(57)【要約】【課題】撮像装置において、回路ノイズを抑制するのに有利な技術を提供する。【解決手段】複数の画素が配された画素アレイと、時間に依存して電位が変化する比較信号を生成するための信号生成部と、画素アレイから出力される画素信号を列ごとにデジタル信号に変換する変換部と、を含む撮像装置であって、比較信号は、変換部による画素信号の変換の開始に応じて、第１の電位から変化を開始し、画素信号と比較信号との大小関係の反転に応じて、第１の電位と大小関係が反転した第２の電位との間の第３の電位から再び変化し、変換部は、大小関係が反転するごとに、画素信号の変換の開始から大小関係が反転するまでをそれぞれカウントしたカウント値を、それぞれ信号値として保持するカウント部を含む。【選択図】図１
2018061230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素が配された画素アレイと、時間に依存して電位が変化する比較信号を生成するための信号生成部と、前記画素アレイから出力される画素信号を列ごとにデジタル信号に変換する変換部と、を含む撮像装置であって、
前記比較信号は、
前記変換部による前記画素信号の変換の開始に応じて、第１の電位から変化を開始し、
前記画素信号と前記比較信号との大小関係の反転に応じて、前記第１の電位と前記大小関係が反転した第２の電位との間の第３の電位から再び変化し、
前記変換部は、前記大小関係が反転するごとに、前記画素信号の変換の開始から前記大小関係が反転するまでをそれぞれカウントしたカウント値を、それぞれ信号値として保持するカウント部を含むことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記画素信号の信号レベルの大きさに応じて、前記カウント部によって保持される信号値の数が異なることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記信号生成部は、前記第１の電位から変化する複数の参照信号を生成し、
前記複数の参照信号は、前記画素信号の変換の開始に応じて変化を開始する第１の参照信号と、前記第１の参照信号の変化の開始から予め設定された時間の遅れをもって変化を開始する第２の参照信号と、を含み、
前記変換部は、
前記画素信号の変換を開始する際、前記比較信号として前記第１の参照信号を用い、
次いで、前記大小関係の反転に応じて、前記比較信号として用いる参照信号を前記第１の参照信号から前記第２の参照信号に切り替えることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記複数の参照信号は、前記第２の参照信号の変化の開始から予め設定された時間の遅れをもって変化を開始する第３の参照信号を更に含み、
前記変換部は、前記比較信号として前記第２の参照信号を用いて前記画素信号を変換している際、前記大小関係の反転に応じて、前記比較信号として用いる参照信号を前記第２の参照信号から前記第３の参照信号に切り替えることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第１の参照信号の電位の変化の開始から前記第２の参照信号の電位の変化の開始までの時間と、前記第２の参照信号の電位の変化を開始から前記第３の参照信号の電位の変化の開始までの時間と、が同じことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第２の参照信号が、前記複数の参照信号のうち前記第１の参照信号の次に変化を開始する参照信号であり、
前記第３の参照信号が、前記複数の参照信号のうち前記第２の参照信号の次に変化を開始する参照信号であることを特徴とする請求項４または５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記信号生成部は、前記第１の参照信号の変化の開始から、画像取得条件に応じて予め設定された時間の遅れをもって変化を開始するように前記第２の参照信号を生成することを特徴とする請求項３乃至６の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記信号生成部は、前記第１の参照信号の変化の開始から、画像取得条件に応じて予め設定された時間の遅れをもって変化を開始するように前記第２の参照信号を生成し、前記第２の参照信号の変化の開始から、前記画像取得条件に応じて予め設定された時間の遅れをもって変化を開始するように前記第３の参照信号を生成することを特徴とする請求項４乃至６の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記信号生成部は、前記第１の電位から変化する複数の参照信号を生成し、
前記複数の参照信号は、前記画素信号の変換の開始に応じて変化を開始する第１の参照信号と、前記第１の参照信号の変化の開始から予め設定された時間の遅れをもって変化をそれぞれ開始する参照信号群と、を含み、
前記撮像装置は、更に制御部を含み、
前記制御部は、
前記画素信号の変換を開始する際、前記比較信号として前記第１の参照信号を前記変換部に用いさせ、
次いで、前記大小関係が反転するごとに、前記参照信号群のうち画像取得条件に応じた所定の時間の間隔の遅れをもって変化をそれぞれ開始する参照信号を前記比較信号として前記変換部に用いさせることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記画像取得条件に応じて、前記カウント部によって保持される信号値の数が異なることを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記画像取得条件に応じて、前記第２の電位と前記第３の電位との電位差が異なることを特徴とする請求項７乃至１０の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記撮像装置は、前記撮像装置の温度を検出する温度センサを更に含み、
前記画像取得条件が、前記撮像装置の温度を含むことを特徴とする請求項７乃至１１の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項１３】
検出された温度が高い方が、検出された温度が低い場合よりも、前記複数の参照信号のうち前記比較信号に用いられる参照信号の前記第１の参照信号の変化の開始から当該参照信号が変化を開始するまでの時間が長くなることを特徴とする請求項１２に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記信号生成部は、ユーザの設定に応じて前記複数の参照信号の電位の変化率を変化させ、
前記画像取得条件が、前記変化率を含むことを特徴とする請求項７乃至１３の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項１５】
前記変化率が大きい方が、前記変化率が小さい場合よりも、前記複数の参照信号のうち前記比較信号に用いられる参照信号の前記第１の参照信号の変化の開始から当該参照信号が変化を開始するまでの時間が短くなることを特徴とする請求項１４に記載の撮像装置。
【請求項１６】
前記撮像装置は、前記画素アレイと前記変換部との間に増幅部を含み、
前記変換部は、前記増幅部によって増幅された前記画素信号をデジタル信号に変換し、
前記画像取得条件が、前記増幅部における前記画素信号の増幅率を含むことを特徴とする請求項７乃至１５の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項１７】
前記増幅率が大きい方が、前記増幅率が小さい場合よりも、前記複数の参照信号のうち前記比較信号に用いられる参照信号の前記第１の参照信号の変化の開始から当該参照信号が変化を開始するまでの時間が長くなることを特徴とする請求項１６に記載の撮像装置。
【請求項１８】
前記信号生成部は、前記第１の電位から変化する複数の参照信号を生成し、
前記複数の参照信号は、前記画素信号の変換の開始に応じて変化を開始する第１の参照信号と、前記第１の参照信号の変化の開始から予め設定された時間の遅れをもって変化をそれぞれ開始する参照信号群と、を含み、
前記変換部は、更に切替部を含み、
前記切替部は、
前記画素信号の変換を開始する際、前記比較信号として前記第１の参照信号を選択し、前記変換部に用いさせ、
次いで、前記大小関係が反転するごとに、前記参照信号群のうち前記画素信号の信号レベルに応じた所定の時間の間隔の遅れをもって変化をそれぞれ開始する参照信号を前記比較信号として選択し、前記変換部に用いさせることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項１９】
前記画素信号の信号レベルに応じて、前記第２の電位と前記第３の電位との電位差が異なることを特徴とする請求項１８に記載の撮像装置。
【請求項２０】
前記撮像装置は、前記カウント部に保持された前記信号値に応じた信号を出力する出力部を更に含み、
前記出力部は、前記信号値のそれぞれに対して、前記画素アレイに光が照射されない場合に出力される基準信号に基づいて前記変換部で変換される基準値に応じた基準レベル補正を行うことを特徴とする請求項３乃至１９の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項２１】
前記変換部は、前記比較信号として前記複数の参照信号のうち前記基準信号の変換の開始から電位の変化する参照信号を用い、前記基準信号の変換の開始から前記大小関係が反転するまでをカウント部にカウントさせたカウント値を前記基準値として前記出力部に出力することを特徴とする請求項２０に記載の撮像装置。
【請求項２２】
前記変換部は、前記大小関係の反転に応じて前記複数の参照信号のそれぞれを前記比較信号として用い、前記基準信号の変換の開始から、前記複数の参照信号のうち前記比較信号として用いた参照信号ごとに前記大小関係が反転するまでをカウントしたカウント値をそれぞれ前記基準値として前記出力部に出力し、
前記出力部は、前記基準レベル補正として、前記画素信号の変換の開始から電位が変化するまでの時間、および、時間に依存して電位が変化する変化率が互いに等しい参照信号によって得られた前記基準値を用いて前記信号値のそれぞれを補正することを特徴とする請求項２０に記載の撮像装置。
【請求項２３】
前記出力部は、前記信号値のそれぞれに対して、前記複数の参照信号のうち前記比較信号として用いた参照信号ごとに、前記画素信号の変換の開始から当該参照信号の電位が変化するまでの時間に応じたオフセット補正を行うことを特徴とする請求項２０乃至２２の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項２４】
前記出力部は、前記信号値のそれぞれに対して、前記複数の参照信号のうち前記比較信号として用いた参照信号ごとに、当該参照信号の時間に依存して電位が変化する変化率の差を補正するためのゲイン補正を行うことを特徴とする請求項２０乃至２３の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項２５】
前記出力部は、前記複数の画素のうちそれぞれの画素の画素信号から得られた前記信号値を平均化して当該画素からの信号として出力することを特徴とする請求項２０乃至２４の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項２６】
請求項１乃至２５の何れか１項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置が出力する信号を処理し画像を生成する信号処理部と、を備えることを特徴とする撮像システム。
【請求項２７】
複数の画素が配された画素アレイと、時間に依存して電位が変化する比較信号を生成するための信号生成部と、を含む撮像装置の駆動方法であって、
前記画素アレイから出力される画素信号を列ごとにデジタル信号に変換する工程を含み、
前記比較信号は、
前記画素信号の変換の開始に応じて、第１の電位から変化を開始し、
前記画素信号と前記比較信号との大小関係の反転に応じて、前記第１の電位と前記大小関係が反転した第２の電位との間の第３の電位から再び変化し、
前記変換する工程は、前記大小関係が反転するごとに、前記画素信号の変換の開始から前記大小関係が反転するまでをそれぞれカウントしたカウント値を、それぞれ信号値として保持する工程を含むことを特徴とする駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置、その駆動方法および撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラなどの撮像システムに用いられる撮像装置として、回路ノイズの低減や読み出し速度の向上のために、オンチップで列ごとに並行してアナログデジタル変換（以下、ＡＤ変換と記載）を行うＣＭＯＳイメージセンサが知られている。特許文献１には、複数の画素から出力されたそれぞれの信号に対して、信号レベルの大きい高輝度の信号のＡＤ変換を１回行う間に、信号レベルの小さい低輝度の信号に対して複数回のＡＤ変換を行う撮像装置が示されている。回路ノイズが視認されやすい低輝度の信号に対して複数回のＡＤ変換を行い、変換結果を平均化することによって、ＡＤ変換を行う期間を変化させずに、回路ノイズを低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１０６８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載されたように低輝度の信号に対してだけでなく、信号レベルのより大きな信号に対しても複数回のＡＤ変換を行うようにすることで、回路ノイズを低減することが考えられる。その場合、回路ノイズは低減するものの、ＡＤ変換期間が大幅に延びてしまうという課題が生じてしまう。
【０００５】
本発明は、撮像装置において、ＡＤ変換期間を大幅に延ばすことなく、回路ノイズを抑制するのに有利な技術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】
【０００６】
上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る撮像装置は、複数の画素が配された画素アレイと、時間に依存して電位が変化する比較信号を生成するための信号生成部と、画素アレイから出力される画素信号を列ごとにデジタル信号に変換する変換部と、を含む撮像装置であって、比較信号は、変換部による画素信号の変換の開始に応じて、第１の電位から変化を開始し、画素信号と比較信号との大小関係の反転に応じて、第１の電位と大小関係が反転した第２の電位との間の第３の電位から再び変化し、変換部は、大小関係が反転するごとに、画素信号の変換の開始から大小関係が反転するまでをそれぞれカウントしたカウント値を、それぞれ信号値として保持するカウント部を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、撮像装置において、回路ノイズを抑制するのに有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る撮像装置の回路構成例を示す図。
【図２】図１の撮像装置を含む撮像システムの構成例を示す図。
【図３】図１の撮像装置の画素の回路構成例を示す図。
【図４】図１の撮像装置の変換部の回路構成例および判定回数と比較信号との関係を示す図。
【図５】図１の撮像装置の駆動を説明するタイミングチャート。
【図６】図１の撮像装置の出力部の処理を説明するフローチャート。
【図７】図１の撮像装置の変換部の回路構成例および判定回数と比較信号との関係を示す図。
【図８】図１の撮像装置の駆動を説明するタイミングチャート。
【図９】図１の撮像装置の出力部の処理を説明するフローチャート。
【図１０】図２の撮像システムの構成の変形例を示す図。
【図１１】図１の撮像装置の回路構成の変形例を示す図。
【図１２】図１１の撮像装置の駆動を説明するタイミングチャート。
【図１３】図１１の撮像装置の画像取得条件と駆動信号との関係を示す図。
【図１４】図１の撮像装置の回路構成の変形例を示す図。
【図１５】図１４の撮像装置の変換部の回路構成例および判定回数と比較信号との関係を示す図。
【図１６】図１４の撮像装置の駆動を説明するタイミングチャート。
【図１７】図１１の撮像装置の画像取得条件とモード信号との関係を示す図。
【図１８】図１４の撮像装置の変換部の回路構成例および判定回数と比較信号との関係を示す図。
【図１９】図１４の撮像装置の駆動を説明するタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る撮像装置の具体的な実施形態及び実施例を、添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。
【００１０】
第１の実施形態
図１〜６を参照して、本発明の実施形態による撮像装置であるＣＭＯＳイメージセンサの構成、および、その駆動方法について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における撮像装置１００の回路構成例である。本実施形態において、撮像装置１００は、画素アレイ１０４、電流源１０５、アナログデジタル（ＡＤ）変換部１０９、出力部１１０、垂直走査回路１１１、水平走査回路１１２、および、制御部１１３を含む。画素アレイ１０４は、複数の画素１０１、複数の垂直出力線１０２、および、複数の駆動信号線１０３を含む。ＡＤ変換部１０９は、変換部１０６、信号生成部１０７、および、カウンタ１０８を含む。
【００１１】
画素１０１は、画素アレイ１０４に２次元アレイ状に配され、入射した光を電気信号に変換する。また、画素１０１は、光電変換された電荷の蓄積を行う。垂直出力線１０２は、垂直方向（列方向）に並ぶ画素１０１ごとに接続され、それぞれの画素１０１から信号が出力される。駆動信号線１０３は、水平方向（行方向）に並ぶ画素１０１ごとに接続され、画素１０１の制御を行う制御パルスが垂直走査回路１１１から出力される。この構成によって、同一行に配される画素１０１は、垂直出力線１０２を介して同時にＡＤ変換部１０９へ信号をそれぞれ出力する。
【００１２】
変換部１０６は、画素アレイ１０４のそれぞれの画素１０１から出力された信号を、信号生成部１０７から出力される複数の参照信号のうち比較信号として用いられる参照信号と比較することによって、画素アレイ１０４の列ごとに並行してＡＤ変換を行う。ＡＤ変換は、画素１０１におけるリセット解除時のリセットレベルに基づく基準信号（Ｎ信号）と、画素１０１の入射光を光電変換した電荷に基づく画素信号（Ｓ信号）と、に対して行われる。Ｎ信号は、例えば、画素アレイ１０４に光が照射されない場合の信号でありうる。詳細は後述するが、本実施形態においては、Ｎ信号に対して１回、Ｓ信号に対して１〜３回のＡＤ変換が行われる。変換部１０６は、Ｎ信号およびＳ信号から変換されたデジタル信号であるＡＤ変換結果に加えて、Ｓ信号に対してＡＤ変換を行った回数である判定回数を出力部１１０に出力する。
【００１３】
信号生成部１０７は、複数の参照信号を生成する。参照信号は、時間に依存して電位が変化するランプ信号であるＲａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、および、Ｒａｍｐ３を含む。Ｒａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、Ｒａｍｐ３のそれぞれは、同じ電位から電位が変化しうる。Ｒａｍｐ２は、Ｒａｍｐ１の電位の変化の開始から予め設定された時間の遅れをもって電位の変化を開始し、Ｒａｍｐ１に追従するように電位が変化する。同様に、Ｒａｍｐ３は、Ｒａｍｐ２の電位の変化の開始から予め設定された時間の遅れをもって電位の変化を開始し、Ｒａｍｐ２に追従するように電位が変化する。また、Ｒａｍｐ３は、Ｒａｍｐ１の電位の変化の開始から予め設定された時間の遅れをもって電位の変化を開始し、Ｒａｍｐ１に追従するように電位が変化するとも言える。信号生成部１０７は、それぞれ異なる信号線にＲａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、Ｒａｍｐ３を出力する。カウンタ１０８は、変換部１０６がカウントを行うためのカウント値を供給する。変換部１０６は、Ｎ信号またはＳ信号と比較信号として選択された参照信号との大小関係を比較し、Ｎ信号またはＳ信号と参照信号との大小関係が反転した際のカウント値を保持することによってＡＤ変換を行う。
【００１４】
出力部１１０は、Ｓ信号からＡＤ変換されたデジタル信号である「信号値」からＮ信号をＡＤ変換したデジタル信号である「基準値」を減算する基準レベル補正を行う。基準レベル補正によって、画素１０１に蓄積された電荷に基づく信号が算出される。また、出力部１１０は、基準レベル補正によって算出した信号に対して、変換部１０６から出力される判定回数に応じて、ＡＤ変換の際に比較信号として用いた参照信号に応じたオフセット補正やゲイン補正を行う。補正された信号は、出力部１１０から撮像装置１００の外部に出力される。
【００１５】
垂直走査回路１１１は、駆動信号線１０３に駆動パルスを出力する。駆動パルスを出力する駆動信号線１０３を順に異ならせていくことによって、それぞれの行にある画素１０１からの信号が、順にＡＤ変換部１０９へと出力される。水平走査回路１１２は、ＡＤ変換部１０９に駆動信号を出力し、列ごとに配された変換部１０６に保持された信号値や基準値などのＡＤ変換結果や判定回数を、順次、出力部１１０へと出力させる。制御部１１３は、ＡＤ変換部１０９、出力部１１０、垂直走査回路１１１、および、水平走査回路１１２に対し、それぞれ制御信号を出力し、撮像装置１００全体のタイミング制御を行う。電流源１０５は、垂直出力線１０２に接続され、画素１０１から信号を出力する際の負荷として機能する。
【００１６】
図２は、本実施形態の撮像装置１００を搭載した撮像システム２００（例えば、デジタルカメラ）の構成例である。撮影レンズ２０１は、被写体の光学像を撮像装置１００に結像させる。レンズ駆動部２０２は、撮影レンズ２０１を駆動してズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などを行う。全体制御演算部２０３は、撮像装置１００から出力される信号の補正や画像の生成などの処理を行う信号処理部として機能し、また、撮像システム２００全体の制御を行う。メモリ２０４は画像データを一時的に記憶するためのメモリとして機能する。表示部２０５は各種情報や画像を表示するデバイスである。記録部２０６は、画像データの記録や読み出しを行うための着脱可能な、例えば半導体メモリである。操作部２０７は、撮像システム２００の各種インターフェースであり、操作部２０７を介したユーザからの指示に従って、全体制御演算部２０３が、撮像システム２００の各構成を制御する。
【００１７】
図３には、撮像装置１００の画素アレイ１０４に配される画素１０１の回路の構成例が示される。画素１０１には、光電変換を行う光電変換部が配され、本実施形態においてフォトダイオード（ＰＤ）３０１が用いられる。また、画素１０１は、転送トランジスタ（ＴＸ）３０２、フローティングディフュージョン（ＦＤ）３０３、リセットトランジスタ（ＲＥＳ）３０４、増幅トランジスタ（ＳＦ）３０５、選択トランジスタ（ＳＥＬ）３０６を含む。ＴＸ３０２には駆動パルスφＴＸが、ＲＥＳ３０４には駆動パルスφＲＥＳが、ＳＥＬ３０６には駆動パルスφＳＥＬが、それぞれ垂直走査回路１１１から駆動信号線１０３を介して伝送される。
【００１８】
ＰＤ３０１は、画素１０１に入射した光を電気信号に変換する光電変換部および電荷の蓄積部として機能する。ＰＤ３０１にて電荷に変換された信号は、ＴＸ３０２を介してＦＤ３０３へと出力される。ＴＸ３０２は、駆動パルスφＴＸがハイレベルとなることによってオン動作し、ＰＤ３０１に蓄積された電荷をＦＤ３０３に転送する。ＦＤ３０３では、ＦＤ３０３に接続された寄生容量によって、ＰＤ３０１から転送された電荷が電荷電圧変換される。ＲＥＳ３０４は、駆動パルスφＲＥＳがハイレベルとなることによってオン動作し、ＦＤ３０３に転送された電荷を電源ＶＤＤへと流し、ＦＤ３０３の電位をリセットする。ＳＦ３０５はＦＤ３０３の信号を電流増幅し、ＦＤ３０３の信号を変換部１０６へと出力する。
【００１９】
ＳＥＬ３０６は、駆動パルスφＳＥＬがハイレベルとなることによってオン動作し、ＦＤ３０３の電位に応じた信号を垂直出力線１０２に出力する。ＳＥＬ３０６のオン・オフを制御することによって、アレイ状に配された画素１０１のうち、選択された行の画素１０１の信号が、垂直出力線１０２に出力される。画素１０１から出力される信号は、上述したようにＦＤ３０３のリセット後、画素アレイに駆動パルスφＲＥＳをローレベルにしたリセット解除状態で出力されるＮ信号と、リセット解除後にＰＤ３０１で光電変換された信号を転送するＳ信号と、を含む。
【００２０】
次に、図４を参照して、本実施形態における変換部１０６について説明する。図４（ａ）には、撮像装置１００の変換部１０６の回路の構成例が示される。また、図４（ｂ）には、判定回数と比較信号として選択される参照信号との関係がそれぞれ示される。
【００２１】
変換部１０６は、比較部４０１、切替部４０２、判定回数カウンタ４０３、カウント部４０４を含む。カウント部４０４は、Ｎ信号用ラッチ４０５、Ｓ信号用ラッチＡ４０６、Ｓ信号用ラッチＢ４０７、Ｓ信号用ラッチＣ４０８を含む。
【００２２】
比較部４０１は、垂直出力線１０２を介して入力されるＮ信号またはＳ信号と、比較信号とを比較し、その大小関係に応じてハイレベルもしくはローレベルを比較結果信号として出力する。本実施形態において、比較信号に比べＳ信号の電位が高い場合、ハイレベルを出力する。
【００２３】
切替部４０２は、信号生成部１０７から出力される参照信号Ｒａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、Ｒａｍｐ３から、比較信号として用いる参照信号を選択する。具体的には、切替部４０２は、次に述べる判定回数カウンタ４０３から出力される判定回数に応じて、比較信号として用いる参照信号を切り替える。判定回数と比較信号の関係は図４（ｂ）に示すように、判定回数が０または１の場合Ｒａｍｐ１が、判定回数が２の場合Ｒａｍｐ２が、判定回数が３または４の場合Ｒａｍｐ３が、切替部４０２によって切り替えられ、それぞれ比較信号として用いられる。
【００２４】
判定回数カウンタ４０３は、比較結果信号がハイレベルに変化するごとに判定回数を増加させるカウンタとして動作し、そのカウント値を判定回数として出力する。判定回数は、切替部４０２、カウント部４０４、および、出力部１１０へ出力される。
【００２５】
カウント部４０４は、Ｎ信号またはＳ信号と比較信号との大小関係がＡＤ変換を開始した際の大小関係と反転する比較部４０１の出力がハイレベルに変化したタイミングで、判定回数に応じたラッチにカウンタ１０８によってカウントされるカウント値を保持する。判定回数が０回の場合、比較部４０１の出力がハイレベルに変化すると、カウント部４０４は、Ｎ信号用ラッチ４０５にＮ信号をＡＤ変換した基準値としてカウント値を保持する。判定回数が１の場合、つまり、次に比較部４０１の出力がハイレベルに変化すると、カウント部４０４は、Ｓ信号用ラッチＡ４０６にＳ信号をＡＤ変換した信号値としてカウント値を保持する。その後、カウント部４０４は、順にＳ信号用ラッチＢ４０７、Ｓ信号用ラッチＣ４０８にそれぞれ信号値としてカウント値を保持する。判定回数４の場合、本実施形態において、比較部４０１の出力がハイレベルに遷移することはなく、カウント部は、何れのラッチにカウント値を保持しない。各々のラッチに保持をされた信号値および基準値は、ＡＤ変換結果として出力部１１０に出力される。以下の説明のために、Ｓ信号用ラッチＡ４０６に保持された信号値をＳ信号値Ａ、Ｓ信号用ラッチＢ４０７に保持された信号値をＳ信号値Ｂ、Ｓ信号用ラッチＣ４０８に保持された信号値をＳ信号値Ｃと呼ぶ。同様にＮ信号用ラッチ４０５に保持された基準値をＮ信号値と呼ぶ。
【００２６】
次いで、図５を参照して、本実施形態における撮像装置１００の駆動方法について説明する。図５は、撮像装置１００の駆動を示すタイミングチャートである。図５は、画素アレイ１０４に含まれる複数の画素１０１のうち１行の画素から信号を読み出す読出駆動を示している。この読出駆動を行ごとに繰り返し行うことによって、画素アレイ１０４に含まれる全ての画素１０１の信号を撮像装置１００の外部へと出力する。
【００２７】
図５において、「φＲＥＳ」、「φＴＸ」は、読み出しを行う行の画素１０１に供給される駆動パルスφＲＥＳ、φＴＸをそれぞれ表し、ハイレベルまたはローレベルの何れかの状態をとるものとする。「比較信号」は、比較部４０１に入力される切替部４０２によって切り替えられる比較信号として用いられる参照信号を表す。「画素出力信号」は比較部４０１に垂直出力線１０２を介して入力される画素１０１から出力されたＳ信号およびＮ信号を表す。
【００２８】
「比較結果信号」は、比較部４０１の出力を示しており、Ｓ信号またはＮ信号が、比較信号よりも高い電位の場合、比較部４０１の出力がハイレベルとなる。「判定回数」は判定回数カウンタ４０３の出力であり、判定回数が切り替わる様子を模式的に表している。「カウンタ」は、カウンタ１０８の出力であるカウント値を表している。比較信号、画素出力信号、比較結果信号、判定回数、および、カウンタは、画素アレイ１０４の１つの画素１０１の例を示している。また、図５（ａ）は、Ｓ信号の電位が高い、つまり、Ｓ信号の信号レベルが小さい場合の動作を示しており、図５（ｂ）は、Ｓ信号の電位が低い、つまり、Ｓ信号の信号レベルが大きい場合の動作を示している。
【００２９】
まず、図５（ａ）に示すようにＳ信号の信号レベルが小さい場合の動作について説明する。時刻ｔ５０１で、駆動パルスφＲＥＳがハイレベルとなり、ＦＤ３０３の電位がリセットされる。その後、駆動パルスφＲＥＳはローレベルとなり、ＦＤ３０３のリセットが終了する。
【００３０】
時刻ｔ５０２で、光電変換によって蓄積された電荷を転送する前の信号であるＮ信号のＡＤ変換期間が開始される。判定回数は０であるので、比較信号として参照信号のうちＲａｍｐ１が、切替部４０２によって選択され、比較部４０１に入力される。Ｒａｍｐ１が比較信号として選択された後、Ｎ信号のＡＤ変換の開始に応じて、Ｒａｍｐ１の電位は、時間に対して一定の変化率で低下し始める。合わせて、カウンタ１０８が、カウントアップを開始する。
【００３１】
時刻ｔ５０３で、Ｎ信号と比較信号との大小関係が、Ｎ信号のＡＤ変換の開始の際の大小関係から反転し、比較結果信号がハイレベルに変化する。それに応じてＮ信号用ラッチ４０５にカウント値が保持され、更に判定回数カウンタ４０３の出力が１となる。判定回数は１であるので、切替部４０２は比較信号として用いられる参照信号の切り替えはせずに、比較信号として引き続き参照信号Ｒａｍｐ１が用いられる。
【００３２】
時刻ｔ５０４で、Ｎ信号のＡＤ変換期間が終了し、比較信号である参照信号Ｒａｍｐ１の電位、およびカウンタ１０８のカウント値が、それぞれリセットされる。
【００３３】
次いで、時刻ｔ５０５で、駆動パルスφＴＸがハイレベルとなり、ＰＤ３０１で光電変換され蓄積された電荷がＦＤ３０３に転送される。これによって、ＦＤ３０３の電位は転送された電荷に応じて低下し、比較部４０１に入力される画素出力信号のうちＳ信号もＦＤ３０３の電位に応じて低下する。
【００３４】
時刻ｔ５０６で、Ｓ信号のＡＤ変換期間が開始される。Ｓ信号のＡＤ変換の開始に応じて、Ｒａｍｐ１の電位は、一定の変化率で低下し始める。このとき、比較信号として用いられる参照信号はＮ信号のＡＤ変換を行った際と同じＲａｍｐ１であるため、Ｎ信号のＡＤ変換を行った際と同じ時間に対する変化率で電位が低下する。合わせて、カウンタ１０８が、カウントアップを開始する。
【００３５】
また、信号生成部１０７において、ＡＤ変換を開始し、Ｒａｍｐ１の電位が変化し始める時刻ｔ５０６から予め設定された時間の遅れをもって、Ｒａｍｐ２の電位が、Ｒａｍｐ１に追従するように変化し始める。同様に、Ｒａｍｐ３の電位が、Ｒａｍｐ２の電位が変化し始めてから予め設定された時間の遅れをもって、Ｒａｍｐ２に追従して変化し始める。Ｒａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、および、Ｒａｍｐ３の電位は、時間に対して同じ変化率となるように制御されうる。
【００３６】
Ｒａｍｐ１に対してＲａｍｐ２、および、Ｒａｍｐ２に対してＲａｍｐ３の電位の変化の開始を遅らせる時間は、比較信号として参照信号を切り替えた際、切り替えられた後の参照信号が画素出力信号（Ｓ信号）よりも高い電位になる範囲にする。更に、電位の変化の開始を遅らせる時間は、Ｓ信号のＡＤ変換期間（時刻ｔ５０６〜ｔ５１０）に対して短く設定される。具体的には、参照信号の切り替え時に確実にＳ信号より高い電位になる最短時間を求め、その時間としてもよい。また例えば、Ｒａｍｐ１の電位の変化の開始からＲａｍｐ２の電位の変化の開始までの時間と、Ｒａｍｐ２の電位の変化の開始からＲａｍｐ３の電位の変化の開始までの時間とが、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、同じであってもよい。
【００３７】
時刻ｔ５０７で、Ｓ信号と比較信号との大小関係が、Ｓ信号のＡＤ変換の開始の際の大小関係から反転し、比較結果信号がハイレベルに変化する。これに応じてＳ信号用ラッチＡ４０６にカウント値がＳ信号値Ａとして保持され、更に判定回数カウンタ４０３の出力が２となる。判定回数が２に変化するのに応じて、切替部４０２は、比較信号として用いる参照信号をＲａｍｐ１からＲａｍｐ２に切り替える。Ｒａｍｐ２の電位は、上述のようにＲａｍｐ１よりも遅れて変化するため、比較信号は、Ｒａｍｐ１に対してＲａｍｐ２の電位の変化が遅れた期間にＲａｍｐ１が変化した電位の分、高い電位に切り替わる。そのため、Ｓ信号と比較信号との大小関係はＡＤ変換を開始した際の関係に戻り、比較結果信号はローレベルとなる。
【００３８】
時刻ｔ５０８で、再びＳ信号と比較信号との大小関係が、Ｓ信号のＡＤ変換の開始の際の大小関係から反転し、比較結果信号がハイレベルに変化する。これに応じてＳ信号用ラッチＢ４０７にカウント値がＳ信号値Ｂとして保持され、更に判定回数カウンタ４０３の出力が３となる。判定回数が３に変化するのに応じて、切替部４０２は、比較信号として用いる参照信号をＲａｍｐ２からＲａｍｐ３に切り替える。Ｒａｍｐ３の電位は、上述のようにＲａｍｐ２よりも遅れて変化するため、比較信号は、Ｒａｍｐ２に対してＲａｍｐ３の電位の変化が遅れた期間にＲａｍｐ２が変化した電位の分、高い電位に切り替わる。そのため、Ｓ信号と比較信号との大小関係はＡＤ変換を開始した際の関係に戻り、比較結果信号はローレベルとなる。
【００３９】
時刻ｔ５０９で、Ｓ信号と比較信号の大小関係が、Ｓ信号のＡＤ変換の開始の際の大小関係から反転し、比較結果信号がハイレベルに変化する。これに応じてＳ信号用ラッチＣ４０８にカウント値がＳ信号値Ｃとして保持され、更に判定回数カウンタ４０３の出力が４となる。このとき、判定回数は４であるため、比較信号として引き続きＲａｍｐ３が比較部４０１に入力される。
【００４０】
時刻ｔ５１０で、Ｓ信号のＡＤ変換期間が終了し、Ｒａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、Ｒａｍｐ３の電位、および、カウンタ１０８のカウント値がリセットされる。
【００４１】
その後、水平走査回路１１２よって出力される駆動パルスに従い、変換部１０６のカウント部４０４に保持されたＡＤ変換結果であるＮ信号値、Ｓ信号値Ａ〜Ｃ、および、判定回数カウンタ４０３の判定回数が、順に出力部１１０へと出力される。
【００４２】
出力部１１０は、まず、Ｓ信号のＡＤ変換結果である信号値から、Ｎ信号のＡＤ変換結果である基準値を減算する基準レベル補正を行う。信号値からの基準値を減算することによって画素１０１に蓄積された電荷に基づく信号が、算出される。
【００４３】
次いで、比較信号として用いられるＲａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、Ｒａｍｐ３は、電位の低下し始めるタイミングが異なるため、保持されたカウント値とＳ信号の電位の関係がずれてしまっている。このずれを補正するために、出力部１１０は、比較信号としてＲａｍｐ２、Ｒａｍｐ３を用いてＡＤ変換を行ったＳ信号値ＢおよびＳ信号値Ｃに対して、参照信号の電位の変化の開始を遅らせた時間に進んだカウント値を減算するオフセット補正を行う。具体的には、出力部１１０は、時刻ｔ５０６のＳ信号と比較信号との比較の開始、換言するとＳ信号のＡＤ変換の開始であるＲａｍｐ１の電位の変化の開始から、Ｒａｍｐ２の電位が変化を開始するまでの時間に応じてＳ信号値Ｂを補正する。同様に、出力部１１０は、時刻ｔ５０６のＳ信号のＡＤ変換の開始（Ｒａｍｐ１の電位の変化の開始）から、Ｒａｍｐ３の電位が変化するまでの遅延時間に応じてＳ信号値Ｃを補正する。
【００４４】
更に、Ｒａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、Ｒａｍｐ３の電位は、それぞれ時間に対して同じ変化率で変化するように制御されるものの、正確に一致させることは難しい。そこで、その誤差を補正するために、出力部１１０は、Ｓ信号値ＢおよびＳ信号値Ｃに対しゲイン補正を行う。更に、出力部１１０は、オフセット補正やゲイン補正を行った３つの信号値を平均化し、この結果を当該画素の出力として撮像装置１００の外部へと出力する。
【００４５】
次に、図５（ｂ）に示すようにＳ信号の信号レベルが大きい場合の動作について説明する。ここでは、上述のＳ信号の信号レベルが小さい場合の動作と異なる点について説明し、Ｎ信号のＡＤ変換期間については説明を省略する。
【００４６】
時刻ｔ５１５で、駆動パルスφＴＸがハイレベルとなり、ＰＤ３０１で光電変換され蓄積された電荷がＦＤ３０３に転送される。画素出力信号（Ｓ信号）は、信号レベルが小さい場合と比較して、より低い電位まで変化する。
【００４７】
時刻ｔ５１７で、Ｓ信号と比較信号との大小関係が、Ｓ信号のＡＤ変換の開始の際の大小関係から反転し、Ｓ信号用ラッチＡ４０６にＳ信号値Ａが保持される。また、判定回数カウンタ４０３の出力が２となるのに応じて、切替部４０２は、比較信号として用いる参照信号をＲａｍｐ１からＲａｍｐ２に切り替える。Ｓ信号とＲａｍｐ１を用いた比較信号の大小関係が反転するタイミングは、信号レベルが小さい場合と比較して遅くなる。
【００４８】
時刻ｔ５１８で、再びＳ信号と比較信号との大小関係が、Ｓ信号のＡＤ変換の開始の際の大小関係から反転し、Ｓ信号用ラッチＢ４０７にＳ信号値Ｂが保持される。また、判定回数カウンタ４０３の出力が３となるのに応じて、切替部４０２は、比較信号として用いる参照電圧をＲａｍｐ２からＲａｍｐ３に切り替える。
【００４９】
時刻ｔ５１９で、Ｓ信号のＡＤ変換期間が終了し、Ｒａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、Ｒａｍｐ３の電位、および、カウンタ１０８のカウント値がリセットされる。
【００５０】
その後、水平走査回路１１２よって出力される駆動パルスに従い、変換部１０６のカウント部４０４に保持されたＡＤ変換結果であるＮ信号値、Ｓ信号値Ａ、Ｂ、および、判定回数カウンタ４０３の判定回数が、順に出力部１１０へと出力される。
【００５１】
次いで、出力部１１０は、判定回数が、信号レベルが小さい場合の「４」ではなく「３」であるため、Ｓ信号値ＡおよびＳ信号値Ｂに対して上述と同様な補正処理および平均化を行う。出力部１１０は、平均化された信号値を当該画素の出力として撮像装置１００の外部へ出力する。
【００５２】
Ｓ信号のＡＤ変換を行う回数が最大回数（本実施形態において３回）とならない範囲は、それぞれの参照信号の電位の変化の開始を遅らせた時間に依存するが、遅らせる時間はＡＤ変換期間に対して非常に小さい。このため、多くの信号レベルにおいて最大回数のＡＤ変換を行うことが可能となる。また、本実施形態において、参照信号としてＲａｍｐ１と、Ｒａｍｐ１に対して電位が遅れて変化する２種類のＲａｍｐ２およびＲａｍｐ３と、の３種類の信号を用いたが、これに限られることはない。比較信号として４種類以上の参照信号を比較信号として用いてＡＤ変換を行ってもよい。
【００５３】
また、図５（ａ）、（ｂ）において、信号レベルが小さい場合と信号レベルが大きい場合との動作を２例、挙げて説明したが、画素アレイ１０４の列ごとに複数、配される変換部１０６には、信号レベルの異なる信号がそれぞれ入力されうる。このため、同時にＡＤ変換を行う変換部１０６のそれぞれにおいて、入力されたＳ信号の信号レベルのそれぞれに応じて、比較信号として複数の参照信号を切り替えるタイミングが異なりうる。このため、Ｓ信号の比較信号としてＲａｍｐ１を用いる１回目のＡＤ変換が終わった変換部１０６から、順次、Ｒａｍｐ２、更にＲａｍｐ３を比較信号として用いたＡＤ変換が行われてもよい。また、Ｓ信号の信号レベルの大きさに応じて、複数の参照信号のうち切替部４０２によって比較信号として用いられる参照信号の数が異なりうる。このため、Ｓ信号の信号レベルの大きさに応じて、上述のように、カウント部４０４によって保持されるＳ信号値の数（Ｓ信号値が保持されるラッチの数）が異なりうる。
【００５４】
次に、図６を参照して、本実施形態における出力部１１０の補正処理および平均化処理について説明する。図６は、画素アレイ１０４に含まれる１つの画素１０１の出力を算出する際の処理を表すフローチャートである。出力部１１０は、これらの処理を画素アレイ１０４に含まれる全ての画素１０１について繰り返し行うことによって、撮像した画像を構成する信号値全体が出力される。
【００５５】
ステップＳ６０１で、出力部１１０は、信号値のうちＳ信号値Ａから基準値であるＮ信号値を減算する基準レベル補正を行う。これによって、光の照射によって画素１０１で光電変換され蓄積された電荷に基づく信号を算出することができる。次いで、ステップＳ６０２では、判定回数が２であるかどうかの判定が行われ、判定回数が２の場合、ステップＳ６０３に、判定回数が２でない場合、ステップＳ６０４に移行する。
【００５６】
判定回数が２であった場合、出力部１１０は、ステップＳ６０３において、Ｎ信号値を減算したＳ信号値Ａを、画素の出力として撮像装置１００の外部へと出力する。判定回数が２の場合、Ｓ信号のＡＤ変換は１回のみ行われるため、信号値としてＳ信号値Ａのみが取得され、結果として平均化処理を行う必要はない。
【００５７】
判定回数が２でなかった場合、ステップＳ６０４に進み、出力部１１０は、Ｓ信号値Ｂのオフセット補正を行う。オフセット補正とは、上述のように電位の低下し始めるタイミングを遅らせた参照信号をＡＤ変換に使用した際、保持されたカウント値とＳ信号の電位の関係のずれを補正する処理のことである。具体的には、Ｓ信号値Ｂに対して、ＡＤ変換の開始（Ｒａｍｐ１の電位の変化の開始）からＲａｍｐ２の電位が変化を開始するまでの時間に進んだカウント値を減算する。
【００５８】
次いで、ステップＳ６０５で、出力部１１０は、Ｒａｍｐ２を使用した際のゲイン補正を行う。Ｒａｍｐ２の電位の時間に対する変化率は、Ｒａｍｐ１の電位の時間に対する変化率と同等になるように制御されるものの、互いに異なる信号線を用いて信号生成部１０７から変換部１０６伝送されるため、正確に一致させることが難しい可能性がある。その誤差を補正する為に、出力部１１０は、Ｓ信号値Ｂに対しゲイン補正を行う。ゲイン補正を行わない場合、Ｒａｍｐ２を用いたＳ信号のＡＤ変換とＲａｍｐ１を用いたＮ信号のＡＤ変換との間で変換ゲインに誤差が生じてしまい、蓄積された電荷に基づく信号値を正確に算出できない可能性がある。また、Ｓ信号のＡＤ変換の回数がＳ信号の信号レベルによって異なりうるため、ゲイン補正によってＡＤ変換の回数に関わらずＡＤ変換のゲインが一定となるように補正することによって、画素アレイ１０４の全体に渡り、より正確に信号値を求められる。ゲイン補正は予め出力部１１０内のメモリに記録された補正値をＳ信号値Ｂに適用することによって行う。ゲイン補正は、例えば、Ｓ信号値Ｂに補正値を乗算することによって行ってもよい。補正値は、予め電位の異なる少なくとも２種類の信号を変換部１０６に入力しＡＤ変換をした際の、Ｓ信号値ＡとＳ信号値Ｂのゲイン差から取得されうる。ゲイン補正に用いる補正値は、上述のように出力部１１０内に記録されていてもよいし、また例えば、図１に示すように補正値記録部１１４に記録された補正値を出力部１１０が読み出して用いてもよい。
【００５９】
次に、ステップＳ６０６で、出力部１１０は、オフセット補正およびゲイン補正されたＳ信号値ＢからＮ信号値を減算する基準レベル補正を行う。これによって、比較信号としてＲａｍｐ１を用いてＡＤ変換をした際と変わらないゲインでＡＤ変換された、画素１０１に蓄積された電荷に基づく信号を算出することができる。
【００６０】
ステップＳ６０７では、判定回数が３であるかどうかの判定が行われ、判定回数が３の場合、ステップＳ６０８に、判定回数が３でない、つまり判定回数が４である場合、ステップＳ６１０に移行する。
【００６１】
判定回数が３であった場合、出力部１１０は、ステップＳ６０８において、補正されたＳ信号値ＡとＳ信号値Ｂとを平均化する処理を行う。判定回数が３の場合、Ｓ信号のＡＤ変換は２回行われるため、Ｓ信号値ＡとＳ信号値Ｂとの信号値が取得され、２つの信号値を平均化する。この平均化によって、ランダム性の回路ノイズの低減効果が得られる。続くステップＳ６０９において、出力部１１０は、平均化された信号値を画素の出力として撮像装置１００の外部へと出力する。
【００６２】
判定回数が３でなかった場合、ステップＳ６１０に進み、出力部１１０は、Ｓ信号値Ｃのオフセット補正を行う。Ｓ信号値Ｃに対して、ＡＤ変換の開始（Ｒａｍｐ１の電位の変化の開始）からＲａｍｐ３の電位が変化を開始するまでの時間、進んだカウント値を減算する。
【００６３】
次いで、ステップＳ６１１で、出力部１１０は、Ｒａｍｐ３を使用した際のゲイン補正を行う。ゲイン補正は予め出力部１１０内のメモリに記録された補正値をＳ信号値Ｃに適用することによって行う。ゲイン補正は、例えば、Ｓ信号値Ｃに補正値を乗算することによって行ってもよい。補正値は、予め電位の異なる少なくとも２種類の信号を変換部１０６に入力しＡＤ変換をした際の、Ｓ信号値ＡとＳ信号値Ｃのゲイン差から取得されうる。ゲイン補正に用いる補正値は、上述のように出力部１１０内に記録されていてもよいし、また例えば、図１に示すように補正値記録部１１４に記録された補正値を出力部１１０が読み出して用いてもよい。
【００６４】
次に、ステップＳ６１２で、出力部１１０は、オフセット補正およびゲイン補正されたＳ信号値ＣからＮ信号値を減算する基準レベル補正を行う。これによって、比較信号としてＲａｍｐ１を用いてＡＤ変換をした際と変わらないゲインでＡＤ変換された、画素１０１に蓄積された電荷に基づく信号を算出することができる。
【００６５】
ステップＳ６１３で、出力部１１０は、補正されたＳ信号値ＡとＳ信号値ＢとＳ信号値Ｃとを平均化する処理を行う。判定回数が４である場合、Ｓ信号のＡＤ変換は３回行われるため、３つの信号値が取得され、出力部１１０は、これらの信号値を平均化する。この平均化によって回路ノイズの低減効果が得られる。続くステップＳ６１４において、出力部１１０は、平均化された信号値を画素の出力として撮像装置１００の外部へと出力する。
【００６６】
本実施形態において、Ｓ信号の信号レベルが非常に大きい場合を除き、ＡＤ変換の期間を延長することなくＳ信号に対し複数回のＡＤ変換を行うことが可能となる。複数回のＡＤ変換を行い、出力部１１０にて取得された信号値を平均化することによって、回路ノイズを低減することが可能となる。
【００６７】
また、本実施形態において、信号生成部１０７は、Ｓ信号のＡＤ変換を開始とともに電位の変化する参照信号のほか、ＡＤ変換を開始してから予め設定された時間の遅れをもって電位の変化する参照信号を生成する。これによって、比較信号は、まず、Ｓ信号のＡＤ変換の開始に応じて電位の変化を開始する。その後、比較信号は、Ｓ信号と比較信号との大小関係が反転するのに応じて、用いる参照信号を切り替えることによって、Ｓ信号のＡＤ変換を開始した電位と大小関係が反転した電位との間の電位から再び電位が変化する。このように、ＡＤ変換を行う際、比較信号として用いる参照信号を切り替えながら、連続してＡＤ変換を行うことによって、２回目以降のＡＤ変換にかかる時間を短縮することができる。上述のように、本実施形態において、最大回数のＡＤ変換を行うことができないＳ信号の信号レベルの範囲は、参照信号の電位の変化の開始を遅らせた時間に依存するが、当該時間はＡＤ変換期間に対して非常に小さい。このため、多くの信号レベルの範囲において複数回のＡＤ変換を行うことが可能となる。
【００６８】
また、ＡＤ変換中に暗電流などによって、信号レベルが変化してしまう場合がある。この場合、特許文献１に示される駆動方法では、参照信号をＡＤ変換ごとにＡＤ変換を開始した際の電圧からスイープさせるため、ＡＤ変換を行う期間の間隔が長くなり、１回目のＡＤ変換と比較して２回目以降のＡＤ変換された信号値の信頼性が低下しうる。一方、本実施形態の撮像装置の構成および駆動方法を用いた場合、２回目以降のＡＤ変換を行うまでの間隔は、それぞれの参照信号の電位の変化の開始を遅らせた時間のみとなる。このため、２回目以降のＡＤ変換によって取得された信号値の信頼性が向上しうる。
【００６９】
また、本実施形態では、信号生成部１０７が複数の参照信号を生成し、切替部４０２が参照信号を切り替えることによって比較信号を生成したが、比較信号の生成方法はこれに限られることはない。例えば、信号生成部１０７が、Ｓ信号のＡＤ変換の開始に応じて電位が低下し始め、Ｓ信号との大小関係が反転するのに応じて、Ｓ信号のＡＤ変換を開始した電位と大小関係が反転した電位との間の電位から再び電位が変化する信号を比較信号として生成してもよい。この場合、信号生成部１０７と変換部１０６との間の信号線は１つとなりうるため、上述した出力部１１０でのゲイン補正は省略してもよい。
【００７０】
第２の実施形態
図７〜９を参照して、本発明の実施形態による撮像装置の構成、および、その駆動方法について説明する。図７は、本発明の第２の実施形態における撮像装置１００に含まれる変換部１０６について説明する図である。図７（ａ）には、撮像装置１００の変換部１０６の回路の構成例が示される。また、図７（ｂ）には、判定回数と比較信号として選択される参照信号との関係がそれぞれ示される。本実施形態の撮像装置１００において、図１に示される回路構成や、図３に示される画素１０１の回路構成は、上述の第１の実施形態と同様であってもよい。ここでは、上述の第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００７１】
本実施形態の変換部１０６において、上述の第１の実施形態の変換部１０６と異なる点は、以下の４点が挙げられる。判定回数カウンタ７０３が出力する最大の判定回数が、第１の実施形態の「４」と比較して「６」まで増加している。判定回数が、変換部１０６の外部へ出力されない。切替部７０２が選択する参照信号と判定回数との関係が、第１の実施形態とは異なる。カウント部７０４を構成するラッチが、Ｎ信号用ラッチＡ７０５、Ｎ信号用ラッチＢ７０６、Ｎ信号用ラッチＣ７０７、Ｓ信号用ラッチＡ７０８、Ｓ信号用ラッチＢ７０９、および、Ｓ信号用ラッチＣ７１０の合計６つある。これら４点以外は、第１の実施形態の変換部１０６と同じであってもよい。
【００７２】
第１の実施形態において、Ｎ信号に対して１回のＡＤ変換を行い、Ｓ信号に対して信号レベルに応じて１〜３回のＡＤ変換を行うことを示した。一方、本実施形態において、Ｎ信号に対して３回ＡＤ変換を行い、また、Ｓ信号に対して常に３回のＡＤ変換を行う。そのため、判定回数を出力部１１０へ出力する必要がない。また、Ｎ信号に対して３回のＡＤ変換を行うために、Ｎ信号用のラッチとして、Ｎ信号用ラッチＡ７０５、Ｎ信号用ラッチＢ７０６、および、Ｎ信号用ラッチＣ７０７の合計３つが、カウント部７０４に配される。また、Ｓ信号用のラッチとして、第１の実施形態と同様に、Ｓ信号用ラッチＡ７０８、Ｓ信号用ラッチＢ７０９、および、Ｓ信号用ラッチＣ７１０の合計３つが、カウント部７０４に配される。Ｎ信号用ラッチＡ７０５およびＳ信号用ラッチＡ７０８は、比較信号として参照信号のうちＲａｍｐ１を用いてＮ信号およびＳ信号からＡＤ変換された信号値および基準値を保持する。Ｎ信号用ラッチＢ７０６およびＳ信号用ラッチＢ７０９は、比較信号として参照信号のうちＲａｍｐ２を用いてＮ信号およびＳ信号からＡＤ変換された信号値および基準値を保持する。Ｎ信号用ラッチＣ７０７およびＳ信号用ラッチＣ７１０は、比較信号として参照信号のうちＲａｍｐ３を用いてＮ信号およびＳ信号からＡＤ変換された信号値および基準値を保持する。
【００７３】
また、切替部７０２は、参照信号のうち判定回数が０または３の場合Ｒａｍｐ１、判定回数が１または４の場合Ｒａｍｐ２、判定回数が３、５または６の場合Ｒａｍｐ３をそれぞれ比較信号として用いる。以下の説明のために、Ｎ信号用ラッチＡ７０５に保持された基準値をＮ信号値Ａ、Ｎ信号用ラッチＢ７０６に保持された基準値をＮ信号値Ｂ、Ｎ信号用ラッチＣ７０７に保持された基準値をＮ信号値Ｃと呼ぶ。また、第１の実施形態と同様に、Ｓ信号用ラッチＡ７０８に保持された信号値をＳ信号値Ａ、Ｓ信号用ラッチＢ７０９に保持された信号値をＳ信号値Ｂ、Ｓ信号用ラッチＣ７１０に保持された信号値をＳ信号値Ｃと呼ぶ。
【００７４】
次いで、図８を参照して、本実施形態における撮像装置１００の駆動方法について説明する。図８は、撮像装置１００の駆動を示すタイミングチャートである。図８（ａ）は、Ｓ信号の電位が高い、つまり、Ｓ信号の信号レベルの小さい場合の動作を示しており、図８（ｂ）は、Ｓ信号の電位が低い、つまり、Ｓ信号の信号レベルの大きい場合の動作を示している。
【００７５】
まず、図８（ａ）に示すようにＳ信号の信号レベルが小さい場合の動作について説明する。時刻ｔ８０１では、第１の実施形態と同様に、ＦＤ３０３のリセットが行われる。
【００７６】
次いで、時刻ｔ８０２で、Ｎ信号のＡＤ変換期間が開始される。時刻ｔ８０２において、判定回数カウンタ７０３の判定回数は０であるため、Ｒａｍｐ１が、切替部７０２によって選択され、比較部７０１に入力される。Ｒａｍｐ１が比較信号として選択された後、Ｎ信号のＡＤ変換の開始に応じて、Ｒａｍｐ１の電位は、時間に対して一定の変化率で低下し始める。合わせて、カウンタ１０８はカウントアップを開始する。
【００７７】
また、信号生成部１０７において、ＡＤ変換を開始し、Ｒａｍｐ１の電位が変化し始める時刻ｔ８０２から予め設定された時間の遅れをもって、Ｒａｍｐ２の電位が、Ｒａｍｐ１に追従するように変化し始める。同様に、Ｒａｍｐ３の電位が、Ｒａｍｐ２の電位が変化し始めてから予め設定された時間の遅れをもって、Ｒａｍｐ２に追従して変化し始める。Ｒａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、および、Ｒａｍｐ３の電位は、時間に対して同じ変化率となるように制御されうる。
【００７８】
時刻ｔ８０３では、Ｎ信号と比較信号との大小関係が、Ｎ信号のＡＤ変換の開始の際の大小関係から反転し、比較結果信号がハイレベルに変化する。それに応じてＮ信号用ラッチＡ７０５にカウント値がＮ信号値Ａとして保持され、更に判定回数カウンタ７０３の出力が１となる。判定回数が１に変化するのに応じて、切替部７０２は、比較信号として用いる参照信号をＲａｍｐ１からＲａｍｐ２に切り替える。Ｒａｍｐ２の電位は、上述のようにＲａｍｐ１よりも遅れて変化するため、比較信号は、Ｒａｍｐ１に対してＲａｍｐ２の電位の変化が遅れた期間にＲａｍｐ１が変化した電位の分、高い電位に切り替わる。そのため、Ｎ信号と比較信号との大小関係はＡＤ変換を開始した際の関係に戻り、比較結果信号はローレベルとなる。
【００７９】
時刻ｔ８０４で、再びＮ信号と比較信号との大小関係が、Ｎ信号のＡＤ変換の開始の際の大小関係から反転し、比較結果信号がハイレベルに変化する。それに応じてＮ信号用ラッチＢ７０６にカウント値がＮ信号値Ｂとして保持される。判定回数は２に変化するのに応じて、切替部７０２は、比較信号として用いる参照信号をＲａｍｐ２からＲａｍｐ３に切り替える。Ｒａｍｐ３の電位は、上述のようにＲａｍｐ２よりも遅れて変化するため、比較信号は、Ｒａｍｐ２に対してＲａｍｐ３の電位の変化が遅れた期間にＲａｍｐ２が変化した電位の分、高い電位に切り替わる。そのため、Ｎ信号と比較信号との大小関係はＡＤ変換を開始した際の関係に戻り、比較結果信号はローレベルとなる。
【００８０】
時刻ｔ８０５で再度、Ｎ信号と比較信号との大小関係が、Ｎ信号のＡＤ変換の開始の際の大小関係から反転し、比較結果信号がハイレベルに変化する。それに応じてＮ信号用ラッチＣ７０７にカウント値がＮ信号値Ｃとして保持される。判定回数は３に変化するのに応じて、切替部７０２は、比較信号として用いる参照信号をＲａｍｐ３からＲａｍｐ１に切り替える。
【００８１】
時刻ｔ８０６で、Ｎ信号のＡＤ変換期間が終了し、Ｒａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、Ｒａｍｐ３の電位、および、カウンタ１０８のカウント値がリセットされる。
【００８２】
時刻ｔ８０７〜ｔ８１２では、光電変換によってＰＤ３０１で発生した電荷の転送およびＳ信号のＡＤ変換が行われる。Ｓ信号のＡＤ変換において、ＡＤ変換の開始（Ｒａｍｐ１の電位の変化の開始）からＲａｍｐ２およびＲａｍｐ３の電位が変化を開始するまでの時間は、Ｎ信号のＡＤ変換において、ＡＤ変換の開始から遅らせた時間とそれぞれ等しくなるように制御されうる。
【００８３】
本実施形態において、上述の第１の実施形態と異なり、比較信号として用いられるＲａｍｐ３の電位が、Ｓ信号のレベルに関わらず大小関係が反転するまで変化させる。換言すると、ＡＤ変換を開始してからＲａｍｐ３の電位とＳ信号の最大のレベルとの大小関係が反転するまでの期間が、ＡＤ変換の期間となる。これによって、ＡＤ変換を行う信号レベルの全領域においてＳ信号を３回、ＡＤ変換することが可能となる。例えば、図８（ｂ）に示すように、Ｓ信号の信号レベルが大きい場合であっても、Ｓ信号に対して３回のＡＤ変換が行われる。
【００８４】
次に、図９を参照して、本実施形態における出力部１１０の補正処理および平均化処理について説明する。図９は、画素アレイ１０４に含まれる１つの画素１０１の出力を算出する際の処理を表すフローチャートである。出力部１１０は、これらの処理を画素アレイ１０４に含まれる全ての画素１０１について繰り返し行うことによって、撮像した画像を構成する信号値全体が出力される。
【００８５】
ステップＳ９０１で、出力部１１０は、それぞれ比較信号としてＲａｍｐ１を用いてＡＤ変換されたＳ信号値ＡからＮ信号値Ａを減算する基準レベル補正を行う。これによって、画素１０１で光電変換され蓄積された電荷に基づく信号を算出することができる。
【００８６】
次いで、ステップＳ９０２で、出力部１１０は、それぞれ比較信号としてＲａｍｐ２を用いてＡＤ変換されたＳ信号値ＢからＮ信号値Ｂを減算する基準レベル補正を行う。これによって、画素１０１で光電変換され蓄積された電荷に基づく信号を算出することができる。次にステップＳ９０３で、出力部１１０は、Ｒａｍｐ２を使用した際のゲイン補正を行い、Ｒａｍｐ２のＲａｍｐ１に対する電位の時間変化率の誤差を補正する。ゲイン補正は予め出力部１１０に記録された補正値をＳ信号値Ｂに適用することによって行う。ゲイン補正は、例えば、Ｓ信号値Ｂに補正値を乗算することによって行ってもよい。補正値は、予め均一輝度面を撮影し、それぞれＮ信号値ＡおよびＮ信号値Ｂを減算後のＳ信号値ＡおよびＳ信号値Ｂのゲイン差から取得されうる。ゲイン補正に用いる補正値は、上述のように出力部１１０内のメモリに記録されていてもよいし、また例えば、図１に示すように補正値記録部１１４に記録された補正値を出力部１１０が読み出して用いてもよい。
【００８７】
次に、ステップＳ９０４で、出力部１１０は、それぞれ比較信号としてＲａｍｐ３を用いてＡＤ変換されたＳ信号値ＣからＮ信号値Ｃを減算する基準レベル補正を行う。これによって、画素１０１で光電変換され蓄積された電荷に基づく信号を算出することができる。次いで、ステップＳ９０５で、出力部１１０は、Ｒａｍｐ３を使用した際のゲイン補正を行い、Ｒａｍｐ３のＲａｍｐ１に対する電位の時間変化率の誤差を補正する。ゲイン補正は予め出力部１１０に記録された補正値をＳ信号値Ｃに適用することによって行う。ゲイン補正は、例えば、Ｓ信号値Ｃに補正値を乗算することによって行ってもよい。補正値は、予め均一輝度面を撮影し、それぞれＮ信号値ＡおよびＮ信号値Ｃを減算後のＳ信号値ＡおよびＳ信号値Ｃのゲイン差から取得されうる。
【００８８】
次いで、ステップＳ９０６で、出力部１１０は、補正されたＳ信号値ＡとＳ信号値ＢとＳ信号値Ｃとを平均化する処理を行う。本実施形態において、Ｓ信号のＡＤ変換は３回行われるため、３つの信号値が取得され、これらの信号値を平均化する。この平均化によって回路ノイズの低減効果が得られる。続くステップＳ９０７において、出力部１１０は、平均化された信号値を画素の出力として撮像装置１００の外部へと出力する。
【００８９】
本実施形態において、Ｓ信号の信号レベルの大きさに関わらず、Ｎ信号に対して３回、Ｓ信号に対して３回、それぞれＡＤ変換を行う。そのため、上述の第１の実施形態と同様に、暗電流などの発生する状況においても、ノイズ低減効果を得ることが可能である。また、Ｎ信号に対して複数回のＡＤ変換を行うことによって、第１の実施形態と比較してノイズ低減効果を高めることが可能となる。更に、本実施形態において、基準レベル補正を行う際、Ｓ信号値とＮ信号値とは共通の参照信号を使用してＡＤ変換される。基準となるＡＤ変換の開始（Ｒａｍｐ１からの電位の低下を開始）から、それぞれの参照信号の電位が変化するまでの時間が共通であることから、オフセット補正を行う必要がない。
【００９０】
また、本実施形態においては、Ｓ信号値ＢおよびＳ信号値Ｃに対して、それぞれ出力部１１０においてゲイン補正を行った。しかしながら、基準レベル補正を行う際のＳ信号値とＮ信号値は、共通の参照信号を用いてＡＤ変換されるため、時間に依存して電位が変化する変化率が互いに等しい。また、常にＡＤ変換を行う回数が同じことから、ゲイン補正を省略してもよい。
【００９１】
本実施形態において、第１の実施形態と比較して参照信号の電位の変化の開始を遅らせた時間、ＡＤ変換期間が延びてしまうものの、電位の変化を遅らせる時間はＡＤ変換期間全体の時間に比べて非常に短くなりうる。このため、ＡＤ変換期間の延長の影響は小さい。また、本実施形態において、Ｎ信号およびＳ信号のＡＤ変換をそれぞれ３回ずつ行ったが、２回であってもよいし、４回以上であってもよい。例えば、ランダム性ノイズの低減効果とＡＤ変換の期間との関係を考慮し、ＡＤ変換の回数を適宜選択すればよい。
【００９２】
第３の実施形態
図１０〜１３を参照して、本発明の実施形態による撮像装置の構成、および、その駆動方法について説明する。図１０は、本発明の第３の実施形態における撮像装置１１００を搭載した撮像システム１０００（例えば、デジタルカメラ）の構成例である。本実施形態の撮像システム１０００は、上述の図２に示す撮像システム２００と比較して、温度センサ１００１が配される点で異なる。これ以外の点は、図２に示す撮像システム２００と同じであってもよい。
【００９３】
温度センサ１００１は、撮像装置１１００の温度を検出し、その温度情報を全体制御演算部２０３に送信する。全体制御演算部２０３は、温度情報を撮像装置１１００に送信する。撮像装置１１００は、受信した温度情報に応じて、信号生成部１０７での参照信号の生成を制御する。
【００９４】
次に、図１１を参照して、本実施形態における撮像装置１１００の回路構成について説明する。本実施形態の撮像装置１１００において、上述の図１に示す撮像装置１００と比較して、複数の列アンプ１１０１を含む増幅部１１０２が配される。これ以外の点は、図１に示される撮像装置１００と同じであってもよい。
【００９５】
増幅部１１０２のそれぞれの列アンプ１１０１は、画素アレイ１０４から信号が出力される垂直出力線１０２と変換部１０６との間に配される。増幅部１１０２のそれぞれの列アンプ１１０１は、画素１０１より出力されたＮ信号、Ｓ信号を増幅しＡＤ変換部１０９へと出力する。それぞれの列アンプ１１０１は、Ｎ信号、Ｓ信号を増幅する際の増幅率が変更できるように構成されており、本実施形態において、１倍、２倍、４倍、８倍の増幅率が選択できる。増幅率およびその種類は、これに限られることなく、それぞれの撮像装置によって適宜設定すればよい。
【００９６】
制御部１１３は、全体制御演算部２０３から受信した温度情報、増幅部１１０２の列アンプ１１０１の増幅率、参照信号の電位の変化率の３つの画像取得条件に応じて、それぞれタイミングの異なる駆動信号φＲＡＭＰ＿ＳＴＡＲＴを信号生成部１０７に出力する。増幅部１１０２の列アンプ１１０１の増幅率の設定、および、Ｒａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、Ｒａｍｐ３の電位の変化率の設定は、例えば、ユーザが指定し、全体制御演算部２０３から制御部１１３に送信される。信号生成部１０７は、画像取得条件に応じた駆動信号φＲＡＭＰ＿ＳＴＡＲＴのタイミングに応じて、予め設定された時間の遅れをもって変化をそれぞれ開始するように、参照信号であるＲａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、Ｒａｍｐ３を生成する。また、本実施形態において、信号生成部１０７は、Ｒａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、Ｒａｍｐ３の電位の変化率を変化させることによって、Ｓ信号の振幅とＡＤ変換後のデジタル信号との変換ゲインを変えることができる。出力部１１０は、信号生成部１０７でのＲａｍｐ２、Ｒａｍｐ３の電位の変化の開始のタイミングの変更に応じて、オフセット補正に用いられる補正値をそれぞれ適した値に変更する。
【００９７】
図１２は、撮像装置１１００の駆動を示すタイミングチャートである。図１２（ａ）は、撮像装置１１００の温度が２０℃、増幅部１１０２の列アンプ１１０１の増幅率が４倍、参照信号の電位の変化率が大きい場合の動作を示している。図１２（ｂ）は、撮像装置１１００の温度が５０℃、増幅部１１０２の列アンプ１１０１の増幅率が４倍、参照信号の電位の変化率が大きい場合の動作を示している。図１２（ｃ）は、撮像装置１１００の温度が５０℃、増幅部１１０２の列アンプ１１０１の増幅率が４倍、参照信号の電位の変化率が小さい場合の動作を示している。画像取得条件と駆動信号φＲＡＭＰ＿ＳＴＡＲＴのタイミングの関係に関しては、別図を用いて後述する。
【００９８】
図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、信号生成部１０７は、制御部１１３から送信される駆動信号φＲＡＭＰ＿ＳＴＡＲＴのパルスに応じて参照信号であるＲａｍｐ１、Ｒａｍｐ２、Ｒａｍｐ３の電位の変化を開始させる。信号生成部１０７は、読出駆動において、１つ目のパルスでＲａｍｐ１、Ｎ信号のＡＤ変換が終わった後に入力される２つ目のパルスでＲａｍｐ１、３つ目のパルスでＲａｍｐ２、４つ目のパルスでＲａｍｐ３の電位の変化を開始させる。制御部１１３は、駆動信号φＲＡＭＰ＿ＳＴＡＲＴの制御において、画像取得条件に応じて２つ目のパルスから遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙが経った後に３つ目のパルスを出力する。また、制御部１１３は、駆動信号φＲＡＭＰ＿ＳＴＡＲＴの制御において、画像取得条件に応じて３つ目のパルスから遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙが経った後に４つ目のパルスを出力する。制御部１１３は、画像取得条件に応じて遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙが変化するように、それぞれの駆動信号φＲＡＭＰ＿ＳＴＡＲＴのパルスを出力する。これに応じて、信号生成部１０７は、参照信号であるＲａｍｐ１〜Ｒａｍｐ３において、Ｒａｍｐ１の変化の開始から、画像取得条件に応じて予め設定された時間の遅れをもって変化を開始するようにＲａｍｐ２を生成する。また、信号生成部１０７は、Ｒａｍｐ２の変化の開始から、画像取得条件に応じて予め設定された時間の遅れをもって変化を開始するようにＲａｍｐ３を生成する。このように、画像取得条件に応じて、遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙを変化させることで、Ｓ信号のＡＤ変換において比較信号として用いる参照信号を切り替える際、先の参照信号の電位と後の参照信号の電位との間の電位差を異なる電位に制御することができる。これによって、比較信号として用いる参照信号を切り替えた場合、切り替わった参照信号が、Ｓ信号の電位よりも低い電位から変化する（電位の大小関係が反転しない）ことを抑制する。
【００９９】
次に、画像取得条件に対する制御部１１３の制御について説明する。図１３は、画像取得条件と駆動信号φＲＡＭＰ＿ＳＴＡＲＴのタイミングの関係を表した図である。図１３（ａ）は、比較信号として用いる参照信号の電位の変化率が大きい場合における、撮像装置１１００の温度と、増幅部１１０２の列アンプ１１０１の増幅率と、に応じた遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙの長さを表している。図１３（ｂ）は、比較信号として用いる参照信号の電位の変化率が小さい場合における、撮像装置１１００の温度と、増幅部１１０２の列アンプ１１０１の増幅率と、に応じた遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙの長さを表している。
【０１００】
図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、温度センサ１００１によって検出される撮像装置１１００の温度が高くなるほど、遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙが長くなるように、制御部１１３は、信号生成部１０７の制御を行う。また、増幅部１１０２の列アンプ１１０１の増幅率が大きくなるほど、遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙが長くなるように、制御部１１３は、信号生成部１０７の制御を行う。また、参照信号の電位の変化率が小さい方が、より低い温度、より小さい増幅率にて遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙが長くなるように、制御部１１３は、信号生成部１０７の制御を行う。
【０１０１】
本実施形態において、撮像装置１１００では、ＡＤ変換にて比較信号として用いる参照信号を切り替える際、切り替えた後の比較信号が、ＡＤ変換を行う信号よりも高い電位である必要がある。そのため、切り替える先の参照信号は、上述のように、切り替わる前の参照信号に対し遅延をかけて変化させる。この際、必要な遅延時間は、ＡＤ変換を行うＳ信号の電位の変化と、参照信号の切り替えにかかかる時間に依存する。ＡＤ変換を行うＳ信号の電位の変化は、画素１０１の増幅トランジスタ（ＳＦ）３０５や、増幅部１１０２の列アンプ１１０１で発生する回路ノイズなどによって発生する。切り替えた後の比較信号は、このＳ信号の電位の変化の最大振幅以上に高い電位から変化を開始させる必要がある。さらに、参照信号の切り替えにかかかる時間は、変換部１０６内の比較部４０１、７０１の出力が反転する回路遅延に加え、判定回数カウンタ４０３、７０３および切替部４０２、７０２による回路遅延によって発生しうる。ＡＤ変換を行うＳ信号の電位と先の比較信号の大小関係が反転してから、後の比較信号が切り替わるまでの間にも、後の比較信号として用いる参照信号の電位は変化してしまうため、その変化量も考慮して前後の参照信号の遅延量を設定する必要がある。
【０１０２】
ところで、上述の回路ノイズの振幅と比較信号として用いる参照信号の切り替えにかかる時間とは、画像取得条件によって大きく変化しうる。回路ノイズは、撮像装置１１００の温度および増幅部１１０２の列アンプ１１０１のゲインに応じて大きく変わり、参照信号の切り替えにかかる時間は、撮像装置１１００の温度および参照信号の電位の変化率に応じて変わる。そのため、上述の第１および第２の実施形態の撮像装置１１００において、撮像装置の温度が高く、かつ、参照信号の電位の変化率が最小となる設定において、切り替える先の参照信号に最大量の遅延時間をかける必要がある。さらに、増幅部１１０２が配されることを考慮した場合、増幅部１１０２の列アンプ１１０１の増幅率が最大となる設定の状態において、切り替える先の参照信号に最大量の遅延時間をかける必要がある。もし、一律の遅延時間をかける場合、このような条件（ここではコーナー条件と呼ぶ。）における最大量の遅延時間を設定する必要があるが、コーナー条件以外の条件で撮像する場合においては、過剰な遅延をかけることになる。過剰な遅延時間を設定することは、最大回数のＡＤ変換を行う信号レベルが小さくなることになり、Ｓ信号に対して複数回のＡＤ変換を行うことによって回路ノイズの影響を抑制する効果が低減しうる。
【０１０３】
そこで、本実施形態において、画像取得条件に応じて、参照信号が変化を開始するタイミングを異ならせることによって、多くのＳ信号の信号レベルの範囲において最大回数のＡＤ変換を行うことができる。つまり、コーナー条件以外の画像取得条件下において、最大回数のＡＤ変換を行うことが可能な信号レベルを大きくすることができる。
【０１０４】
取得されたＳ信号値は、上述の第１の実施形態と同様に、出力部１１０によって補正、平均化の処理がなされる。出力部１１０は、平均化された信号値を画素の出力として撮像装置１１００の外部に出力する。
【０１０５】
第４の実施形態
図１４〜１７を参照して、本発明の実施形態による撮像装置の構成、および、その駆動方法について説明する。図１４は、本発明の第４の実施形態における撮像装置１４００の回路構成例である。以下、上述の第１〜３の実施形態と異なる点を中心に説明を行う。
【０１０６】
本実施形態における撮像装置１４００は、図１１に示した撮像装置１１００と比較して、信号生成部１０７が参照信号として、Ｒａｍｐ１〜Ｒａｍｐ７の７種類の参照信号を生成する。信号生成部１０７は、上述の各実施形態と同様に、Ｒａｍｐ１の変化の開始から予め設定された時間の遅れをもって変化をそれぞれ開始するようにＲａｍｐ２〜Ｒａｍｐ７を生成する。
【０１０７】
一方、上述の第１〜３の実施形態ででは、比較信号として、それぞれ順番に電位の変化を開始する参照信号を、変化を開始する順番で用いた。具体的には、比較信号として画素信号の変換の開始に応じて変化を開始するＲａｍｐ１の次に、Ｒａｍｐ１の変化の開始から予め設定された時間の遅れをもって変化をそれぞれ開始する参照信号群のうち、Ｒａｍｐ１の次に電位の変化を開始するＲａｍｐ２を用いる。また、比較信号としてＲａｍｐ２の次に、参照信号群のうち、Ｒａｍｐ２の次に電位の変化を開始するＲａｍｐ３を用いる。しかし、本実施形態において、制御部１１３は、画素信号と比較信号との大小関係が反転するごとに、参照信号群のうち画像取得条件に応じた所定の時間の間隔の遅れをもって変化をそれぞれ開始する参照信号を比較信号として変換部１０６に用いさせる。具体的には、比較信号として、順番に電位の変化を開始する参照信号を、上述の各実施形態と同様に、その順番で用いてもよいし、また、Ｒａｍｐ１、Ｒａｍｐ４、Ｒａｍｐ７のように、飛ばし飛ばしの順番で用いてもよい。そのため、制御部１１３は、変換部１０６に対して画像取得条件に応じたモード信号を出力する。
【０１０８】
次に、図１５を参照して、本実施形態における変換部１０６について説明する。図１５（ａ）は、撮像装置１４００の変換部１０６の回路の構成例を示す。また、図１５（ｂ）には、判定回数と比較信号として選択される参照信号との関係が、それぞれモードごとに示される。本実施形態における変換部１０６は、第１〜３の実施形態の変換部１０６と比較して、切替部１５０２に入力される参照信号が、Ｒａｍｐ１〜Ｒａｍｐ７と増加している。また、Ｓ信号用ラッチＤ１５０９、Ｓ信号用ラッチＥ１５１０、Ｓ信号用ラッチＦ１５１１、Ｓ信号用ラッチＧ１５１２が、追加されている。また、切替部１５０２に制御部１１３からモード信号が、入力される。切替部１５０２は、図１５（ｂ）に示すように、判定回数に応じて、比較信号として選択する参照信号を切り替える。Ｎ信号のＡＤ変換に用いる参照信号とＳ信号の１回目のＡＤ変換に用いられる参照信号はＲａｍｐ１で変わらないが、２回目以降のＡＤ変換に用いられる比較信号は、制御部１１３が画像取得条件に応じて出力するモード信号によって、異なる参照信号を選択する。また、モードに応じてＡＤ変換を行う回数が異なり、モード１では、Ｓ信号に対し比較信号としてＲａｍｐ１〜Ｒａｍｐ７を使用し、７回のＡＤ変換が行なわれる。モード２では、Ｓ信号に対しＲａｍｐ１、Ｒａｍｐ３、Ｒａｍｐ５、Ｒａｍｐ７を使用し、４回のＡＤ変換が行われる。モード３では、Ｓ信号に対しＲａｍｐ１、Ｒａｍｐ４、Ｒａｍｐ７を使用し、３回のＡＤ変換が行われる。各々の参照信号を選択する具体的な制御部１１３による制御に関しては次図を用いて説明するが、画像取得条件に応じて、比較信号として用いる参照信号を異ならせることによって、それぞれの画像取得条件に適した遅延時間を設定することができる。
【０１０９】
次いで、図１６を参照して、本実施形態における撮像装置１４００の駆動方法について説明する。図１６は、撮像装置１４００の駆動を示すタイミングチャートである。図１６（ａ）は、モード１での動作を示しており、図１６（ｂ）はモード２での動作を示しており、図１６（ｃ）はモード３での動作を示している。画像取得条件とモードとの関係は、後述する。
【０１１０】
図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように信号生成部１０７は、Ｓ信号のＡＤ変換を行う時刻ｔ１６０６〜１６１４、ｔ１６２０〜１６２５、ｔ１６３１〜１６３５において、Ｒａｍｐ１からＲａｍｐ７の順に、電位の変化が開始するように、各参照信号を生成する。制御部１１３は、図１６（ａ）に示すように、モード１では、Ｓ信号のＡＤ変換において比較信号として選択する参照信号を、Ｒａｍｐ１〜Ｒａｍｐ７の順に変換部１０６に用いさせる。また、制御部１１３は、図１６（ｂ）に示すように、モード２では、Ｓ信号のＡＤ変換において比較信号として選択する参照信号を、Ｒａｍｐ１、Ｒａｍｐ３、Ｒａｍｐ５、Ｒａｍｐ７の順に変換部１０６に用いさせる。また、制御部１１３は、図１６（ｃ）に示すように、モード３では、Ｓ信号のＡＤ変換において比較信号として選択する参照信号を、Ｒａｍｐ１、Ｒａｍｐ４、Ｒａｍｐ７の順に変換部１０６に用いさせる。これによって、制御部１１３は、画像取得条件に応じてモードを変更し、切り替える前の参照信号と切り替えた後の参照信号との変化開始の遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙを異ならせると共に、Ｓ信号に対しＡＤ変換を行う回数を異ならせる。
【０１１１】
図１７は、画像取得条件と制御部１１３が出力するモード信号との関係を表した図である。図１７に示すように、撮像装置１４００の温度が高く、かつ、増幅部１１０２の列アンプ１１０１の増幅率が高い場合、遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙが最も長くなるモード３が選択される。また、撮像装置１４００の温度が低く、かつ、増幅部１１０２の列アンプ１１０１の増幅率が低い場合、遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙが最も短くなるモード１が選択される。
【０１１２】
本実施形態において、画像取得条件に応じて、比較信号として選択される参照信号を異ならせる。つまり、画像取得条件に応じて、遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙを変化させ、Ｓ信号のＡＤ変換において比較信号として用いる参照信号を切り替える際の、先の参照信号の電位と後の参照信号の電位との間の電位差を異なる電位に制御することができる。結果として、画像取得条件に応じて、比較信号として用いる参照信号の遅延時間を適切に制御できる。これによって、上述の第３の実施形態と同様に必要以上に遅延時間を長く設定することを防ぎ、コーナー条件を除く画像取得条件において、より信号レベルの大きな信号に対しても複数回のＡＤ変換を行うことが可能になる。また、参照信号の数を増加させ、Ｓ信号の信号レベルに応じて、ＡＤ変換の回数を増やすことによって、コーナー条件を除く画像取得条件において、回路ノイズを低減する効果を高めることが可能となる。
【０１１３】
第５の実施形態
図１８、図１９を参照して、本発明の実施形態による撮像装置の構成、および、その駆動方法について説明する。図１８は、本発明の第５の実施形態における撮像装置の変換部１０６の回路の構成例を示す図である。変換部１０６以外の撮像装置の構成は、上述の第４の実施形態の図１４に示す撮像装置１４００と同様であってもよい。以下、上述の第１〜４の実施形態と異なる点を中心に説明を行う。
【０１１４】
図１８（ａ）は、本実施形態の変換部１０６の構成例を示す。また、図１８（ｂ）には、それぞれＳ信号の信号レベルに応じた、判定回数と比較信号として選択される参照信号との関係が示される。
【０１１５】
本実施形態における変換部１０６は、第４の実施形態の変換部１０６に対し、カウント部１８０４からＳ信号の１回目のＡＤ変換結果であるＳ信号値Ａが、切替部１８０２に入力される点が異なっている。切替部１８０２は、Ｓ信号値Ａの信号レベルに応じて２回目以降のＡＤ変換に比較信号として用いる参照信号を選択する。つまり、本実施形態において、画素信号と比較信号との大小関係が反転するごとに、参照信号群のうちＳ信号の信号レベルに応じた所定の時間の間隔の遅れをもって変化をそれぞれ開始する参照信号を比較信号として選択する。
【０１１６】
図１８（ｂ）に示すように、切替部１８０２は、Ｓ信号値Ａの信号レベルを第１の閾値、第２の閾値と比較し、その大小に応じて判定回数２以降に比較信号として選択する参照信号を切り替える。ここで、第１の閾値は、第２の閾値よりも信号レベルが小さい。また、Ｓ信号値Ａの信号レベルに応じてＡＤ変換を行う回数が異なる。まず、Ｎ信号をＡＤ変換する判定回数０、および、最初にＳ信号をＡＤ変換する判定回数１に対しては、Ｓ信号値Ａがまだ確定していないため、Ｓ信号値Ａに係らず、判定回数０、１ではＲａｍｐ１を選択する。次いで、判定回数２以降は、Ｓ信号値Ａの信号レベルに応じて、異なる参照信号を比較信号として選択する。判定回数２を切替部１８０２に出力する際、判定回数カウンタ１８０３は、切替部１８０２がＳ信号値Ａの大小判定が終わった後に判定回数が切り替わるように遅延をかけてもよい。
【０１１７】
次いで、図１９を参照して、本実施形態における撮像装置の駆動方法について説明する。図１９は、本実施形態の撮像装置の駆動を示すタイミングチャートである。図１９（ａ）は、Ｓ信号値Ａの信号レベルが第１の閾値未満となる場合の動作を示している。図１９（ｂ）は、Ｓ信号値Ａの信号レベルが第１の閾値以上第２の閾値未満となる場合の動作を示してうる。図１９（ｃ）は、Ｓ信号値Ａの信号レベルが第２の閾値以上となる場合の動作を示している。
【０１１８】
図１９（ａ）〜（ｃ）に示すように、Ｓ信号値Ａの信号レベルが大きいほど、切り替える前の参照信号と切り替える先の参照信号との変化開始の遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙが長くなるように制御される。つまり、電荷転送後の増幅部１１０２の列アンプ１１０１の出力する信号レベルが大きいほど遅延時間が長くなるように制御される。本実施形態において、上述の第１〜４の実施形態と異なり、それぞれの変換部１０６によってＳ信号の２回目以降のＡＤ変換に用いられる参照信号が異なると共に、ＡＤ変換を行う回数が異なる場合がありうる。
【０１１９】
信号レベルの大きい信号は、リセットトランジスタにかかる電位差が大きくなることからリーク電流が増加し、図１９（ｃ）に示すように、電位の経時的な変化が大きく、参照信号の遅延時間を長くする必要がありうる。このことから、第１の閾値および第２の閾値は、信号レベルに対するリーク電流の変化量から、参照信号の切り替え時に比較信号が確実にＳ信号よりも高い電位に切り替わるような遅延量を満たす必要がある。そこで信号レベルに応じて、比較信号として選択される参照信号の遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙを変化させ、Ｓ信号のＡＤ変換において比較信号として用いる参照信号を切り替える際の先の参照信号の電位と後の参照信号の電位との間の電位差を異なる電位に制御する。これによって、参照信号を切り替える際、比較信号として選択された参照信号が、Ｓ信号よりも高い電位に切り替わるようにする。
【０１２０】
本実施形態では、Ｓ信号の信号レベルに応じて、比較信号として先に選択されていた参照信号と、後に選択される参照信号との電位が変化を開始する遅延時間Δｔ＿ｄｅｌａｙを異ならせるように制御を行う。これによって、信号レベルの小さいＳ信号に対し、より早く複数回のＡＤ変換を終わらせることが可能なため、ＡＤ変換を行う信号の経時的な変化の影響を低減することができる。信号レベルの小さい信号は、わずかな信号レベルの変化が画像上で視認されやすいため、経時的な変化による画質の劣化を効果的に防ぐことが可能である。
【０１２１】
以上、本発明に係る実施形態を示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。
【符号の説明】
【０１２２】
１００，１１００，１４００：撮像装置、１０１：画素、１０４：画素アレイ、１０６：変換部、１０７：信号生成部、４０４，７０４，１５０４，１８０４：カウント部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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