(57)【要約】【課題】カラムごとに信号処理を行う固体撮像素子において、画像データの画質を向上させる。【解決手段】複数のアナログ出力部のそれぞれが、一対のアナログ入力信号の差分を所定のゲインにより増減してアナログ出力信号として出力する。アナログデジタル変換部は、複数のアナログ出力部のそれぞれのアナログ出力信号をデジタル信号に変換する。補正処理部は、複数のアナログ出力部のそれぞれのゲインのばらつきによるデジタル信号のノイズを補正する。【選択図】図４
2020191543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のアナログ入力信号の差分を所定のゲインにより増減してアナログ出力信号として出力する複数のアナログ出力部と、
前記複数のアナログ出力部のぞれぞれの前記アナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部と、
前記複数のアナログ出力部のそれぞれの前記ゲインのばらつきによる前記デジタル信号のノイズを補正する補正処理部と
を具備する固体撮像素子。
【請求項２】
受光量に応じた信号電圧と所定のリセット電圧とを順にサンプルして保持し、前記信号電圧および前記リセット電圧を前記一対のアナログ入力信号として一対の出力信号線を介して出力する複数のサンプルホールド回路をさらに具備する
請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記複数のサンプルホールド回路のそれぞれの前記一対の出力信号線の間の経路を開閉するサンプルホールド横繋ぎ回路をさらに具備する
請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記補正処理部は、
前記経路が閉状態である場合には前記ゲインのばらつきによるノイズを補正するための補正値をゲイン補正値として算出するゲイン補正値算出回路と、
前記経路が開状態である場合には前記複数のサンプルホールド回路のそれぞれのオフセットのばらつきによるノイズを補正するための前記補正値をオフセット補正値として算出するオフセット補正値算出回路と、
前記算出されたゲイン補正値と前記算出されたオフセット補正値とを用いて前記ノイズを補正する補正演算回路と
を備える請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記アナログ出力信号は、前記信号電圧と前記リセット電圧との差分を前記ゲインにより増減した電流信号である
請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記複数のサンプルホールド回路のそれぞれは、
一対のリセット電圧サンプルホールド回路と、
一対の信号電圧サンプルホールド回路と
を備え、
前記一対のリセット電圧サンプルホールド回路の一方が前記リセット電圧をサンプルするときに他方が保持し、
前記一対の信号電圧サンプルホールド回路の一方が前記信号電圧をサンプルするときに他方が保持する
請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項７】
複数の行を配列した画素アレイ部をさらに具備し、
前記複数の行のそれぞれは所定方向に配列された複数の画素からなり、
前記複数のサンプルホールド回路の半分は、前記複数の行のうち偶数行に接続され、前記複数のサンプルホールド回路の残りは、前記複数の行のうち奇数行に接続され、
前記偶数行に接続されたサンプルホールド回路と、前記奇数行に接続されたサンプルホールド回路とは、前記所定方向に沿って交互に配列される
請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項８】
複数の行を配列した画素アレイ部をさらに具備し、
前記複数のサンプルホールド回路の半分は、上側カラム信号処理回路に配置され、残りは、下側カラム信号処理回路に配置され、
前記上側カラム信号処理回路は、前記複数の行内の奇数行および偶数行の一方に接続され、前記下側カラム信号処理回路は、前記奇数行および前記偶数行のうち他方に接続される
請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項９】
複数の画素を配列した画素アレイ部をさらに具備し、
前記画素アレイ部は、所定の受光チップに配置され、
前記複数のサンプルホールド回路と前記サンプルホールド横繋ぎ回路と前記複数のアナログ出力部と前記アナログデジタル変換部と前記補正処理部との少なくとも一部は、所定の回路チップに配置される
請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
互いに異なる前記サンプルホールド回路に接続された複数の垂直信号線が配線された画素アレイ部と、
前記複数の垂直信号線のうち隣接する奇数本目の信号線同士を接続するとともに前記複数の垂直信号線のうち隣接する偶数本目の信号線同士を接続する垂直信号線加算回路と
をさらに具備する
請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
画素の受光量に応じた信号電圧と所定のリセット電圧とを順にサンプルして保持し、前記信号電圧および前記リセット電圧を一対の出力信号線を介して出力する複数のサンプルホールド回路と、
前記複数のサンプルホールド回路のそれぞれの前記一対の出力信号線の一方を選択し、当該選択した信号線の電圧を前記一対のアナログ入力信号の一方として前記アナログデジタル変換部へ出力する選択回路と
をさらに具備し、
前記一対のアナログ入力信号の他方は、所定の参照電圧である
請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
一対のアナログ入力信号の差分を所定のゲインにより増減してアナログ出力信号として出力する複数のアナログ出力部と、
前記複数のアナログ出力部のぞれぞれの前記アナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部と、
前記複数のアナログ出力部のそれぞれの前記ゲインのばらつきによる前記デジタル信号のノイズを補正する補正処理部と、
前記デジタル信号のそれぞれを含む画像データに対して所定の画像処理を行うデジタル信号処理回路と
を具備する撮像装置。
【請求項１３】
複数のアナログ出力部のそれぞれが、一対のアナログ入力信号の差分を所定のゲインにより増減してアナログ出力信号として出力するアナログ出力手順と、
前記複数のアナログ出力部のぞれぞれの前記アナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換手順と、
前記複数のアナログ出力部のそれぞれの前記ゲインのばらつきによる前記デジタル信号のノイズを補正する補正処理手順と
を具備する固体撮像素子の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法に関する。詳しくは、カラムごとにアナログ信号をデジタル信号に変換する固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固定パターンノイズを低減する目的で、受光量に応じた信号電圧と、画素を初期化した際のリセット電圧との差分を求めるＣＤＳ（Correlated Double Sampling）処理が固体撮像素子において行われている。例えば、アナログの信号電圧とアナログのリセット電圧とをサンプルホールドし、それらの差分の電圧を電流に変換してアナログデジタル変換器（ＡＤＣ：Analog-to-Digital Converter）に入力する固体撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この固体撮像素子では、カラムごとにＡＤＣを行うために、サンプルホールド回路と、一定のゲインで電圧を電流に信号変換する抵抗素子と、ＡＤＣとがカラムごとに配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第９５２５８３７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の従来技術では、ＣＤＳ処理の実行により、固定パターンノイズの低減を図っている。しかしながら、カラムごとの抵抗素子にばらつきがあると、電圧を電流に変換する際のゲインについてカラムごとにばらつきが生じてしまう。そして、このゲインのばらつきによりＡＤ（Analog-to-Digital）変換後のデジタル信号にノイズが発生し、画像データの画質が低下するという問題がある。
【０００５】
本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、カラムごとに信号処理を行う固体撮像素子において、画像データの画質を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第１の側面は、一対のアナログ入力信号の差分を所定のゲインにより増減してアナログ出力信号として出力する複数のアナログ出力部と、上記複数のアナログ出力部のぞれぞれの上記アナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部と、上記複数のアナログ出力部のそれぞれの上記ゲインのばらつきによる上記デジタル信号のノイズを補正する補正処理部とを具備する固体撮像素子、および、その制御方法である。これにより、ノイズが低減したデジタル信号からなる画像データが撮像されるという作用をもたらす。
【０００７】
また、この第１の側面において、受光量に応じた信号電圧と所定のリセット電圧とを順にサンプルして保持し、上記信号電圧および上記リセット電圧を上記一対のアナログ入力信号として一対の出力信号線を介して出力する複数のサンプルホールド回路をさらに具備してもよい。これにより、信号電圧およびリセット電圧の差分がゲインにより増減されるという作用をもたらす。
【０００８】
また、この第１の側面において、上記複数のサンプルホールド回路のそれぞれの上記一対の出力信号線の間の経路を開閉するサンプルホールド横繋ぎ回路をさらに具備してもよい。これにより、サンプルホールド回路のオフセットのばらつきによるノイズが抑制されるという作用をもたらす。
【０００９】
また、この第１の側面において、上記補正処理部は、上記経路が閉状態である場合には上記ゲインのばらつきによるノイズを補正するための補正値をゲイン補正値として算出するゲイン補正値算出回路と、上記経路が開状態である場合には上記複数のサンプルホールド回路のそれぞれのオフセットのばらつきによるノイズを補正するための上記補正値をオフセット補正値として算出するオフセット補正値算出回路と、上記算出されたゲイン補正値と上記算出されたオフセット補正値とを用いて上記ノイズを補正する補正演算回路とを備えてもよい。これにより、オフセットのばらつきによるノイズとゲインのばらつきによるノイズとが低減した画像データが撮像されるという作用をもたらす。
【００１０】
また、この第１の側面において、上記アナログ出力信号は、上記信号電圧と上記リセット電圧との差分を上記ゲインにより増減した電流信号であってもよい。これにより、電流信号がデジタル信号に変換されるという作用をもたらす。
【００１１】
また、この第１の側面において、上記複数のサンプルホールド回路のそれぞれは、一対のリセット電圧サンプルホールド回路と、一対の信号電圧サンプルホールド回路とを備え、上記一対のリセット電圧サンプルホールド回路の一方が上記リセット電圧をサンプルするときに他方が保持し、上記一対の信号電圧サンプルホールド回路の一方が上記信号電圧をサンプルするときに他方が保持してもよい。これにより、一対のサンプルホールド回路の一方が信号のサンプルを行う一方で他方が信号をホールドするという作用をもたらす。
【００１２】
また、この第１の側面において、複数の行を配列した画素アレイ部をさらに具備し、上記複数の行のそれぞれは所定方向に配列された複数の画素からなり、上記複数のサンプルホールド回路の半分は、上記複数の行のうち偶数行に接続され、上記複数のサンプルホールド回路の残りは、上記複数の行のうち奇数行に接続され、上記偶数行に接続されたサンプルホールド回路と、上記奇数行に接続されたサンプルホールド回路とは、上記所定方向に沿って交互に配列されてもよい。これにより、２行が同時にＡＤ変換されるという作用をもたらす。
【００１３】
また、この第１の側面において、複数の行を配列した画素アレイ部をさらに具備し、上記複数のサンプルホールド回路の半分は、上側カラム信号処理回路に配置され、残りは、下側カラム信号処理回路に配置され、上記上側カラム信号処理回路は、上記複数の行内の奇数行および偶数行の一方に接続され、上記下側カラム信号処理回路は、上記奇数行および上記偶数行のうち他方に接続されてもよい。これにより、２行が同時にＡＤ変換されるという作用をもたらす。
【００１４】
また、この第１の側面において、複数の画素を配列した画素アレイ部をさらに具備し、上記画素アレイ部は、所定の受光チップに配置され、上記複数のサンプルホールド回路と上記サンプルホールド横繋ぎ回路と上記複数のアナログ出力部と上記アナログデジタル変換部と上記補正処理部との少なくとも一部は、所定の回路チップに配置されてもよい。これにより、チップ当たりの回路規模が削減されるという作用をもたらす。
【００１５】
また、この第１の側面において、互いに異なる上記サンプルホールド回路に接続された複数の垂直信号線が配線された画素アレイ部と、上記複数の垂直信号線のうち隣接する奇数本目の信号線同士を接続するとともに上記複数の垂直信号線のうち隣接する偶数本目の信号線同士を接続する垂直信号線加算回路とをさらに具備してもよい。これにより、水平方向に画素加算されるという作用をもたらす。
【００１６】
また、この第１の側面において、画素の受光量に応じた信号電圧と所定のリセット電圧とを順にサンプルして保持し、上記信号電圧および上記リセット電圧を一対の出力信号線を介して出力する複数のサンプルホールド回路と、上記複数のサンプルホールド回路のそれぞれの上記一対の出力信号線の一方を選択し、当該選択した信号線の電圧を上記一対のアナログ入力信号の一方として上記アナログデジタル変換部へ出力する選択回路とをさらに具備し、上記一対のアナログ入力信号の他方は、所定の参照電圧であってもよい。これにより、シングルスロープ型ＡＤＣにおいてノイズが低減するという作用をもたらす。
【００１７】
また、本技術の第２の側面は、一対のアナログ入力信号の差分を所定のゲインにより増減してアナログ出力信号として出力する複数のアナログ出力部と、上記複数のアナログ出力部のぞれぞれの上記アナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部と、上記複数のアナログ出力部のそれぞれの上記ゲインのばらつきによる上記デジタル信号のノイズを補正する補正処理部と、上記デジタル信号のそれぞれを含む画像データに対して所定の画像処理を行うデジタル信号処理回路とを具備する撮像装置である。これにより、ノイズが低減したデジタル信号からなる画像データが生成され、画像処理が行われるという作用をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本技術の第１の実施の形態における撮像装置の一構成例を示すブロック図である。
【図２】本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子の一構成例を示すブロック図である。
【図３】本技術の第１の実施の形態における画素の一構成例を示す回路図である。
【図４】本技術の第１の実施の形態におけるカラム信号処理回路の一構成例を示すブロック図である。
【図５】本技術の第１の実施の形態におけるスイッチの一構成例を示す回路図である。
【図６】本技術の第１の実施の形態におけるサンプルホールド回路および電圧電流変換部の一構成例を示すブロック図である。
【図７】本技術の第１の実施の形態における補正処理部の一構成例を示すブロック図である。
【図８】本技術の第１の実施の形態におけるテスト電圧とデジタル信号との関係の一例を示すグラフである。
【図９】本技術の第１の実施の形態におけるオフセット補正値およびゲイン補正値の一例を示す図である。
【図１０】本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図１１】本技術の第１の実施の形態における補正の効果を説明するためのグラフである。
【図１２】本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１３】本技術の第１の実施の形態におけるゲイン補正値算出処理の一例を示すフローチャートである。
【図１４】本技術の第１の実施の形態におけるオフセット補正値算出処理の一例を示すフローチャートである。
【図１５】本技術の第１の実施の形態の変形例におけるサンプルホールド回路および電圧電流変換部の一構成例を示すブロック図である。
【図１６】本技術の第１の実施の形態の変形例におけるリセット電圧サンプルホールド回路の一構成例を示すブロック図である。
【図１７】本技術の第１の実施の形態の変形例における信号電圧サンプルホールド回路の一構成例を示すブロック図である。
【図１８】本技術の第２の実施の形態における固体撮像素子の一構成例を示すブロック図である。
【図１９】本技術の第２の実施の形態におけるカラム信号処理回路の一構成例を示すブロック図である。
【図２０】本技術の第３の実施の形態における固体撮像素子の一構成例を示すブロック図である。
【図２１】本技術の第４の実施の形態における固体撮像素子の積層構造の一例を示す図である。
【図２２】本技術の第４の実施の形態における固体撮像素子の一構成例を示すブロック図である。
【図２３】本技術の第５の実施の形態におけるカラム信号処理回路の一構成例を示すブロック図である。
【図２４】本技術の第５の実施の形態におけるＶＳＬ（Vertical Signal Line）加算回路およびＳＨ（Sample Hold）横繋ぎ回路の一構成例を示す回路図である。
【図２５】本技術の第５の実施の形態における垂直信号線を接続する場合のＶＳＬ加算回路およびＳＨ横繋ぎ回路の状態を示す回路図である。
【図２６】本技術の第５の実施の形態における垂直信号線を接続しない場合のＶＳＬ加算回路およびＳＨ横繋ぎ回路の状態を示す回路図である。
【図２７】本技術の第６の実施の形態におけるカラム信号処理回路の一構成例を示すブロック図である。
【図２８】本技術の第６の実施の形態におけるアナログデジタル変換部の一構成例を示すブロック図である。
【図２９】車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
【図３０】撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
１．第１の実施の形態（ゲインばらつきによるノイズを補正する例）
２．第２の実施の形態（ゲインばらつきによるノイズを補正し、２行同時に読み出す例）
３．第３の実施の形態（ゲインばらつきによるノイズを補正し、上下のカラム信号処理回路より読み出す例）
４．第４の実施の形態（積層構造においてゲインばらつきによるノイズを補正する例）
５．第５の実施の形態（画素加算し、ゲインばらつきによるノイズを補正する例）
６．第６の実施の形態（シングルスロープ型ＡＤＣのゲインばらつきによるノイズを補正する例）
７．移動体への応用例
【００２０】
＜１．第１の実施の形態＞
［撮像装置の構成例］
図１は、本技術の第１の実施の形態における撮像装置１００の一構成例を示すブロック図である。この撮像装置１００は、画像データを撮像するための装置であり、光学部１１０、固体撮像素子２００およびＤＳＰ（Digital Signal Processing）回路１２０を備える。さらに撮像装置１００は、表示部１３０、操作部１４０、バス１５０、フレームメモリ１６０、記憶部１７０および電源部１８０を備える。撮像装置１００としては、例えば、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラの他、撮像機能を持つスマートフォンやパーソナルコンピュータ、車載カメラ等が想定される。
【００２１】
光学部１１０は、被写体からの光を集光して固体撮像素子２００に導くものである。固体撮像素子２００は、垂直同期信号ＸＶＳに同期して、光電変換により画像データを生成するものである。ここで、垂直同期信号ＸＶＳは、撮像のタイミングを示す所定周波数の周期信号である。固体撮像素子２００は、生成した画像データをＤＳＰ回路１２０に信号線２０９を介して供給する。
【００２２】
ＤＳＰ回路１２０は、固体撮像素子２００からの画像データに対して所定の画像処理を実行するものである。このＤＳＰ回路１２０は、処理後の画像データをバス１５０を介してフレームメモリ１６０などに出力する。なお、ＤＳＰ回路１２０は、特許請求の範囲に記載のデジタル信号処理回路の一例である。
【００２３】
表示部１３０は、画像データを表示するものである。表示部１３０としては、例えば、液晶パネルや有機ＥＬ（Electro Luminescence）パネルが想定される。操作部１４０は、ユーザの操作に従って操作信号を生成するものである。
【００２４】
バス１５０は、光学部１１０、固体撮像素子２００、ＤＳＰ回路１２０、表示部１３０、操作部１４０、フレームメモリ１６０、記憶部１７０および電源部１８０が互いにデータをやりとりするための共通の経路である。
【００２５】
フレームメモリ１６０は、画像データを保持するものである。記憶部１７０は、画像データなどの様々なデータを記憶するものである。電源部１８０は、固体撮像素子２００、ＤＳＰ回路１２０や表示部１３０などに電源を供給するものである。
【００２６】
［固体撮像素子の構成例］
図２は、本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子２００の一構成例を示すブロック図である。この固体撮像素子２００は、垂直走査回路２１０、タイミング制御回路２２０、画素アレイ部２３０、カラム信号処理回路３００、水平走査回路２５０、テスト電圧発生部２６０および補正処理部２７０を備える。また、これらの回路は、例えば、単一の半導体チップに配置される。
【００２７】
また、画素アレイ部２３０には、複数の画素２４０が二次元格子状に配列される。以下、所定の水平方向に配列された画素２４０の集合を「行」と称し、水平方向に垂直な方向に配列された画素２４０の集合を「列」と称する。
【００２８】
タイミング制御回路２２０は、垂直同期信号ＸＶＳに同期して垂直走査回路２１０、カラム信号処理回路３００、補正処理部２７０等の動作タイミングを制御するものである。
【００２９】
垂直走査回路２１０は、行を順に選択して駆動し、アナログの画素信号を出力させるものである。画素２４０は、垂直走査回路２１０の制御に従って、光電変換により画素信号を生成するものである。画素２４０のそれぞれは、画素信号をカラム信号処理回路３００へ出力する。
【００３０】
テスト電圧発生部２６０は、ＤＳＰ回路１２０からのモード信号ＭＯＤＥに従って、所定のテスト電圧を生成し、その電圧の信号をテスト信号としてカラム信号処理回路３００に供給するものである。
【００３１】
ここで、モード信号ＭＯＤＥは、固体撮像素子２００に対して複数のモードのいずれかを指示する信号である。これらのモードは、キャリブレーションモードと、通常撮像モードとを含む。キャリブレーションモードは、カラム信号処理回路３００が、ノイズを補正するための補正値を算出するためのモードである。ノイズの発生原因や、補正値の算出方法については後述する。一方、通常撮像モードは、算出した補正値を用いてノイズを補正しつつ、画像データを撮像するためのモードである。
【００３２】
キャリブレーションモードが設定されるとテスト電圧発生部２６０は、ＤＡ（Digital to Analog）変換などによりテスト信号を生成する。このテスト電圧発生部２６０として、ＤＡＣ（Digital to Analog Converter）などが用いられる。また、タイミング制御回路２２０は、垂直走査回路２１０を停止させ、補正処理部２７０は、補正値を演算する。
【００３３】
一方、通常撮像モードが設定されるとテスト電圧発生部２６０は、テスト信号を生成せず、タイミング制御回路２２０は、垂直走査回路２１０に行を駆動させる。また、補正処理部２７０は、補正値を用いてノイズを補正する。
【００３４】
カラム信号処理回路３００は、カラムごとに、画素信号に対してＣＤＳ処理やＡＤ変換処理などの信号処理を行うものである。このカラム信号処理回路３００は、信号処理後のデジタル信号を補正処理部２７０に供給する。
【００３５】
補正処理部２７０は、キャリブレーションモードが設定された場合には補正値を演算し、通常撮像モードが設定された場合には、その補正値を用いてデジタル信号を補正するものである。この補正処理部２７０は、補正後のデジタル信号を配列した画像データをＤＳＰ回路１２０に信号線２０９を介して出力する。
【００３６】
［画素の構成例］
図３は、本技術の第１の実施の形態における画素２４０の一構成例を示す回路図である。この画素２４０は、光電変換素子２４１、転送スイッチ２４２および増幅回路２４３を備える。
【００３７】
光電変換素子２４１は、入射光を電荷に変換するものである。
【００３８】
転送スイッチ２４２は、垂直走査回路２１０の制御に従って、光電変換素子２４１から浮遊拡散層（不図示）へ電荷を転送するものである。
【００３９】
増幅回路２４３は、浮遊拡散層の電荷量に応じた電圧を増幅するものである。この増幅回路２４３は、増幅した信号を画素信号として垂直信号線２４９を介してカラム信号処理回路３００へ出力する。
【００４０】
垂直信号線２４９は、画素アレイ部２３０において、列ごとに垂直方向に配線される。列数がＮ（Ｎは、２以上の整数）である場合には、Ｎ本の垂直信号線２４９が配線される。また、列内の画素２４０のそれぞれは、対応する垂直信号線２４９に共通に接続される。
【００４１】
［カラム信号処理回路の構成例］
図４は、本技術の第１の実施の形態におけるカラム信号処理回路３００の一構成例を示すブロック図である。このカラム信号処理回路３００は、複数のマルチプレクサ３１０と、複数の電流源３２０と、ＶＳＬ横繋ぎ回路３３０とを備える。また、カラム信号処理回路３００は、複数のサンプルホールド回路４００と、ＳＨ横繋ぎ回路３５０と、複数の電圧電流変換部３６５と、アナログデジタル変換部３７０と、出力部３７５とをさらに備える。マルチプレクサ３１０、電流源３２０、サンプルホールド回路４００および電圧電流変換部３６５のそれぞれは、列ごとに配置される。列数がＮである場合には、マルチプレクサ３１０、電流源３２０、サンプルホールド回路４００および電圧電流変換部３６５は、Ｎ個ずつ配置される。
【００４２】
また、ＶＳＬ横繋ぎ回路３３０は、複数のスイッチ３３１を備える。ＳＨ横繋ぎ回路３５０は、複数のスイッチ３５１と、複数のスイッチ３５２とを備える。アナログデジタル変換部３７０は、複数の電流モードＡＤＣ３７１を備える。スイッチ３３１、３５１および３５２のそれぞれは、最終列を除き、列ごとに配置される。列数がＮである場合には、スイッチ３３１、３５１および３５２は、Ｎ−１個ずつ配置される。電流モードＡＤＣ３７１とは、列ごとに配置され、列数がＮである場合にＮ個ずつ配置される。
【００４３】
マルチプレクサ３１０は、タイミング制御回路２２０からの制御信号ＳＷｔに従って、対応する列の垂直信号線２４９からの画素信号Ｖvslと、テスト電圧発生部２６０からのテスト信号Ｖtestとの一方を選択するものである。タイミング制御回路２２０は、キャリブレーションモードである場合に、制御信号ＳＷｔにより、マルチプレクサ３１０にテスト信号Ｖtestを選択させる。一方、通常撮像モードである場合にタイミング制御回路２２０は、制御信号ＳＷｔにより、マルチプレクサ３１０に画素信号Ｖvslを選択させる。マルチプレクサ３１０は、選択した信号を電流源３２０を介して対応するサンプルホールド回路４００に供給する。マルチプレクサ３１０の出力に接続される信号線も垂直信号線２４９とする。
【００４４】
電流源３２０は、一定の定電流を供給するものである。この電流源３２０として、例えば、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタが用いられる。
【００４５】
ＶＳＬ横繋ぎ回路３３０は、タイミング制御回路２２０からの制御信号ＳＷｖｃに従ってＮ本の垂直信号線２４９を互いに接続するものである。ｎ（ｎは、１乃至Ｎ−１の整数）個目のスイッチ３３１は、ｎ本目の垂直信号線２４９と、ｎ＋１本目の垂直信号線２４９との間の経路を開閉する。タイミング制御回路２２０は、キャリブレーションモードである場合に、制御信号ＳＷｖｃにより、全列のスイッチ３３１を閉状態に制御する。これにより、Ｎ本の垂直信号線２４９が横繋ぎされ、電流源３２０のＭＯＳトランジスタのばらつきによるノイズを抑制することができる。このノイズの抑制により、補正精度を向上させることができる。一方、通常撮像モードである場合にタイミング制御回路２２０は、制御信号ＳＷｖｃにより、全列のスイッチ３３１を開状態に制御する。
【００４６】
サンプルホールド回路４００は、対応する列の画素信号Ｖvslのリセット電圧と信号電圧とを順に保持し、出力信号線４０８および４０９を介して、それらの電圧を対応する電圧電流変換部３６５へ出力するものである。出力信号線４０８および４０９のそれぞれは、Ｎ本ずつ配線される。ここで、リセット電圧は、画素２４０内の浮遊拡散層を初期化したときの画素信号Ｖvslの電圧である。また、信号電圧は、画素２４０の受光量に応じた画素信号Ｖvslの電圧である。
【００４７】
ＳＨ横繋ぎ回路３５０は、制御信号ＳＷｓに従ってＮ対の出力信号線４０８および４０９を互いに接続するものである。ｎ個目のスイッチ３５１は、ｎ本目の出力信号線４０８と、ｎ＋１本目の出力信号線４０８との間の経路を開閉する。ｎ個目のスイッチ３５２は、ｎ本目の出力信号線４０９と、ｎ＋１本目の出力信号線４０９との間の経路を開閉する。タイミング制御回路２２０は、キャリブレーションモードである場合に、制御信号ＳＷｓにより、全列のスイッチ３５１および３５２を閉状態に制御する。これにより、Ｎ対の出力信号線４０８および４０９が横繋ぎされる。一方、通常撮像モードである場合にタイミング制御回路２２０は、制御信号ＳＷｓにより、全列のスイッチ３５１および３５２を開状態に制御する。
【００４８】
電圧電流変換部３６５は、一対のアナログ入力信号の差分を所定のゲインにより増幅してアナログ出力信号として出力するものである。この電圧電流変換部３６５には、対応するサンプルホールド回路４００からのリセット電圧および信号電圧が、一対のアナログ入力信号として入力される。電圧電流変換部３６５は、これらのアナログ入力信号（すなわち、電圧）を、それらの差分を増減した電流信号に変換する。電圧電流変換部３６５は、生成した電流信号をアナログ出力信号として対応する電流モードＡＤＣに供給する。
【００４９】
なお、電圧電流変換部３６５は、特許請求の範囲に記載のアナログ出力部の一例である。
【００５０】
電流モードＡＤＣ３７１は、電圧電流変換部３６５からのアナログ出力信号（すなわち、電流信号）をデジタル信号Ｄｏｕｔに変換するものである。電流モードＡＤＣ３７１として、例えば、デルタシグマＡＤＣが用いられる。電流モードＡＤＣ３７１は、水平走査回路２５０の制御に従って出力部３７５にデジタル信号を供給する。
【００５１】
出力部３７５は、デジタル信号Ｄｏｕｔのそれぞれを補正処理部２７０に供給するものである。
【００５２】
図５は、本技術の第１の実施の形態におけるスイッチ３５１の一構成例を示す回路図である。同図におけるａは、ｎＭＯＳ（n-channel MOS）トランジスタおよびｐＭＯＳ（p-channel MOS）トランジスタを用いる場合のスイッチ３５１の回路図である。同図におけるｂは、ｎＭＯＳトランジスタを用いる場合のスイッチ３５１の回路図である。同図におけるｃは、ｐＭＯＳトランジスタを用いる場合のスイッチ３５１の回路図である。
【００５３】
同図におけるａに例示するように、ｎＭＯＳトランジスタ３６２およびｐＭＯＳトランジスタ３６３を用いる場合、さらにインバータ３６１が配置される。ｎＭＯＳトランジスタ３６２およびｐＭＯＳトランジスタ３６３は、開閉する対象の経路に並列に挿入される。インバータ３６１は、制御信号ＳＷｓを反転させてｐＭＯＳトランジスタ３６３のゲートに供給するものである。また、ｎＭＯＳトランジスタ３６２のゲートには、制御信号ＳＷｓが入力される。
【００５４】
また、同図におけるｂに例示するように、ｎＭＯＳトランジスタ３６２のみを用いることもできる。同図におけるｃに例示するように、ｐＭＯＳトランジスタ３６３のみを用いることもできる。
【００５５】
スイッチ３５１以外のスイッチ（スイッチ３３１や３５２）についても、スイッチ３５１と同様に、ｎＭＯＳトランジスタやｐＭＯＳトランジスタを用いて実現することができる。
【００５６】
［サンプルホールド回路および電圧電流変換部の構成例］
図６は、本技術の第１の実施の形態におけるサンプルホールド回路４００および電圧電流変換部３６５の一構成例を示すブロック図である。サンプルホールド回路４００は、リセット電圧サンプルホールド回路４１０および信号電圧サンプルホールド回路４２０を備える。また、電圧電流変換部３６５は、電流源３６６と、抵抗３６７と、ｎＭＯＳトランジスタ３６８および３６９とを備える。
【００５７】
リセット電圧サンプルホールド回路４１０は、リセット電圧をサンプルして保持するものである。このリセット電圧サンプルホールド回路４１０は、スイッチ４１１、４１３および４１４と、コンデンサ４１２と、アンプ４１５とを備える。
【００５８】
スイッチ４１１は、タイミング制御回路２２０からの制御信号ＳＷ１１に従って垂直信号線２４９と、コンデンサ４１２との間の経路を開閉するものである。
【００５９】
コンデンサ４１２は、スイッチ４１１と、アンプ４１５の反転入力端子（−）との間に挿入される。
【００６０】
スイッチ４１３は、タイミング制御回路２２０からの制御信号ＳＷ１２に従ってスイッチ４１１およびコンデンサ４１２の接続点と、電流源３６６および抵抗３６７の接続点とを開閉するものである。
【００６１】
スイッチ４１４は、タイミング制御回路２２０からの制御信号ＳＷ１３に従ってアンプ４１５の反転入力端子（−）と、その出力端子との間の経路を開閉するものである。
【００６２】
アンプ４１５は、コンデンサ４１２の一端と、接地電圧との差分を増幅するものである。このアンプ４１５の出力端子は、ｎＭＯＳトランジスタ３６９のゲートに接続されている。スイッチ４１３および電圧電流変換部３６５の間の信号線とが出力信号線４０９に該当し、この信号線が横繋ぎされる。
【００６３】
信号電圧サンプルホールド回路４２０は、信号電圧をサンプルして保持するものである。この信号電圧サンプルホールド回路４２０は、スイッチ４２１、４２３および４２４と、コンデンサ４２２と、アンプ４２５とを備える。
【００６４】
信号電圧サンプルホールド回路４２０内の素子の接続構成は、リセット電圧サンプルホールド回路４１０と同様である。ただし、スイッチ４２３の一端は、抵抗３６７およびｎＭＯＳトランジスタ３６８の接続点に接続される。また、アンプ４２５の出力端子は、ｎＭＯＳトランジスタ３６８のゲートに接続される。また、スイッチ４２３および電圧電流変換部３６５の間の信号線とが出力信号線４０８に該当し、この信号線が横繋ぎされる。
【００６５】
電圧電流変換部３６５において、電流源３６６、抵抗３６７およびｎＭＯＳトランジスタ３６８は、電源とアナログデジタル変換部３７０との間において、直列に接続される。また、ｎＭＯＳトランジスタ３６９のドレインは、電流源３６６および抵抗３６７の接続点に接続され、ソースは、接地される。
【００６６】
タイミング制御回路２２０は、リセット電圧のサンプル前に、スイッチ４１４および４２４を閉状態に制御してアンプ４１５および４２５をオートゼロ状態にする。
【００６７】
そして、タイミング制御回路２２０は、画素の初期化時にスイッチ４１１のみを閉状態に、残りのスイッチ群を開状態にする。これにより、リセット電圧がサンプルされる。
【００６８】
次に、タイミング制御回路２２０は、露光の終了時にスイッチ４２１のみを閉状態に、残りのスイッチ群を開状態にする。これにより、信号電圧がサンプルされる。
【００６９】
そして、タイミング制御回路２２０は、ＡＤ期間内において、スイッチ４１３および４２３を閉状態にし、残りのスイッチ群を開状態にする。これにより、リセット電圧および信号電圧が保持され、アンプ４１５および４２５は、それらの電圧を一対のアナログ入力信号として出力する。
【００７０】
電圧電流変換部３６５は、一対のアナログ入力信号（リセット電圧および信号電圧）を、それらの差分を増減した電流信号Ｉoutに変換し、アナログ出力信号としてアナログデジタル変換部３７０へ出力する。すなわち、ＣＤＳ処理および電圧電流変換処理が行われる。
【００７１】
リセット電圧をＶvslp、信号電圧をＶvslsとすると、電流信号（すなわち、アナログ出力信号）Ｉoutは、次の式により表される。
【００７２】
Ｉout＝Ｇ×（Ｖvslp−Ｖvsls）＋Ｏｆｓ＝Ｇ×Ｖｉｎ＋Ｏｆｓ
上式において、Ｇは、抵抗３６７の抵抗値の逆数に比例するゲインであり、単位は、例えば、アンペア毎ボルト（Ａ／Ｖ）である。Ｏｆｓは、サンプルホールド回路４００のサンプルおよびホールドにより生じたオフセットであり、単位は例えば、アンペア（Ａ）である。列ごとのゲインＧとオフセットＯｆｓには、ばらつきが生じることがある。Ｖｉｎは、ＣＤＳ処理後の画素信号であり、単位は、例えば、ボルト（Ｖ）である。
【００７３】
［補正処理部の構成例］
図７は、本技術の第１の実施の形態における補正処理部２７０の一構成例を示すブロック図である。この補正処理部２７０は、デマルチプレクサ２７１、補正値算出回路２８０および補正演算回路２９０を備える。
【００７４】
デマルチプレクサ２７１は、モード信号ＭＯＤＥに従って、カラム信号処理回路３００からのデジタル信号を補正値算出回路２８０と補正演算回路２９０とのいずれかへ出力するものである。キャリブレーションモードが設定された場合にデマルチプレクサ２７１は、デジタル信号を補正値算出回路２８０へ出力し、通常撮像モードが設定された場合に補正演算回路２９０へ出力する。
【００７５】
補正値算出回路２８０は、ゲインＧやオフセットＯｆｓの列ごとのばらつきによるノイズを補正するための補正値を算出するものである。この補正値算出回路２８０は、デマルチプレクサ２８１、オフセット補正値算出回路２８２、ゲイン補正値算出回路２８３および補正値保持部２８４を備える。
【００７６】
デマルチプレクサ２８１は、タイミング制御回路２２０からの制御信号ＳＷｓに従ってデマルチプレクサ２７１からのデジタル信号を、オフセット補正値算出回路２８２およびゲイン補正値算出回路２８３のいずれかへ出力するものである。
【００７７】
オフセット補正値算出回路２８２は、ＳＨ横繋ぎ回路３５０により横繋ぎされていない場合に、列ごとのオフセットＯｆｓのばらつきによるノイズを補正するための補正値をオフセット補正値として、列のそれぞれについて算出するものである。このオフセットＯｆｓによるノイズは、カラムごとにＡＤ変換を行う場合、画像データにおいて縦筋状のランダムノイズとして現れる。オフセット補正値算出回路２８２は、算出したオフセット補正値のそれぞれを補正値保持部２８４に保持させる。
【００７８】
ゲイン補正値算出回路２８３は、ＳＨ横繋ぎ回路３５０により横繋ぎされた場合に、列ごとのゲインＧのばらつきによるノイズを補正するための補正値をゲイン補正値として、列のそれぞれについて算出するものである。このゲインによるノイズは、カラムごとにＡＤ変換を行う場合、画像データにおいて縦筋状のランダムノイズとして現れる。このゲイン補正値算出回路２８３は、算出したゲイン補正値のそれぞれを補正値保持部２８４に保持させる。
【００７９】
補正値保持部２８４は、列ごとのオフセット補正値およびゲイン補正値を保持するものである。列数がＮである場合には、オフセット補正値およびゲイン補正値は、Ｎ個ずつ保持される。
【００８０】
補正演算回路２９０は、オフセット補正値およびゲイン補正値を用いて、オフセットおよびゲインのばらつきによるデジタル信号のノイズを補正するものである。この補正演算回路２９０は、ラインバッファ２９１、減算器２９２および乗算器２９３を備える。
【００８１】
ラインバッファ２９１は、少なくとも１行分のデジタル信号を保持するものである。このラインバッファ２９１は、保持した複数のデジタル信号を順に減算器２９２に供給する。
【００８２】
減算器２９２は、デジタル信号から、対応する列のオフセット補正値を減算するものである。この減算器２９２は、減算後のデジタル信号を乗算器２９３に供給する。乗算器２９３は、デジタル信号に対して、対応する列のゲイン補正値を乗算するものである。この乗算器２９３は、乗算後のデジタル信号をＤＳＰ回路１２０に供給する。
【００８３】
キャリブレーションモードにおける固体撮像素子２００の動作について説明する。キャリブレーションモードが設定されると、タイミング制御回路２２０は、カラム信号処理回路３００を制御して垂直信号線２４９と出力信号線４０８および４０９とのそれぞれを横繋ぎさせる。また、テスト電圧発生部２６０は、遮光された際のレベルである黒レベルＶＬをテスト電圧として供給する。そして、カラム信号処理回路３００は、Ｍ（Ｍは、整数）行分の電流信号Ｉoutを順にＡＤ変換する。また、タイミング制御回路２２０は、デマルチプレクサ２８１を制御してデジタル信号をゲイン補正値算出回路２８３へ出力させる。
【００８４】
黒レベルＶＬについて全行のＡＤ変換が終了すると、テスト電圧発生部２６０は、黒レベルと異なる所定レベル（例えば、輝度が最も高いときのレベル）である白レベルＶＨをテスト電圧として供給する。そして、カラム信号処理回路３００は、Ｍ行を順にＡＤ変換する。ゲイン補正値算出回路２８３は、黒レベルＶＬのときのデジタル信号と、白レベルＶＨのときのデジタル信号とから、列ごとにゲイン補正値を算出する。
【００８５】
このゲイン補正値の算出方法について説明する。出力信号線４０８および４０９の横繋ぎにより、オフセットのばらつきに起因するランダムノイズが抑制される。このため、ゲイン補正値算出回路２８３は、それらのデジタル信号からゲイン補正値を算出することができる。
【００８６】
黒レベルＶＬ印加時においてＮ個の列のそれぞれについて、Ｍ個のデジタル信号が取得される。このときの第ｎ列の平均値をカラム平均値ｖｌgain-nとする。また、白レベルＶＨ印加時においてＮ個の列のそれぞれについて、Ｍ個のデジタル信号が取得される。このときの第ｎ列の平均値をカラム平均値ｖｈgain-nとする。また、カラム平均値ｖｌgain-1乃至ｖｌgain-Nの平均値をライン平均値ｖｌgain-AVとし、カラム平均値ｖｈgain-1乃至ｖｈgain-Nの平均値をライン平均値ｖｈgain-AVとする。このとき、第ｎ列のゲイン補正値ｃgain-nは、次の式により算出される。
ｃgain-n＝（ｖｈgain-AV−ｖｌgain-AV）／（ｖｈgain-n−ｖｌgain-n）・・・式１
【００８７】
次にタイミング制御回路２２０は、カラム信号処理回路３００を制御して出力信号線４０８および４０９とのそれぞれの横繋ぎを解除させる。また、テスト電圧発生部２６０は、黒レベルＶＬをテスト電圧として供給する。そして、カラム信号処理回路３００は、Ｍ行を順にＡＤ変換する。また、タイミング制御回路２２０は、デマルチプレクサ２８１を制御してデジタル信号をオフセット補正値算出回路２８２へ出力させる。オフセット補正値算出回路２８２は、列ごとにオフセット補正値を算出する。
【００８８】
出力信号線４０８および４０９の横繋ぎが解除されている場合、ゲインのばらつきと、オフセットのばらつきとに起因するランダムノイズが生じる。ゲイン補正値は算出済みであるため、ゲイン補正値算出回路２８３は、そのゲイン補正値によりゲインのばらつきによるランダムノイズの影響を無くし、オフセット補正値を算出することができる。
【００８９】
第ｎ列のサンプルの平均値をカラム平均値ｖｌofs-nとする。また、ｖｌofs-1乃至ｖｌofs-Nの平均値をライン平均値ｖｌofs-AVとする。このとき、第ｎ列のオフセット補正値ｃofs-nは、次の式により算出される。
ｃofs-n＝ｖｌofs-AV−ｖｌofs-n×ｃgain-n                      ・・・式２
【００９０】
図８は、本技術の第１の実施の形態におけるテスト電圧とデジタル信号との関係の一例を示すグラフである。同図における横軸は、テスト電圧であり、同図における縦軸は、そのテスト電圧に応じた電流信号ＩoutをＡＤ変換したデジタル信号である。また、同図における実線は、テスト電圧と第ｎ列のカラム平均値との間の関係を示す直線であり、点線はテスト電圧と、ライン平均値との間の関係を示す直線である。
【００９１】
同図に例示するように、ある列の直線（実線）は、平均値の直線（点線）と一致しないことがある。黒レベルＶＬ印加時の第ｎ列のカラム平均値をｖｌgain-nとし、白レベルＶＨ印加時の第ｎ列のカラム平均値をｖｈgain-nとする。また、黒レベルＶＬ印加時のライン平均値ｖｌgain-AVとし、白レベルＶＨ印加時のライン平均値ｖｈgain-AVとする。この場合、カラム平均値ｖｈgain-nおよびｖｌgain-nの差分と、ライン平均値ｖｈgain-AVおよびｖｌgain-AVの差分との比率が、ゲインのばらつきを補正するためのゲイン補正値として式１により算出される。
【００９２】
ここで、仮に補正値算出の際、ＳＨ横繋ぎ回路３５０による横繋ぎを行わなかった場合、ゲインによるランダムノイズと、オフセットによるランダムノイズとを分離することができず、補正値による補正精度が低下するおそれがある。これに対して、ＳＨ横繋ぎ回路３５０による横繋ぎを行う構成では、オフセットによるランダムノイズを抑制することができるため、正確なゲイン補正値を算出することができる。また、ＳＨ横繋ぎ回路３５０による横繋ぎを解除してオフセット補正値も算出するため、オフセット補正値による補正精度を低下させずに、ゲイン補正値による補正精度を向上させることができる。
【００９３】
図９は、本技術の第１の実施の形態におけるオフセット補正値およびゲイン補正値の一例を示す図である。同図に例示するように、補正値保持部２８４は、列に割り当てられたアドレスである列アドレスごとに、その列のオフセット補正値およびゲイン補正値を保持する。例えば、列アドレスＹ１に対応付けて、オフセット補正値ｃofs-1およびゲイン補正値ｃgain-1が保持される。また、列アドレスＹ２に対応付けて、オフセット補正値ｃofs-2およびゲイン補正値ｃgain-2が保持される。
【００９４】
図１０は、本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子２００の動作の一例を示すタイミングチャートである。固体撮像素子２００は、タイミングＴ０においてキャリブレーションモードに移行したものとする。
【００９５】
タイミング制御回路２２０は、制御信号ＳＷｖｃおよびＳＷｓにより対応するスイッチをオン状態に制御し、垂直信号線２４９と、サンプルホールド回路の４００の出力信号線４０８および４０９とのそれぞれを横繋ぎさせる。
【００９６】
また、テスト電圧発生部２６０は、黒レベルＶＬをテスト電圧として供給する。そして、カラム信号処理回路３００は、垂直同期信号ＸＶＳに同期してＭ行を順にＡＤ変換する。
【００９７】
そして、タイミングＴ１においてテスト電圧発生部２６０は、白レベルＶＨをテスト電圧として供給する。カラム信号処理回路３００は、垂直同期信号ＸＶＳに同期してＭ行を順にＡＤ変換する。補正処理部２７０は、黒レベルＶＬのときのデジタル信号と、白レベルＶＨのときのデジタル信号とから、列ごとに式１によりゲイン補正値を算出する。
【００９８】
次にタイミングＴ２において、タイミング制御回路２２０は、制御信号ＳＷｓにより対応するスイッチをオフ状態に制御し、サンプルホールド回路の４００の出力信号線４０８および４０９の横繋ぎを解除する。テスト電圧発生部２６０は、黒レベルＶＬをテスト電圧として供給する。カラム信号処理回路３００は、垂直同期信号ＸＶＳに同期してＭ行を順にＡＤ変換する。補正処理部２７０は、デジタル信号と、ゲイン補正値とから、式２により列ごとにオフセット補正値を算出する。
【００９９】
タイミングＴ３において固体撮像素子２００は、通常撮像モードに移行する。タイミング制御回路２２０は、制御信号ＳＷｖｃおよびＳＷｓにより対応するスイッチをオフ状態に制御し、垂直信号線２４９と、サンプルホールド回路４００の出力信号線４０８および４０９とのそれぞれの横繋ぎを解除する。補正処理部２７０は、オフセット補正値およびゲイン補正値を用いてデジタル信号の補正演算を行う。
【０１００】
図１１は、本技術の第１の実施の形態における補正の効果を説明するためのグラフである。同図におけるａは、アナログゲインとランダムノイズとの関係の一例を示すグラフである。同図におけるｂは、ダイナミックレンジとアナログゲインとの関係の一例を示すグラフである。同図におけるｃは、単位ダイナミックレンジ当たりのランダムノイズとアナログゲインとの関係の一例を示すグラフである。
【０１０１】
同図におけるａの縦軸は、入力換算のランダムノイズである。横軸は、アナログゲインであり、電圧を電流に変換する際のゲインＧに該当する。同図におけるｂの縦軸は、ダイナミックレンジであり、横軸はアナログゲインである。同図におけるｃの縦軸は、単位ダイナミックレンジ当たりのランダムノイズであり、横軸は、アナログゲインである。また、同図におけるａおよびｃの実線は、ゲイン補正値およびオフセット補正値による補正を行った場合の軌跡を示し、一点鎖線は、補正を行わない場合の軌跡を示す。
【０１０２】
同図におけるａに例示するように、補正を行うことにより、特にアナログゲインが大きいほど、ランダムノイズの低減の効果が大きくなる。また、同図におけるｂに例示するように、一般にアナログゲインが大きいほど、ダイナミックレンジは狭くなる。したがって、同図におけるｃに例示するように、特にアナログゲインが大きい場合に、単位ダイナミックレンジ当たりのランダムノイズの低減効果が大きくなる。
【０１０３】
［固体撮像素子の動作例］
図１２は、本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子２００の動作の一例を示すフローチャートである。この動作は、例えば、固体撮像素子２００に電源が投入されたときに開始される。
【０１０４】
固体撮像素子２００は、キャリブレーションモードが設定されたか否かを判断する（ステップＳ９０１）。キャリブレーションモードが設定された場合に（ステップＳ９０１：Ｙｅｓ）、固体撮像素子２００内のタイミング制御回路２２０は、カラム信号処理回路３００の入力先を画素２４０からテスト電圧発生部２６０に切り替える（ステップＳ９０２）。また、タイミング制御回路２２０は、垂直信号線２４９の横繋ぎを行い（ステップＳ９０３）、ゲイン補正値を算出するためのゲイン補正値算出処理を実行する（ステップＳ９１０）。そして、タイミング制御回路２２０は、オフセット補正値を算出するためのオフセット補正値算出処理を実行する（ステップＳ９２０）。
【０１０５】
一方、キャリブレーションモードが設定されていない場合（ステップＳ９０１：Ｎｏ）、または、ステップＳ９２０の後に固体撮像素子２００は、通常撮像モードが設定されたか否かを判断する（ステップＳ９０４）。通常撮像モードが設定されていない場合に（ステップＳ９０４：Ｎｏ）、タイミング制御回路２２０は、ステップＳ９０４以降を繰り返す。
【０１０６】
一方、通常撮像モードが設定された場合に（ステップＳ９０４：Ｙｅｓ）、タイミング制御回路２２０は、カラム信号処理回路３００の入力先を画素２４０に切り替える（ステップＳ９０５）。また、タイミング制御回路２２０は、垂直信号線２４９の横繋ぎを解除し（ステップＳ９０６）、カラム信号処理回路３００は、デジタル信号からなる画像データを生成する（ステップＳ９０７）。補正処理部２７０は、ゲインおよびオフセットのばらつきによるノイズを補正する（ステップＳ９０８）。ステップＳ９０８の後に、固体撮像素子２００は、ステップＳ９０４以降を繰り返し実行する。
【０１０７】
図１３は、本技術の第１の実施の形態におけるゲイン補正値算出処理の一例を示すフローチャートである。タイミング制御回路２２０は、サンプルホールド回路４００の出力（すなわち、出力信号線４０８および４０９）の横繋ぎを行う（ステップＳ９１１）。また、テスト電圧発生部２６０は、黒レベルＶＬを印加する（ステップＳ９１２）。補正処理部２７０は、列ごとのカラム平均値ｖｌgain-nと、ライン平均値ｖｌgain-AVとを算出する（ステップＳ９１３）。
【０１０８】
次に、テスト電圧発生部２６０は、白レベルＶＨを印加する（ステップＳ９１４）。補正処理部２７０は、列ごとのカラム平均値ｖｈgain-nと、ライン平均値ｖｈgain-AVとを算出する（ステップＳ９１５）。補正処理部２７０は、式１により、ゲイン補正値を列ごとに算出し（ステップＳ９１６）、それらを保持する（ステップＳ９１７）。タイミング制御回路２２０は、サンプルホールド回路４００の出力の横繋ぎを解除し（ステップＳ９１８）、ゲイン補正値算出処理を終了する。
【０１０９】
図１４は、本技術の第１の実施の形態におけるオフセット補正値算出処理の一例を示すフローチャートである。テスト電圧発生部２６０は、黒レベルＶＬを印加し（ステップＳ９２１）、補正処理部２７０は、列ごとのカラム平均値ｖｈofs-nを算出する（ステップＳ９２２）。補正処理部２７０は、式２により、オフセット補正値を列ごとに算出し（ステップＳ９２３）、それらを保持する（ステップＳ９２４）。ステップＳ９２４の後に、固体撮像素子２００は、オフセット補正値算出処理を終了する。
【０１１０】
このように、本技術の第１の実施の形態によれば、補正処理部２７０が、列ごとの電圧電流変換部３６５のゲインのばらつきによるノイズを補正するため、補正しない場合と比較して画像データの画質を向上させることができる。
【０１１１】
［変形例］
上述の第１の実施の形態では、リセット電圧サンプルホールド回路および信号電圧サンプルホールド回路を列ごとに１つずつ配置していた。しかし、この構成では、サンプル中に平行してＡＤ変換を行うことができない。この第１の実施の形態の変形例における固体撮像素子は、リセット電圧サンプルホールド回路および信号電圧サンプルホールド回路を列ごとに２つずつ配置し、サンプルおよびＡＤ変換を並列に行う点において第１の実施の形態と異なる。
【０１１２】
図１５は、本技術の第１の実施の形態の変形例におけるサンプルホールド回路４００の一構成例を示す回路図である。この第１の実施の形態変形例のサンプルホールド回路４００には、リセット電圧サンプルホールド回路４３０および信号電圧サンプルホールド回路４４０がさらに配置される点において第１の実施の形態と異なる。
【０１１３】
図１６は、本技術の第１の実施の形態の変形例におけるリセット電圧サンプルホールド回路４１０および４３０の一構成例を示す回路図である。
【０１１４】
第１の実施の形態の変形例のリセット電圧サンプルホールド回路４１０は、スイッチ４１６をさらに備える。スイッチ４１６は、タイミング制御回路２２０からの制御信号ＳＷ１４に従って、アンプ４１５の出力端子と、ｎＭＯＳトランジスタ３６９のゲートとの間の経路を開閉するものである。
【０１１５】
リセット電圧サンプルホールド回路４３０は、スイッチ４３１、４３３、４３４および４３６と、コンデンサ４３２と、アンプ４３５とを備える。これらの素子の接続構成は、リセット電圧サンプルホールド回路４１０と同様である。
【０１１６】
タイミング制御回路２２０は、リセット電圧サンプルホールド回路４１０のサンプル中にスイッチ４１６を開状態にし、スイッチ４３６を閉状態にする。一方、タイミング制御回路２２０は、リセット電圧サンプルホールド回路４１０のホールド中にスイッチ４１６を閉状態にし、スイッチ４３６を開状態にする。
【０１１７】
図１７は、本技術の第１の実施の形態の変形例における信号電圧サンプルホールド回路４２０および４４０の一構成例を示す回路図である。
【０１１８】
第１の実施の形態の変形例の信号電圧サンプルホールド回路４２０は、スイッチ４２６をさらに備える。スイッチ４２６は、タイミング制御回路２２０からの制御信号ＳＷ２４に従って、アンプ４２５の出力端子と、ｎＭＯＳトランジスタ３６８のゲートとの間の経路を開閉するものである。
【０１１９】
信号電圧サンプルホールド回路４４０は、スイッチ４４１、４４３、４４４および４４６と、コンデンサ４４２と、アンプ４４５とを備える。これらの素子の接続構成は、信号電圧サンプルホールド回路４２０と同様である。
【０１２０】
タイミング制御回路２２０は、信号電圧サンプルホールド回路４２０のサンプル中にスイッチ４２６を開状態にし、スイッチ４４６を閉状態にする。一方、タイミング制御回路２２０は、信号電圧サンプルホールド回路４２０のホールド中にスイッチ４２６を閉状態にし、スイッチ４４６を開状態にする。
【０１２１】
上述したように、リセット電圧サンプルホールド回路４１０および４３０を設けたため、タイミング制御回路２２０は、それらの一方のサンプル中に他方をホールドさせることができる。信号電圧についても同様である。これにより、サンプルおよびＡＤ変換が並列に実行される。
【０１２２】
例えば、奇数行の読出しの際に、リセット電圧サンプルホールド回路４１０および信号電圧サンプルホールド回路４２０は、順にリセット電圧および信号電圧をサンプルする。一方、リセット電圧サンプルホールド回路４３０および信号電圧サンプルホールド回路４４０は、サンプルした電圧をホールドし、それらの差分に応じた電流がＡＤ変換される。
【０１２３】
また、偶数行の読出しの際に、リセット電圧サンプルホールド回路４３０および信号電圧サンプルホールド回路４４０は、順にリセット電圧および信号電圧をサンプルする。一方、リセット電圧サンプルホールド回路４１０および信号電圧サンプルホールド回路４２０は、サンプルした電圧をホールドし、それらの差分に応じた電流がＡＤ変換される。
【０１２４】
このように、本技術の第１の実施の形態の変形例によれば、リセット電圧サンプルホールド回路４１０および４３０の一方がサンプルを行う一方で他方がホールドすることができる。信号電圧サンプルホールド回路４２０および４４０の組についても同様である。これにより、第１の実施の形態と比較して読出し速度を２倍にすることができる。
【０１２５】
＜２．第２の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、列ごとに、１つのサンプルホールド回路４００を配置していたが、この構成では、１行ずつしかＡＤ変換を行うことができない。この第２の実施の形態の固体撮像素子２００は、列ごとに、２つのサンプルホールド回路４００を配置して、２行同時にＡＤ変換を行う点において第１の実施の形態と異なる。
【０１２６】
図１８は、本技術の第２の実施の形態における固体撮像素子２００の一構成例を示すブロック図である。この第２の実施の形態において、画素アレイ部２３０には、列ごとに垂直信号線２４８および２４９が配線される。垂直信号線２４８は、偶数行に接続される。一方、垂直信号線２４９は奇数行に接続される。
【０１２７】
図１９は、本技術の第２の実施の形態におけるカラム信号処理回路３００の一構成例を示すブロック図である。この第２の実施の形態のカラム信号処理回路３００において、列ごとにサンプルホールド回路４００が２つ配置される。列数がＮである場合、２Ｎ個のサンプルホールド回路４００が配置される。同様に、マルチプレクサ３１０、電流源３２０、スイッチ３３１、スイッチ３５１、スイッチ３５２、電圧電流変換部３６５および電流モードＡＤＣ３７１も列ごとに２つ配置される。
【０１２８】
列に対応する一対のサンプルホールド回路４００の一方は、垂直信号線２４８を介して偶数行に接続され、他方は、垂直信号線２４９を介して奇数行に接続される。言い換えれば、２Ｎ個のサンプルホールド回路４００の半分が偶数行に接続され、残りが奇数行に接続される。また、偶数行に接続されたサンプルホールド回路４００と、奇数行に接続されたサンプルホールド回路４００とは水平方向に沿って交互に配列される。
【０１２９】
上述の構成により、カラム信号処理回路３００は、奇数行の画素信号と偶数行の画素信号とを同時に保持し、ＡＤ変換することができる。これにより、第１の実施の形態と比較して読出し速度を２倍にすることができる。
【０１３０】
なお、第２の実施の形態に、第１の実施の形態の変形例を適用することもできる。
【０１３１】
このように、本技術の第２の実施の形態によれば、列ごとに、２つのサンプルホールド回路４００を配置したため、２行分の画素信号を同時に保持し、それらを読み出すことができる。
【０１３２】
＜３．第３の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、カラム信号処理回路３００のみを配置していたが、この構成では、１行ずつしかＡＤ変換を行うことができない。この第３の実施の形態の固体撮像素子２００は、列ごとに、上側カラム信号処理回路および下側カラム信号処理回路を配置して、２行同時にＡＤ変換を行う点において第１の実施の形態と異なる。
【０１３３】
図２０は、本技術の第３の実施の形態における固体撮像素子２００の一構成例を示すブロック図である。この第３の実施の形態の固体撮像素子２００は、カラム信号処理回路３００の代わりに、上側カラム信号処理回路３０１および下側カラム信号処理回路３０２が設けられる点において第１の実施の形態と異なる。また、水平走査回路２５０の代わりに、上側水平走査回路２５１および下側水平走査回路２５２が設けられる。
【０１３４】
上側カラム信号処理回路３０１は、奇数行および偶数行の一方（奇数行など）に接続され、それらの行に対して信号処理をおこなうものである。下側カラム信号処理回路３０２は、奇数行および偶数行の他方（偶数行など）に接続され、それらの行に対して信号処理をおこなうものである。上側カラム信号処理回路３０１および下側カラム信号処理回路３０２のそれぞれの構成は、カラム信号処理回路３００と同様である。
【０１３５】
上側カラム信号処理回路３０１および下側カラム信号処理回路３０２が奇数行および偶数行を同時にＡＤ変換することにより、２行を同時に読み出すことができる。
【０１３６】
上側水平走査回路２５１は、上側カラム信号処理回路３０１を制御し、下側水平走査回路２５２は、下側カラム信号処理回路３０２を制御する。
【０１３７】
なお、第３の実施の形態に、第１の実施の形態の変形例を適用することもできる。
【０１３８】
このように、本技術の第２の実施の形態によれば、上側カラム信号処理回路３０１および下側カラム信号処理回路３０２を配置したため、２行を同時に読み出すことができる。
【０１３９】
＜４．第４の実施の形態＞
上述の第３の実施の形態では、単一のチップに固体撮像素子２００内の回路や素子を配置していたが、この構成では、画素数が増大するほど、受光チップ２０１の回路規模が増大する。この第４の実施の形態の固体撮像素子２００は、積層された２枚のチップに、分散して回路等を配置する点において第３の実施の形態と異なる。
【０１４０】
図２１は、本技術の第４の実施の形態における固体撮像素子２００の積層構造の一例を示す図である。この固体撮像素子２００は、回路チップ２０２と、その回路チップ２０２に積層された受光チップ２０１とを備える。これらのチップは、ビアなどの接続部を介して電気的に接続される。なお、ビアの他、Ｃｕ−Ｃｕ接合やバンプにより接続することもできる。
【０１４１】
図２２は、本技術の第４の実施の形態における固体撮像素子２００の一構成例を示すブロック図である。受光チップ２０１には、画素アレイ部２３０が配置される。画素アレイ部２３０以外の回路や素子は、回路チップ２０２に配置される。
【０１４２】
なお、受光チップ２０１および回路チップ２０２のそれぞれに配置する回路や素子は、同時に例示した構成に限定されない。例えば、上側カラム信号処理回路３０１および下側カラム信号処理回路３０２のそれぞれの一部の回路を受光チップ２０１に配置し、残りを回路チップ２０２に配置することもできる。
【０１４３】
また、第１、第２および第３の実施の形態のそれぞれの固体撮像素子２００を積層構造にすることもできる。第１の実施の形態の変形例の固体撮像素子２００を積層構造にすることもできる。
【０１４４】
このように、本技術の第４の実施の形態によれば、積層した受光チップ２０１および回路チップ２０２に、分散して回路等を配置したため、チップ当たりの回路規模を削減することができる。
【０１４５】
＜５．第５の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、全ての列を読み出していたが、列数が多くなるほど、ＡＤ変換の回数が増大してしまう。この第５の実施の形態の固体撮像素子２００は、水平方向において画素加算を行うことにより、ＡＤ変換の回数を削減した点において第１の実施の形態と異なる。
【０１４６】
図２３は、本技術の第５の実施の形態におけるカラム信号処理回路３００の一構成例を示すブロック図である。この第５の実施の形態のカラム信号処理回路３００は、ＶＳＬ横繋ぎ回路３３０とサンプルホールド回路４００との間にＶＳＬ加算回路３４０が配置される点において第１の実施の形態と異なる。
【０１４７】
ＶＳＬ加算回路３４０は、隣接する奇数本目の垂直信号線同士を接続するとともに、隣接する偶数本目の垂直信号線同士を接続するものである。なお、ＶＳＬ加算回路３４０は、特許請求の範囲に記載の垂直信号線加算回路の一例である。
【０１４８】
図２４は、本技術の第５の実施の形態におけるＶＳＬ加算回路３４０およびＳＨ横繋ぎ回路３５０の一構成例を示す回路図である。ＶＳＬ加算回路３４０には、インバータ３４１と、複数のスイッチ３４２と、複数のスイッチ３４３と、複数のスイッチ３４４と、複数のスイッチ３４５とが配置される。スイッチ３４２乃至３４５のそれぞれは、最後の４列を除き、４列ごとに配置される。列数がＮの場合、スイッチ３４２乃至３４５は、（Ｎ−４）／４ずつ配置される。
【０１４９】
インバータ３４１は、タイミング制御回路２２０からの制御信号ＳＷａｄｄを反転し、制御信号ｘＳＷａｄｄとしてＳＨ横繋ぎ回路３５０へ出力するものである。
【０１５０】
スイッチ３４２は、制御信号ＳＷａｄｄに従って、対応する４列のうち第１列目の垂直信号線と、第３列目の垂直信号線との間の経路を開閉するものである。スイッチ３４３は、制御信号ＳＷｖｓｌに従って、第２列目の垂直信号線と、第４列目の垂直信号線との間の経路を開閉するものである。スイッチ３４４は、制御信号ｘＳＷａｄｄに従って、第３列の垂直信号線とサンプルホールド回路４００との間の経路を開閉するものである。スイッチ３４５は、制御信号ｘＳＷａｄｄに従って、第４列の垂直信号線とサンプルホールド回路４００との間の経路を開閉するものである。
【０１５１】
また、ＳＨ横繋ぎ回路３５０には、最後の４列を除き、４列ごとにスイッチ３５１乃至３６０が配置される。列数がＮの場合、スイッチ３５１乃至３６０は、（Ｎ−４）／４個ずつ配置される。
【０１５２】
スイッチ３５１は、制御信号ＳＷｓに従って、対応する４列のうち第１列目の信号電圧を伝送する出力信号線４０８と、第２列目の信号電圧を伝送する出力信号線４０８との間の経路を開閉するものである。スイッチ３５２は、制御信号ＳＷｓに従って、第１列目のリセット電圧を伝送する出力信号線４０９と、第２列目のリセット電圧を伝送する出力信号線４０９との間の経路を開閉するものである。
【０１５３】
スイッチ３５３は、制御信号ｘＳＷａｄｄに従って、第２列目の出力信号線４０８と第３列目の出力信号線４０８との間の経路を開閉するものである。スイッチ３５４は、制御信号ｘＳＷａｄｄに従って、第２列目の出力信号線４０９と第３列目の出力信号線４０９との間の経路を開閉するものである。
【０１５４】
スイッチ３５５は、制御信号ＳＷｓに従って、第３列目の出力信号線４０８と、第４列目の出力信号線４０８との間の経路を開閉するものである。スイッチ３５６は、制御信号ＳＷｓに従って、第３列目の出力信号線４０９と、第４列目の出力信号線４０９との間の経路を開閉するものである。
【０１５５】
スイッチ３５７は、制御信号ｘＳＷａｄｄに従って、第４列目の出力信号線４０８と、次の４列のうち第１列目の出力信号線４０８との間の経路を開閉するものである。スイッチ３５８は、制御信号ＳＷａｄｄに従って、第２列目の出力信号線４０８と、次の４列のうち第１列目の出力信号線４０８との間の経路を開閉するものである。
【０１５６】
スイッチ３５９は、制御信号ｘＳＷａｄｄに従って、第４列目の出力信号線４０９と、次の４列のうち第１列目の出力信号線４０９との間の経路を開閉するものである。スイッチ３６０は、制御信号ＳＷａｄｄに従って、第２列目の出力信号線４０９と、次の４列のうち第１列目の出力信号線４０９との間の経路を開閉するものである。
【０１５７】
タイミング制御回路２２０は、水平方向の画素加算を行う場合に制御信号ＳＷａｄｄにより、スイッチ３４２乃至３４５を閉状態にする。これにより、第１列の垂直信号線と第３列の垂直信号線とが接続され、第２列の垂直信号線と第４列の垂直信号線とが接続される。言い換えれば、隣接する奇数本目（第１列および第３列）の垂直信号線が接続され、隣接する偶数本目（第２列および第４列）の垂直信号線が接続される。この結果、第１列および第３列の画素信号が加算され、第２列および第４列の画素信号が加算される。
【０１５８】
一方、画素加算を行わない場合にタイミング制御回路２２０は、スイッチ３４２乃至３４５を開状態にする。
【０１５９】
図２５は、本技術の第５の実施の形態における垂直信号線を接続（すなわち、画素加算）する場合のＶＳＬ加算回路３４０およびＳＨ横繋ぎ回路３５０の状態を示す回路図である。
【０１６０】
ゲイン補正値を算出する場合、第１の実施の形態と同様に制御信号ＳＷｓにより、スイッチ３５１、３５２、３５５および３５６が閉状態に制御され、サンプルホールド回路４００の出力が横繋ぎされる。
【０１６１】
制御信号ＳＷａｄｄにより、スイッチ３４２、３４３、３５８および３６０は閉状態に制御される。また、制御信号ｘＳＷａｄｄにより、スイッチ３４４、３４５、３５３、３５４、３５７および３５９は開状態に制御される。これにより、第１列および第３列などの垂直信号線が横繋ぎされる。垂直信号線の横繋ぎ（画素加算）により、画素数が半分に間引かれる。この結果、読出し速度が向上し、消費電力が低減する。
【０１６２】
オフセット補正値を算出する場合、制御信号ＳＷａｄｄはそのままで、制御信号ＳＷｓにより、サンプルホールド回路４００の出力の横繋ぎが解除される。
【０１６３】
図２６は、本技術の第５の実施の形態における垂直信号線を接続（すなわち、画素加算）しない場合のＶＳＬ加算回路３４０およびＳＨ横繋ぎ回路３５０の状態を示す回路図である。
【０１６４】
ゲイン補正値を算出する場合、第１の実施の形態と同様に制御信号ＳＷｓにより、スイッチ３５１、３５２、３５５および３５６が閉状態に制御され、サンプルホールド回路４００の出力が横繋ぎされる。
【０１６５】
制御信号ＳＷａｄｄにより、スイッチ３４２、３４３、３５８および３６０は開状態に制御される。また、制御信号ｘＳＷａｄｄにより、スイッチ３４４、３４５、３５３、３５４、３５７および３５９は閉状態に制御される。これにより、第１列および第３列などの垂直信号線の横繋ぎが解除される。この場合には、画素が間引かれず、第１の実施の形態と同様の個数の画素信号が読み出される。
【０１６６】
オフセット補正値を算出する場合、制御信号ＳＷａｄｄはそのままで、制御信号ＳＷｓにより、サンプルホールド回路４００の出力の横繋ぎが解除される。
【０１６７】
なお、第５の実施の形態に、第２、第３および第４の実施の形態や、第１の実施の形態の変形例を適用することもできる。
【０１６８】
このように本技術の第５の実施の形態によれば、ＶＳＬ加算回路３４０が、隣接する垂直信号線を接続するため、水平方向に画素加算を行うことができる。これにより、画素数を間引いて、読出し速度を向上させ、消費電力を低減することができる。
【０１６９】
＜６．第６の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、電流信号を変換対象とする電流モードＡＤＣ３７１によりＡＤ変換を行っていたが、この構成では、電流モードＡＤＣ３７１の前段に電圧電流変換部３６５が必要となる。この第６の実施の形態の固体撮像素子２００は、電圧を変換対象とするＡＤＣによりＡＤ変換を行い、電圧電流変換部３６５を不要とした点により第１の実施の形態と異なる。
【０１７０】
図２７は、本技術の第６の実施の形態におけるカラム信号処理回路３００の一構成例を示すブロック図である。この第６の実施の形態のカラム信号処理回路３００は、電圧電流変換部３６５およびアナログデジタル変換部３７０の代わりに、選択回路３８０および信号処理ブロック３８５を備える点において第１の実施の形態と異なる。
【０１７１】
選択回路３８０は、出力信号線４０８および４０９のいずれかを選択し、その選択した信号線の電圧をアナログ入力信号Ａｉｎとして信号処理ブロック３８５に供給するものである。この選択回路３８０には、列ごとに、スイッチ３８１および３８２が配置される。列数がＮである場合、スイッチ３８１および３８２は、Ｎ個ずつ配置される。
【０１７２】
スイッチ３８１は、タイミング制御回路２２０からの制御信号ＳＷｄに従って、信号電圧を伝送する出力信号線４０８と、信号処理ブロック３８５との間の経路を開閉するものである。スイッチ３８２は、タイミング制御回路２２０からの制御信号ＳＷｐに従って、リセット電圧を伝送する出力信号線４０９と、信号処理ブロック３８５との間の経路を開閉するものである。
【０１７３】
リセット電圧をＡＤ変換する際に、タイミング制御回路２２０は、制御信号ＳＷｄおよびＳＷｐにより、スイッチ３８１を開状態に、スイッチ３８２を閉状態に制御する。これにより、リセット電圧がアナログ入力信号Ａｉｎとして信号処理ブロック３８５に入力される。
【０１７４】
一方、信号電圧をＡＤ変換する際に、タイミング制御回路２２０は、制御信号ＳＷｄおよびＳＷｐにより、スイッチ３８１を閉状態に、スイッチ３８２を開状態に制御する。これにより、信号電圧がアナログ入力信号Ａｉｎとして信号処理ブロック３８５に入力される。
【０１７５】
図２８は、本技術の第６の実施の形態における信号処理ブロック３８５の一構成例を示すブロック図である。この信号処理ブロック３８５には、列ごとに、比較器３８６、ラッチ回路３８７およびスイッチ３８８が配置される。列数がＮである場合、比較器３８６、ラッチ回路３８７およびスイッチ３８８はＮ個ずつ配置される。
【０１７６】
比較器３８６は、一対のアナログ入力信号の差分を所定のゲインにより増減してアナログ出力信号ＶＣＯとして出力するものである。これらの一対のアナログ入力信号の一方は、選択回路３８０からのアナログ入力信号Ｖｉｎ（すなわち、リセット電圧および信号電圧のいずれか）であり、他方は、ＤＡＣ（不図示）からのランプ信号ＲＭＰである。このランプ信号ＲＭＰは、参照電圧を示すスロープ状の信号である。アナログ出力信号ＶＣＯは、アナログ入力信号Ｖｉｎおよびランプ信号ＲＭＰの比較結果を示す。
【０１７７】
ここで、アナログ出力信号ＶＣＯのレベルは、次の式により表される。
ＶＣＯ＝Ａｖ×（Ａｉｎ−ＲＭＰ）＋Ｏｆｓ＝Ａｖ×Ｖｉｎ＋Ｏｆｓ
上式において、Ａｖは、アナログ入力信号Ａｉｎおよびランプ信号ＲＭＰの差分に対するゲインである。
【０１７８】
ラッチ回路３８７は、アナログ出力信号ＶＣＯをデジタル信号Ｄｏｕｔに変換するものである。このラッチ回路３８７には、ランプ信号ＲＭＰが変化する期間内の相対時刻を示す時刻コードと、対応する列のアナログ出力信号ＶＣＯとが入力される。ラッチ回路３８７は、アナログ出力信号ＶＣＯが反転したときの時刻コードを保持し、スイッチ３８８へデジタル信号Ｄｏｕｔとして出力する。
【０１７９】
なお、ラッチ回路３８７の代わりに、アナログ出力信号ＶＣＯが反転するまでの期間に亘って計数を行うカウンタを配置することもできる。
【０１８０】
比較器３８６およびラッチ回路３８７により、アナログ入力信号Ａｉｎがデジタル信号Ｄｏｕｔに変換される。すなわち、比較器３８６およびラッチ回路３８７は、ＡＤＣとして機能する。また、ランプ信号ＲＭＰのようにスロープ状の信号を用いるＡＤＣ（比較器３８６およびラッチ回路３８７など）は、一般にシングルスロープ型ＡＤＣと呼ばれる。なお、各列のラッチ回路３８７からなる回路は、特許請求の範囲に記載のアナログデジタル変換部の一例である。
【０１８１】
スイッチ３８８は、水平走査回路２５０の制御に従って、対応する列のデジタル信号Ｄｏｕｔを出力部３７５へ出力するものである。
【０１８２】
タイミング制御回路２２０は、第１の実施の形態と同様に、サンプルホールド回路４００の出力を横繋ぎして、ゲインＡｖのばらつきによるノイズを補正するためのゲイン補正値を算出させる。また、タイミング制御回路２２０は、サンプルホールド回路４００の出力の横繋ぎを解除して、オフセット補正値を算出させる。
【０１８３】
なお、第６の実施の形態に、第２、第３および第４の実施の形態のそれぞれを適用することもできる。
【０１８４】
このように、本技術の第６の実施の形態によれば、信号処理ブロック３８５は、リセット電圧および信号電圧のいずれかをデジタル信号に変換するため、電圧電流変換部３６５を用いずに、ＡＤ変換を行うことができる。これにより、電圧電流変換部３６５を設ける場合と比較して、回路規模を削減することができる。
【０１８５】
＜７．移動体への応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
【０１８６】
図２９は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
【０１８７】
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図２９に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ(interface)１２０５３が図示されている。
【０１８８】
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
【０１８９】
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
【０１９０】
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
【０１９１】
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
【０１９２】
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
【０１９３】
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ(Advanced Driver Assistance System)の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
【０１９４】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０１９５】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
【０１９６】
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図２９の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
【０１９７】
図３０は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
【０１９８】
図３０では、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。
【０１９９】
撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
【０２００】
なお、図３０には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
【０２０１】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
【０２０２】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０２０３】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
【０２０４】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
【０２０５】
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１２０３１に適用され得る。具体的には、図１の撮像装置１００は、撮像部１２０３１に適用することができる。撮像部１２０３１に本開示に係る技術を適用することにより、ゲインのばらつきによるランダムノイズを低減し、より見やすい撮影画像を得ることができるため、ドライバの疲労を軽減することが可能になる。
【０２０６】
なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。
【０２０７】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。
【０２０８】
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）一対のアナログ入力信号の差分を所定のゲインにより増減してアナログ出力信号として出力する複数のアナログ出力部と、
前記複数のアナログ出力部のぞれぞれの前記アナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部と、
前記複数のアナログ出力部のそれぞれの前記ゲインのばらつきによる前記デジタル信号のノイズを補正する補正処理部と
を具備する固体撮像素子。
（２）受光量に応じた信号電圧と所定のリセット電圧とを順にサンプルして保持し、前記信号電圧および前記リセット電圧を前記一対のアナログ入力信号として一対の出力信号線を介して出力する複数のサンプルホールド回路をさらに具備する
前記（１）記載の固体撮像素子。
（３）前記複数のサンプルホールド回路のそれぞれの前記一対の出力信号線の間の経路を開閉するサンプルホールド横繋ぎ回路をさらに具備する
請求項２記載の固体撮像素子。
（４）前記補正処理部は、
前記経路が閉状態である場合には前記ゲインのばらつきによるノイズを補正するための補正値をゲイン補正値として算出するゲイン補正値算出回路と、
前記経路が開状態である場合には前記複数のサンプルホールド回路のそれぞれのオフセットのばらつきによるノイズを補正するための前記補正値をオフセット補正値として算出するオフセット補正値算出回路と、
前記算出されたゲイン補正値と前記算出されたオフセット補正値とを用いて前記ノイズを補正する補正演算回路と
を備える前記（３）記載の固体撮像素子。
（５）前記アナログ出力信号は、前記信号電圧と前記リセット電圧との差分を前記ゲインにより増減した電流信号である
前記（３）または（４）に記載の固体撮像素子。
（６）前記複数のサンプルホールド回路のそれぞれは、
一対のリセット電圧サンプルホールド回路と、
一対の信号電圧サンプルホールド回路と
を備え、
前記一対のリセット電圧サンプルホールド回路の一方が前記リセット電圧をサンプルするときに他方が保持し、
前記一対の信号電圧サンプルホールド回路の一方が前記信号電圧をサンプルするときに他方が保持する
前記（３）から（５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（７）複数の行を配列した画素アレイ部をさらに具備し、
前記複数の行のそれぞれは所定方向に配列された複数の画素からなり、
前記複数のサンプルホールド回路の半分は、前記複数の行のうち偶数行に接続され、前記複数のサンプルホールド回路の残りは、前記複数の行のうち奇数行に接続され、
前記偶数行に接続されたサンプルホールド回路と、前記奇数行に接続されたサンプルホールド回路とは、前記所定方向に沿って交互に配列される
前記（３）から（６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（８）複数の行を配列した画素アレイ部をさらに具備し、
前記複数のサンプルホールド回路の半分は、上側カラム信号処理回路に配置され、残りは、下側カラム信号処理回路に配置され、
前記上側カラム信号処理回路は、前記複数の行内の奇数行および偶数行の一方に接続され、前記下側カラム信号処理回路は、前記奇数行および前記偶数行のうち他方に接続される
前記（３）から（５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（９）複数の画素を配列した画素アレイ部をさらに具備し、
前記画素アレイ部は、所定の受光チップに配置され、
前記複数のサンプルホールド回路と前記サンプルホールド横繋ぎ回路と前記複数のアナログ出力部と前記アナログデジタル変換部と前記補正処理部との少なくとも一部は、所定の回路チップに配置される
前記（３）から（８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１０）互いに異なる前記サンプルホールド回路に接続された複数の垂直信号線が配線された画素アレイ部と、
前記複数の垂直信号線のうち隣接する奇数本目の信号線同士を接続するとともに前記複数の垂直信号線のうち隣接する偶数本目の信号線同士を接続する垂直信号線加算回路と
をさらに具備する
前記（３）から（９）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１１）画素の受光量に応じた信号電圧と所定のリセット電圧とを順にサンプルして保持し、前記信号電圧および前記リセット電圧を一対の出力信号線を介して出力する複数のサンプルホールド回路と、
前記複数のサンプルホールド回路のそれぞれの前記一対の出力信号線の一方を選択し、当該選択した信号線の電圧を前記一対のアナログ入力信号の一方として前記アナログデジタル変換部へ出力する選択回路と
をさらに具備し、
前記一対のアナログ入力信号の他方は、所定の参照電圧である
前記（１）に記載の固体撮像素子。
（１２）一対のアナログ入力信号の差分を所定のゲインにより増減してアナログ出力信号として出力する複数のアナログ出力部と、
前記複数のアナログ出力部のぞれぞれの前記アナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部と、
前記複数のアナログ出力部のそれぞれの前記ゲインのばらつきによる前記デジタル信号のノイズを補正する補正処理部と、
前記デジタル信号のそれぞれを含む画像データに対して所定の画像処理を行うデジタル信号処理回路と
を具備する撮像装置。
（１３）複数のアナログ出力部のそれぞれが、一対のアナログ入力信号の差分を所定のゲインにより増減してアナログ出力信号として出力するアナログ出力手順と、
前記複数のアナログ出力部のぞれぞれの前記アナログ出力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換手順と、
前記複数のアナログ出力部のそれぞれの前記ゲインのばらつきによる前記デジタル信号のノイズを補正する補正処理手順と
を具備する固体撮像素子の制御方法。
【符号の説明】
【０２０９】
１００  撮像装置
１１０  光学部
１２０  ＤＳＰ回路
１３０  表示部
１４０  操作部
１５０  バス
１６０  フレームメモリ
１７０  記憶部
１８０  電源部
２００  固体撮像素子
２０１  受光チップ
２０２  回路チップ
２１０  垂直走査回路
２２０  タイミング制御回路
２３０  画素アレイ部
２４０  画素
２４１  光電変換素子
２４２  転送スイッチ
２４３  増幅回路
２５０  水平走査回路
２５１  上側水平走査回路
２５２  下側水平走査回路
２６０  テスト電圧発生部
２７０  補正処理部
２７１、２８１  デマルチプレクサ
２８０  補正値算出回路
２８２  オフセット補正値算出回路
２８３  ゲイン補正値算出回路
２８４  補正値保持部
２９０  補正演算回路
２９１  ラインバッファ
２９２  減算器
２９３  乗算器
３００  カラム信号処理回路
３０１  上側カラム信号処理回路
３０２  下側カラム信号処理回路
３１０  マルチプレクサ
３２０、３６６  電流源
３３０  ＶＳＬ横繋ぎ回路
３３１、３４２〜３４５、３５１〜３６０、３８１、３８２、３８８、４１１、４１３、４１４、４１６、４２１、４２３、４２４、４２６、４３１、４３３、４３４、４３６、４４１、４４３、４４４、４４６  スイッチ
３４０  ＶＳＬ加算回路
３４１、３６１  インバータ
３５０  ＳＨ横繋ぎ回路
３６２、３６８、３６９  ｎＭＯＳトランジスタ
３６３  ｐＭＯＳトランジスタ
３６５  電圧電流変換部
３６７  抵抗
３７０  アナログデジタル変換部
３７１  電流モードＡＤＣ
３７５  出力部
３８０  選択回路
３８５  信号処理ブロック
３８６  比較器
３８７  ラッチ回路
４００  サンプルホールド回路
４１０、４３０  リセット電圧サンプルホールド回路
４２０、４４０  信号電圧サンプルホールド回路
４１２、４２２、４３２、４４２  コンデンサ
４１５、４２５、４３５、４４５  アンプ
１２０３１  撮像部
【図１】
2020191543.tif 000003
【図２】
2020191543.tif 000004
【図３】
2020191543.tif 000005
【図４】
2020191543.tif 000006
【図５】
2020191543.tif 000007
【図６】
2020191543.tif 000008
【図７】
2020191543.tif 000009
【図８】
2020191543.tif 000010
【図９】
2020191543.tif 000011
【図１０】
2020191543.tif 000012
【図１１】
2020191543.tif 000013
【図１２】
2020191543.tif 000014
【図１３】
2020191543.tif 000015
【図１４】
2020191543.tif 000016
【図１５】
2020191543.tif 000017
【図１６】
2020191543.tif 000018
【図１７】
2020191543.tif 000019
【図１８】
2020191543.tif 000020
【図１９】
2020191543.tif 000021
【図２０】
2020191543.tif 000022
【図２１】
2020191543.tif 000023
【図２２】
2020191543.tif 000024
【図２３】
2020191543.tif 000025
【図２４】
2020191543.tif 000026
【図２５】
2020191543.tif 000027
【図２６】
2020191543.tif 000028
【図２７】
2020191543.tif 000029
【図２８】
2020191543.tif 000030
【図２９】
2020191543.tif 000031
【図３０】
2020191543.tif 000032