TW202147826A - 固態攝像元件 - Google Patents

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山下知憲
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日商索尼半導體解決方案公司
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Abstract

本發明之課題在於提供一種具備有寬廣之動態範圍之AD轉換器之固態攝像元件。 本揭示之固態攝像元件具備：像素部，其包含複數個像素；像素信號線，其傳遞像素之像素信號；參考信號線，其傳遞與像素信號進行比較之參考信號；第1比較器，其基於像素信號與參考信號之電壓差，輸出與該像素信號相應之第1輸出信號；第2比較器，其基於像素信號與參考信號之電壓差輸出，與該像素信號相應之第2輸出信號；第1電容部，其設置於像素信號線或參考信號線與第1比較器之間，並設定為第1增益；及第2電容部，其設置於像素信號線或參考信號線與第2比較器之間，並設定為第2增益。

Description

固態攝像元件
本揭示係關於一種固態攝像元件。
存在一種CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補式金屬氧化物半導體)影像感測器，其藉由利用比較器對類比之像素信號與線性變化之參考信號進行比較，並計數直至參考信號橫穿像素信號為止之時間，而將像素信號進行AD(Analogue-to-Digital，類比至數位)轉換。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2018-148541號公報 [專利文獻1]日本特開2019-165313號公報
[發明所欲解決之課題]
然而，於先前之影像感測器之AD轉換器中，比較器之動態範圍比較窄，而難以將寬廣之照度之照射光進行AD轉換。
因此，本揭示之固態攝像元件提供一種具備具有寬廣之動態範圍之AD轉換器之固態攝像元件。 [解決問題之技術手段]
本揭示之一態樣之固態攝像元件具備：像素部，其包含複數個像素；像素信號線，其傳遞像素之像素信號；參考信號線，其傳遞與像素信號進行比較之參考信號；第1比較器，其基於像素信號與參考信號之電壓差輸出與該像素信號相應之第1輸出信號；第2比較器，其基於像素信號與參考信號之電壓差輸出與該像素信號相應之第2輸出信號；第1電容部，其設置於像素信號線或參考信號線與第1比較器之間，並設定為第1增益；及第2電容部，其設置於像素信號線或參考信號線與第2比較器之間，並設定為第2增益。
可行的是，第1電容部包含：第1輸入電容元件，其設置於參考信號線與第1比較器之間；及第2輸入電容元件，其設置於像素信號線與第1比較器之間；第2電容部包含：第3輸入電容元件，其設置於參考信號線與第2比較器之間；及第4輸入電容元件，其設置於像素信號線與第2比較器之間。
第1輸入電容元件與第2輸入電容元件之電容比可跟第3輸入電容元件與第4輸入電容元件之電容比不同。
可行的是，第1及第3輸入電容元件之電容大致相等，第2及第4輸入電容元件之電容互不相同。
可行的是，第1電容部之增益係由第1輸入電容元件與第2輸入電容元件之電容比決定，第2電容部之增益係由第3輸入電容元件與第4輸入電容元件之電容比決定。
可行的是，第1及第3輸入電容元件各者之一端共通地連接於參考信號線，第2及第4輸入電容元件各者之一端共通地連接於像素信號線，第1比較器包含第1電晶體，其閘極共通地連接於第1及第2輸入電容元件之另一端，第2比較器包含第2電晶體，其閘極共通地連接於第3及第4輸入電容元件之另一端。
可行的是，第1比較器進而包含連接於第1電晶體之一端之第1定電流源，自第1電晶體與第1定電流源之間輸出第1輸出信號，第2比較器進而包含連接於第2電晶體之一端之第2定電流源，自第2電晶體與第2定電流源之間輸出第2輸出信號。
可行的是，第1比較器進而包含：第1定電流源，其連接於第1電晶體之一端；第3電晶體，其一端連接於該第1定電流源；及第1鏡電路，其連接於第1及第3電晶體之另一端；且該第1比較器自第3電晶體與第1鏡電路之間輸出第1輸出信號；第2比較器進而包含：第2定電流源，其連接於第2電晶體之一端；第4電晶體，其一端連接於該第2定電流源；及第2鏡電路，其連接於第1及第4電晶體之另一端；且該第2比較器自第4電晶體與第2鏡電路之間輸出第2輸出信號。
可行的是，第1比較器包含第1電晶體，該第1電晶體之閘極連接於第1輸入電容元件，一端連接於第2輸入電容元件；第2比較器包含第2電晶體，該第2電晶體之閘極連接於第3輸入電容元件，一端連接於第4輸入電容元件。
可行的是，第1及第3輸入電容元件共通地連接於參考信號線，第1及第2電晶體之各一端分別經由第2及第4輸入電容元件接收像素信號。
可進而具備參考信號產生部，其對第1及第3輸入電容元件供給同一參考信號。
可進而具備信號處理電路，其相應於照射光朝像素部之照度而選擇第1或第2輸出信號之任一者並作為圖像資料而輸出。
可進而具備控制部，其相應於照射光朝像素部之照度而變更像素部之曝光時間。
可進而具備控制部，其相應於照射光朝像素部之照度而控制參考信號之斜率。
可進而具備控制部，其相應於照射光朝像素部之照度而控制第1或第2增益。
可行的是，進而具備信號處理電路，其取得照射光朝像素部之照度；及控制部，其相應於該照度而設定第1或第2增益；且像素部藉由所設定之第1或第2增益執行拍攝並產生像素信號，信號處理電路將像素信號進行轉換並產生圖像資料。
可行的是，第1及第3輸入電容元件各者之一端共通地連接於參考信號線，第2及第4輸入電容元件各者之一端共通地連接於像素信號線，第1比較器包含：第1電晶體，其閘極連接於第1輸入電容元件之另一端；及第3電晶體，其閘極連接於第2輸入電容元件之另一端；第2比較器包含：第2電晶體，其閘極連接於第3輸入電容元件之另一端；及第4電晶體，其閘極連接於第4輸入電容元件之另一端。
以下，對於應用本技術之具體之實施形態，一面參照圖式一面詳細地進行說明。圖式為示意性或概念性圖，各部分之比率等不一定與現實之比率相同。於說明書與圖式中，對於與已出現之圖式中所述之要素為同樣之要素標註同一符號且適當省略詳細之說明。
(第1實施形態) 圖1係顯示第1實施形態之固態攝像元件100之構成例之方塊圖。固態攝像元件100具備：像素部101、時序控制電路102、垂直掃描電路103、DAC(數位-類比轉換裝置)104、ADC(類比-數位轉換裝置)群105、水平傳送掃描電路106、放大器電路107、及信號處理電路108。
於像素部101，矩陣狀地配置有包含將入射光光電轉換成與其光量相應之電荷量之光電轉換元件之單位像素(以下，亦簡稱為像素)。對於單位像素之具體之電路構成將參照圖2於後文描述。又，於像素部101，針對矩陣狀之像素排列，就每一行沿著圖之左右方向(像素列之像素排列方向/水平方向)而配線像素驅動線109，就每一行沿著圖之上下方向(像素行之像素排列方向/垂直方向)而配線垂直信號線110。像素驅動線109之一端連接於與垂直掃描電路103之各列對應之輸出端。再者，於圖1中，顯示就每一像素列各設置1條像素驅動線109，但亦可就各像素列將像素驅動線109設置2條以上。
時序控制電路102具備產生各種時序信號之時序產生器(未圖示)。時序控制電路102基於自外部賦予之控制信號等，基於由時序產生器產生之各種時序信號進行垂直掃描電路103、DAC104、ADC群105、及水平傳送掃描電路106等之驅動控制。
垂直掃描電路103係由移位暫存器及位址解碼器等構成。此處，對於具體之構成將圖示省略，但垂直掃描電路103包含讀出掃描系統及排除掃描系統。
讀出掃描系統對於讀出信號之單位像素以列單位依次進行選擇掃描。另一方面，排除掃描系統對於由讀出掃描系統讀出並進行掃描之讀出列，與該讀出掃描相比提前快門速度之時間份額而進行排除掃描，該排除掃描自該讀出列之單位像素之光電轉換元件排除(重置)無用之電荷。藉由該排除掃描系統對無用電荷之排除(重置)，而進行所謂之電子快門動作。此處，所謂電子快門動作係指丟棄光電轉換元件之光電荷，重新開始曝光之(開始光電荷之蓄積之)動作。藉由由讀出掃描系統執行之讀出動作而讀出之信號，與其近前之讀出動作或電子快門動作以後入射之光量。而且，自近前之讀出動作之讀出時序或電子快門動作之排除時序至此次之讀出動作之讀出時序為止之期間，為單位像素之光電荷之蓄積時間(曝光時間)。
自被垂直掃描電路103選擇掃描之像素列之各單位像素輸出之像素信號VSL經由與各行對應之複數條垂直信號線110供給至ADC群105。
作為參考信號產生部之DAC104產生線性變化之斜坡波形之信號即參考信號RAMP，並供給至ADC群105。DAC104經由參考信號線114共通地連接於複數個比較器121，將相同之參考信號RAMP供給至複數個比較器121。參考信號線114將參考信號RAMP傳遞至複數個比較器121。
ADC群105具備：複數個比較器121、複數個計數器122、及複數個鎖存電路123。再者，於圖1中，僅示出1個ADC群105，但ADC群105亦可如圖2或圖3所示般，分割成複數個ADC群105a、105b。對於ADC群105a、105b之構成將於後文進行說明。
比較器121、計數器122、及鎖存電路123分別與像素部101之像素行對應地設置，構成ADC。
比較器121將自各像素輸出之像素信號VSL與參考信號RAMP，與經由電容而加算之信號之電壓及特定之基準電壓進行比較，並將表示比較結果之輸出信號供給至計數器122。
計數器122基於比較器121之輸出信號，藉由計數將像素信號VSL與參考信號RAMP經由電容而加算之信號超過特定之基準電壓為止之時間，而將類比之像素信號轉換為由計數值表示之數位之像素信號。計數器122將計數值供給至鎖存電路123。
鎖存電路123保持自計數器122供給之計數值。又，鎖存電路123藉由取得與信號位準之像素信號對應之D相之計數值、跟與重置位準之像素信號對應之P相之計數值之差分，而進行CDS(Correlated Double Sampling，相關雙取樣)。
水平傳送掃描電路106係由移位暫存器及位址解碼器等構成，依序選擇掃描與ADC群105之像素行對應之電路部分。藉由由該水平傳送掃描電路106執行之選擇掃描，而保持於鎖存電路123之數位之像素信號經由水平傳送線111依序傳送至放大器電路107。
放大器電路107將自鎖存電路123供給之數位之像素信號予以放大並供給至信號處理電路108。
信號處理電路108對自放大器電路107供給之數位之像素信號進行特定之信號處理，而產生二維之圖像資料。例如，信號處理電路108進行豎線缺陷、點缺陷之修正、或信號之鉗位，或者進行並列-串列轉換、壓縮、編碼、加算、平均、及斷續動作等數位信號處理。信號處理電路108將所產生之圖像資料輸出至後段之裝置。
再者，圖1所示之固態攝像元件100作為整體可設為1個半導體晶片而構成，或者，亦可由複數個半導體晶片構成。於將固態攝像元件100構成為複數個半導體晶片之情形下，可將像素部101及其以外之處理電路分別作為不同之半導體晶片511、512而形成，亦可將半導體晶片511與半導體晶片512予以積層。
例如，圖2係顯示將像素部101之半導體晶片511與處理電路之半導體晶片512積層而成之固態攝像元件100之例之概念圖。如圖2所示般，固態攝像元件100係由所積層之2個半導體晶片511及512構成。再者，半導體晶片之積層數亦可為3層以上。
半導體晶片511具備形成於半導體基板上之像素部101。半導體晶片512具備形成於另一半導體基板上之ADC群105a、105b、邏輯電路516及周邊電路517。ADC群105分割成複數個部分(105a、105b)，例如，以分別具有不同之增益之方式設定。邏輯電路516包含時序控制電路102、垂直掃描電路103、DAC104、及水平傳送掃描電路106等。周邊電路517包含處理電路108等。
半導體晶片511之像素部101之各像素與半導體晶片512之處理電路(105a、105b、516、517)之元件，例如，可使用如設置於導通區域513、514之TSV(Through Silicon Via，矽通孔)之貫通電極等電性連接。ADC群105a、105b可經由TSV與像素部101進行信號之收發。又，可以使半導體晶片511之配線與半導體晶片512之配線接觸之方式將兩個半導體晶片切合(銅-銅(Cu-Cu)接合)。進而，雖未圖示，但可將像素部101與處理電路(105a、105b、516、517)之一部分作為1個半導體晶片511而構成，將另外之構成作為另一半導體晶片512而構成。
圖3係顯示設置於像素部101之像素150之構成例之電路圖。像素150例如具備光電二極體151作為光電轉換元件，相對於光電二極體151具備傳送電晶體152、放大電晶體154、選擇電晶體155、重置電晶體156此4個電晶體作為能動元件。
光電二極體151將入射光光電轉換為與其光量相應之量之電荷(此處為電子)。
傳送電晶體152連接於光電二極體151與FD(浮動擴散部)153之間。傳送電晶體152在藉由自垂直掃描電路103供給之驅動信號TX而成為導通狀態時，將蓄積於光電二極體151之電荷傳送至FD153。
於FD153，連接有放大電晶體154之閘極。放大電晶體154經由選擇電晶體155連接於垂直信號線110，構成像素部101之外之定電流源157與源極跟隨。在選擇電晶體155藉由自垂直掃描電路103供給之驅動信號SEL而導通時，放大電晶體154將FD153之電位放大，並將表示與該電位相應之電壓之像素信號輸出至垂直信號線110。然後，自各像素150輸出之像素信號經由垂直信號線110供給至ADC群105之各比較器121。
重置電晶體156連接於電源VDD與FD153之間。在重置電晶體156藉由自垂直掃描電路103供給之驅動信號RST而導通時，將FD153之電位重置為電源VDD之電位。
圖4係顯示像素部101及ADC群105a、105b之構成之一例之方塊圖。像素部101所含之複數個像素150之各像素行經由垂直信號線110分別連接於ADC群105a、105b之兩者。垂直信號線110就包含複數個像素150之每一像素行設置，自該像素行中所選擇之像素150傳遞同一像素信號VSL。再者，圖4中相對於垂直信號線110僅顯示1個像素150，但垂直信號線110如圖5所示般，被像素行內之複數個像素150共有。
ADC群105a具備與像素行各者對應地設置之複數個電容部120a及複數個比較器121a。電容部120a連接於垂直信號線110，將來自像素150之像素信號VSL傳遞至比較器121a。此時，電容部120a之電容為了設定像素信號VSL之輸入電容增益而可變更。比較器121a經由電容部120a接收像素信號VSL，並將對像素信號VSL與參考信號RAMP予以比較之結果朝圖1之計數器122輸出。
ADC群105b具備與像素行各者對應地設置之複數個電容部120b及複數個比較器121b。電容部120b連接於垂直信號線110，將來自像素150之像素信號VSL傳遞至比較器121b。此時，電容部120b之電容為了設定像素信號VSL之輸入電容增益而可變更。比較器121b經由電容部120b接收像素信號VSL，並將對像素信號VSL與參考信號RAMP予以比較之結果朝圖1之計數器122輸出。
電容部120a、120b具有互不相同之輸入電容增益。例如，電容部120a具有比較低之輸入電容增益，電容部120b具有比較高之輸入電容增益。輸入電容增益係像素信號VSL相對於參考信號RAMP之傳遞率。於輸入電容增益高之情形下，像素信號VSL之傳遞率變大，即便固態攝像元件100為低照度之照射光，仍可準確地檢測到。於輸入電容增益低之情形下，像素信號VSL之傳遞率變小，固態攝像元件100可在較短之時間內檢測到高照度之照射光。輸入電容增益可藉由變更傳遞像素信號VSL之電容元件與傳遞參考信號RAMP之電容元件之電容比來控制。
電容部120a因具有比較低之輸入電容增益，而用於檢測高照度之照射光。電容部120b因具有比較高之輸入電容增益，而用於檢測低照度之照射光。
如此般，各像素150經由對應之垂直信號線110，分別連接於彼此輸入電容增益不同之複數個ADC群105a、105b。
圖5係顯示電容部120a、120b及比較器121a、121b之內部構成之一例之圖。
作為第1電容部之電容部120a設置於垂直信號線110或參考信號線114與比較器121a之間，並設定為作為第1增益之低增益。電容部120a包含輸入電容元件Crmpa、及輸入電容元件Cvsla。作為第1輸入電容元件之輸入電容元件Crmpa設置於參考信號線114與比較器121a之電晶體Tp1a之閘極之間。作為第2輸入電容元件之輸入電容元件Cvsla設置於垂直信號線110與比較器121a之間。
亦即，輸入電容元件Crmpa、Cvsla之一端各自連接於垂直信號線110及參考信號線114。輸入電容元件Crmpa、Cvsla之另一端共通地連接於電晶體Tp1a之閘極。
作為第2電容部之電容部120b設置於垂直信號線110或參考信號線114與比較器121b之間，設定為作為第2增益之高增益。第2增益高於第1增益。電容部120b包含輸入電容元件Crmpb、及輸入電容元件Cvslb。作為第3輸入電容元件之輸入電容元件Crmpb設置於參考信號線114與比較器121b之電晶體Tp1b之閘極之間。作為第4輸入電容元件之輸入電容元件Cvslb設置於垂直信號線110與比較器121b之間。
亦即，輸入電容元件Crmpb、Cvslb之一端各自連接於垂直信號線110及參考信號線114。輸入電容元件Crmpb、Cvslb之另一端共通地連接於電晶體Tp1b之閘極。
進而，電容部120a、120b共有對應之參考信號線114，且共有對應之垂直信號線110。因此，輸入電容元件Crmpa、Crmpb之一端共通地連接於參考信號線114。輸入電容元件Cvsla、Cvslb之一端皆經由垂直信號線110共通地連接於垂直信號線110。
於本實施形態中，輸入電容元件Crmpa、Crmpb之電容彼此大致相等，但輸入電容元件Cvsla、Cvslb之電容互不相同。因此，輸入電容元件Crmpa與輸入電容元件Cvsla之電容比(電容部120a之輸入電容增益Ga)，跟輸入電容元件Crmpb與輸入電容元件Cvslb之電容比(電容部120b之輸入電容增益Gb)不同。電容部120a之輸入電容增益Ga係由輸入電容元件Cvsla相對於輸入電容元件Crmpa之電容比(例如，Cvsla/Cvsla+Crmpa)來決定。電容部120b之輸入電容增益Gb係由輸入電容元件Cvslb相對於輸入電容元件Crmpb之電容比(例如，Cvslb/Cvslb+Crmpb)來決定。
於本實施形態中，例如，因輸入電容元件Cvslb大於輸入電容元件Cvsla，故電容部120b之輸入電容增益Gb設定為較電容部120a之輸入電容增益Ga大。
輸入電容元件Crmpa、Crmpb、Cvsla、Cvslb係可變電容元件。例如，輸入電容元件Crmpa、Crmpb、Cvsla、Cvslb藉由將並聯或串聯地連接之同一電容之元件之個數進行調整或利用開關(未圖示)等進行變更而調節。輸入電容元件Crmpa、Crmpb、Cvsla、Cvslb之調整或切換只要在固態攝像元件100之製造或出荷時執行即可。或者，如參照圖11所說明般，輸入電容元件Crmpa、Crmpb、Cvsla、Cvslb之切換可藉由基於照射光之照度切換開關SWc1、SWc2而執行。
作為第1比較器之比較器121a連接於電容部120a，係基於像素信號VSL與參考信號RAMP之電壓差(進行放大)輸出與像素信號VSL相應之輸出信號OUTa之單極型放大器。
比較器121a包含n型電晶體Tn1a、p型電晶體Tp1a、及n型電晶體Tn2a。電晶體Tn1a、Tp1a、Tn2a依序串聯地連接於電源Vdd與接地(GND)之間。
電晶體Tn1a之汲極連接於電源Vdd，其源極連接於電晶體Tp1a之源極。電晶體Tn1a作為LDO(Low Dropout，低壓差)線性調整器發揮功能。
作為第1電晶體之電晶體Tp1a之閘極如上述般共通地連接於輸入電容元件Crmpa、Cvsla之另一端。電晶體Tp1a之源極連接於電晶體Tn1a之源極，電晶體Tp1a之汲極連接於輸出端子及電晶體Tn2a之汲極。電晶體Tp1a在來自電容部120a之像素信號VSL與來自DAC104之參考信號RAMP之加算信號超過基準電壓時，自導通狀態成為非導通狀態，使輸出信號OUTa之位準反轉。亦即，電晶體Tp1a作為將像素信號VSL之位準放大並檢測之放大器發揮功能。
電晶體Tn2a作為用於朝電晶體Tp1a流動定電流之定電流源發揮功能。
AZ開關SW1a連接於電晶體Tp1a之閘極與輸出端子Touta之間，在像素信號VSL之檢測前使電晶體Tp1a之閘極與輸出端子Touta之間之電位相等而進行自動歸零動作。
根據如此之構成，比較器121a自電晶體Tp1a與電晶體Tn2a之間之輸出部輸出作為第1輸出信號之輸出信號OUTa。
作為第2比較器之比較器121b連接於電容部120b，基於像素信號VSL與參考信號RAMP之電壓差輸出與像素信號VSL相應之輸出信號OUT2。
比較器121b包含：n型電晶體Tn1b、p型電晶體Tp1b、及n型電晶體Tn2b。電晶體Tn1b、Tp1b、Tn2b於電源Vdd與接地電壓GND之間依序串聯地連接。
電晶體Tn1b之汲極連接於電源Vdd，其源極連接於電晶體Tp1b之源極。電晶體Tn1b與電晶體Tn1a同樣地，作為LDO線性調整器發揮功能。
作為第2電晶體之電晶體Tp1b之閘極如上述般，共通地連接於輸入電容元件Crmpb、Cvslb之另一端。電晶體Tp1b之源極連接於電晶體Tn1b之源極，電晶體Tp1b之汲極連接於輸出端子及電晶體Tn2b之汲極。電晶體Tp1b在來自電容部120b之像素信號VSL與來自DAC104之參考信號RAMP之加算信號超過基準電壓時，自導通狀態成為非導通狀態，而使輸出信號OUTb之位準反轉。亦即，電晶體Tp1b作為將像素信號VSL之位準放大並檢測之放大器發揮功能。
電晶體Tn2b作為用於朝電晶體Tp1b流動定電流之定電流源而發揮功能。
AZ開關SW1b係連接於電晶體Tp1b之閘極與輸出端子Toutb之間，在像素信號VSL之檢測前，使電晶體Tp1a之閘極與輸出端子Toutb之間之電位相等而進行自動歸零動作。
根據如此之構成，比較器121b係自電晶體Tp1b與電晶體Tn2b之間之輸出部，輸出作為第2輸出信號之輸出信號OUTb。
再者，電流源CS1a、CS1b以連接於垂直信號線110，朝垂直信號線110流動定電流之方式構成。
比較器121b之構成與比較器121a之構成相同。亦即，電晶體Tn1a、Tn1b相互為同一構成，電晶體Tp1a、Tp1b相互為同一構成，電晶體Tn2a、Tn2b相互為同一構成。藉此，ADC群105a、105b之增益Ga、Gb，係藉由輸入電容元件Cvsla相對於輸入電容元件Crmpa之電容比與輸入電容元件Cvslb相對於輸入電容元件Crmpb之電容比之差異而大致決定。因此，ADC群105a將像素信號VSL與參考信號RAMP之比較結果，在低增益下作為輸出信號OUTa輸出。ADC群105b將像素信號VSL與參考信號RAMP之比較結果，在高增益下作為輸出信號OUTb輸出。其結果，固態攝像元件100可檢測低照度至高照度之寬廣之動態範圍(HDR(High Dynamic Range，高動態範圍))之照射光。又，藉由將比較器121a、121b之構成設為相同，使比較器121a、121b可在同一步驟中同時形成，而可將製造成本抑制為較低。
接著，對於本實施形態之固態攝像元件100之動作進行說明。
圖6係顯示第1實施形態之固態攝像元件100之動作之一例之時序圖。橫軸表示時間。縱軸表示AZ開關SW1a、SW1b之驅動信號、像素信號VSL、參考信號RAMP、電晶體Tp1a、Tp1b之閘極電壓、及輸出信號OUTa、OUTb之電壓位準(信號位準)。再者，於信號檢測中，電晶體Tn1a、Tn1b設為常時導通。又，電晶體Tn2a、Tn2b係朝電晶體Tp1a、Tp1b流動定電流者。
於時刻t1，成為讀出對象之像素150之FD153被重置，而像素信號VSL設定為重置位準。此時，參考信號RAMP設定為特定之重置位準。
於時刻t2，AZ開關SW1a、SW1b之驅動信號設定為高位準，進行比較器121a、121b之自動歸零動作。具體而言，AZ開關SW1a導通、電晶體Tp1a之閘極與輸出部Touta之間連接，比較器121a之輸入輸出間被短路。藉此，電晶體Tp1a之閘極電壓及輸出信號OUTa之電壓收斂為跟輸出信號OUTa之高位準與低位準之中間相近之電壓。該收斂之電壓成為比較器121a之基準電壓。因此，之後，在AZ開關SW1a關斷時，若電晶體Tp1a之閘極電壓(比較器121a之輸入電壓)較基準電壓上升，則輸出信號OUTa之電壓下降，而成為低位準。另一方面，若電晶體Tp1a之閘極電壓(比較器121a之輸入電壓)較基準電壓下降，則輸出信號OUTa之電壓上升，而成為高位準。
AZ開關SW1b亦與AZ開關SW1a同樣地對比較器121b進行自動歸零動作。亦即，AZ開關SW1b導通、電晶體Tp1b之閘極與輸出部Toutb之間連接，比較器121b之輸入輸出間被短路。藉此，電晶體Tp1b之閘極電壓及輸出信號OUTb之電壓收斂為跟輸出信號OUTb之高位準與低位準之中間相近之電壓。該收斂之電壓成為比較器121b之基準電壓。因此，之後，在AZ開關SW1b關斷時，若電晶體Tp1b之閘極電壓(比較器121b之輸入電壓)較基準電壓上升，則輸出信號OUTb之電壓下降，而成為低位準。另一方面，若電晶體Tp1b之閘極電壓(比較器121b之輸入電壓)較基準電壓下降，則輸出信號OUTb之電壓上升，而成為高位準。
於時刻t3，AZ開關SW1a、SW1b之驅動信號設定為低位準，AZ開關SW1a、SW1b關斷，比較器121a、121b之自動歸零動作結束。電晶體Tp1a、Tp1b之電壓及輸出信號OUTa、OUTb之電壓保持基準電壓之狀態不變。比較器121a、121b之構成相同，因此比較器121a、121b之基準電壓成為大致相同。
於時刻t4，參考信號RAMP之電壓自重置位準下降特定值。藉此，電晶體Tp1a、Tp1b之閘極電壓較基準電壓下降，而輸出信號OUTa、OUTb成為高位準。
於時刻t5，參考信號RAMP之電壓位準線性增加。與其相符地，電晶體Tp1a、Tp1b之閘極電壓亦線性增加。又，圖1之計數器122開始計數。
於時點t5-1，在電晶體Tp1a、Tp1b之閘極電壓超過基準電壓時，輸出信號OUTa、OUTb之電壓反轉為低位準。於輸出信號OUTa、OUTb反轉為低位準時之計數器122之計數值作為P相(重置位準)之像素信號VSL之值而保持於圖1之鎖存電路123。鎖存電路123鎖存輸出信號OUTa、OUTb之兩者。
於時刻t6，參考信號RAMP之電壓再次設定為重置電壓。藉此，電晶體Tp1a、Tp1b之閘極電壓返回基準電壓，輸出信號OUTa、OUTb與基準電壓大致相等。
於時刻t7，像素150之傳送電晶體152導通，在曝光期間中蓄積於光電二極體151之電荷傳送至FD153。藉此，像素信號VSL成為信號位準，電晶體Tp1a、Tp1b之閘極電壓自基準電壓下降與信號位準對應之值。其結果為，輸出信號OUTa、OUTb成為高位準。然而，於像素信號VSL之信號位準小之情形下，輸出信號OUTa、OUTb保持為大致接近基準電壓之值。
於時刻t8，與時刻t4同樣地，參考信號RAMP之電壓自重置位準下降特定之值。藉此，電晶體Tp1a、Tp1b之閘極電壓自信號位準進一步下降。
於時刻t9，與時刻t5同樣地，參考信號RAMP之電壓位準線性增加。與其相符地，電晶體Tp1a、Tp1b之閘極電壓亦線性增加。又，計數器122開始計數。
於時刻t9-1～t9-3，在電晶體Tp1a、Tp1b之閘極電壓超過基準電壓時，輸出信號OUTa、OUTb反轉為低位準。例如，於照射光之照度弱、像素信號VSL小之情形下，如線L1所示般，電晶體Tp1a、Tp1b之閘極電壓之位準在像素信號VSL下幾乎不下降。該情形下，於比較早之時刻t9-1，電晶體Tp1a、Tp1b之閘極電壓超過基準電壓，輸出信號OUTa、OUTb反轉為低位準。於照射光之照度為中等程度，而像素信號VSL為中等程度之情形下，如線L2所示般，於t9-2，電晶體Tp1a、Tp1b之閘極電壓超過基準電壓，輸出信號OUTa、OUTb反轉為低位準。於照射光之照度強、像素信號VSL高之情形下，如線L3所示般，於比較晚之時刻t9-3，電晶體Tp1a、Tp1b之閘極電壓超過基準電壓，輸出信號OUTa、OUTb反轉為低位準。如此般，因照射光之照度，而自參考信號RAMP之增加之開始至輸出信號OUTa、OUTb之反轉之期間不同。
於輸出信號OUTa、OUTb反轉為低位準時之計數器122之計數值作為D相(信號位準)之像素信號VSL之值而保持於圖1之鎖存電路123。鎖存電路123鎖存輸出信號OUTa、OUTb之兩者。鎖存電路123藉由取得D相之像素信號VSL跟在時刻t5與時刻t6之間讀出之P相之像素信號VSL之差分而進行CDS。如此般，進行像素信號VSL之AD轉換。於ADC群105a、105b各者中執行AD轉換，針對在互不相同之輸入電容增益下檢測到之像素信號VSL而執行。來自ADC群105a之數位圖像資料及來自ADC群105b之數位圖像資料分別朝信號處理電路108發送。
因照射光之照度而自參考信號RAMP之增加之開始至輸出信號OUTa、OUTb之反轉之期間不同，因此來自ADC群105a、105b之數位圖像資料亦成為基於照射光之照度之值。
其後，信號處理電路108使用輸出信號OUTa、OUTb之任一者或該兩者選擇或產生像素信號，並產生圖像資料。此時，信號處理電路108可相應於照射光之照度而選擇輸出信號OUTa、OUTb。
於時刻t10，與時刻t6同樣地，參考信號RAMP之電壓設定為重置電壓。藉此，電晶體Tp1a、Tp1b之閘極電壓返回基準電壓，輸出信號OUT1與基準電壓大致相等。其後，於時刻t11以後，重複與時刻t1～t10同樣之動作。
根據本實施形態，固態攝像元件100之與各像素行對應之ADC群分割成彼此增益不同之複數個ADC群105a、105b。ADC群105a、105b各者之增益係由電容部120a、120b之輸入電容增益Ga、Gb設定。藉此，信號處理電路108可使用在複數個增益下檢測像素信號而產生之輸出信號OUTa、OUTb之任一者或該兩者選擇或產生像素信號，而產生圖像資料。此時，信號處理電路108可相應於照射光之照度(光強度)選擇輸出信號OUTa、OUTb。例如，於照射光之照度比較強之情形下，信號處理電路108選擇藉由ADC群105a在低增益下檢測到之輸出信號OUTa而產生圖像資料。於照射光之照度比較弱之情形下，信號處理電路108選擇藉由ADC群105b在高增益下檢測到之輸出信號OUTb而產生圖像資料。藉此，固態攝像元件100即便在低照度之照射光下仍可高感度(以細微之灰階)地進行拍攝，且即便在高照度之照射光下仍可在不飽和下在短時間(低電力消耗)下進行拍攝。亦即，本實施形態之固態攝像元件100可相應於照射光之照度以寬廣之動態範圍(HDR)進行拍攝。
又，本實施形態之固態攝像元件100如圖2所示般，與各像素行對應之ADC群分割成複數個ADC群105a、105b，且並聯地連接。ADC群105a、105b設置於邏輯電路516及周邊電路517之兩側，彼此分開。於增益不同之複數個ADC鄰接之情形下，有因鄰近效應而來自複數個ADC之輸出信號相互影響之情形。相對於此，本實施形態之ADC群105a、105b因相互分開，即便具有不同之增益，亦可抑制相互影響。此可使固態攝像元件100產生正確之圖像資料。
根據本實施形態，ADC群105a、105b之增益係由電容部120a之輸入電容元件Crmpa與Cvsla之電容比、及電容部120b之輸入電容元件Crmpb與Cvslb之電容比各自設定。因此，像素信號VSL及參考信號RAMP可針對ADC群105a、105b相等亦可共通。例如，如圖7所示般，DAC104針對ADC群105a、105b共通地設置，只要經由參考信號線114將同一參考信號RAMP供給至ADC群105a、105b即可。即便具備複數個ADC群105a、105b，因可將DAC104共通化，故可將固態攝像元件100之整體之大小抑制為較小。當然，若無須考量固態攝像元件100之大小，則DAC104可與複數個ADC群105a、105b各者對應地設置。
又，於本實施形態中，比較器121a、121b包含單極型放大器。因此，與使用如第2實施形態之差動型放大器之情形相比，第1實施形態之固態攝像元件100可將消耗電流大致減半，而可降低電力消耗。
進而，比較器121a、121b之輸入電壓成為像素信號VSL與參考信號RAMP之加算信號。於像素信號VSL與參考信號RAMP為相反極性之情形下，比較器121a、121b之輸入電壓成為像素信號VSL與參考信號RAMP之差分電壓，而振幅變小。藉此，可減小比較器121a、121b之電壓變動，而可降低電源Vdd之電壓。其結果為，可降低固態攝像元件100之電力消耗。
(第2實施形態) 圖8A係顯示第2實施形態之固態攝像元件100之構成例之圖。於第2實施形態中，比較器121a、121b之構成與第1實施形態不同。包含電容部120a、120b之又一構成，可與第1實施形態之對應之構成同樣。
比較器121a係連接於電容部120a、基於像素信號VSL與參考信號RAMP之電壓差輸出與像素信號VSL相應之輸出信號OUTa之差動電路。
比較器121a包含：p型電晶體Tp2a～Tp4a、電流鏡電路CMa、AZ開關SW2a、SW3a、及電容元件C1a。
電晶體Tp2a之源極連接於電源Vdd，其汲極共通地連接於電晶體Tp3a、Tp4a之源極。
作為第1電晶體之電晶體Tp3a之閘極共通地連接於輸入電容元件Crmpa、Cvsla之另一端。電晶體Tp3a之源極連接於電晶體Tp2a之汲極，電晶體Tp3a之汲極連接於電流鏡電路CMa。
作為第3電晶體之電晶體Tp4a之閘極經由電容元件C1a連接於接地GND。電晶體Tp4a之源極與電晶體Tp3a之源極共通地連接於電晶體Tp2a之汲極。電晶體Tp4a之汲極連接於電流鏡電路CMa及輸出部Touta。
作為第1鏡電路之電流鏡電路CMa連接於電晶體Tp3a、Tp4a之汲極與接地GND之間，以在電晶體Tp3a、Tp4a中流動大致相等之電流之方式構成。更詳細而言，電流鏡電路CMa具備：n型電晶體Tn3a，其連接於電晶體Tp3a與接地GND之間；及n型電晶體Tn4a，其連接於電晶體Tp4a與接地GND之間。電晶體Tn3a、Tn4a之閘極共通地連接於電晶體Tn3a之汲極。
AZ開關SW2a連接於電晶體Tp3a之閘極與汲極之間，在像素信號VSL之檢測前將電晶體Tp3a之閘極與汲極之間之電位設為相等而進行自動歸零動作。
AZ開關SW3a連接於電晶體Tp4a之閘極與汲極之間，在像素信號VSL之檢測前將電晶體Tp4a之閘極與汲極之間之電位設為相等而進行自動歸零動作。
電晶體Tp3a在像素信號VSL與參考信號RAMP之加算信號之電壓位準超過基準電壓時，自導通狀態成為非導通狀態。電流鏡電路CMa使對在電晶體Tp3a中流動之電流乘以特定之鏡比率所得之電流朝電晶體Tp4a流動。電晶體Tp4a相應於在電晶體Tp3a中流動之電流，產生輸出信號OUTa之電壓位準。於電晶體Tp3a自導通狀態成為非導通狀態時，電晶體Tp4a與電晶體Tn3a同樣地流動特定電流，因此使輸出信號OUTa自低位準朝高位準反轉。亦即，比較器121a與第1實施形態之比較器同樣地，於像素信號VSL與參考信號RAMP之加算信號之電壓位準超過基準電壓時，使輸出信號OUTa之位準反轉。
比較器121b係連接於電容部120b，基於像素信號VSL與參考信號RAMP之電壓差輸出與像素信號VSL相應之輸出信號OUTb之差動電路。
比較器121b包含：p型電晶體Tp2b～Tp4b、電流鏡電路CMb、AZ開關SW1b、SW2b、及電容元件C1b。
電晶體Tp2b之源極連接於電源Vdd，其汲極共通地連接於電晶體Tp3b、Tp4b之源極。
作為第2電晶體之電晶體Tp3b之閘極共通地連接於輸入電容元件Crmpb、Cvslb之另一端。電晶體Tp3b之源極連接於電晶體Tp2b之汲極，電晶體Tp3b之汲極連接於電流鏡電路CMb。
作為第4電晶體之電晶體Tp4b之閘極經由電容元件C1b連接於接地GND。電晶體Tp4b之源極與電晶體Tp3b之源極共通地連接於電晶體Tp2b之汲極。電晶體Tp4b之汲極連接於電流鏡電路CMb及輸出部Toutb。
作為第2鏡電路之電流鏡電路CMb連接於電晶體Tp3b、Tp4b之汲極與接地GND之間，以在電晶體Tp3b、Tp4b中流動大致相等之電流之方式構成。更詳細而言，電流鏡電路CMb具備：n型電晶體Tn3b，其連接於電晶體Tp3b與接地GND之間；及n型電晶體Tn4b，其連接於電晶體Tp4b與接地GND之間。電晶體Tn3b、Tn4b之閘極共通地連接於電晶體Tn3b之汲極。
AZ開關SW2b連接於電晶體Tp3b之閘極與汲極之間，在像素信號VSL之檢測前將電晶體Tp3b之閘極與汲極之間之電位設為相等而進行自動歸零動作。
AZ開關SW3b連接於電晶體Tp4b之閘極與汲極之間，在像素信號VSL之檢測前將電晶體Tp4b之閘極與汲極之間之電位設為相等而進行自動歸零動作。
電晶體Tp3b在像素信號VSL與參考信號RAMP之加算信號之電壓位準超過基準電壓時，自導通狀態成為非導通狀態。電流鏡電路CMb使對在電晶體Tp3b中流動之電流乘以特定之鏡比率所得之電流朝電晶體Tp4b流動。電晶體Tp4b相應於在電晶體Tp3b中流動之電流，產生輸出信號OUTb之電壓位準。藉此，於電晶體Tp3b自導通狀態成為非導通狀態時，電晶體Tp4b與電晶體Tn3b同樣地流動特定電流，因此使輸出信號OUTb自低位準朝高位準反轉。亦即，比較器121b與第1實施形態之比較器同樣地，於像素信號VSL與參考信號RAMP之加算信號之電壓位準超過基準電壓時，使輸出信號OUTb之位準反轉。
第2實施形態之其他構成及動作可與第1實施形態之對應之構成及動作相同。因此，第2實施形態與第1實施形態相比雖然電力消耗多，但可獲得除此以外之第1實施形態之效果。
(變化例) 圖8B係顯示第2實施形態之變化例之固態攝像元件100之構成例之圖。於本變化例中，比較器121a、121b作為像素信號VSL與參考信號RAMP之差動電路發揮功能。輸入電容元件Cvsla之另一端不是連接於電晶體Tp3a之閘極，而是連接於電晶體Tp4a之閘極。輸入電容元件Cvslb之另一端不是連接於電晶體Tp3b之閘極，而是連接於電晶體Tp4b之閘極。
輸入電容元件Cgnda、Cgndb各自連接於電晶體Tp3a、Tp3b之閘極與接地GND之間。輸入電容元件Cgnda、Cgndb係可變電容元件。可為與輸入電容元件Crmpa、Crmp同樣之可變電容元件。於本變化例中，藉由使輸入電容元件Cgnda、Cgndb之電容互不相同而分別設定輸入電容元件增益Ga、Gb。
比較器121a將像素信號VSL與參考信號RAMP之差予以放大並作為輸出信號OUTa而輸出。比較器121b將像素信號VSL與參考信號RAMP之差予以放大並作為輸出信號OUTb而輸出。此時，電容部120a之輸入電容增益Ga係由輸入電容元件Crmpa、Cgnda之電容比決定。電容部120b之輸入電容增益Gb係由輸入電容元件Crmpb、Cgndb之電容比決定。
本變化例之動作可與第2實施形態之動作相同。因此，變化例可獲得與第2實施形態同樣之效果。
(變化例) 圖8C係顯示第2實施形態之又一變化例之固態攝像元件100之構成例之圖。於本變化例中，輸入電容元件Cgnda、Cgndb各自連接於電晶體Tp4a、Tp4b之閘極與接地GND之間。本變化例亦藉由使輸入電容元件Cgnda、Cgndb之電容互不相同而分別設定輸入電容元件增益Ga、Gb。電容部120a之輸入電容增益Ga係由輸入電容元件Cvsla、Cgnda之電容比決定。電容部120b之輸入電容增益Gb係由輸入電容元件Cvslb、Cgndb之電容比決定。本變化例之其他構成可與圖8B之變化例之構成同樣。本變化例之動作可與第2實施形態之動作相同。因此，本變化例亦可獲得與第2實施形態同樣之效果。
(第3實施形態) 圖9係顯示第3實施形態之固態攝像元件100之構成例之圖。於第3實施形態中，比較器121a、121b及垂直信號線110之構成與第1實施形態不同。包含電容部120a、120b之又一構成，可與第1實施形態之對應之構成同樣。
於第3實施形態中，於各垂直信號線110連接有定電流源CS1a。定電流源CS1a在像素信號之檢測時，於垂直信號線110流動特定之定電流，而於垂直信號線110產生像素信號VSL。
比較器121a包含：n型電晶體Tn5a、p型電晶體Tp5a、定電流源CS2a、以及AZ開關SW4a、SW5a。
電晶體Tn5a之閘極連接於輸入電容元件Cvsla之另一端。電晶體Tn5a之汲極連接於電源Vdd，其源極連接於電晶體Tp5a之源極。電晶體Tn5a產生與像素信號VSL相應之電壓位準之信號，並傳遞至電晶體Tp5a之源極。
作為第1電晶體之電晶體Tp5a之閘極連接於輸入電容元件Crmpa之另一端。電晶體Tp5a之源極連接於電晶體Tn5a之源極，其汲極連接於定電流源CS2a及輸出部Touta。電晶體Tp5a成為基於源極電壓與閘極電壓之電壓差Vgs之導通狀態。
例如，於第3實施形態中，在進行像素信號VSL之檢測時，使參考信號RAMP之電壓位準自較像素信號VSL高之位準起線性減少。藉此，於參考信號RAMP低於像素信號VSL時，電晶體Tp5a自非導通狀態成為導通狀態。定電流源CS2a朝電晶體Tn5a、Tp5a中流動定電流。因此，於電晶體Tp5a為非導通狀態時，輸出信號OUTa成為低位準，在電晶體Tp5a為導通狀態時，輸出信號OUTa成為高位準。亦即，於參考信號RAMP低於像素信號VSL時，輸出信號OUTa自低位準朝高位準反轉。如此般，於第3實施形態中，電晶體Tp5a可產生將像素信號VSL與參考信號RAMP之差電壓予以放大之輸出信號OUTa。
輸入電容元件Cgnda、Cgndb各自連接於電晶體Tp5a、Tp5b之閘極與接地GND之間。輸入電容元件Cgnda、Cgndb係可變電容元件。可為與輸入電容元件Crmpa、Crmp同樣之可變電容元件。於第3實施形態中，藉由使輸入電容元件Cgnda、Cgndb之電容互不相同而分別設定輸入電容元件增益Ga、Gb。
AZ開關SW4a連接於電晶體Tn5a之閘極與汲極之間，在像素信號VSL之檢測前將電晶體Tn5a之閘極與汲極之間之電位設為相等而進行自動歸零動作。
AZ開關SW5a連接於電晶體Tp5a之閘極與汲極之間，在像素信號VSL之檢測前將電晶體Tp5a之閘極與汲極之間之電位設為相等而進行自動歸零動作。
比較器121b包含n型電晶體Tn5b、p型電晶體Tp5b、定電流源CS2b、以及AZ開關SW4b、SW5b。
電晶體Tn5b之閘極連接於輸入電容元件Cvslb之另一端。電晶體Tn5b之汲極連接於電源Vdd，其源極連接於電晶體Tp5b之源極。電晶體Tn5b產生與像素信號VSL相應之電壓位準之信號，並傳遞至電晶體Tp5b之源極。
作為第2電晶體之電晶體Tp5b之閘極連接於輸入電容元件Crmpb之另一端。電晶體Tp5b之源極連接於電晶體Tn5b之源極，其汲極連接於定電流源CS2b及輸出部Toutb。電晶體Tp5b成為基於源極電壓與閘極電壓之電壓差Vgs之導通狀態。
例如，於參考信號RAMP低於像素信號VSL時，電晶體Tp5b自非導通狀態成為導通狀態。定電流源CS2b朝電晶體Tn5b、Tp5b流動定電流。因此，於電晶體Tp5b為非導通狀態時，輸出信號OUTb成為低位準，在電晶體Tp5b為導通狀態時，輸出信號OUTb成為高位準。亦即，於參考信號RAMP低於像素信號VSL時，輸出信號OUTb自低位準朝高位準反轉。如此般，電晶體Tp5b可產生將像素信號VSL與參考信號RAMP之差電壓予以放大之輸出信號OUTb。
AZ開關SW4b連接於電晶體Tn5b之閘極與汲極之間，在像素信號VSL之檢測前將電晶體Tn5b之閘極與汲極之間之電位設為相等而進行自動歸零動作。
AZ開關SW5b連接於電晶體Tp5b之閘極與汲極之間，在像素信號VSL之檢測前將電晶體Tp5b之閘極與汲極之間之電位設為相等而進行自動歸零動作。
圖10係顯示第3實施形態之固態攝像元件100之動作之一例之時序圖。於第3實施形態中，參考信號RAMP亦自較像素信號VSL高之位準線性減少。亦即，參考信號RAMP可為使第1實施形態之參考信號RAMP之極性反轉者。因此，輸出信號OUTa、OUTb在參考信號RAMP低於像素信號VSL時反轉。第3實施形態之其他動作與第1實施形態之對應之動作同樣，因此省略其詳細之說明。再者，AZ開關SW4a、SW4b、SW5a、SW5b之動作可與第1實施形態之AZ開關SW1a、SW1b相同。 第3實施形態與第1實施形態同樣地具有電容部120a、102b，可獲得與第1實施形態同樣之效果。
(第4實施形態) 圖11係顯示第4實施形態之固態攝像元件100之構成例之圖。於第4實施形態中，在省略輸入電容元件Cvsla、Cvslb、定電流源CS1a、電晶體Tn5a、Tn5b、AZ開關SW4a、SW4b，追加輸入電容元件Cgnda、Cgndb之點上與第3實施形態不同。電晶體Tp5a之閘極連接於輸入電容元件Crmpa之一端，經由輸入電容元件Crmpa接收參考信號RAMP。又，電晶體Tp5a之閘極連接於輸入電容元件Cgnda之一端，經由輸入電容元件Cgnda連接於接地GND。電晶體Tp5a之源極連接於垂直信號線110，接收像素信號VSL。電晶體Tp5b之閘極連接於輸入電容元件Crmpb之一端，經由輸入電容元件Crmpb接收參考信號RAMP。又，電晶體Tp5b之閘極連接於輸入電容元件Cgndb之一端，經由輸入電容元件Cgndb連接於接地GND。電晶體Tp5b之源極連接於垂直信號線110，接收像素信號VSL。電晶體Tp5a、Tp5b利用閘極經由輸入電容元件Crmpa、Crmpb接收同一參考信號RAMP。又，電晶體Tp5a、Tp5b自垂直信號線110接收同一像素信號VSL。
輸入電容元件Crmpa、Crmpb之一端共通地連接於參考信號線114。另一端分別連接於電晶體Tp5a、Tp5b之閘極。電晶體Tp5a、Tp5b之各源極共通地連接於垂直信號線110。輸入電容元件Cgnda、Cgndb之一端連接於電晶體Tp5a、Tp5b之閘極，另一端連接於接地GND。
輸入電容元件Cgnda、Cgndb可與輸入電容元件Crmpa、Crmp同樣地為可變電容元件。於第4實施形態中，藉由使輸入電容元件Cgnda、Cgndb之電容互不相同而分別設定輸入電容元件增益Ga、Gb。例如，輸入電容增益Ga係由輸入電容元件Cgnda相對於輸入電容元件Crmpa之電容比(例如，Cgnda/Cgnda+Crmpa)來決定。輸入電容增益Gb係由輸入電容元件Cgndb相對於輸入電容元件Crmpb之電容比(例如，Cgndb/Cgndb+Crmpb)來決定。
朝垂直信號線110流動電流之電流源、與朝比較器Tp5a、Tp5b流動電流之定電流，係共通化為定電流源CS2a、CS2b。因此，定電流源CS2a、CS2b朝垂直信號線110流動定電流，且朝比較器Tp5a、Tp5b分別流動定電流。藉此，第4實施形態之固態攝像元件100之電力消耗，小於第3實施形態之電力消耗。
進而，像素信號VSL不經由圖9之電晶體Tn5a而直接輸入電晶體Tp5a。像素信號VSL不經由圖9之電晶體Tn5b而直接輸入電晶體Tp5b。如此，因省略定電流源CS1a、電晶體Tn5a、Tn5b、AZ開關SW4a、SW4b，第4實施形態與第3實施形態相比ADC群105a、105b之配置面積變小。
第4實施形態之其他構成可與第3實施形態之對應之構成同樣。又，第4實施形態之動作可與第3實施形態之動作同樣。因此，第4實施形態亦可獲得與第3實施形態同樣之效果。
(變化例1) 圖12係顯示第1實施形態之變化例1之固態攝像元件100之構成例之圖。於第1實施形態中，2個ADC群105a、105b相對於各像素行並聯地連接。相對於此，於變化例1中，3個以上之ADC群105a、105b、105c・・・相對於各像素行並聯地連接。ADC群105a、105b、105c・・・具有各自不同之輸入電容增益之電容部120a、120b、120c・・・。如此，固態攝像元件100可將3個以上之ADC群105a、105b、105c・・・與各像素行對應地設置。藉此，可進一步擴大可檢測之照射光之動態範圍。
(變化例2) 圖13係顯示變化例2之固態攝像元件100之曝光時間與輸入電容增益之關係之表。於上述實施形態中，像素部101之曝光時間可相等，亦可根據照射光之照度將曝光時間予以變更。曝光時間可藉由時序控制電路102來變更。例如，固態攝像元件100可將像素部101之曝光時間選擇為比較長之第1曝光時間與比較短之第2曝光時間。該情形下，ADC群105a、105b可藉由輸入電容增益Ga、Gb各者而檢測第1及第2曝光時間各者之像素信號VSL。因此，獲得共計4種類之第1～第4圖像資料。亦即，第1圖像資料係藉由比較低之輸入電容增益Ga對以比較長之第1曝光時間獲得之像素信號VSL進行檢測而得之圖像資料。第2圖像資料係藉由比較低之輸入電容增益Ga對以比較短之第2曝光時間獲得之像素信號VSL進行檢測而得之圖像資料。第3圖像資料係藉由比較高之輸入電容增益Gb對以比較長之第1曝光時間獲得之像素信號VSL進行檢測而得之圖像資料。以及，第4圖像資料係藉由比較高之輸入電容增益Gb對以比較短之第2曝光時間獲得之像素信號VSL進行檢測而得之圖像資料。
信號處理電路108自該等4個圖像資料選擇適切之圖像資料，或者，將該等4個圖像資料中之複數個圖像資料予以合成而產生1個圖像資料。例如，於照射光之照度低(暗)之情形下，信號處理電路108只要選擇曝光時間長且增益高之第3圖像資料即可。例如，於照射光之照度高(亮)之情形下，信號處理電路108只要選擇曝光時間短且增益低之第2圖像資料即可。
如此般，於變化例2中，藉由曝光時間與輸入電容增益之組合，於固態攝像元件100中可檢測之像素信號之動態範圍變寬。
(變化例3) 圖14係顯示變化例3之固態攝像元件100之動作例之時序圖。圖15係顯示變化例3之參考信號與輸入電容增益之組合之表。
於上述實施形態中，參考信號RAMP之電壓位準以大致相等之斜率線性增加或減少，但參考信號RAMP之斜率可切換。例如，圖14顯示圖10之t9～t10之參考信號RAMP。參考信號RAMPa以比較小之斜率線性減少，參考信號RAMPb以比較大之斜率線性減少。
參考信號RAMPa、RAMPb於DAC104中切換。像素信號VSL之電壓位準高於臨限值之低照度之照射光藉由參考信號RAMPa高感度地檢測。另一方面，像素信號VSL之電壓位準低於臨限值之高照度之照射光可藉由參考信號RAMPb在比較短時間(低電力消耗)內進行檢測。
如圖15所示般，於變化例3中，於本實施形態之輸入電容增益Ga、Gb中，組合參考信號RAMPa、RAMPb。亦即，ADC群105a、105b使用參考信號RAMPa或RAMPb，藉由輸入電容增益Ga、Gb來檢測像素信號VSL。藉此，變化例3與第2變化例同樣地，獲得共計4種類之第1～第4圖像資料。亦即，第1圖像資料係使用參考信號RAMPa藉由比較低之輸入電容增益Ga對像素信號VSL進行檢測而得之圖像資料。第2圖像資料係使用參考信號RAMPb藉由比較低之輸入電容增益Ga對像素信號VSL進行檢測而得之圖像資料。第3圖像資料係使用參考信號RAMPa藉由比較高之輸入電容增益Gb對像素信號VSL進行檢測而得之圖像資料。以及，第4圖像資料係使用參考信號RAMPb藉由比較高之輸入電容增益Gb對像素信號VSL進行檢測而得之圖像資料。
信號處理電路108自該等4個圖像資料選擇適切之圖像資料，或者，將該等4個圖像資料中之複數個圖像資料予以合成而產生1個圖像資料。例如，於照射光之照度低(暗)之情形下，信號處理電路108只要選擇使用斜率小之參考信號RAMPa藉由高增益Gb檢測到之第3圖像資料即可。例如，於照射光之照度高(亮)之情形下，信號處理電路108只要選擇使用斜率大之參考信號RAMPb藉由低增益ga檢測到之第2圖像資料即可。
如此般，於變化例3中，藉由參考信號與輸入電容增益之組合，於固態攝像元件100中可檢測之像素信號之動態範圍變寬。
變化例1～3亦可適用於第1～第5實施形態之任一者。又，亦可將變化例1～3相互組合。例如，藉由組合變化例2、3，而可藉由曝光時間、參考信號及輸入電容增益之組合，於固態攝像元件100中進一步擴大可檢測之像素信號之動態範圍。
(第5實施形態) 圖16係顯示第5實施形態之固態攝像元件100之構成例之方塊圖。圖17係顯示第5實施形態之ADC群105a、105b之構成例之方塊圖。第5實施形態之固態攝像元件100根據照射光之照度進行ADC群105a、105b之增益之切換或控制。因此，固態攝像元件100進而具備控制部130、及暫存器140。
信號處理電路108在進行拍攝之前，基於自放大器電路107供給之像素信號檢測照射至像素部101之入射光之照度。信號處理電路108使用像素部101之全部或一部分像素信號，取得照度。照度無需如圖像資料程度之解析度，而無需進行CDS，參考信號RAMP之傾斜可為急劇。因此，可在短時間內檢測照度。信號處理電路108可基於來自特定之像素之像素信號之統計值(例如，平均、中央值、最頻值)計算照度資料。統計值可藉由任意之線性或非線性運算而內插。再者，照度檢測及運算可在固態攝像元件100之外部進行。
控制部130自信號處理電路108獲得照度資料，基於來自暫存器140之設定資料對DAC104及/或電容部120a、120b之設定進行變更。例如，於照度低於臨限值之情形下，控制部130增大電容部120a、120b之輸入電容元件Cvsla、Cvslb之電容，而使輸入電容增益上升。於照度為臨限值以上之情形下，控制部130減小電容部120a、120b之輸入電容元件Cvsla、Cvslb之電容，而使輸入電容增益降低。再者，控制部130及暫存器140可設置於固態攝像元件100之內部或外部之任一者。
圖18係顯示輸入電容元件Cvsla、Cvslb之構成之一例之圖。輸入電容元件Cvsla、Cvslb係包含經由開關SWc1、SWc2並聯地連接之複數個電容元件Ce之可變電容元件。來自控制部130之SW控制信號將開關SWc1、SWc2控制為導通或關斷，且控制並聯連接之電容元件Ce之個數。藉此，可變更輸入電容元件Cvsla、Cvslb之電容。再者，開關SWc1、SWc2及電容元件Ce之個數並無特別限定。又，圖18之構成可適用於輸入電容元件Crmpa、Crmpb。
再次參照圖17。暫存器140預先儲存照度之臨限值，將該臨限值作為設定資料朝控制部130發送。暫存器140可儲存複數個臨限值。藉此，控制部130控制圖18之複數個開關SWc1、SWc2，而可階段性地控制輸入電容元件Cvsla、Cvslb之電容。例如，於照度低於第1臨限值之情形下，控制部130將開關SWc1導通，於照度進一步低於第2臨限值(＜第1臨限值)之情形下，控制部130可進一步將開關SWc2導通。
在控制部130對電容部120a、120b之輸入電容增益進行設定之後，像素部101藉由所設定之輸入電容增益執行拍攝，信號處理電路108將像素信號進行轉換並輸出圖像資料。
圖19係顯示第5實施形態之固態攝像元件100之動作之流程圖。固態攝像元件100針對每一圖框，計測照射光對像素部101之照度，之後，執行拍攝。
於某一圖框之拍攝中，首先，垂直掃描電路103設定像素部101之讀出列(S100)。接著，基於檢測像素部101之像素列而得之照射光輸出像素信號(S110)。接著，ADC群105a、105b將像素信號進行AD轉換(S120)。接著，鎖存電路123將經AD轉換之照度資料朝信號處理電路108輸出(S130)。執行步驟S100～S130直至像素部101之最終列為止(S140之否)。
於信號處理電路108取得直至像素部101之最終列為止之照度資料時(S140之是)，信號處理電路108產生該圖框整體之照度資料(S150)，並將照度資料朝控制部130輸出(S160)。接著，控制部130基於來自暫存器140之設定資料而判斷照度，並將與照度相應之SW控制信號或DAC控制信號就每一像素列進行設定並輸出。電容部120a、120b之輸入電容增益係由SW控制信號控制。或者，來自DAC104之參考信號RAMP之斜率係由DAC控制信號控制。
接著，固態攝像元件100開始該圖框之攝像。
步驟S180～S220與步驟S100～S140同樣。
接著，信號處理電路108產生該圖框整體之圖像資料(S230)，並將該圖像資料朝固態攝像元件100之外部輸出(S240)。藉此，可藉由與照射光之照度相應之適切之輸入電容增益或參考信號RAMP產生圖像資料。
如此般，藉由針對每一圖框重複照度測定及拍攝，而固態攝像元件100可針對每一圖框藉由最佳之增益而拍攝。再者，照度測定未必一定以各圖框來執行，例如可針對每數圖框而執行。
於使用像素部101執行照度之計測及攝像之兩者之情形下，控制部130可將電容部120a、120b之輸入電容增益切換為計測照度之計測模式、及拍攝圖像之攝像模式。例如，於計測模式下，只要以低感度且在短時間內對像素信號進行檢測即可，因此控制部130可降低輸入電容增益。或者，在計測模式下，信號處理電路108可選擇使用低增益獲得之輸出信號OUTa。
控制部130可與關SWc1、SWc2一起，或者代替開關對DAC104進行控制。例如，控制部130藉由DAC控制信號對參考信號RAMP之斜率進行變更。藉此，參考信號RAMP之斜率可相應於照射光之照度而變更，而可進行如上述變化例3之動作。
又，於第1～第4實施形態中，信號處理電路108進行輸出信號OUTa、OUTb之選擇。該情形下，信號處理電路108可根據所檢測到之照度進行輸出信號OUTa、OUTb之選擇。
本揭示之技術(本技術)可應用於各種產品。例如，本發明之技術可實現為搭載於汽車、電動汽車、油電混合汽車、機車、自行車、個人移動性裝置、飛機、無人機、船舶、機器人等任一種類之移動體之裝置。
圖20係顯示作為可適用本揭示之技術之移動體控制系統之一例之車輛控制系統之概略構成例之方塊圖。
車輛控制系統12000具備經由通訊網路12001而連接之複數個電子控制單元。於圖20所示之例中，車輛控制系統12000具備：驅動系統控制單元12010、車體系統控制單元12020、車外資訊檢測單元12030、車內資訊檢測單元12040、及綜合控制單元12050。又，作為綜合控制單元12050之功能構成，圖示有微電腦12051、聲音圖像輸出部12052、及車載網路I/F(interface，介面)12053。
驅動系控制單元12010依照各種程式控制與車輛之驅動系統相關聯之裝置之動作。例如，驅動系統控制單元12010作為內燃機或驅動用馬達等用於產生車輛之驅動力之驅動力產生裝置、用於將驅動力傳遞至車輪之驅動力傳遞機構、調節車輛之舵角之轉向機構、及產生車輛之制動力之制動裝置等的控制裝置而發揮功能。
車體系統控制單元12020依照各種程式控制裝備於車體之各種裝置之動作。例如，車體系統控制單元12020作為無鑰匙進入系統、智慧型鑰匙系統、電動車窗裝置、或前照燈、尾燈、煞車燈、方向燈或霧燈等各種燈之控制裝置發揮功能。該情形下，可對車體系統控制單元12020輸入自代替鑰匙之可攜式機發出之電波或各種開關之信號。車體系統控制單元12020受理該等電波或信號之輸入，而控制車輛之門鎖裝置、電動車窗裝置、燈等。
車外資訊檢測單元12030檢測搭載車輛控制系統12000之車輛外部之資訊。例如，於車外資訊檢測單元12030連接有攝像部12031。車外資訊檢測單元12030使攝像部12031拍攝車外之圖像，且接收所拍攝之圖像。車外資訊檢測單元12030可基於接收到之圖像，進行人、車、障礙物、標識或路面上之文字等之物體檢測處理或距離檢測處理。本揭示之固態攝像元件100可設置於攝像部12031。
攝像部12031係接收光且輸出與該光之受光量相應之電信號之光感測器。攝像部12031可將電信號作為圖像輸出，亦可作為測距之資訊而輸出。又，攝像部12031所接收之光可為可見光，亦可為紅外線等非可見光。本揭示之固態攝像元件100可為攝像部12031，或者可與攝像部12031別體地設置。
車內資訊檢測單元12040檢測車內之資訊。於車內資訊檢測單元12040例如連接有檢測駕駛者之狀態之駕駛者狀態檢測部12041。駕駛者狀態檢測部12041包含例如拍攝駕駛者之相機，車內資訊檢測單元12040基於自駕駛者狀態檢測部12041輸入之檢測資訊，可算出駕駛者之疲勞度或注意力集中度，亦可判別駕駛者是否打瞌睡。
微電腦12051可基於由車外資訊檢測單元12030或車內資訊檢測單元12040取得之車內外之資訊，運算驅動力產生裝置、轉向機構或制動裝置之控制目標值，且對驅動系統控制單元12010輸出控制指令。例如，微電腦12051可進行以實現包含車輛之碰撞避免或衝擊緩和、基於車距之追隨行駛、車速維持行駛、車輛之碰撞警告、或車輛之車道偏離警告等的ADAS(Advanced Driver Assistance Systems，先進駕駛輔助系統)之功能為目的之協調控制。
又，微電腦12051藉由基於由車外資訊檢測單元12030或車內資訊檢測單元12040取得之車輛之周圍之資訊而控制驅動力產生裝置、轉向機構或制動裝置等，而可進行以不受限於駕駛者之操作而自律行駛之自動駕駛等為目的之協調控制。
又，微電腦12051可基於由車外資訊檢測單元12030取得之車外之資訊，對車體系統控制單元12020輸出控制指令。例如，微電腦12051可進行根據由車外資訊檢測單元12030檢測出之前方車或對向車之位置而控制前照燈，將遠光切換為近光等之謀求防眩為目的之協調控制。
聲音圖像輸出部12052朝可針對車輛之乘客或車外以視覺性或聽覺性通知資訊之輸出裝置，發送聲音及圖像中至少一者之輸出信號。作為輸出裝置，而例示有音訊揚聲器12061、顯示部12062及儀表板12063。顯示部12062例如可包含車載顯示器及抬頭顯示器之至少一者。
圖21係顯示攝像部12031之設置位置之例子之圖。
於圖21中，車輛12100具有攝像部12101、12102、12103、12104、12105作為攝像部12031。
攝像部12101、12102、12103、12104、12105例如設置於車輛12100之前保險桿、後照鏡、後保險桿、後門及車廂內之擋風玻璃之上部等位置。前保險桿所具備之攝像部12101及車廂內之擋風玻璃之上部所具備之攝像部12105主要取得車輛12100之前方之圖像。後照鏡所具備之攝像部12102、12103主要取得車輛12100之側方之圖像。後保險桿或後門所具備之攝像部12104主要取得車輛12100之後方之圖像。由攝像部12101及12105取得之前方之圖像主要用於前方車輛行人、障礙物、號誌機、交通標誌或車道線等之檢測。
再者，於圖21中，顯示攝像部12101至12104之拍攝範圍之一例。攝像範圍12111表示設置於前保險桿之攝像部12101之攝像範圍，攝像範圍12112、12113表示分別設置於後照鏡之攝像部12102、12103之攝像範圍，攝像範圍12114表示設置於後保險桿或後門之攝像部12104之攝像範圍。例如，藉由重疊由攝像部12101至12104拍攝到之圖像資料，可獲得自上方觀察車輛12100之俯瞰圖像。
攝像部12101至12104之至少1者可具有取得距離資訊之功能。例如，攝像部12101至12104之至少1者可為包含複數個攝像元件之立體攝影機，亦可為具有相位差檢測用之像素之攝像元件。
例如，微電腦12051藉由基於根據攝像部12101至12104取得之距離資訊，求得與攝像範圍12111至12114內之各立體物相隔之距離、及該距離之時間性變化(對於車輛12100之相對速度)，而可尤其將位於車輛12100之前進路上最近之立體物、且為在與車輛12100大致相同之方向以特定之速度(例如，0 km/h以上)行駛之立體物擷取作為前方車。進而，微電腦12051可設定針對前方車之於近前應預先確保之車距，進行自動煞車控制(亦包含停止追隨控制)、自動加速控制(亦包含追隨起步控制)等。如此般可進行以不受限於駕駛者之操作而自律行駛之自動駕駛等為目的之協調控制。
例如，微電腦12051可基於自攝像部12101至12104取得之距離資訊，將與立體物相關之立體物資料分類為機車、普通車輛、大型車輛、行人、電線桿等其他立體物而加以擷取，用於自動迴避障礙物。例如，微電腦12051可將車輛12100之周邊之障礙物識別為車輛12100之駕駛員可視認之障礙物及難以視認之障礙物。且，微電腦12051判斷表示與各障礙物碰撞之危險度之碰撞風險，當遇到碰撞風險為設定值以上而有可能發生碰撞之狀況時，藉由經由音訊揚聲器12061或顯示部12062對駕駛員輸出警報，或經由驅動系統控制單元12010進行強制減速或迴避操舵，而可進行用於避免碰撞之駕駛支援。
攝像部12101至12104之至少1者可為檢測紅外線之紅外線相機。例如，微電腦12051可藉由判定在攝像部12101至12104之攝像圖像中是否存在有行人而辨識行人。如此之行人之辨識藉由例如擷取作為紅外線相機之攝像部12101至12104之攝像圖像之特徵點之程序、及針對表示物體之輪廓之一系列特徵點進行圖案匹配處理而判別是否為行人之程序而進行。當微電腦12051判定在攝像部12101至12104之攝像圖像中存在有行人，且辨識行人時，聲音圖像輸出部12052以對該被辨識出之行人重疊顯示用於強調之方形輪廓線之方式控制顯示部12062。又，聲音圖像輸出部12052亦可以將表示行人之圖標等顯示於所期望之位置之方式控制顯示部12062。
以上，本揭示之技術例如可適用於車外資訊檢測單元12030。具體而言，可於車外資訊檢測單元12030安裝上述之攝像部12031。藉由對攝像部12031適用本揭示之技術，可於寬廣之亮度動態範圍之環境內，獲得準確之距離資訊，而可提高車輛12100之功能性及安全性。
再者，本技術可採用以下之構成。 (1) 一種固態攝像元件，其具備：像素部，其包含複數個像素； 像素信號線，其傳遞前述像素之像素信號； 參考信號線，其傳遞與前述像素信號進行比較之參考信號； 第1比較器，其基於前述像素信號與前述參考信號之電壓差輸出與該像素信號相應之第1輸出信號； 第2比較器，其基於前述像素信號與前述參考信號之電壓差輸出與該像素信號相應之第2輸出信號； 第1電容部，其設置於前述像素信號線或前述參考信號線與前述第1比較器之間，並設定為第1增益；及 第2電容部，其設置於前述像素信號線或前述參考信號線與前述第2比較器之間，並設定為第2增益。 (2) 如(1)之固態攝像元件，其中前述第1電容部包含： 第1輸入電容元件，其設置於前述參考信號線與前述第1比較器之間；及 第2輸入電容元件，其設置於前述像素信號線與前述第1比較器之間；且 前述第2電容部包含： 第3輸入電容元件，其設置於前述參考信號線與前述第2比較器之間；及 第4輸入電容元件，其設置於前述像素信號線與前述第2比較器之間。 (3) 如(2)之固態攝像元件，其中前述第1輸入電容元件與前述第2輸入電容元件之電容比，跟前述第3輸入電容元件與前述第4輸入電容元件之電容比不同。 (4) 如(2)或(3)之固態攝像元件，其中前述第1及第3輸入電容元件之電容大致相等，前述第2及第4輸入電容元件之電容互不相同。 (5) 如(3)或(4)之固態攝像元件，其中前述第1電容部之增益係由前述第1輸入電容元件與前述第2輸入電容元件之電容比決定， 前述第2電容部之增益係由前述第3輸入電容元件與前述第4輸入電容元件之電容比決定。 (6) 如(2)至(5)中任一項之固態攝像元件，其中前述第1及第3輸入電容元件各者之一端共通地連接於前述參考信號線， 前述第2及第4輸入電容元件各者之一端共通地連接於前述像素信號線， 前述第1比較器包含第1電晶體，其閘極共通地連接於前述第1及第2輸入電容元件之另一端， 前述第2比較器包含第2電晶體，其閘極共通地連接於前述第3及第4輸入電容元件之另一端。 (7) 如(6)之固態攝像元件，其中前述第1比較器進而包含連接於前述第1電晶體之一端之第1定電流源，自前述第1電晶體與前述第1定電流源之間輸出前述第1輸出信號， 前述第2比較器進而包含連接於前述第2電晶體之一端之第2定電流源，自前述第2電晶體與前述第2定電流源之間輸出前述第2輸出信號。 (8) 如(6)之固態攝像元件，其中前述第1比較器進而包含：第1定電流源，其連接於前述第1電晶體之一端；第3電晶體，其一端連接於該第1定電流源；及第1鏡電路，其連接於前述第1及第3電晶體之另一端；且自前述第3電晶體與前述第1鏡電路之間輸出前述第1輸出信號； 前述第2比較器進而包含：第2定電流源，其連接於前述第2電晶體之一端；第4電晶體，其一端連接於該第2定電流源；及第2鏡電路，其連接於前述第1及第4電晶體之另一端；且自前述第4電晶體與前述第2鏡電路之間輸出前述第2輸出信號。 (9) 如(2)之固態攝像元件，其中前述第1比較器包含第1電晶體，該第1電晶體之閘極連接於前述第1輸入電容元件，一端連接於前述第2輸入電容元件， 前述第2比較器包含第2電晶體，該第2電晶體之閘極連接於前述第3輸入電容元件，一端連接於前述第4輸入電容元件。 (10) 如(9)之固態攝像元件，其中前述第1及第3輸入電容元件共通地連接於前述參考信號線， 前述第1及第2電晶體之各一端分別經由前述第2及第4輸入電容元件接收像素信號。 (11) 如(2)至(10)中任一項之固態攝像元件，其進而具備參考信號產生部，該參考信號產生部對前述第1及第3輸入電容元件供給同一前述參考信號。 (12) 如(1)至(10)中任一項之固態攝像元件，其進而具備信號處理電路，該信號處理電路相應於照射光朝前述像素部之照度而選擇前述第1或第2輸出信號之任一者並作為圖像資料而輸出。 (13) 如(1)至(12)中任一項之固態攝像元件，其進而具備控制部，該控制部相應於照射光朝前述像素部之照度而變更前述像素部之曝光時間。 (14) 如(1)至(13)中任一項之固態攝像元件，其進而具備控制部，該控制部相應於照射光朝前述像素部之照度而控制前述參考信號之斜率。 (15) 如(1)至(14)中任一項之固態攝像元件，其進而具備控制部，該控制部相應於照射光朝前述像素部之照度而控制前述第1或第2增益。 (16) 如(1)至(10)中任一項之固態攝像元件，其進而具備：信號處理電路(108)，其取得照射光朝前述像素部之照度；及 控制部(130)，其相應於該照度而設定前述第1或前述第2增益；且 前述像素部藉由所設定之前述第1或第2增益執行拍攝並產生前述像素信號， 前述信號處理電路將前述像素信號進行轉換並產生圖像資料。 (17) 如技術方案2至5中任一項之固態攝像元件，其中前述第1及第3輸入電容元件各者之一端共通地連接於前述參考信號線， 前述第2及第4輸入電容元件各者之一端共通地連接於前述像素信號線， 前述第1比較器包含：第1電晶體，其閘極連接於前述第1輸入電容元件之另一端；及第3電晶體，其閘極連接於前述第2輸入電容元件之另一端； 前述第2比較器包含：第2電晶體，其閘極連接於前述第3輸入電容元件之另一端；及第4電晶體，其閘極連接於前述第4輸入電容元件之另一端。
本揭示並不限定於上述實施形態，在不脫離本揭示之要旨之範圍內可進行各種變更。又，本說明書所記載之效果終極而言僅為例示而並非被限定者，亦可具有其他之效果。
100:固態攝像元件 101:像素部 102:時序控制電路 103:垂直掃描電路 104:DAC 105, 105a, 105b, 105c, 105d:ADC群 106:水平傳送掃描電路 107:放大器電路 108:信號處理電路 109:像素驅動線 110:垂直信號線 111:水平傳送線 114:參考信號線 120a, 120b:電容部 121, 121a, 121b:比較器 122:計數器 123:鎖存電路 130:控制部 140:暫存器 150:像素 151:光電二極體 152:傳送電晶體 153:FD 154:放大電晶體 155:選擇電晶體 156:重置電晶體 157:定電流源 511, 512:半導體晶片 513, 514:導通區域 516:邏輯電路 517:周邊電路 12000:車輛控制系統 12001:通訊網路 12010:驅動系統控制單元 12020:車體系統控制單元 12030:車外資訊檢測單元 12031:攝像部 12040:車內資訊檢測單元 12041:駕駛者狀態檢測部 12050:綜合控制單元 12051:微電腦 12052:聲音圖像輸出部 12053:車載網路I/F 12061:音訊揚聲器 12062:顯示部 12063:儀表板 12100:車輛 12101～12105:攝像部 12111～12114:攝像範圍 C1a, C1b:電容元件 Ce, Crmpa, Crmpb, Cgnda,  Cgndb, Cvsla, Cvslb:輸入電容元件 CMa, CMb:電流鏡電路 CS1a, CS2a, CS1b, CS2b:電流源 GND:接地/接地電壓 L1:線 OUTa, OUTb:輸出信號 RAMP, Rampa, Rampb:參考信號 RST, SEL, TX:驅動信號 S100～S190, S200～S240:步驟 SW1a～SW5a, SW1b～SW5b:AZ開關 SWc1, SWc2:開關 t, t5, t9, t9-1～t9-3, t10～t20:時刻 t5-1:時點 Tn1a～Tn5a, Tn1b～Tn5b, Tp1a～Tp5a, Tp1b～Tp5b:電晶體 Touta, Toutb:輸出端子/輸出部 Vdd:電源 VSL:像素信號
圖1係顯示第1實施形態之固態攝像元件之構成例之方塊圖。 圖2係將顯示像素部之半導體晶片與處理電路之半導體晶片積層而成之固態攝像元件之例之概念圖。 圖3係顯示設置於像素部之像素之構成例之電路圖。 圖4係顯示像素部及ADC群之構成之一例之方塊圖。 圖5係顯示電容部及比較器之內部構成之一例之圖。 圖6係顯示第1實施形態之固態攝像元件之動作之一例之時序圖。 圖7係顯示像素部及ADC群之構成之一例之方塊圖。 圖8A係顯示第2實施形態之固態攝像元件之構成例之圖。 圖8B係顯示第2實施形態之變化例之固態攝像元件之構成例之圖。 圖8C係顯示第2實施形態之又一變化例之固態攝像元件之構成例之圖。 圖9係顯示第3實施形態之固態攝像元件之構成例之圖。 圖10係顯示第3實施形態之固態攝像元件之動作之一例之時序圖。 圖11係顯示第4實施形態之固態攝像元件之構成例之圖。 圖12係顯示第1實施形態之變化例1之固態攝像元件之構成例之圖。 圖13係顯示變化例2之固態攝像元件之曝光時間與輸入電容增益之關係之表。 圖14係顯示變化例3之固態攝像元件之動作例之時序圖。 圖15係顯示變化例3之參考信號與輸入電容增益之組合之表。 圖16係顯示第5實施形態之固態攝像元件之構成例之方塊圖。 圖17係顯示第5實施形態之ADC群之構成例之方塊圖。 圖18係顯示輸入電容元件之構成之一例之圖。 圖19係顯示第5實施形態之固態攝像元件之動作之流程圖。 圖20係顯示作為可適用本揭示之技術之移動體控制系統之一例之車輛控制系統之概略構成例之方塊圖。 圖21係顯示攝像部之設置位置之例之圖。
105a,105b:ADC群
110:垂直信號線
114:參考信號線
120a,120b:電容部
121a,121b:比較器
150:像素
Crmpa,Crmpb,Cvs1a,Cvs1b:輸入電容元件
CS1a,CS1b:電流源
GND:接地/接地電壓
OUTa,OUTb:輸出信號
RAMP:參考信號
SW1a,SW1b:AZ開關
Tn1a,Tn1b,Tn2a,Tn2b,Tp1a,Tp1b:電晶體
Touta,Toutb:輸出端子/輸出部
Vdd:電源
VSL:像素信號

Claims (17)

  1. 一種固態攝像元件，其包含： 像素部，其包含複數個像素； 像素信號線，其傳遞前述像素之像素信號； 參考信號線，其傳遞與前述像素信號進行比較之參考信號； 第1比較器，其基於前述像素信號與前述參考信號之電壓差，輸出與該像素信號相應之第1輸出信號； 第2比較器，其基於前述像素信號與前述參考信號之電壓差，輸出與該像素信號相應之第2輸出信號； 第1電容部，其設置於前述像素信號線或前述參考信號線與前述第1比較器之間，並設定為第1增益；及 第2電容部，其設置於前述像素信號線或前述參考信號線與前述第2比較器之間，並設定為第2增益。
  2. 如請求項1之固態攝像元件，其中前述第1電容部包含： 第1輸入電容元件，其設置於前述參考信號線與前述第1比較器之間；及 第2輸入電容元件，其設置於前述像素信號線與前述第1比較器之間；且 前述第2電容部包含： 第3輸入電容元件，其設置於前述參考信號線與前述第2比較器之間；及 第4輸入電容元件，其設置於前述像素信號線與前述第2比較器之間。
  3. 如請求項2之固態攝像元件，其中前述第1輸入電容元件與前述第2輸入電容元件之電容比，跟前述第3輸入電容元件與前述第4輸入電容元件之電容比不同。
  4. 如請求項2之固態攝像元件，其中前述第1及第3輸入電容元件之電容大致相等，前述第2及第4輸入電容元件之電容互不相同。
  5. 如請求項3之固態攝像元件，其中前述第1電容部之增益，係由前述第1輸入電容元件與前述第2輸入電容元件之電容比決定， 前述第2電容部之增益，係由前述第3輸入電容元件與前述第4輸入電容元件之電容比決定。
  6. 如請求項2之固態攝像元件，其中前述第1及第3輸入電容元件各者之一端，共通地連接於前述參考信號線， 前述第2及第4輸入電容元件各者之一端，共通地連接於前述像素信號線， 前述第1比較器包含第1電晶體，其閘極共通地連接於前述第1及第2輸入電容元件之另一端， 前述第2比較器包含第2電晶體，其閘極共通地連接於前述第3及第4輸入電容元件之另一端。
  7. 如請求項6之固態攝像元件，其中前述第1比較器係進而包含連接於前述第1電晶體之一端之第1定電流源，自前述第1電晶體與前述第1定電流源之間，輸出前述第1輸出信號， 前述第2比較器係進而包含連接於前述第2電晶體之一端之第2定電流源，自前述第2電晶體與前述第2定電流源之間，輸出前述第2輸出信號。
  8. 如請求項6之固態攝像元件，其中前述第1比較器係進而包含：第1定電流源，其連接於前述第1電晶體之一端；第3電晶體，其一端連接於該第1定電流源；及第1鏡電路，其連接於前述第1及第3電晶體之另一端；且自前述第3電晶體與前述第1鏡電路之間，輸出前述第1輸出信號； 前述第2比較器係進而包含：第2定電流源，其連接於前述第2電晶體之一端；第4電晶體，其一端連接於該第2定電流源；及第2鏡電路，其連接於前述第1及第4電晶體之另一端；且自前述第4電晶體與前述第2鏡電路之間，輸出前述第2輸出信號。
  9. 如請求項2之固態攝像元件，其中前述第1比較器進而包含第1電晶體，該第1電晶體之閘極連接於前述第1及第2輸入電容元件之一端，一端連接於前述像素信號線； 前述第2比較器進而包含第2電晶體，該第2電晶體之閘極連接於前述第3及第4輸入電容元件之一端，一端連接於前述像素信號線。
  10. 如請求項9之固態攝像元件，其中前述第1及第3輸入電容元件之另一端，共通地連接於前述參考信號線， 前述第2及第4輸入電容元件之另一端接地， 前述第1及第2電晶體之各一端，分別自前述像素信號線接收同一像素信號。
  11. 如請求項2之固態攝像元件，其進而包含參考信號產生部，該參考信號產生部對前述第1及第3輸入電容元件，供給同一前述參考信號。
  12. 如請求項1之固態攝像元件，其進而包含信號處理電路，該信號處理電路相應於照射光朝前述像素部之照度，來選擇前述第1或第2輸出信號之任一者並作為圖像資料輸出。
  13. 如請求項1之固態攝像元件，其進而包含控制部，該控制部相應於照射光朝前述像素部之照度，來變更前述像素部之曝光時間。
  14. 如請求項1之固態攝像元件，其進而包含控制部，該控制部相應於照射光朝前述像素部之照度，來控制前述參考信號之斜率。
  15. 如請求項1之固態攝像元件，其進而包含控制部，該控制部相應於照射光朝前述像素部之照度來控制前述第1或第2增益。
  16. 如請求項1之固態攝像元件，其進而包含：信號處理電路，其取得照射光朝前述像素部之照度；及 控制部，其相應於該照度來設定前述第1或前述第2增益；且 前述像素部藉由所設定之前述第1或第2增益執行拍攝，並產生前述像素信號， 前述信號處理電路將前述像素信號進行轉換，並產生圖像資料。
  17. 如請求項2之固態攝像元件，其中前述第1及第3輸入電容元件各者之一端，共通地連接於前述參考信號線， 前述第2及第4輸入電容元件各者之一端，共通地連接於前述像素信號線， 前述第1比較器係包含：第1電晶體，其閘極連接於前述第1輸入電容元件之另一端；及第3電晶體，其閘極連接於前述第2輸入電容元件之另一端； 前述第2比較器係包含：第2電晶體，其閘極連接於前述第3輸入電容元件之另一端；及第4電晶體，其閘極連接於前述第4輸入電容元件之另一端。
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