(57)【要約】【課題】それぞれ光感度が異なる複数の小画素を含む小画素群を備える画素構成とし、信号電荷の高速な読み出しを可能とする固体撮像装置を提供すること。【解決手段】実施形態によれば、固体撮像装置は、画素アレイ１２及びＡＤ変換ユニット２３，２４を有する。ＡＤ変換ユニット２３，２４は、複数のＡＤ変換器を水平方向へ配列させてなる。画素は、小画素群２１として構成されている。小画素群２１は、複数の小画素からなる。複数の小画素は、それぞれ信号電荷を読み出し可能とされている。小画素群２１は、互いに光感度が異なる二以上の小画素を含む。固体撮像装置は、Ｎ個のＡＤ変換ユニット２３，２４を備える。Ｎは、小画素群２１ごとにおいて垂直方向へ配列されている小画素の数とする。Ｎは、２以上の整数とする。【選択図】図４
2014150444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平方向及び垂直方向へ配列された複数の画素を備え、各画素への入射光量に応じた信号電荷を生成する画素アレイと、
前記画素から読み出されたアナログ信号をデジタル信号へ変換するＡＤ変換器を備え、複数の前記ＡＤ変換器を前記水平方向へ配列させてなるＡＤ変換ユニットと、を有し、
前記画素は、それぞれ前記信号電荷を読み出し可能な複数の小画素からなる小画素群として構成され、
前記小画素群は、互いに光感度が異なる二以上の前記小画素を含み、
前記小画素群ごとにおいて前記垂直方向へ配列されている前記小画素の数をＮ（ただし、Ｎは２以上の整数）として、
Ｎ個の前記ＡＤ変換ユニットからなる第１のＡＤ変換ユニット群と、
Ｎ個の前記ＡＤ変換ユニットからなり、前記垂直方向において、前記画素アレイを介して前記第１のＡＤ変換ユニット群に対向して配置されている第２のＡＤ変換ユニット群と、を備え、
前記第１のＡＤ変換ユニット群と前記第２のＡＤ変換ユニット群とは、前記画素アレイの領域を互いに分担してＡＤ変換を実施可能であり、かつ、前記第１のＡＤ変換ユニット群が前記ＡＤ変換を実施する領域の範囲と、前記第２のＡＤ変換ユニット群が前記ＡＤ変換を実施する領域の範囲とを可変とすることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
水平方向及び垂直方向へ配列された複数の画素を備え、各画素への入射光量に応じた信号電荷を生成する画素アレイと、
前記画素から読み出されたアナログ信号をデジタル信号へ変換するＡＤ変換器を備え、複数の前記ＡＤ変換器を前記水平方向へ配列させてなるＡＤ変換ユニットと、を有し、
前記画素は、それぞれ前記信号電荷を読み出し可能な複数の小画素からなる小画素群として構成され、
前記小画素群は、互いに光感度が異なる二以上の前記小画素を含み、
前記小画素群ごとにおいて前記垂直方向へ配列されている前記小画素の数をＮ（ただし、Ｎは２以上の整数）として、Ｎ個の前記ＡＤ変換ユニットを備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素アレイは、互いに前記垂直方向において隣り合う第１画素領域と第２画素領域とに区分けされ、
前記第１画素領域に含まれる前記画素からの前記アナログ信号を前記デジタル信号へ変換するＮ個の前記ＡＤ変換ユニットからなる第１のＡＤ変換ユニット群と、
前記第２画素領域に含まれる前記画素からの前記アナログ信号を前記デジタル信号へ変換するＮ個の前記ＡＤ変換ユニットからなる第２のＡＤ変換ユニット群と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
Ｎ個の前記ＡＤ変換ユニットからなる第１のＡＤ変換ユニット群と、
Ｎ個の前記ＡＤ変換ユニットからなり、前記垂直方向において、前記画素アレイを介して前記第１のＡＤ変換ユニット群に対向して配置されている第２のＡＤ変換ユニット群と、を備え、
前記第１のＡＤ変換ユニット群と前記第２のＡＤ変換ユニット群とは、前記画素アレイの領域を互いに分担してＡＤ変換を実施可能であり、かつ、前記第１のＡＤ変換ユニット群が前記ＡＤ変換を実施する領域の範囲と、前記第２のＡＤ変換ユニット群が前記ＡＤ変換を実施する領域の範囲とを可変とすることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記ＡＤ変換器は、前記アナログ信号による入力電圧の、参照電圧との比較に要する時間をカウントした結果を基に、前記デジタル信号を生成し、
撮像において前記小画素への複数回の露光を実施し、前記複数回の露光による結果を合計した前記デジタル信号を得る場合に、
前記ＡＤ変換器は、前記複数回の露光のうち二回目以降の各回の露光において、前回の露光からリセットせずに保持しているカウント値に続けてカウントを実施することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置は、画素数の増加や画素の微細化により、画素のダイナミックレンジが低下してきている。固体撮像装置は、被写体のうち輝度が高い部分において、入射光量に対する出力電荷の飽和が生じやすくなっている。かかる出力電荷の飽和に対しては、例えば、出力ゲインの減少、電荷蓄積時間の短縮などの措置が取られることがある。この場合、輝度が高い部分について出力電荷の飽和を低減できる一方、輝度が低い部分において最適な出力を得ることが困難となる。
【０００３】
ハイダイナミックレンジ（high  dynamic  range；ＨＤＲ）合成は、通常の撮影に比べて幅広いダイナミックレンジを表現するための撮影技法として知られている。ＨＤＲ合成の手法として、例えば、水平方向へ画素を並列させてなる水平ラインごとに、電荷蓄積時や出力ゲインを異ならせるものがある。この手法によると、通常の撮影の場合に対して垂直方向における解像度を実質的に半減させることになるため、解像度の低下が問題となる。
【０００４】
また、ＨＤＲ合成の他の手法としては、例えば、電荷蓄積時間や出力ゲインを互いに異ならせて取得された二以上の画像を合成するものがある。この手法によると、イメージセンサによる出力周期に対して、合成画像のフレームレートに遅れが生じることとなる。このため、特に動画を撮影する場合に、被写体像のブレ（モーションブラー）が生じ易くなることが課題となる。また、複数の画像についてフレームタイミングを同時化させるためのフレームメモリが必要であることから、回路規模の増大によるコストの増加、消費電力の増加が問題となる。
【０００５】
このような問題に対して、固体撮像装置は、例えば、通常の１画素を、複数の小画素からなる小画素群として構成する措置を取りうる。それぞれ光感度が異なる複数の小画素を含む小画素群から、最適な出力の小画素を信号処理において選択し、当該画素の出力とする。この方法では、通常の１画素ごとの信号電荷を読み出す場合に比べて、画素アレイから読み出される信号量が増大することで、信号電荷の高速な読み出しが困難となる。固体撮像装置は、画素アレイからの信号電荷の高速な読み出しが困難となることで、フレームレートの低下が問題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１０４９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の一つの実施形態は、それぞれ光感度が異なる複数の小画素を含む小画素群を備える画素構成とし、信号電荷の高速な読み出しを可能とする固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つの実施形態によれば、固体撮像装置は、画素アレイ及びＡＤ変換ユニットを有する。画素アレイは、水平方向及び垂直方向へ配列された複数の画素を備える。画素アレイは、各画素への入射光量に応じた信号電荷を生成する。ＡＤ変換ユニットは、ＡＤ変換器を備える。ＡＤ変換器は、画素から読み出されたアナログ信号をデジタル信号へ変換する。ＡＤ変換ユニットは、複数のＡＤ変換器を水平方向へ配列させてなる。画素は、小画素群として構成されている。小画素群は、複数の小画素からなる。複数の小画素は、それぞれ信号電荷を読み出し可能とされている。小画素群は、互いに光感度が異なる二以上の小画素を含む。固体撮像装置は、Ｎ個のＡＤ変換ユニットを備える。Ｎは、小画素群ごとにおいて垂直方向へ配列されている小画素の数とする。Ｎは、２以上の整数とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】図１に示す固体撮像装置を備えるデジタルカメラの概略構成を示すブロック図。
【図３】画素アレイ、画素及び小画素について説明する図。
【図４】ＡＤＣと、画素アレイに配列されている小画素とを示す模式図。
【図５】ＨＤＲ合成部によるＨＤＲ合成について説明する図。
【図６】ＨＤＲ合成部によるＨＤＲ合成について説明する図。
【図７】第２の実施形態にかかる固体撮像装置のうちの画素アレイ、及びその周辺の構成要素を示す模式図。
【図８】ＡＤＣと、画素アレイに配列されている小画素とを示す模式図。
【図９】第３の実施形態にかかる固体撮像装置のうちの画素アレイ、及びその周辺の構成要素を示す模式図。
【図１０】ＡＤＣと、画素アレイに配列されている小画素とを示す模式図。
【図１１】複数の露光結果の加算について説明する図。
【図１２】複数の露光結果の加算について説明する図。
【図１３】複数の露光結果の加算について説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す固体撮像装置を備えるデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。
【００１２】
デジタルカメラ１は、カメラモジュール２及び後段処理部３を有する。カメラモジュール２は、撮像光学系４及び固体撮像装置５を有する。後段処理部３は、イメージシグナルプロセッサ（image  signal  processor；ＩＳＰ）６、記憶部７及び表示部８を有する。カメラモジュール２は、デジタルカメラ１以外に、例えばカメラ付き携帯端末等の電子機器に適用される。
【００１３】
撮像光学系４は、被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる。固体撮像装置５は、被写体像を撮像する。ＩＳＰ６は、固体撮像装置５での撮像により得られた画像信号の信号処理を実施する。記憶部７は、ＩＳＰ６での信号処理を経た画像を格納する。記憶部７は、ユーザの操作等に応じて、表示部８へ画像信号を出力する。表示部８は、ＩＳＰ６あるいは記憶部７から入力される画像信号に応じて、画像を表示する。表示部８は、例えば、液晶ディスプレイである。
【００１４】
固体撮像装置５は、イメージセンサ１０及び信号処理回路１１を備える。イメージセンサ１０は、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor）イメージセンサである。イメージセンサ１０は、画素アレイ１２、垂直シフトレジスタ１３、水平シフトレジスタ１４、タイミング制御部１５、相関二重サンプリング部（ＣＤＳ）１６、自動利得制御部（ＡＧＣ）１７及びアナログデジタル変換部（ＡＤＣ）１８を有する。
【００１５】
画素アレイ１２は、イメージセンサ１０の撮像領域に設けられている。画素アレイ１２は、水平方向（行方向）及び垂直方向（列方向）へアレイ状に配置された複数の画素からなる。各画素は、光電変換素子であるフォトダイオードを備える。画素アレイ１２は、各画素への入射光量に応じた信号電荷を生成する。
【００１６】
図３は、画素アレイ、画素及び小画素について説明する図である。画素２０は、小画素群２１を構成する。小画素群２１は、４つの小画素２２からなる。各小画素群２１において、小画素２２は、水平方向へ２つ、垂直方向へ２つのマトリクスをなして配置されている。各小画素２２は、それぞれ信号電荷を読み出し可能に構成されている。小画素群２１は、互いに光感度が異なる二以上の小画素２２を含む。
【００１７】
タイミング制御部１５は、画素アレイ１２の各小画素２２からの信号を読み出すタイミングを指示するタイミング信号を、垂直シフトレジスタ１３及び水平シフトレジスタ１４へ供給する。垂直シフトレジスタ１３は、タイミング制御部１５からのタイミング信号に応じて、画素アレイ１２内の小画素２２を行ごとに選択する。垂直シフトレジスタ１３は、選択した行の各小画素２２へ読み出し信号を出力する。
【００１８】
垂直シフトレジスタ１３から読み出し信号が入力された小画素２２は、入射光量に応じて蓄積した信号電荷を出力する。画素アレイ１２は、小画素２２からの信号を、垂直信号線を介してＣＤＳ１６へ出力する。垂直シフトレジスタ１３は、画素アレイ１２のうち、信号電荷を読み出す行を選択する行選択回路として機能する。
【００１９】
ＣＤＳ１６は、画素アレイ１２からの信号に対し、固定パターンノイズの低減のための相関二重サンプリング処理を行う。ＡＧＣ１７は、ＣＤＳ１６における相関二重サンプリング処理を経た信号を増幅する。ＡＤＣ１８は、ＡＧＣ１７における増幅を経た信号を、アナログ方式からデジタル方式へ変換する。水平シフトレジスタ１４は、ＡＤＣ１８にてデジタル方式へ変換された信号を、タイミング制御部１５からのタイミング信号に応じて、順次読み出す。
【００２０】
信号処理回路１１は、水平シフトレジスタ１４によって読み出されたデジタル画像信号に対し、各種の信号処理を実施する。信号処理回路１１は、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）合成部１９を有する。ＨＤＲ合成部１９は、信号処理回路１１へ入力されたデジタル画像信号に対し、ＨＤＲ合成を実施する。信号処理回路１１は、ＨＤＲ合成部１９によるＨＤＲ合成の他、例えば、キズ補正、ノイズリダクション、シェーディング補正、ホワイトバランス調整等の信号処理を実施する。固体撮像装置５は、信号処理回路１１での信号処理を経たデジタル画像信号を出力する。
【００２１】
図４は、ＡＤＣと、画素アレイに配列されている小画素とを示す模式図である。画素アレイ１２は、例えば、赤色（Ｒ）光を検出する小画素群２１Ｒ、緑色（Ｇ）光を検出する小画素群２１Ｇ、青色（Ｂ）光を検出する小画素群２１Ｂがベイヤー配列をなしている。
【００２２】
小画素群２１を構成する４つの小画素２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄは、互いに光感度を異ならせて構成されている。本実施形態では、４つの小画素２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄのうち、小画素２２Ａは、最も高い光感度をなす。小画素２２Ａに次いで、小画素２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄの順序で、光感度は低くなる。
【００２３】
本実施形態では、小画素２２Ａは、各小画素群２１において左上部分に位置する小画素を指すものとする。同じ列上における小画素２２Ａ同士は、共通の垂直信号線３１に接続されている。小画素２２Ｃは、各小画素群２１において左下部分に位置する小画素を指すものとする。同じ列上における小画素２２Ｃ同士は、共通の垂直信号線３２に接続されている。
【００２４】
小画素２２Ｂは、各小画素群２１において右上部分に位置する小画素を指すものとする。同じ列上における小画素２２Ｂ同士は、共通の垂直信号線３３に接続されている。小画素２２Ｄは、各小画素群２１において右下部分に位置する小画素を指すものとする。同じ列上における小画素２２Ｄ同士は、共通の垂直信号線３４に接続されている。なお、互いに光感度を異ならせた小画素２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄの配置の態様は、本実施形態のとおりである場合に限られず、任意であるものとする。
【００２５】
画素アレイ１２は、例えば、受光面積を異ならせることにより、光検出の感度を異ならせる。例えば、４つの小画素２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄは、受光面の上に、入射光が通過する開口を備える。本実施形態では、４つの小画素２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄのうち、小画素２２Ａは、開口の面積が最も大きい。小画素２２Ａに次いで、小画素２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄの順序で、開口の面積は小さくなる。
【００２６】
なお、固体撮像装置５は、受光面積に応じて各小画素２２の光感度を異ならせたものである場合に限られない。固体撮像装置５は、受光面積のほか、例えば電子シャッター時間やアナログゲインなどに応じて、各小画素２２の光感度を異ならせたものとしても良い。固体撮像装置５は、受光面積、電子シャッター時間、アナログゲインなどのうちの二以上を組み合わせて、各小画素２２の光感度を調整することとしても良い。
【００２７】
図５及び図６は、ＨＤＲ合成部によるＨＤＲ合成について説明する図である。図５及び図６に示すグラフにおいて、縦軸は出力レベル、横軸は入射光量を表す。小画素２２Ａの入射光量が所定の飽和光量Ｌ１となったとき、小画素２２Ａで発生する信号電荷がフォトダイオードの蓄積容量に達するとする。図５に示すように、入射光量が飽和光量Ｌ１より大きいとき、小画素２２Ａの出力電荷が飽和することで、小画素２２Ａからの信号Ｓ１の出力レベルは一定となる。
【００２８】
小画素２２Ｂの入射光量が所定の飽和光量Ｌ２（Ｌ２＞Ｌ１とする）となったとき、小画素２２Ｂで発生する信号電荷がフォトダイオードの蓄積容量に達するとする。入射光量が飽和光量Ｌ２より大きいとき、小画素２２Ｂの出力電荷が飽和することで、小画素２２Ｂからの信号Ｓ２の出力レベルは一定となる。
【００２９】
小画素２２Ｃの入射光量が所定の飽和光量Ｌ３（Ｌ３＞Ｌ２とする）となったとき、小画素２２Ｃで発生する信号電荷がフォトダイオードの蓄積容量に達するとする。入射光量が飽和光量Ｌ３より大きいとき、小画素２２Ｃの出力電荷が飽和することで、小画素２２Ｃからの信号Ｓ３の出力レベルは一定となる。小画素２２Ｄからの信号Ｓ４の出力レベルは、小画素２２Ｃの飽和光量Ｌ３より入射光量が大きい場合も、入射光量の増加に比例して高くなる。
【００３０】
ＨＤＲ合成部１９は、入射光量がＬ１より大きくかつＬ２以下であるとき、Ｓ１とＳ２との加算によるＨＤＲ合成を実施する。ＨＤＲ合成の際、ＨＤＲ合成部１９は、小画素２２Ｂの出力レベルを小画素２２Ａの出力レベルに一致させるために、Ｓ２に所定のゲインＭ１を乗算する。
【００３１】
ＨＤＲ合成部１９は、入射光量がＬ２より大きくかつＬ３以下であるとき、Ｓ１、Ｓ２及びＳ３の加算によるＨＤＲ合成を実施する。ＨＤＲ合成の際、ＨＤＲ合成部１９は、小画素２２Ｂ及び小画素２２Ｃの出力レベルを小画素２２Ａの出力レベルに一致させるために、Ｓ２にゲインＭ１、Ｓ３にゲインＭ２（Ｍ２＞Ｍ１とする）をそれぞれ乗算する。
【００３２】
ＨＤＲ合成部１９は、入射光量がＬ３より大きいとき、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４の加算によるＨＤＲ合成を実施する。ＨＤＲ合成の際、ＨＤＲ合成部１９は、小画素２２Ｂ、小画素２２Ｃ及び小画素２２Ｄの出力レベルを小画素２２Ａの出力レベルに一致させるために、Ｓ２にゲインＭ１、Ｓ３にゲインＭ２、Ｓ４にゲインＭ３（Ｍ３＞Ｍ２＞Ｍ１とする）をそれぞれ乗算する。以上により、ＨＤＲ合成部１９は、ＨＤＲ合成信号を得る。なお、ＨＤＲ合成部１９は、入射光量がＬ１以下であるとき、ＨＤＲ合成を実施せず、Ｓ１を出力する。
【００３３】
固体撮像装置５は、ＨＤＲ合成部１９でのＨＤＲ合成により、幅広いダイナミックレンジでの撮像が可能となる。被写体のうち輝度が低い部分における露出不足と、輝度が高い部分における露出過多との双方を低減可能とすることで、固体撮像装置５は、高品質な画像を得ることができる。小画素２２を使用するＨＤＲ合成の実施により、固体撮像装置５は、画素アレイ１２における画素２０と同等の解像度を持つ合成画像を得ることができる。
【００３４】
ＡＤＣ１８は、２つのＡＤ変換ユニット２３，２４を備える。ＡＤ変換ユニット２３は、複数のＡＤ変換器２５を水平方向へ配列させてなる。ＡＤ変換器２５は、小画素２２から読み出されたアナログ信号をデジタル信号へ変換する。ＡＤ変換ユニット２３では、垂直信号線３２に接続されたＡＤ変換器２５と、垂直信号線３４に接続されたＡＤ変換器２５とが、水平方向において交互に並べられている。
【００３５】
ＡＤ変換ユニット２４は、複数のＡＤ変換器２６を水平方向へ配列させてなる。ＡＤ変換器２６は、小画素２２から読み出されたアナログ信号をデジタル信号へ変換する。ＡＤ変換ユニット２４では、垂直信号線３１に接続されたＡＤ変換器２６と、垂直信号線３３に接続されたＡＤ変換器２６とが、水平方向において交互に並べられている。
【００３６】
ＡＤ変換器２５，２６は、小画素２２から読み出されたアナログ信号による入力電圧を、ランプ波形の参照電圧と比較する。かかる入力電圧と参照電圧との比較を開始するとき、ＡＤ変換器２５，２６は、時間のカウントを開始する。ＡＤ変換器２５，２６は、時間の経過とともに変化する参照電圧が入力電圧を超えたとき、カウントを停止する。ＡＤ変換器２５，２６は、アナログ信号による入力電圧と参照電圧との比較に要する時間をカウントした結果を基に、デジタル信号を生成する。
【００３７】
小画素群２１ごとにおいて垂直方向へ配列されている小画素２２の数を、Ｎ（ただし、Ｎは２以上の整数）とする。本実施形態において、各小画素群２１には、２つの小画素２２が垂直方向へ配列されている（Ｎ＝２）。固体撮像装置５は、２つのＡＤ変換ユニット２３，２４を備える。
【００３８】
タイミング制御部１５は、２行の小画素２２に対するタイミング信号を同時に、垂直シフトレジスタ１３へ供給する。垂直シフトレジスタ１３は、タイミング制御部１５からのタイミング信号に応じて、２行の各小画素２２へ読み出し信号を出力する。固体撮像装置５は、２つのＡＤ変換ユニット２３，２４を使用して、２行分の画像信号を一度に読み出すことができる。
【００３９】
固体撮像装置５は、小画素群２１に含まれる小画素２２の行数と同数のＡＤ変換ユニット２３，２４が設けられている。固体撮像装置５は、各小画素群２１における各行の画像信号を同時に読み出すことで、ＨＤＲ合成において各行の画像信号を同時化させるためのラインメモリが不要となる。よって、固体撮像装置５は、回路規模の縮小によるコストの低減、消費電力の低減が可能となる。
【００４０】
固体撮像装置５は、画素２０内に複数の小画素２２を設けることで、通常の画素２０ごとの信号電荷を読み出す場合に比べて、画素アレイ１２から読み出される信号量が増大することになる。固体撮像装置５は、各小画素群２１における各行の画像信号を同時に読み出すことで、信号電荷の高速な読み出しが可能となる。
【００４１】
なお、小画素群２１に含まれる小画素２２は４つである場合に限られない。小画素群２１は、垂直方向へ２つ以上の小画素２２が配列されたものであれば良い。小画素群２１に含まれる小画素２２は、複数であれば良い。ＡＤ変換ユニットの数は２つである場合に限られず、小画素群２１において垂直方向に配列されている小画素２２の数と同数であれば良い。
【００４２】
固体撮像装置５は、小画素群２１を構成する複数の小画素のうち、いずれかからの出力による信号同士を加算することとしても良い。この場合、加算の対象とする小画素同士は、同じ光感度としても良い。
【００４３】
固体撮像装置５は、例えば、小画素群２１を構成する４つの小画素２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄのうち、小画素２２Ａからの出力による信号と、小画素２２Ｄからの出力による信号とを加算する。かかる信号の加算は、例えば信号処理回路１１が行う。固体撮像装置５は、小画素２２Ａ及び２２Ｃについての加算を経た信号を、高感度な光検出による画像信号として、ＨＤＲ合成に使用する。この場合も、固体撮像装置５は、ＨＤＲ合成部１９でのＨＤＲ合成により、幅広いダイナミックレンジでの撮像が可能となる。
【００４４】
（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態にかかる固体撮像装置のうちの画素アレイ、及びその周辺の構成要素を示す模式図である。図８は、ＡＤＣと、画素アレイに配列されている小画素とを示す模式図である。本実施形態にかかる固体撮像装置４０は、第１の実施形態のカメラモジュール２（図２参照）に適用される。第１の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００４５】
画素アレイ１２は、第１画素領域４３と第２画素領域４４とに区分けされている。第１画素領域４３及び第２画素領域４４は、互いに垂直方向において隣り合っている。アナログデジタル変換部（ＡＤＣ）は、第１のＡＤ変換ユニット群（ＡＤ１）４１及び第２のＡＤ変換ユニット群（ＡＤ２）４２を含む。第１のＡＤ変換ユニット群４１及び第２のＡＤ変換ユニット群４２は、垂直方向において、画素アレイ１２を介して互いに対向するように配置されている。
【００４６】
第１のＡＤ変換ユニット群４１は、Ｎ個のＡＤ変換ユニット２３，２４からなる。ＡＤ変換ユニット２３，２４は、第１画素領域４３に含まれる小画素群２１からのアナログ信号をデジタル信号へ変換する。第２のＡＤ変換ユニット群４２は、Ｎ個のＡＤ変換ユニット２３，２４からなる。ＡＤ変換ユニット２３，２４は、第２画素領域４４に含まれる小画素群２１からのアナログ信号をデジタル信号へ変換する。第２の実施形態では、第１の実施形態と同様、Ｎ＝２であるものとする。
【００４７】
垂直シフトレジスタ（ＶＲＥＧ）４５は、タイミング制御部１５（図１参照）からのタイミング信号に応じて、第１画素領域４３内の各小画素２２へ、２行ごとに読み出し信号を出力する。水平シフトレジスタ（ＨＲＥＧ）４７は、第１のＡＤ変換ユニット群４１にてデジタル方式へ変換された信号を、タイミング制御部１５からのタイミング信号に応じて、順次読み出す。
【００４８】
垂直シフトレジスタ（ＶＲＥＧ）４６は、タイミング制御部１５（図１参照）からのタイミング信号に応じて、第２画素領域４４内の各小画素２２へ、２行ごとに読み出し信号を出力する。水平シフトレジスタ（ＨＲＥＧ）４８は、第２のＡＤ変換ユニット群４２にてデジタル方式へ変換された信号を、タイミング制御部１５からのタイミング信号に応じて、順次読み出す。
【００４９】
ＨＤＲ合成部１９（図１参照）は、水平シフトレジスタ４７から信号処理回路１１へ入力されたデジタル画像信号、水平シフトレジスタ４８から信号処理回路１１へ入力されたデジタル画像信号の双方に対し、ＨＤＲ合成を実施する。
【００５０】
固体撮像装置４０は、第１画素領域４３及び第２画素領域４４のそれぞれについて、２つのＡＤ変換ユニット２３，２４を使用して、２行分の画像信号を一度に読み出すことができる。第２の実施形態においても、固体撮像装置４０は、第１の実施形態と同様、ＨＤＲ合成において各行の画像信号を同時化させるためのラインメモリが不要となる。固体撮像装置４０は、回路規模の縮小によるコストの低減、消費電力の低減が可能となる。
【００５１】
固体撮像装置４０は、各小画素群２１における各行の画像信号を同時に読み出すことで、信号電荷の高速な読み出しが可能となる。第２の実施形態では、固体撮像装置４０は、第１のＡＤ変換ユニット群４１及び第２のＡＤ変換ユニット群４２を同時に稼動させることで、信号電荷のさらなる高速な読み出しが可能となる。
【００５２】
第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様、小画素群２１に含まれる小画素２２は、複数であれば良い。第１のＡＤ変換ユニット群４１に含めるＡＤ変換ユニットの数、第２のＡＤ変換ユニット群４２に含めるＡＤ変換ユニットの数は、それぞれ２つである場合に限られない。第１のＡＤ変換ユニット群４１に含めるＡＤ変換ユニットの数、第２のＡＤ変換ユニット群４２に含めるＡＤ変換ユニットの数は、小画素群２１において垂直方向に配列されている小画素２２の数と同数であれば良い。
【００５３】
（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態にかかる固体撮像装置のうちの画素アレイ、及びその周辺の構成要素を示す模式図である。図１０は、ＡＤＣと、画素アレイに配列されている小画素とを示す模式図である。本実施形態にかかる固体撮像装置５０は、第１の実施形態のカメラモジュール２（図２参照）に適用される。第１及び第２の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００５４】
アナログデジタル変換部（ＡＤＣ）は、第１のＡＤ変換ユニット群（ＡＤ１）４１及び第２のＡＤ変換ユニット群（ＡＤ２）４２を含む。第１のＡＤ変換ユニット群４１及び第２のＡＤ変換ユニット群４２は、垂直方向において、画素アレイ１２を介して互いに対向するように配置されている。
【００５５】
第１のＡＤ変換ユニット群４１は、Ｎ個のＡＤ変換ユニット２３，２４からなる。第２のＡＤ変換ユニット群４２は、Ｎ個のＡＤ変換ユニット２３，２４からなる。第３の実施形態では、第１及び第２の実施形態と同様、Ｎ＝２であるものとする。
【００５６】
第１のＡＤ変換ユニット群４１と第２のＡＤ変換ユニット群４２とは、画素アレイ１２の領域を互いに分担してＡＤ変換を実施可能とされている。第１のＡＤ変換ユニット群４１がＡＤ変換を実施する領域の範囲と、第２のＡＤ変換ユニット群４２がＡＤ変換を実施する領域の範囲とは、可変であるものとする。固体撮像装置５０は、第１のＡＤ変換ユニット群４１がＡＤ変換を実施する領域、第２のＡＤ変換ユニット群４２がＡＤ変換を実施する領域との境界を、画素アレイ１２内の垂直方向におけるいずれの位置にも設定できる。
【００５７】
垂直シフトレジスタ（ＶＲＥＧ）５１は、第１のＡＤ変換ユニット群４１及び第２のＡＤ変換ユニット群４２によるＡＤ変換の分担に応じた読み出し信号を、画素アレイ１２の各小画素２２へ出力する。水平シフトレジスタ（ＨＲＥＧ）４７は、第１のＡＤ変換ユニット群４１にてデジタル方式へ変換された信号を、タイミング制御部１５からのタイミング信号に応じて、順次読み出す。
【００５８】
第１のＡＤ変換ユニット群４１は、小画素群２１からのアナログ信号を、２行の小画素２２ごとに読み出す。第１のＡＤ変換ユニット群４１は、読み出したアナログ信号をデジタル信号へ変換する。水平シフトレジスタ（ＨＲＥＧ）４７は、第１のＡＤ変換ユニット群４１にてデジタル方式へ変換された信号を、タイミング制御部１５からのタイミング信号に応じて、順次読み出す。
【００５９】
第２のＡＤ変換ユニット群４２は、小画素群２１からのアナログ信号を、２行の小画素２２ごとに読み出す。第２のＡＤ変換ユニット群４２は、読み出したアナログ信号をデジタル信号へ変換する。水平シフトレジスタ（ＨＲＥＧ）４８は、第２のＡＤ変換ユニット群４２にてデジタル方式へ変換された信号を、タイミング制御部１５からのタイミング信号に応じて、順次読み出す。
【００６０】
ＨＤＲ合成部１９（図１参照）は、水平シフトレジスタ４７から信号処理回路１１へ入力されたデジタル画像信号、水平シフトレジスタ４８から信号処理回路１１へ入力されたデジタル画像信号の双方に対し、ＨＤＲ合成を実施する。なお、固体撮像装置５０は、画素アレイ１２の全体についてのＡＤ変換を、第１のＡＤ変換ユニット群４１及び第２のＡＤ変換ユニット群４２のいずれか一方に実施させることも可能であるものとする。
【００６１】
固体撮像装置５０は、第１のＡＤ変換ユニット群４１及び第２のＡＤ変換ユニット群４２のそれぞれにおいて、２行分の画像信号を一度に読み出すことができる。第３の実施形態においても、固体撮像装置５０は、第１の実施形態と同様、ＨＤＲ合成において各行の画像信号を同時化させるためのラインメモリが不要となる。固体撮像装置５０は、回路規模の縮小によるコストの低減、消費電力の低減が可能となる。
【００６２】
固体撮像装置５０は、各小画素群２１における各行の画像信号を同時に読み出すことで、信号電荷の高速な読み出しが可能となる。第３の実施形態では、固体撮像装置５０は、第１のＡＤ変換ユニット群４１及び第２のＡＤ変換ユニット群４２を同時に稼動させることで、信号電荷のさらなる高速な読み出しが可能となる。
【００６３】
固体撮像装置５０は、第１のＡＤ変換ユニット群４１及び第２のＡＤ変換ユニット群４２によるＡＤ変換の分担を、例えば、撮影シーンに応じて調整することとしても良い。例えば、画像信号の高速な読み出しを要する場面では、固体撮像装置５０は、画素アレイ１２を二等分として、第１のＡＤ変換ユニット群４１及び第２のＡＤ変換ユニット群４２によりＡＤ変換を実施しても良い。
【００６４】
例えば、第１のＡＤ変換ユニット群４１でのＡＤ変換に適用する参照電圧と、第２のＡＤ変換ユニット群４２でのＡＤ変換に適用する参照電圧との間に、若干変動が生じることがあり得る。かかる参照電圧の変動による出力差をできるだけ低減できることが望ましい。また、画像信号を高速に読み出す場合は、消費電力が大きくなることで、入力電圧にばらつきが生じることもある。
【００６５】
画像信号の読み出しについて、速度よりも精度を重視する場合は、固体撮像装置５０は、第１のＡＤ変換ユニット群４１及び第２のＡＤ変換ユニット群４２のうちの一方に、画素アレイ１２の全体についてのＡＤ変換を行わせることとしても良い。これにより、固体撮像装置５０は、画像信号の読み出し精度を向上させることができる。
【００６６】
固体撮像装置５０は、第１のＡＤ変換ユニット群４１及び第２のＡＤ変換ユニット群４２によるＡＤ変換の分担を任意に調整可能であるものとする。ＡＤ変換の分担の調整には、第１のＡＤ変換ユニット群４１及び第２のＡＤ変換ユニット群４２のいずれか一方が、画素アレイ１２の全体についてのＡＤ変換を実施する場合も含まれる。これにより、固体撮像装置５０は、撮影シーンや、要求される画質等に適した画像信号の取り込みが可能となる。
【００６７】
第３の実施形態においても、第１及び第２の実施形態と同様、小画素群２１に含まれる小画素２２は、複数であれば良い。第１のＡＤ変換ユニット群４１に含めるＡＤ変換ユニットの数、第２のＡＤ変換ユニット群４２に含めるＡＤ変換ユニットの数は、それぞれ２つである場合に限られない。第１のＡＤ変換ユニット群４１に含めるＡＤ変換ユニットの数、第２のＡＤ変換ユニット群４２に含めるＡＤ変換ユニットの数は、小画素群２１において垂直方向に配列されている小画素２２の数と同数であれば良い。
【００６８】
（第４の実施形態）
第４の実施形態にかかる固体撮像装置は、撮像において各小画素への複数回の露光を実施し、複数回の露光による結果を合計したデジタル信号を得る。本実施形態にかかる固体撮像装置は、例えば、図４に示す構成と同様の構成を備える。
【００６９】
例えば、１回の撮像において２回の露光を実施する場合において、ＡＤ変換器２５，２６は、１回目の露光において、参照電圧が入力電圧を超えるまでの時間をカウントすると、カウント値をリセットせずに保持する。ＡＤ変換器２５，２６は、２回目の露光では、１回目の露光からリセットせずに保持しているカウント値から続けて、カウントを実施する。
【００７０】
図１１から図１３は、複数の露光結果の加算について説明する図である。例えば、図１１に示すように、１回目の露光において、ＡＤ変換器２５，２６へ入力される信号レベルＩ１に対するカウント値がＣ１であるとする。また、２回目の露光においてゼロからカウントを開始した場合に、図１２に示すように、ＡＤ変換器２５，２６へ入力される信号レベルＩ２に対するカウント値がＣ２であるとする。
【００７１】
ＡＤ変換器２５，２６は、１回目の露光におけるカウント値Ｃ１に続けて、２回目の露光によるカウントを実施することで、カウント値Ｃ１＋Ｃ２を得る。カウント値Ｃ１＋Ｃ２は、２回の露光により入力された信号レベルの和Ｉ１＋Ｉ２に対応する。
【００７２】
ＡＤ変換器２５，２６は、撮像において３回以上の露光を実施する場合も、２回の露光を実施する場合と同様の加算を実施する。このように、ＡＤ変換器２５，２６は、複数回の露光のうち２回目以降の各回の露光において、前回の露光からリセットせずに保持しているカウント値に続けてカウントを実施する。これにより、固体撮像装置は、撮像において複数回の露光を実施し、露光結果である信号レベルを加算する。
【００７３】
複数回の露光に対し、例えば、信号処理回路１１におけるデジタル信号の加算を行うこととした場合、信号処理回路１１は、露光結果である信号を保持するための保持手段や、信号の加算のための加算手段が必要となる。第４の実施形態にかかる固体撮像装置は、複数回の露光に対し、ＡＤ変換器２５，２６においてカウント値の保持によって露光結果を加算することで、かかる保持手段や加算手段を省略できる。これにより、固体撮像装置は、簡易な構成にすることができる。
【００７４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７５】
５  固体撮像装置、１２  画素アレイ、１９  ＨＤＲ合成部、２０  画素、２１  小画素群、２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ  小画素、２３，２４  ＡＤ変換ユニット、２５，２６  ＡＤ変換器、４０  固体撮像装置、４１  第１変換ユニット群、４２  第２変換ユニット群、４３  第１画素領域、４４  第２画素領域、５０  固体撮像装置。
【図１】
2014150444.tif 000003
【図２】
2014150444.tif 000004
【図３】
2014150444.tif 000005
【図４】
2014150444.tif 000006
【図５】
2014150444.tif 000007
【図６】
2014150444.tif 000008
【図７】
2014150444.tif 000009
【図８】
2014150444.tif 000010
【図９】
2014150444.tif 000011
【図１０】
2014150444.tif 000012
【図１１】
2014150444.tif 000013
【図１２】
2014150444.tif 000014
【図１３】
2014150444.tif 000015