예를 들면 CDS(Correlated Double Sampling ; 상관이중 샘플링)에 의한 노이즈 제거나, 신호 증폭이나, AD(아날로그-디지털) 변환 등의 신호 처리를 행한다.

CDS에 의한 노이즈 제거 처리는, 단위화소(실제로는, 후술하는 플로팅 디퓨전부)를 리셋한 때에 판독되는 리셋 레벨과, 광전 변환 소자에서 광전 변환한 신호 전하에 응하여 판독되는 신호 레벨과의 차분을 취함에 의해 행하여진다. 이 노이즈 제거 처리에 의해, 리셋 노이즈나 증폭 트랜지스터의 임계치 편차 등의 화소 고유한 고정 패턴 노이즈가 제거된다. 또한, 여기서 예시한 신호 처리는 한 예에 지나지 않고, 신호 처리로서는 이들로 한정되는 것이 아니다.

열 주사부(15)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 칼럼 처리부(14)의 화소열에 대응하는 단위 회로를 순번대로 선택한다. 이 열 주사부(15)에 의한 선택 주사에 의해, 칼럼 처리부(14)에서 신호 처리된 화소 신호가 순번대로 수평 버스(19)에 출력되고, 해당 수평 버스(19)를 통하여 칩(11)의 외부에 전송된다.

시스템 제어부(16)는, 칩(11)의 외부로부터 주어지는 클록이나, 동작 모드를 지령하는 데이터 등을 받아들이고, 또한, 본 CMOS 이미지 센서(10)의 내부 정보 등의 데이터를 출력한다. 시스템 제어부(16)는 또한, 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 제너레이터를 가지며, 해당 타이밍 제너레이터에서 생성된 각종의 타이밍 신호를 기초로 행 주사부(13), 칼럼 처리부(14) 및 열 주사부(15) 등의 주변 회로부의 구동 제어를 행한다.

[1-2. 단위화소의 회로 구성]

도 2는, 단위화소(20)의 회로 구성의 한 예를 도시하는 회로도이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 본 회로례에 관한 단위화소(20)는, 광전 변환부인 예를 들면 포토 다이오드(21)에 더하여, 예를 들면 전송 트랜지스터(22), 리셋 트랜지스터(23), 증폭 트랜지스터(24) 및 선택 트랜지스터(25)의 4개의 트랜지스터를 갖는 구성으로 되어 있다.

여기서는, 4개의 트랜지스터(22 내지 25)로서, 예를 들면 N채널의 MOS 트랜지스터를 이용하고 있다. 단, 여기서 예시한 전송 트랜지스터(22), 리셋 트랜지스터(23), 증폭 트랜지스터(24) 및 선택 트랜지스터(25)의 도전형의 조합은 한 예에 지나지 않고, 이들의 조합으로 한정되는 것이 아니다.

이 단위화소(20)에 대해, 화소 구동선(17)으로서, 예를 들면, 전송선(171), 리셋선(172) 및 선택선(173)의 3개의 구동 배선이 동일 화소행의 각 화소에 대해 공통으로 마련되어 있다. 이들 전송선(171), 리셋선(172) 및 선택선(173)은, 각 일단이 행 주사부(13)의 각 화소행에 대응한 출력단에 화소행 단위로 접속되어 있고, 화소(20)를 구동하는 구동 신호인 전송 펄스(φTRF), 리셋 펄스(φRST) 및 선택 펄스(φSEL)를 전송한다.

포토 다이오드(21)는, 애노드 전극이 부측 전원(예를 들면, 그라운드)에 접속되어 있고, 수광한 광을 그 광량에 응한 전하량의 광전하(여기서는, 광전자)로 광전 변환하여 그 광전하를 축적한다. 포토 다이오드(21)의 캐소드 전극은, 전송 트랜지스터(22)를 통하여 증폭 트랜지스터(24)의 게이트 전극과 전기적으로 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(24)의 게이트 전극과 전기적으로 이어진 노드(26)를 FD(플로팅 디퓨전)부라고 부른다.

전송 트랜지스터(22)는, 포토 다이오드(21)의 캐소드 전극과 FD부(26)의 사이에 접속되어 있다. 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극에는, 고레벨(예를 들면, Vdd 레벨)이 액티브(이하, 「High 액티브」라고 기술한다)의 전송 펄스(φTRF)가 전송선(171)을 통하여 주어진다. 이로써, 전송 트랜지스터(22)는 온 상태가 되고, 포토 다이오드(21)에서 광전 변환된 광전하를 FD부(26)에 전송한다.

리셋 트랜지스터(23)는, 드레인 전극이 화소 전원(Vdd)에, 소스 전극이 FD부(26)에 각각 접속되어 있다. 리셋 트랜지스터(23)의 게이트 전극에는, High 액티브의 리셋 펄스(φRST)가 리셋선(172)을 통하여 주어진다. 이로써, 리셋 트랜지스터(23)는 온 상태가 되고, FD부(26)의 전하를 화소 전원(Vdd)에 버림에 의해 해당 FD부(26)를 리셋한다.

증폭 트랜지스터(24)는, 게이트 전극이 FD부(26)에, 드레인 전극이 화소 전원(Vdd)에 각각 접속되어 있다. 그리고, 증폭 트랜지스터(24)는, 리셋 트랜지스터(23)에 의해 리셋한 후의 FD부(26)의 전위를 리셋 신호(리셋 레벨)로서 출력한다. 증폭 트랜지스터(24)는 또한, 전송 트랜지스터(22)에 의해 신호 전하를 전송한 후의 FD부(26)의 전위를 광 축적 신호(신호 레벨)로서 출력한다.

선택 트랜지스터(25)는, 예를 들면, 드레인 전극이 증폭 트랜지스터(24)의 소스 전극에, 소스 전극이 수직 신호선(18)에 각각 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(25)의 게이트 전극에는, High 액티브의 선택 펄스(φSEL)가 선택선(173)을 통하여 주어진다. 이로써, 선택 트랜지스터(25)는 온 상태가 되고, 단위화소(20)를 선택 상태로 하여 증폭 트랜지스터(24)로부터 출력되는 신호를 수직 신호선(18)에 중계한다.

또한, 선택 트랜지스터(25)에 관해서는, 화소 전원(Vdd)와 증폭 트랜지스터(24)의 드레인의 사이에 접속한 회로 구성을 채택하는 것도 가능하다.

또한, 단위화소(20)로서는, 상기 구성의 4개의 트랜지스터로 이루어지는 화소 구성의 것로 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 증폭 트랜지스터(24)와 선택 트랜지스터(25)를 겸용한 3개의 트랜지스터로 이루어지는 화소 구성의 것 등이라도 좋고, 그 화소 회로의 구성은 묻지 않는다.

<2. 실시 형태>

[2-1. 시스템 구성]

도 3은, 본 발명의 한 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치, 예를 들면 X-Y어드레스형의 고체 촬상 장치의 일종인 CMOS 이미지 센서의 시스템 구성의 개략을 도시하는 시스템 구성도이다. 도 3에서, 도 1과 동등 부분(대응하는 부분)에는 동일 부호를 붙이고 나타내고, 그 상세한 설명에 관해서는 중복하기 때문에 생략한다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(10A)는, 화소 어레이부(12), 행 주사부(13), 칼럼 처리부(14), 열 주사부(15) 및 시스템 제어부(16)에 더하여, 참조신호 생성부(31) 및 스위치부(32)를 구비하고 있다. 그리고, 화소 어레이부(12)의 각 화소(20)에는 예를 들면 RGB 베이어 배열의 컬러 필터가 마련되어 있다. 여기서, RGB 베이어 배열은, 녹색(G ; Green)를 체크 무늬형상으로 배치하고, 나머지 부분에 적색(R ; Red), 청색(B ; Blue)를 체크 무늬형상으로 배열한 컬러 코딩이다.

본 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(10A)는, 화소 어레이부(12)의 화소열마다 아날로그 화소 신호를 디지털 신호로 AD 변환하는 칼럼 AD 변환 방식을 채택하고 있다. 즉, 칼럼 처리부(14)는, 적어도 비교기(141) 및 카운터(142)를 갖는 회로 구성의 AD 변환 회로(140)를 단위 회로로 하고, 해당 AD 변환 회로(140)가 화소 어레이부(12)의 화소열에 대해 1대1의 대응 관계로서 배치되어 있다. AD 변환 회로(140)는, 카운터(142)의 후단에 해당 카운터(142)의 카운트값을 보존하는 메모리를 갖는 구성을 채택하는 경우도 가능하다.

참조신호 생성부(31)는, 예를 들면 DA(디지털-아날로그) 변환 회로 등에 의해 구성되고, 어느 기울기를 갖은 선형으로 변화하는 경사형상 파형(RAMP 파형)의 참조신호, 즉 전압의 변화를 시간의 변화에 변환하기 위한 참조신호를 복수 생성한다. 본 예의 경우, 참조신호 생성부(31)는, 예를 들면 참조신호(1) 생성 회로(311) 및 참조신호(2) 생성 회로(312)의 2개의 생성 회로에 의해 구성되고, 2개의 다른 참조신호(1, 2)를 생성한다. 2개의 다른 참조신호(1, 2)의 상세에 관해서는 후술한다.

스위치부(32)에는, 2계통의 스위치(321, 322)가 마련되어 있다. 스위치(321)는, 2개의 다른 참조신호(1, 2)에 대응하여 같은 색의 화소(20)의 화소열에 속하는 2개의 수직 신호선(18, 18) 사이에 접속되고, 해당 2개의 수직 신호선(18, 18)을 적절히 단락한다. 본 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(10A)인 경우, 화소 어레이부(12)에는 R의 화소와 G(Gb)의 화소가 열방향으로 교대로 나열하는 RG 화소열(V0, V2, …, Vn-1)과, G(Gr)의 화소와 B의 화소가 열방향으로 교대로 나열하는 GB 화소열(V1, V3, …, Vn)가 교대로 배열되어 있다.

이 RG 화소열 및 GB 화소열의 배열에 대해, RG 화소열(V0, V2, …, Vn-1)에 속하는 이웃하는 2개의 수직 신호선(18, 18)을 단위로 하여, 해당 2개의 수직 신호선(18, 18) 사이에 스위치(321)가 접속된다. 마찬가지로, GB 화소열(V1, V3, …, Vn)에 속하는 이웃하는 2개의 수직 신호선(18, 18)을 단위로 하여, 해당 2개의 수직 신호선(18, 18) 사이에 스위치(321)가 접속된다.

스위치(322)는, 화소 어레이부(12)의 화소열마다 마련되어 있고, 참조신호 생성부(31)에서 생성된 2개의 참조신호(1, 2)를 2입력으로 하고, 어느 한쪽의 참조신호를 선택하여 비교기(141)의 한쪽의 입력단자(예를 들면, 비반전 입력단자)에 비교 기준 입력으로서 공급한다. 스위치부(32)의 스위치(311, 312)의 전환 제어는, 시스템 제어부(16)에 의한 제어하에 실행된다.

AD 변환 회로(140)에 있어서, 비교기(141)는, 스위치(322)를 통하여 택일적으로 비교 기준 입력으로서 주어지는 참조신호(1) 또는 참조신호(2)를 한쪽의 입력(예를 들면, 비반전 입력)으로 하고, 수직 신호선(18)을 통하여 비교 대상 입력으로서 주어지는 아날로그 화소 신호를 다른쪽의 입력(예를 들면, 반전 입력)으로 한다. 그리고, 비교기(141)는, 비교 대상 입력인 아날로그 화소 신호를 비교 기준 입력인 참조신호(1) 또는 참조신호(2)와 화소열마다 비교한다. 이 비교 시작과 동시에, 카운터(142)가 카운트 동작을 시작한다. 카운터(142)는, 예를 들면 업(U)/다운(D) 카운터로 이루어지고, 일정 주기의 클록에 동기하여 카운트 동작을 행한다.

비교기(141)는, 아날로그 화소 신호와 참조신호(1) 또는 참조신호(2)가 교차하면(동등하게 되면), 그 출력의 극성이 반전한다. 카운터(142)는, 비교기(141)의 출력의 극성 반전의 타이밍에서 카운트 동작을 정지한다. 즉, 카운터(142)는, 비교기(141)의 비교 시작부터 비교 완료까지의 시간을 계측한다. 그리고, 카운터(142)의 최종적인 카운트값이, 아날로그 화소 신호의 크기를 시간 정보로 나타내는 디지털 데이터(화소 데이터)가 된다. 이 디지털 데이터는, 열 주사부(15)에 의한 열 주사에 의해, 해당 열 주사에 동기하여 차례로 온 하는 수평 주사 스위치(도시 생략)를 통하여 수평 버스(19)에 순차적으로 판독된다.

이상 설명한 본 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(10A)는, 다음의 3점에 관해 특징으로 하고 있다. 제 1은, 같은 색의 화소(20)의 화소열에 속하는 2개의 수직 신호선(18, 18)을 단락하는 스위치(321)를 갖는 점이다. 제 2는, 비교기(141)의 참조신호로서 복수의 다른 참조신호, 예를 들면 2개의 다른 참조신호(1, 2)를 이용하는 점이다. 제 3은, 2개의 다른 참조신호(1, 2)의 어느 한쪽을 선택하여 비교기(141)에 주는 스위치(322)를 갖는 점이다.

스위치(321)는, 화소 어레이부(12)의 각 화소(20)의 전부로부터 신호를 판독하는 전 화소 판독 모드에서는 오프(열림) 상태에 있다. 한편, 미리 정해진 화소열의 화소로부터만 신호의 판독을 행하고, 나머지 화소열의 화소로부터는 신호의 판독을 행하지 않는 수평 솎아내기 처리를 행하는 수평 솎아냄 판독 모드에서는, 시스템 제어부(16)에 의한 제어하에, 스위치(321)는 온(닿힘) 상태가 된다.

[2-2. 전 화소 판독 모드]

전 화소 판독 모드에서는, 스위치(321)가 오프 상태에 있음과 함께, 전 화소열에 속하는 스위치(322)가 참조신호(1)를 선택하는 상태에 있다. 전 화소 판독 모드에서 AD 변환에 사용되는 참조신호(1)는, 도 4의 타이밍 파형도에 도시하는 바와 같이, 최대치로부터 최소치를 향하고 일정한 각도로서 하강하는 경사형상 파형의 신호이다. 최대치와 최소치의 폭이 참조신호(1)의 다이내믹 레인지이고, 이 다이내믹 레인지는 화소 신호의 최소치(흑 레벨)와 최대치(백 레벨/포화 레벨)에 대응하여 결정된다.

여기서, 전 화소 판독 모드인 경우의 AD 변환 동작에 관해 도 4의 타이밍 파형도를 이용하여 설명한다.

어느 선택행에 있어서, 단위화소(20)로부터의 수직 신호선(18)에의 1회째의 판독 동작이 안정된 후, 참조신호(1) 생성 회로(311)로부터 스위치(322)를 통하여 참조신호(1)가 비교기(141)에 주어진다. 그러면, 비교기(141)에서, 수직 신호선(18)을 통하여 주어지는 신호와 참조신호(1)와의 비교 동작이 시작된다. 이 비교 동작의 시작과 동시에 카운터(142)가 예를 들면 다운 카운트를 시작한다.

이1회째의 판독 동작에서는, 단위화소(20)의 리셋 레벨(이른바, P상(相)의 레벨)의 판독이 행하여진다. 이 리셋 레벨에는, 단위화소(20)마다 흐트러지는 고정 패턴 노이즈가 오프셋으로서 포함되어 있다. 그리고, 1회째의 비교 동작에서, 수직 신호선(18)을 통하여 주어지는 리셋 레벨과 참조신호(1)가 동등하게 된(교차한) 때에 비교기(141)의 출력의 극성이 반전한다. 이 비교기(141)의 반전 출력을 받아서, 카운터(142)가 다운 카운트를 정지한다. 이 때의 카운터(142)의 카운트값은, 리셋 레벨의 크기를 나타내는 값이 된다.

2회째의 판독 동작에서는, 리셋 레벨에 더하여 단위화소(20)마다의 입사광량에 응한 신호 레벨(이른바, D상의 레벨)의 판독이, 1회째의 판독과 같은 동작에 의해 행하여진다. 즉, 어느 선택행에 있어서, 단위화소(20)로부터 수직 신호선(18)에의 2회째의 판독 동작이 안정된 후, 참조신호(1) 생성 회로(311)로부터 스위치(322)를 통하여 참조신호(1)가 비교기(141)에 주어진다. 그러면, 비교기(141)에서, 수직 신호선(18)을 통하여 주어지는 신호 레벨과 참조신호(1)의 비교 동작이 시작된다.

2회째의 비교 동작의 시작과 동시에, 카운터(142)에서 2회째의 카운트 동작이 시작된다. 이2회째의 카운트 동작에서는, 카운터(142)는, 1회째의 카운트값, 즉 리셋 레벨의 크기를 나타내는 카운트값으로부터 업 카운트를 행한다. 그리고, 2회째의 비교 동작에서, 수직 신호선(18)을 통하여 주어지는 신호 레벨과 참조신호(1)가 동등하게 된 때에, 비교기(141)의 출력의 극성이 반전한다. 이 비교기(141)의 반전 출력을 받아서, 카운터(142)가 업 카운트를 정지한다. 이 때의 카운터(142)의 카운트값은, 리셋 레벨의 크기를 나타내는 값이 된다.

상술한 2회의 판독 동작, 비교 동작 및 카운트 동작에 의해, 노이즈 레벨이 제거된 순수한 신호 레벨이 디지털값으로 변환(AD 변환)된다. 구체적으로는, 카운터(142)에서, 1회째의 카운트 동작에서는 노이즈 레벨에 관해 다운 카운트가 행하여지고, 2회째의 카운트 동작에서는 다운 카운트의 최종 카운트값으로부터 신호 레벨에 관해 업 카운트가 행하여진다.

즉, 카운터(142)에 의한 다운/업 카운트에 의해, (노이즈 레벨을 포함하는 신호 레벨)-(노이즈 레벨)의 연산 동작이 행하여지기 때문에, 노이즈 레벨이 제거된 순수한 신호 레벨에 관해 AD 변환이 행하여진다. 그리고, 이상 설명한 일련의 동작이 순차적으로 화소행마다 반복됨에 의해 화소 어레이부(12)의 각 화소(20)의 전부로부터 신호의 판독이 행하여지고, 그 결과, 고해상도의 2차원 화상이 생성된다.

[2-3. 수평 솎아냄 판독 모드]

다음에, 미리 정해진 화소열의 화소로부터만 신호의 판독을 행하는 수평 솎아냄 판독 모드인 경우의 AD 변환 동작에 관해 설명한다. 본 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(10A)에서의 수평 솎아냄 판독 모드에서는, 수평 4화소에 대해 2화소를 솎아내고, 2화소의 신호를 판독하는 예가 된다. 이로써, 수평 방향의 화소의 정보량은 1/2이 된다.

본 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(10A)에 있어서, 수평 4화소중 2화소의 신호만을 판독하는데는, 도 5에 도시하는 사선 테두리로 들러싼 2개의 화소열의 화소에 관해서는, 도 2의 선택 트랜지스터(25)를 오프 상태로 하여 수직 신호선(18)으로부터 전기적으로 분리한다. 여기서는, 예를 들면 4개의 화소열(V0 내지 V3)중, 화소열(V2, V3)의 각 화소의 선택 트랜지스터(25)를 오프 상태로 하여 수직 신호선(18)으로부터 전기적으로 분리한다. 그리고, 나머지 2개의 화소열(V0, V1)의 각 화소에 관해서는 선택 트랜지스터(25)를 온 상태로 하여 수직 신호선(18)에 대해 전기적으로 접속한다.

여기서, 도 1에 도시하는 CMOS 이미지 센서(10)에 관해 설명한 바와 같이, 행 주사부(13)에 의한 주사는, 도 2에 도시하는 선택선(173)을 통하여 행 단위로 실행된다. 즉, 선택 트랜지스터(25)의 오프/오프 제어는, 화소행마다 하나의 선택선(173)을 통하여 행하여진다. 이에 대해, 본 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(10A)의 경우는, 같은 화소행이라도 선택 트랜지스터(25)가 오프 상태가 되는 화소와 선택 트랜지스터(25)가 온 상태가 되는 화소를 존재시킬 필요가 있다. 이것을 실현하기 위해서는, 선택선(173)은 화소행마다 2계통 마련되게 된다.

4개의 화소열을 단위로 하여, 2개의 화소열의 각 화소를 수직 신호선(18)으로부터 전기적으로 분리한 상태에 있어서, 스위치부(32)의 스위치(321)에 관해서는 전부 온 상태로 한다. 예를 들면 4개의 화소열(V0 내지 V3)의 단위에 있어서는, 스위치(321)가 온 상태가 됨으로써, 같은 색의 화소열, 본 예에서는 RG 화소열(V0, V2)에 속하는 수직 신호선(18, 18)이 스위치(321)에 의해 단락된 상태가 된다.

수평 솎아냄 판독 모드에서는, 비교기(141)에 주는 참조신호로서, 참조신호(1)에 더하여 참조신호(2)를 이용하게 된다. 화소열(V0, V1)에 대응하는 스위치(322)는, 참조신호(1) 생성 회로(311)에서 생성되는 참조신호(1)를 선택하여 비교기(141)에 공급한다. 또한, 수직 신호선(18)으로부터 화소가 전기적으로 분리된 화소열(V2, V3)에 대응하는 스위치(322)는, 참조신호(2) 생성 회로(312)에서 생성되는 참조신호(2)를 선택하여 비교기(141)에 공급한다.

참조신호(1)는, 기본적으로, 전 화소 판독 모드에서 이용한 참조신호(1)와 같다. 단, 다이내믹 레인지(최대치와 최소치의 폭)는 1/2이다. 참조신호(2)는 참조신호(1)와는 다른 참조신호이다. 이 참조신호(2)의 파형의 차이에 의해 AD 변환 동작이 달라진다. 이하에, 참조신호(2)의 파형의 차이에 의한 2개의 실시예에 관한 AD 변환 동작에 관해 설명한다.

수평 솎아냄 판독 모드에서도, 전 화소 판독 모드인 경우와 마찬가지로, 우선 노이즈 레벨(P상의 레벨)을 판독하여 AD 변환을 행하고, 뒤이어 신호 레벨(D상의 레벨)을 판독하여 AD 변환을 행하면서 노이즈 제거를 행하는 동작이 행하여진다. 단, 이하에 설명하는 수평 솎아냄 판독 모드에서는, 신호 레벨(D상의 레벨)을 판독하여 AD 변환을 행하는 경우의 동작을 중심으로 설명하는 것으로 한다.

(2-3-1. 실시예 1)

실시예 1에 관한 AD 변환 동작에 관해, 도 6의 타이밍 파형도를 이용하여 설명한다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 본 실시예 1에서 이용하는 참조신호(1)는, 전 화소 판독 모드에서 이용하는 참조신호(1)와 같은 기울기를 갖는 경사형상 파형의 신호이지만, 해당 참조신호(1)의 다이내믹 레인지는 전 화소 판독 모드에서 이용하는 참조신호(1)의 다이내믹 레인지의 1/2이다. 이로써, 본 실시예 1에서 이용하는 참조신호(1)는, 화소 신호의 최대 진폭의 1/2 이하의 레벨에 관한 AD 변환을 담당하게 된다.

한편, 본 실시예 1에서 이용하는 참조신호(2)는, 전 화소 판독 모드에서 이용하는 참조신호(1)의 다이내믹 레인지의 1/2의 오프셋을, 본 실시예 1에서 이용하는 참조신호(1)에서 뺀 신호, 즉 해당 참조신호(1)와 같은 기울기의 신호이다. 이로써, 본 실시예 1에서 이용하는 참조신호(2)는, 화소 신호의 최대 진폭의 1/2 이상의 레벨에 관한 AD 변환을 담당하게 된다.

도 5에서, 예를 들면 RG 화소열(V0)에 주목하면, 수평 솎아냄 판독 모드시에는, RG 화소열(V0)의 화소의 신호는, RG 화소열(V0)의 비교기(141)에 입력됨과 함께, 스위치(321)를 통하여 RG 화소열(V2)의 비교기(141)에 입력된다. 이 때, RG 화소열(V0)의 스위치(322)는 참조신호(1)를 선택하여 RG 화소열(V0)의 비교기(141)에 공급하고, RG 화소열(V2)의 스위치(322)는 참조신호(2)를 선택하여 RG 화소열(V2)의 비교기(141)에 공급한다.

이로써, RG 화소열(V0)의 비교기(141)는 RG 화소열(V0)의 화소의 신호와 참조신호(1)와의 비교를 시작하고, 이에 응답하여, RG 화소열(V0)의 카운터(142)가 카운트 동작을 시작한다. 여기서, RG 화소열(V0)의 화소의 신호 레벨이 참조신호(1)의 다이내믹 레인지 내일 때는, 화소의 신호 레벨과 참조신호(1)가 동등하게 된 때에 RG 화소열(V0)의 카운터(142)는 카운트 동작을 정지한다. 그리고, 이 때의 카운터(142)의 카운트값이 RG 화소열(V0)의 화소의 신호의 디지털값이 된다. RG 화소열(V0)의 화소의 신호 레벨이 참조신호(1)의 다이내믹 레인지 밖일 때는, RG 화소열(V0)의 카운터(142)는 최대 카운트값까지 카운트 동작을 행한다.

한편, RG 화소열(V2)의 비교기(141)는 RG 화소열(V0)의 화소의 신호와 참조신호(2)와의 비교를 시작하고, 이에 응답하여, RG 화소열(V2)의 카운터(142)가 카운트 동작을 시작한다. 그리고, 화소의 신호 레벨과 참조신호(2)가 동등하게 된 때에 RG 화소열(V2)의 비교기(141)의 출력의 극성이 반전하고, 이것을 받아서 RG 화소열(V2)의 카운터(142)는 카운트 동작을 정지한다.

그리고, 이 때의 RG 화소열(V2)의 카운터(142)의 카운트값을, RG 화소열(V0)의 카운터(142)의 최대 카운트값에 단순하게 가산한 값이 RG 화소열(V0)의 화소의 신호의 디지털값이 된다. 이 카운트값을 가산하는 연산은, 예를 들면 외부의 신호 처리 회로(예를 들면, DSP 회로)에서 행하여지게 된다.

(2-3-2. 실시예 2)

실시예 2에 관한 AD 변환 동작에 관해, 도 7의 타이밍 파형도를 이용하여 설명한다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 본 실시예 2에서 이용하는 참조신호(1)는, 실시예 1의 경우와 마찬가지로, 전 화소 판독 모드에서 이용하는 참조신호(1)와 같은 기울기를 갖는 경사형상 파형의 신호이고, 그 다이내믹 레인지는 전 화소 판독 모드에서 이용하는 참조신호(1)의 다이내믹 레인지의 1/2로 되어 있다. 이로써, 본 실시예 2에서 이용하는 참조신호(1)는, 화소 신호의 최대 진폭의 1/2 이하의 레벨에 관한 AD 변환을 담당하게 된다.

한편, 본 실시예 2에서 이용하는 참조신호(2)는, 실시예 1에서 이용하는 참조신호(2)와는 기울기가 정반대의 신호이다. 즉, 참조신호(2)는, 전 화소 판독 모드에서 이용하는 참조신호(1)의 다이내믹 레인지의 1/2의 오프셋을, 본 실시예 2에서 이용하는 참조신호(1)에서 뺀 신호이면서 해당 참조신호(1)와는 기울기가 정반대의 신호이다. 이로써, 본 실시예 2에서 이용하는 참조신호(2)는, 화소 신호의 최대 진폭의 1/2 이상의 레벨에 관한 AD 변환을 담당하게 된다.

수평 솎아냄 판독 모드에서의 AD 변환 동작은, 기본적으로, 실시예 1의 경우와 마찬가지로 행하여진다. 단, RG 화소열(V2)의 카운터(142)의 최대 카운트값을 CNTmax로 하고, 실제의 카운트값을 CNT0이라고 할 때에, (CNTmax-CNT0)가 실시예 1의 경우의 RG 화소열(V2)의 카운터(142)의 카운트값에 상당한다. 이것은, 참조신호(2)가 실시예 1에서 이용하는 참조신호(2)와 기울기가 정반대이기 때문이다. 따라서 외부의 신호 처리 회로에서의 연산 처리에서는, (CNTmax-CNT0)되는 연산을 행하고, 그 연산 결과와 RG 화소열(V0)의 카운터(142)의 최대 카운트값을 가산하는 처리를 행하게 된다.

또는, 카운터(142)는 업/다운 카운터이기 때문에, RG 화소열(V2)의 카운터(142)에 최대 카운트값을 세트하고, 이 최대 카운트값으로부터 다운 카운트를 행하도록 하여도 좋다. 이 경우의 RG 화소열(V2)의 카운터(142)의 최종 카운트값이 (CNTmax-CNT0)가 된다. 따라서 외부의 신호 처리 회로에서의 연산 처리에서는 실시예 1의 경우와 마찬가지로, RG 화소열(V0)의 카운터(142)의 최대 카운트값에 대해 RG 화소열(V2)의 카운터(142)의 최종 카운트값을 단순하게 가산하는 처리를 행하면 좋게 된다.

[2-4. 실시 형태의 작용 효과]

본 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(10)에 의하면, 수평 솎아냄 판독 모드를 가지며, 수평 솎아냄 판독에 의해 수평 방향의 화소 정보를 삭감(본 예에서는, 1/2)함으로써, 프레임 레이트의 향상을 도모할 수 있다. 특히, 주지의 수직 솎아냄 판독이나 수직 절출 등과 수평 솎아냄 판독을 조합시키고, 그 솎아냄률을 적절히 설정함으로써, 촬상 화상의 종횡의 밸런스를 유지할 수 있다.

또한, 2개의 참조신호(1, 2)를 이용하여 2개의 비교기(141, 141)에서 비교 동작에 관해 병설 처리함에 의해 AD 변환 시간을 단축할 수 있다. 특히, 참조신호(1)로서 전 화소 판독 모드에서 이용하는 참조신호(1)의 다이내믹 레인지의 1/2의 신호를 이용하고, 다이내믹 레인지의 부족분을 참조신호(2)로 보충함으로써, AD 변환 시간, 특히 신호 레벨에 관해 AD 변환을 행하는 D상 기간을 단축할 수 있다. 즉, 참조신호(1)의 다이내믹 레인지를 전 화소 판독 모드인 경우의 1/2로 함으로써, 전 화소 판독 모드에서의 D상 기간을 T로 하였을 때(도 4 참조), 수평 솎아냄 판독 모드에서는 D상 기간을 T/2로 삭감할 수 있다. 이로써, 수평 솎아냄 판독 모드에서의 프레임 레이트를 더욱 향상할 수 있다.

<3. 참고예>

그런데, 프레임 레이트의 향상을 도모하는 수법으로서, 하나의 수직 신호선(18)에 대해 2개의 비교기를 접속함과 함께, 이들 비교기에 대해 2종류의 참조신호(1, 2)를 각각 입력하고, 2개의 비교기로 병렬 처리를 행함에 의해 AD 변환 시간을 단축하는 수법도 생각된다. 이 수법을 채택하는 CMOS 이미지 센서(10B)를 참고예로서 이하에 설명한다.

도 8은, 참고예에 관한 CMOS 이미지 센서(10B)의 시스템 구성의 개략을 도시하는 시스템 구성도이다. 도 8에서, 도 3과 동등 부분(대응하는 부분)에는 동일 부호를 붙이고 나타내고, 그 상세한 설명에 관해서는 중복하기 때문에 생략한다.

도 8에 도시하는 바와 같이, 본 참고예에 관한 CMOS 이미지 센서(10B)에 있어서, AD 변환 회로(140)는, 하나의 화소열에 대해 2개의 비교기(141-1, 141-2)를 갖는다. 이 2개의 비교기(141-1, 141-2)는, 수직 신호선(18)을 통하여 단위화소(20)로부터 공급되는 아날로그 화소 신호를 반전(-) 입력으로 한다. 비교기(141-1)는, 참조신호(1) 생성 회로(311)에서 생성되는 참조신호(1)를 비반전(+) 입력한다. 비교기(141-2)는, 참조신호(2) 생성 회로(312)에서 생성되는 참조신호(2)를 비반전(+) 입력한다.

2개의 비교기(141-1, 141-2)의 비교 결과는 카운터(142)에 주어진다. 카운터(142)는, 2개의 비교기(141-1, 141-2)의 비교 시간을 카운트하고, 비교기(141-1, 141-2)의 어느 한쪽의 출력의 극성이 먼저 반전하면, 이것을 받아서 카운트 동작을 정지한다.

상기 구성의 CMOS 이미지 센서(10B)에 있어서, 2개의 비교기(141-1, 141-2)에서 병렬 처리를 행함에 의해 AD 변환 시간을 단축하고, 프레임 레이트의 향상을 도모할 수 있다. 단, 하나의 화소열에 대해 적어도 2개의 비교기(141-1, 141-2)가 필요해지기 때문에 회로 규모 및 회로 면적이 증대한다.

이에 대해, 선술한 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(10A)에 의하면, 하나의 화소열에 대해 하나의 비교기(141)로 AD 변환 시간을 단축하고, 프레임 레이트의 향상을 도모할 수 있다. 따라서 하나의 화소열에 대해 적어도 2개의 비교기(141-1, 141-2)를 이용하는 경우에 비하여 회로 규모 및 회로 면적을 축소할 수 있다.

<4. 변형례>

상기 실시 형태에서는, AD 변환 회로(140)에 있어서, 카운터(142)로서 업/다운 카운터를 이용하고, 해당 카운터(142)의 업 카운트/다운 카운트의 제어에 의해 노이즈 제거를 행한다고 하였지만, 이것로 한정되는 것이 아니다. 즉, 카운터(142)로서 일방향의 카운터를 이용하고, 노이즈 레벨에 관한 카운트값과 신호 레벨에 관한 카운트값을 외부의 신호 처리 회로(예를 들면, DSP 회로)로 연산함에 의해 노이즈 제거를 행하도록 하는 것도 가능하다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 비교기에서 이용하는 참조신호로서, 2개의 다른 참조신호(1, 2)를 이용한다고 하였지만, 이것은 한 예에 지나지 않고, 3 이상이 다른 참조신호를 이용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 3개의가 다른 참조신호(1, 2, 3)를 이용하는 경우에는, 참조신호(1)의 다이내믹 레인지를 전 화소 판독 모드에서 이용하는 참조신호(1)의 다이내믹 레인지의 1/3로 설정한다.

그리고, 참조신호(1)로부터 해당 다이내믹 레인지의 1/3의 오프셋을 뺀 참조신호(2)와, 또한 1/3의 오프셋을 뺀 참조신호(3)로 하면 좋다. 이 때, 3개의 다른 참조신호(1, 2, 3)에 대응하여, 3개의 화소열에 속하는 비교기(141)를 이용하여 병행하여 비교 동작을 행하게 된다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 가시광의 광량에 응한 신호 전하를 물리량으로서 검지하는 단위화소가 행렬형상으로 2차원 배열되어 이루어지는 CMOS 이미지 센서에 적용한 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이것으로 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 발명은, 칼럼 AD 변환 방식을 채택하는 고체 촬상 장치 전반에 대해 적용 가능하다.

또한, 본 발명은, 가시광의 입사광량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치에의 적용으로 한하지 않고, 적외선이나 X선, 또는 입자 등의 입사량의 분포를 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치에 적용 가능하다. 또한, 광의의 의미로서, 압력이나 정전용량 등, 다른 물리량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 지문 검출 센서 등의 물리량 분포 검지 장치를 고체 촬상 장치로 하는 경우도 있다.

또한, 고체 촬상 장치는 원칩으로서 형성된 형태라도 좋고, 촬상부와, 신호 처리부 또는 광학계가 통합하여 팩키징된 촬상 기능을 갖는 모듈형상의 형태라도 좋다.

<5. 전자기기>

본 발명에 관한 고체 촬상 장치는, 화상 취입부(광전 변환부)에 고체 촬상 장치를 이용하는 전자기기 전반에 탑재하여 이용할 수 있다. 전자기기로서는, 디지털 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 촬상 장치(카메라 시스템)나, 휴대전화기 등의 촬상 기능을 갖는 휴대 단말 장치나, 화상 판독부에 고체 촬상 장치를 이용하는 복사기 등을 들 수 있다. 또한, 전자기기에 탑재된 카메라 모듈을 촬상 장치로 하는 경우도 있다.

(촬상 장치)

도 9는, 본 발명에 관한 전자기기의 하나인 예를 들면 촬상 장치의 구성의 한 예를 도시하는 블록도이다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 관한 촬상 장치(100)는, 렌즈군(101) 등을 포함하는 광학계, 촬상 소자(102), 카메라 신호 처리부인 DSP 회로(103), 프레임 메모리(104), 표시장치(105), 기록 장치(106), 조작계(107) 및 전원계(108) 등을 갖고 있다. 그리고, DSP 회로(103), 프레임 메모리(104), 표시장치(105), 기록 장치(106), 조작계(107) 및 전원계(108)가 버스 라인(109)를 통하여 상호 접속된 구성으로 되어 있다.

렌즈군(101)은, 피사체로부터의 입사광(상광)를 받아들여서 촬상 소자(102)의 촬상면상에 결상한다. 촬상 소자(102)는, 렌즈군(101)에 의해 촬상면상에 결상된 입사광의 광량을 화소 단위로 전기 신호로 변환하여 화소 신호로서 출력한다. 이 촬상 소자(102)로서, 선술한 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서 등의 고체 촬상 장치를 이용할 수 있다. DSP 회로(103)는, 주지의 카메라 신호 처리를 행함과 함께, 선술한 AD 변환시에 카운터(142)의 카운트값의 연산 처리를 행한다.

표시장치(105)는, 액정 표시장치나 유기 EL(electro luminescence) 표시장치 등의 패널형 표시장치로 이루어지고, 촬상 소자(102)에서 촬상된 동화 또는 정지화를 표시한다. 기록 장치(106)는, 촬상 소자(102)에서 촬상된 동화 또는 정지화를, 비디오 테이프나 DVD(Digital Versatile Disc) 등의 기록 매체에 기록한다.

조작계(107)는, 유저에 의한 조작하에, 본 촬상 장치가 갖는 다양한 기능에 관해 조작 지령을 보낸다. 전원계(108)는, DSP 회로(103), 프레임 메모리(104), 표시장치(105), 기록 장치(106) 및 조작계(107)의 동작 전원이 되는 각종의 전원을, 이들 공급 대상에 대해 적절히 공급한다.

이와 같은 촬상 장치(100)는, 비디오 카메라나 디지털 스틸 카메라, 나아가서는 휴대전화기 등의 모바일 기기용의 카메라 모듈에 적용된다. 이 촬상 장치(100)에 있어서, 촬상 소자(102)로서 선술한 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서를 이용함으로써, 해당 CMOS 이미지 센서는 수평 솎아냄 판독에 의해 프레임 레이트를 향상할 수 있다. 그 결과, 고속 촬상을 실현할 수 있음과 함께, 수직 솎아냄 판독이나 수직 절출 등과의 병용에 의해 촬상 화상의 종횡의 밸런스를 유지할 수 있다.

본 발명은 일본특허출원 JP2009-180374(2009.08.03)의 우선권 주장 출원이다.

본 발명은 첨부된 청구범위와 동등한 범위 내에서 당업자에 의해 필요에 따라 다양하게 변경, 변형, 수정, 및 조합 등이 이루어질 수 있다.

Claims

광전 변환 소자를 포함하는 화소가 행렬형상으로 배치되고, 화소열마다 수직 신호선이 배선된 화소 어레이부와,
상기 화소 어레이부의 화소열마다 마련되고, 상기 수직 신호선을 통하여 상기 화소로부터 공급되는 아날로그 신호를 비교 대상 입력으로 하는 비교기 및 해당 비교기의 비교 시작부터 비교 완료까지의 시간을 계측하는 카운터를 갖는 아날로그-디지털 변환 회로와,
경사형상 파형의 복수의 참조신호를 생성하는 참조신호 생성부와,
상기 화소 어레이부의 특정한 화소열군의 화소로부터 상기 수직 신호선에 신호를 판독하는 솎아냄 판독 모드일 때에, 해당 특정한 화소열군의 하나의 화소열에 속하는 상기 수직 신호선과, 상기 특정한 화소열군 이외의 화소열군에 속하고, 화소로부터 신호가 판독되지 않는 상기 수직 신호선을 단락하는 제 1의 스위치와,
상기 솎아냄 판독 모드일 때에, 상기 하나의 화소열에 속하는 상기 비교기와 상기 특정한 화소열군 이외의 화소열군에 속하는 상기 비교기에 대해 상기 복수의 참조신호를 각각 비교 기준 입력으로서 주는 제 2의 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제 1항에 있어서,
상기 특정한 화소열군 이외의 화소열군의 화소는, 상기 솎아냄 판독 모드일 때에 상기 수직 신호선에서 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제 1항에 있어서,
상기 화소 어레이부의 전 화소로부터 신호를 판독하는 전 화소 판독 모드일 때는, 상기 제 1의 스위치는 오프 상태가 되고, 상기 제 2의 스위치는 상기 복수의 참조신호중의 하나의 참조신호를 상기 화소 어레이부의 전 화소열에 속하는 상기 비교기에 대해 비교 기준 입력으로서 주는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제 3항에 있어서,
상기 복수의 참조신호가 2개의 참조신호일 때, 상기 솎아냄 판독 모드일 때에 이용하는 상기 2개의 참조신호의 한쪽의 참조신호의 다이내믹 레인지는, 상기전 화소 판독 모드일 때에 이용하는 상기 하나의 참조신호의 다이내믹 레인지의 1/2인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제 4항에 있어서,
상기 2개의 참조신호의 다른쪽의 참조신호는, 상기 한쪽의 참조신호로부터 상기 하나의 참조신호의 다이내믹 레인지의 1/2의 오프셋을 뺀 신호인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
제 4항에 있어서,
상기 2개의 참조신호의 다른쪽의 참조신호는, 상기 한쪽의 참조신호로부터 상기 하나의 참조신호의 다이내믹 레인지의 1/2의 오프셋을 뺀 신호인 동시에 상기 한쪽의 참조신호와는 기울기가 정반대의 신호인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
광전 변환 소자를 포함하는 화소가 행렬형상으로 배치되고, 화소열마다 수직 신호선이 배선된 화소 어레이부와,
상기 화소 어레이부의 화소열마다 마련되고, 상기 수직 신호선을 통하여 상기 화소로부터 공급되는 아날로그 신호를 비교 대상 입력으로 하는 비교기 및 해당 비교기의 비교 시작부터 비교 완료까지의 시간을 계측하는 카운터를 갖는 아날로그-디지털 변환 회로와,
경사형상 파형의 복수의 참조신호를 생성하는 참조신호 생성부를 구비하는 고체 촬상 장치의 아날로그-디지털 변환에 있어서,
상기 화소 어레이부의 특정한 화소열군의 화소로부터 상기 수직 신호선에 신호를 판독하는 솎아냄 판독 모드일 때에, 해당 특정한 화소열군의 하나의 화소열에 속하는 상기 수직 신호선과, 상기 특정한 화소열군 이외의 화소열군에 속하고, 화소로부터 신호가 판독되지 않는 상기 수직 신호선을 단락함과 함께,
상기 하나의 화소열에 속하는 상기 비교기와 상기 특정한 화소열군 이외의 화소열군에 속하는 상기 비교기에 대해 상기 복수의 참조신호를 각각 비교 기준 입력으로서 주는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 아날로그-디지털 변환 방법.
광전 변환 소자를 포함하는 화소가 행렬형상으로 배치되고, 화소열마다 수직 신호선이 배선된 화소 어레이부와,
상기 화소 어레이부의 화소열마다 마련되고, 상기 수직 신호선을 통하여 상기 화소로부터 공급되는 아날로그 신호를 비교 대상 입력으로 하는 비교기 및 해당 비교기의 비교 시작부터 비교 완료까지의 시간을 계측하는 카운터를 갖는 아날로그-디지털 변환 회로와,
상기 화소 어레이부의 특정한 화소열군의 화소로부터 상기 수직 신호선에 신호를 판독하는 솎아냄 판독 모드일 때에, 해당 특정한 화소열군의 하나의 화소열에 속하는 상기 수직 신호선과, 상기 특정한 화소열군 이외의 화소열군에 속하고, 화소로부터 신호가 판독되지 않는 상기 수직 신호선을 단락하는 제 1의 스위치와,
경사형상 파형의 복수의 참조신호를 생성하는 참조신호 생성부와,
상기 솎아냄 판독 모드일 때에, 상기 하나의 화소열에 속하는 상기 비교기와 상기 특정한 화소열군 이외의 화소열군에 속하는 상기 비교기에 대해 상기 복수의 참조신호를 각각 비교 기준 입력으로서 주는 제 2의 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치를 갖는 전자기기.