(57)【要約】【課題】読み出し速度を高速化しつつ、ノイズ除去率の低下を抑制することができる固体撮像装置、その駆動方法及び撮像システムを提供することを課題とする。【解決手段】固体撮像装置は、光を電荷に変換する光電変換部と、電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、前記光電変換部により変換された電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部の電圧を増幅する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタにより増幅された電圧を出力線に出力する選択トランジスタと、前記出力線及び電流源の間に設けられるスイッチとを有し、前記転送トランジスタがオフ状態からオン状態に遷移する期間及びオン状態からオフ状態に遷移する期間では、前記選択トランジスタ及び前記スイッチはオフ状態にあることを特徴とする。【選択図】図３
2015056876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を電荷に変換する光電変換部と、
電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、
前記光電変換部により変換された電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部の電圧を増幅する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタにより増幅された電圧を出力線に出力する選択トランジスタと、
前記出力線及び電流源の間に設けられるスイッチとを有し、
前記転送トランジスタがオフ状態からオン状態に遷移する期間及びオン状態からオフ状態に遷移する期間では、前記選択トランジスタ及び前記スイッチはオフ状態にあることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記転送トランジスタがオン状態にある期間では、前記選択トランジスタ及び前記スイッチはオフ状態にあることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記選択トランジスタ及び前記スイッチは、前記転送トランジスタがオフ状態になった後に、オンすることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記フローティングディフュージョン部がリセットされた状態で、前記選択トランジスタ及び前記スイッチがオン状態になり、前記出力線にノイズ信号が出力され、
その後に、前記選択トランジスタ及び前記スイッチがオフ状態になり、
その後に、前記転送トランジスタがオン状態になり、
その後に、前記転送トランジスタがオフ状態になり、
その後に、前記選択トランジスタ及び前記スイッチがオン状態になり、前記出力線に光信号が出力されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
さらに、前記出力線に接続され、前記ノイズ信号をクランプし、前記光信号と前記ノイズ信号との差分に応じた信号を出力する増幅器を有することを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項６】
さらに、前記増幅器の出力信号と時間経過と共に変化する参照信号とを比較する比較器と、
前記比較器の出力信号が反転するまでカウントを行うカウンタとを有することを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に光を結像させる光学部と
を有することを特徴とする撮像システム。
【請求項８】
光を電荷に変換する光電変換部と、
電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、
前記光電変換部により変換された電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部の電圧を増幅する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタにより増幅された電圧を出力線に出力する選択トランジスタと、
前記出力線及び電流源の間に設けられるスイッチとを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記転送トランジスタがオフ状態からオン状態に遷移する期間及びオン状態からオフ状態に遷移する期間では、前記選択トランジスタ及び前記スイッチはオフ状態にあることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、その駆動方法及び撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置は、多画素化及び大判化が進んでおり、これに伴って画素から信号を読み出す垂直信号線の寄生容量が大きくなる傾向がある。他方、フルＨＤや４Ｋ８Ｋといった多画素の信号を高速で読み出すことが求められる。
【０００３】
特許文献１には、画素の増幅トランジスタのソースは垂直信号線に接続されるとともに、ゲートはリセットトランジスタを介してリセット電位に接続されている。そして、特許文献１には、画素のノイズ読み出し前と画素信号読み出し前のそれぞれのタイミングにおいて垂直信号線をリセットする方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−４３９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、垂直信号線のリセット電位から画素ノイズ及び画素信号の電位に垂直信号線を充電又は放電する時間（以降、充放電時間という）を要するので、画素信号読み出しの高速化に課題がある。また、高速化のために読み出し時間を短くすると、垂直信号線の時定数が大きいと精度良く画素ノイズ及び画素信号を読み出せないので、ノイズ除去率が低下する課題がある。
【０００６】
本発明の目的は、読み出し速度を高速化しつつ、ノイズ除去率の低下を抑制することができる固体撮像装置、その駆動方法及び撮像システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の固体撮像装置は、光を電荷に変換する光電変換部と、電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、前記光電変換部により変換された電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部の電圧を増幅する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタにより増幅された電圧を出力線に出力する選択トランジスタと、前記出力線及び電流源の間に設けられるスイッチとを有し、前記転送トランジスタがオフ状態からオン状態に遷移する期間及びオン状態からオフ状態に遷移する期間では、前記選択トランジスタ及び前記スイッチはオフ状態にあることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、読み出し速度を高速化しつつ、ノイズ除去率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。
【図２】画素の構成例を示す回路図である。
【図３】第１の実施形態の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図４】増幅器の構成例を示す回路図である。
【図５】第２の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。
【図６】第２の実施形態の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図７】ランプ信号生成器の構成例を示す回路図である。
【図８】撮像システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。固体撮像装置５０は、画素アレイ１０と、垂直走査回路１１と、タイミングジェネレータ１２と、スイッチ１０２と、定電流源１０３と、垂直出力線１０４と、増幅器１３１と、ラインメモリ１４１と、水平転送回路１４２と、水平走査回路１４３とを有する。画素アレイ１０は、２次元行列状に配置された複数の画素１０１を有する。画素１０１は、入射光を電荷に変換する。垂直走査回路１１は、制御線ｒｅａｄ１〜ｒｅａｄ４等を介して、複数の画素１０１を行単位で順次選択する。選択された行に属する画素１０１は、その画素１０１が接続された垂直出力線１０４に信号を出力する。複数の画素１０１のうちの各列の画素１０１は、それぞれ同一の垂直出力線１０４に接続される。垂直出力線１０４には、後述する画素１０１の増幅トランジスタ１０６（図２）の負荷手段としての定電流源１０３が接続される。垂直出力線１０４と定電流源１０３との間には、スイッチ１０２が設けられる。また、各列の増幅器１３１は、それぞれ、各列の垂直出力線１０４の信号を増幅して出力する。ラインメモリ１４１は、各列の増幅器１３１の出力信号を保持する。ラインメモリ１４１に保持された各列の信号は、水平転送回路１４２により、順次読み出される。水平転送回路１４２は、水平走査回路１４３の走査により制御される。タイミングジェネレータ１２は、制御信号φｖｌｉｎｅ＿ｏｎによりスイッチ１０２を制御し、制御信号ｈｓｔにより水平走査回路１４３を制御する。
【００１１】
図２は、図１の画素１０１の構成例を示す回路図である。画素１０１は、光電変換部１０９、転送トランジスタ１０８、リセットトランジスタ１０５、増幅トランジスタ１０６及び行選択トランジスタ１０７を有する。制御電圧φＴｘ、φＲｅｓ、φＳｅｌは、図１の垂直走査回路１１により供給される。光電変換部１０９は、例えばフォトダイオードであり、入射光を電荷に変換して蓄積する。転送トランジスタ１０８は、制御電圧φＴｘがハイレベルになると、光電変換部１０９の電荷をフローティングディフュージョン部ＦＤに転送する。フローティングディフュージョン部ＦＤは、電荷を電圧に変換する。リセットトランジスタ１０５は、制御電圧φＲｅｓがハイレベルになると、フローティングディフュージョン部ＦＤを電源電位ＶＤＤにリセットする。増幅トランジスタ１０６は、フローティングディフュージョン部ＦＤの電圧を増幅して出力する。行選択トランジスタ１０７は、制御電圧φＳｅｌがハイレベルになると、増幅トランジスタ１０６の出力端子を垂直出力線１０４に接続し、増幅トランジスタ１０６により増幅された電圧を垂直出力線１０４に出力する。
【００１２】
図３は、図１の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。フローティングディフュージョン部ＦＤの電位は、暗時の電位を実線で示し、低輝度時の電位を一点鎖線で示す。特に、暗時や低輝度時の画素信号の精度は重要である。ここで、暗時は、光電変換部１０９に入射光による電荷が生じない場合であるとする。この範囲の画素信号は、光ショットノイズよりも回路に起因するノイズが支配的になる。加えて、ガンマ処理などの信号処理で信号レベルが強調され、また、固定パターンノイズとなった場合、ランダムノイズに対し数倍にも強調されて知覚され易いので画質低化をもたらす。
【００１３】
本実施形態では、光電変換部１０９の電荷の読み出しに先立って、フローティングディフュージョン部ＦＤをリセット後のノイズ信号Ｖｎの読み出しを行う。時刻ｔ０以前では、フローティングディフュージョン部ＦＤの電位は、残留電荷に応じた残留電位である。時刻ｔ０では、リセットトランジスタ１０５のゲートの制御電圧φＲｅｓがハイレベルとなり、リセットトランジスタ１０５がオンする。この時、リセットトランジスタ１０５のゲートとフローティングディフュージョン部ＦＤの寄生容量カップリングが存在する。これにより、フローティングディフュージョン部ＦＤの電位には、リセットトランジスタ１０５のローレベルからハイレベルへの遷移電圧を容量分割した変動（以下、信号振られという）が起きる。フローティングディフュージョン部ＦＤの寄生容量は非常に小さいので（通常、約数十ｆＦ）、その電位の変化は短時間である。そして、フローティングディフュージョン部ＦＤが電源電位ＶＤＤにリセットされる。
【００１４】
時刻ｔ１では、読み出す行の行選択トランジスタ１０７のゲートの制御電圧φＳｅｌをハイレベルとし、行選択スイッチ１０７がオンする。また、ほぼ同じタイミングで、スイッチ１０２のゲートの制御電圧φｖｌｉｎｅ＿ｏｎもハイレベルとなり、スイッチ１０２がオンする。これにより、増幅トランジスタ１０６は定電流源１０３とともにソースフォロワとして動作し、増幅トランジスタ１０６は、フローティングディフュージョン部ＦＤの電圧を増幅し、垂直出力線１０４に出力する。垂直出力線１０４の電位は、フローティングディフュージョン部ＦＤの電位に応じた電位に充電されるが、垂直出力線１０４の寄生容量が数ｐＦ以上と大きいので、その信号波形は図３の様に鈍った波形になる。
【００１５】
時刻ｔ２では、フローティングディフュージョン部ＦＤのリセットが完了し、制御電圧φＲｅｓをローレベルとし、リセットトランジスタ１０５をオフさせる。この時、フローティングディフュージョン部ＦＤ及び垂直出力線１０４の電位は、上記と同様に、リセットトランジスタ１０５のゲートとフローティングディフュージョン部ＦＤの寄生容量カップリングによる信号振られが起きる。垂直出力線１０４の電位変化は、垂直出力線１０４の寄生容量が大きいために、図３に示すとおり、静定するまでに比較的長い時間を要する。ここで、増幅トランジスタ１０６のゲート及びソース間電圧Ｖｇｓは、各画素１０１毎の増幅トランジスタ１０６の閾値電圧Ｖｔｈのバラツキ（ΔＶｔｈ）によって異なるので、垂直出力線１０４毎にΔＶｔｈの電位バラツキを有する。フローティングディフュージョン部ＦＤの電位は、ノイズ信号に収束する。垂直出力線１０４のノイズ信号Ｖｎは、増幅器１３１に供給される。
【００１６】
参考例として、時刻ｔ４からｔ７までの制御電圧φＳｅｌ、φｖｌｉｎｅ＿ｏｎと垂直出力線１０４の電位の波形を破線で示す。参考例では、時刻ｔ４からｔ７までの期間では、制御電圧φＳｅｌ及びφｖｌｉｎｅ＿ｏｎをハイレベルに保持する。時刻ｔ５からｔ６までの期間では、転送トランジスタ１０８のゲートへの制御電圧φＴｘがローレベルからハイレベルになり、転送トランジスタ１０８がオン状態になり、光電変換部１０９の電荷はフローティングディフュージョン部ＦＤへ転送される。暗時の制御電圧φＴｘによるフローティングディフュージョン部ＦＤの信号振られは、制御電圧φＲｅｓによる時刻ｔ０及びｔ２の時とほぼ同様に変化する。実線で示すフローティングディフュージョン部ＦＤの電位は、時刻ｔ５１及びｔ６１で安定電圧に収束し、垂直出力線１０４の電位は時刻ｔ５２及びｔ６２で収束する。即ち、参考例では、破線で示す垂直出力線１０４の立ち上がり収束時刻ｔ５２は、実線で示すフローティングディフュージョン部ＦＤの立ち上がり収束時刻ｔ５１に対してΔｔの遅れが生じる。同様に、破線で示す垂直出力線１０４の立ち下がり収束時刻ｔ６２は、実線で示すフローティングディフュージョン部ＦＤの立ち下がり収束時刻ｔ６１に対してΔｔの遅れが生じる。
【００１７】
これに対して、本実施形態では、この充放電時定数に依存する時間Δｔを短縮するための駆動を行う。転送トランジスタ１０８のゲートの制御電圧φＴｘの遷移による垂直出力線１０４（あるいは後述の増幅器１３１）の信号振られを抑制するために、電荷転送前の時刻ｔ４では、制御電圧φＳｅｌをローレベルにし、行選択トランジスタ１０７をオフさせる。それと同時に、垂直出力線１０４と定電流源１０３との間のスイッチ１０２のゲートの制御電圧φｖｌｉｎｅ＿ｏｎもローレベルとし、スイッチ１０２をオフさせる。
【００１８】
上記により、垂直出力線１０４に電流を流し込む電源である電圧ＶＤＤは、行選択トランジスタ１０７によって切り離され、電流を引き抜く定電流源１０３はスイッチ１０２によって切り離される。これにより、垂直出力線１０４はフローティング状態になるので、垂直出力線１０４の電位は、実線で示すようになる。この時、各垂直出力線１０４の電位は、垂直出力線１０４の寄生容量により、時刻ｔ７までノイズ信号Ｖｎになる。なお、列毎の垂直出力線１０４のノイズ信号Ｖｎは、ΔＶｎ＋ΔＶｔｈのバラツキ成分を有し、ΔＶｎはノイズ信号Ｖｎのバラツキ成分である。上記のように、時刻ｔ４以降の垂直出力線１０４の初期電位が、リセット信号Ｖｎと等しい値となる。
【００１９】
次に、時刻ｔ５では、転送トランジスタ１０８のゲートの制御電圧φＴｘがハイレベルとなり、転送トランジスタ１０８がオン状態になり、光電変換部１０９の電荷はフローティングディフュージョン部ＦＤに転送される。時刻ｔ６では、転送トランジスタ１０８のゲートの制御電圧φＴｘがローレベルになり、転送トランジスタ１０８はオフする。次に、時刻ｔ７では、行選択トランジスタ１０７のゲートの制御電圧φＳｅｌ及びスイッチ１０２のゲートの制御電圧φｖｌｉｎｅ＿ｏｎがハイレベルになり、行選択トランジスタ１０７及びスイッチ１０２がオンする。これにより、増幅トランジスタ１０６は、フローティングディフュージョン部ＦＤの電圧を増幅して、一点鎖線で示す光信号Ｖｓ＋Ｖｎを垂直出力線１０４に出力する。光信号Ｖｓは、光電荷に基づく信号である。時刻ｔ７では、垂直出力線１０４の電位は、一点鎖線で表した光電荷に応じた光信号Ｖｓの変化を開始する。また、上述の通り、転送トランジスタ１０８のゲートとフローティングディフュージョン部ＦＤとの容量カップリングが存在する。これにより、制御電圧φＴｘがハイレベル及びローレベルへ遷移する際、フローティングディフュージョン部ＦＤは転送トランジスタ１０８の遷移に応じて電位変動を起こす。しかし、この間、行選択トランジスタ１０７のゲートの制御電圧φＳｅｌはローレベルにあり、垂直出力線１０４と増幅トランジスタ１０６とは電気的に非導通となっている。このため、フローティングディフュージョン部ＦＤの電位変動が垂直出力線１０４の電位に影響を与えることはない。
【００２０】
この様に、先に述べた期間Δｔを除くことが可能となり、光信号Ｖｓの読み出しを高速化できる。また、暗時においては、ノイズ信号Ｖｎと暗時信号との間には電位差が生じないため、後段の増幅器１３１のＣＤＳ処理により精度良くノイズ信号Ｖｎを除去できる。
【００２１】
図４は、図１の増幅器１３１の構成例を示す回路図である。増幅器１３１は、差動増幅器１３１０と、クランプ容量１３１１と、帰還容量１３１２と、リセットスイッチ１３１３とを有する。差動増幅器１３１０の正入力端子には、基準電圧ｖｒｅｆが入力される。クランプ容量１３１１は、垂直出力線１０４及び差動増幅器１３１０の負入力端子間に接続される。差動増幅器１３１０は、垂直出力線１０４の信号を反転増幅し、基準電圧ｖｒｅｆに重畳する形で、図１のラインメモリ１４１に出力する。
【００２２】
増幅器１３１は、時刻ｔ３での垂直出力線１０４のノイズ信号Ｖｎをクランプ容量１３１１でクランプし、増幅器１３１のオフセット信号Ｖｎ’を出力する。オフセット信号Ｖｎ’は、ラインメモリ１４１に格納される。次に、増幅器１３１は、時刻ｔ７での垂直出力線１０４の光信号Ｖｓ＋Ｖｎを入力することにより、ノイズ信号Ｖｎが除去された光信号Ｖｓ’＝Ｖｓ＋Ｖｎ’を出力する。時刻ｔ８では、光信号Ｖｓ’がラインメモリ141に格納される。ラインメモリ１４１に格納されたオフセット信号Ｖｎ’及び光信号Ｖｓ’は、水平転送回路１４２によって列毎に順次に読み出され、後段の差動回路（図８の映像信号処理回路部８３０）により差分処理され、光信号Ｖｓが得られる。以上のように、増幅器１３１は、垂直出力線１０４に接続され、ノイズ信号Ｖｎをクランプし、光信号Ｖｓ＋Ｖｎとノイズ信号Ｖｎとの差分Ｖｓに応じた信号を出力する。
【００２３】
以上のようにして、第１行目に接続された画素１０１の信号読み出しが完了する。この後、第２行目の読み出し先立って、増幅器１３１、水平走査回路１４３が初期リセットされる。以下同様に、タイミングジェネレータ１２によって制御される垂直走査回路１１からの信号により、第２行目〜第ｍ行目に接続された画素１０１の信号が順次読み出される。
【００２４】
本実施形態では、図３のように、転送トランジスタ１０８がオフ状態からオン状態に遷移する期間ｔ５及びオン状態からオフ状態に遷移する期間ｔ６では、選択トランジスタ１０７及びスイッチ１０２はオフ状態にある。好ましくは、転送トランジスタ１０８がオン状態にある期間ｔ５〜ｔ６では、選択トランジスタ１０７及びスイッチ１０２はオフ状態にある。選択トランジスタ１０７及びスイッチ１０２は、転送トランジスタ１０８がオフ状態になった時刻ｔ６の後に、時刻ｔ７でオンする。
【００２５】
時刻ｔ３では、フローティングディフュージョン部ＦＤがリセットされた状態で、選択トランジスタ１０７及びスイッチ１０２がオン状態になり、垂直出力線１０４にノイズ信号Ｖｎが出力される。その後に、時刻ｔ４で、選択トランジスタ１０７及びスイッチ１０２がオフする。その後に、時刻ｔ５で、転送トランジスタ１０８がオンする。その後に、時刻ｔ６で、転送トランジスタ１０８がオフする。その後に、時刻ｔ７で、選択トランジスタ１０７及びスイッチ１０２がオン状態になり、垂直出力線１０４に光信号Ｖｓ＋Ｖｎが出力される。
【００２６】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。列回路１３は、アナログデジタル変換を行う。以下、本実施形態が第１の実施形態と異なる点を説明する。画素アレイ１０、垂直走査回路１１及び増幅器１３１は、第１の実施形態と同様である。ランプ信号生成器１４は、タイミングジェネレータ１２の制御信号ｒｍｐ＿ｅｎ及びｒｍｐ＿ｒｓｔにより、ランプ信号ｒａｍｐを生成する。ランプ信号ｒａｍｐの生成開始タイミングで、タイミングジェネレータ１２のリセット信号ｃｎｔ＿ｒｓｔにより、各列のカウンタ１３３は、カウント値をリセットし、その後、クロック生成器１５により生成されたクロック信号ｃｃｌｋをカウントする。各列の比較器１３２は、それぞれ、各列の増幅器１３１の出力信号とランプ信号ｒａｍｐとを比較する。なお、比較器１３２では、増幅器１３１の信号の入力端子とランプ信号ｒａｍｐの入力端子のクランプ用の容量と、基準電位へのクランプスイッチは図示を省略している。ランプ信号ｒａｍｐが増幅器１３１の出力信号より大きくなったタイミングで、比較器１３２の出力信号は反転し、カウンタ１３３はカウント動作を停止する。その後、各列のメモリ１３４には、タイミングジェネレータ１２の制御信号ｍｅｍ＿ｔｆｒにより、各列のカウンタ１３３のカウント値がそれぞれ格納される。その後、水平走査回路１６によって、順次、各列のメモリ１３４が選択され、各列のメモリ１３４に格納されているカウント値が画素信号として読み出される。
【００２７】
図７は、図５のランプ信号生成器１４の構成例を示す回路図である。電流源７０１及びスイッチ７０２の直列接続回路は、電源電位ノード及びランプ信号ｒａｍｐの出力端子間に接続される。スイッチ７０３は、ランプ信号ｒａｍｐの出力端子及びグランド電位ノード間に接続される。容量７０４は、ランプ信号ｒａｍｐの出力端子及びグランド電位ノード間に接続される。スイッチ７０２は、制御信号ｒｍｐ＿ｅｎにより、オフ／オフ制御される。スイッチ７０３は、制御信号ｒｍｐ＿ｒｓｔにより、オフ／オフ制御される。ランプ信号生成器１４は、図６に示すように、時間経過と共に変化するランプ信号（参照信号）ｒａｍｐを生成する。
【００２８】
図６は、図５の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。制御電圧φＳｅｌ、φＲｅｓ、φＴｘ及びφｖｌｉｎｅ＿ｏｎは、図３と同じである。オフセット信号Ｖｎ’は、時刻ｔ３〜ｔ８の増幅器１３１の出力信号である。光信号Ｖｓ１及びＶｓ２は、時刻ｔ９以降の増幅器１３１の出力信号である。光信号Ｖｓ１は暗示の信号であり、光信号Ｖｓ２は低輝度時の信号である。暗時の光信号Ｖｓ１は、オフセット信号Ｖｎ’と同じ電位である。
【００２９】
時刻ｔ２では、リセット信号ｃｍｐ＿ｒｓｔ及びｃｎｔ＿ｒｓｔにより、比較器１３２及びカウンタ１３３は、リセットされる。時刻ｔ３では、ランプ信号生成器１４は、リセット信号ｒｍｐ＿ｒｓｔ及びｒｍｐ＿ｅｎにより、リセットスイッチ７０３をオフ状態にし、充電スイッチ７０２をオンする。充電スイッチ７０２がオンすると、電流源７０１から一定電流が容量７０４に流れ、容量７０４が充電される。ランプ信号ｒａｍｐは、時間的変化率が一定の傾きを持った電位波形となる。カウンタ１３３は、ランプ信号ｒｍｐの生成開始時刻ｔ３からダウンカウントを開始する。
【００３０】
時刻ｔ３〜ｔ５の期間では、比較器１３２は、オフセット信号Ｖｎ’とランプ信号ｒａｍｐを比較する。時刻ｔ４で、ランプ信号ｒａｍｐがオフセット信号Ｖｎ’より大きくなると、比較器１３２の出力信号は、ハイレベルからローレベルに反転する。すると、カウンタ１３３は、ダウンカウントを停止し、カウント値を保持する。すなわち、カウンタ１３３は、ランプ信号生成開始時刻ｔ３から比較器１３２の出力信号反転時刻ｔ４までダウンカウントを行う。
【００３１】
次に、時刻ｔ５では、全列のオフセット信号Ｖｎ’のアナログデジタル変換が終了した後に、信号ｒｍｐ＿ｒｓｔをハイレベルにし、信号ｒｍｐ＿ｅｎをローレベルにし、ランプ信号ｒａｍｐをグランド電位にリセットする。これにより、比較器１３２の出力信号は、ローレベルからハイレベルに戻る。
【００３２】
次に、光信号Ｖｓ１又はＶｓ２のアナログデジタル変換について説明する。時刻ｔ８では、垂直出力線１０４に光信号Ｖｓ１又はＶｓ２が出力される。時刻ｔ９では、ランプ信号生成器１４は、リセット信号ｒｍｐ＿ｒｓｔ及びｒｍｐ＿ｅｎにより、リセットスイッチ７０３をオフ状態にし、充電スイッチ７０２をオンする。充電スイッチ７０２がオンすると、電流源７０１から一定電流が容量７０４に流れ、容量７０４が充電される。ランプ信号ｒａｍｐは、時間的変化率が一定の傾きを持った電位波形となる。カウンタ１３３は、ランプ信号ｒｍｐの生成開始時刻ｔ９からアップカウントを開始する。
【００３３】
時刻ｔ９以降では、比較器１３２は、光信号Ｖｓ１又はＶｓ２とランプ信号ｒａｍｐを比較する。暗時の光信号Ｖｓ１の場合、時刻ｔ１０で、ランプ信号ｒａｍｐが光信号Ｖｓ１より大きくなると、比較器１３２の出力信号は、ハイレベルからローレベルに反転する。すると、カウンタ１３３は、アップカウントを停止し、カウント値を保持する。すなわち、カウンタ１３３は、ランプ信号生成開始時刻ｔ９から比較器１３２の出力信号反転時刻ｔ１０までアップカウントを行う。この時、カウンタ１３３のカウンタ値は、オフセット信号Ｖｎ’と光信号Ｖｓ１が同じ電位であるため、ゼロである。このカウント値は、光信号Ｖｓ１からオフセット信号Ｖｎ’を減算した値であり、オフセットを除去した画素信号になる。
【００３４】
低輝度時の光信号Ｖｓ２の場合、時刻ｔ１０−２で、ランプ信号ｒａｍｐが光信号Ｖｓ２より大きくなると、比較器１３２の出力信号は、ハイレベルからローレベルに反転する。すると、カウンタ１３３は、アップカウントを停止し、カウント値を保持する。すなわち、カウンタ１３３は、ランプ信号生成開始時刻ｔ９から比較器１３２の出力信号反転時刻ｔ１０−２までアップカウントを行う。この時、カウンタ１３３のカウンタ値は、光信号Ｖｓ２からオフセット信号Ｖｎ’を減算した値であり、オフセットを除去した画素信号になる。
【００３５】
本実施形態で説明した、時間に対して信号レベルが単調変化するランプ信号を用いたＡＤ変換方式では、アナログ信号の信号レベルが低いほど、短時間でデジタル値が確定する。そのため、転送トランジスタやリセットトランジスタの動作に起因する信号振られの影響を低減することは特に効果がある。
【００３６】
以上のように、本実施形態によれば、転送トランジスタ１０８のゲートとフローティングディフュージョン部ＦＤの容量カップリングに起因する信号振られによる垂直出力線１０４の変動を防止する。光信号読み出し時まで、増幅器１３１の出力端子をオフセット信号Ｖｎ’に保持することができるため、アナログデジタル変換処理を行っても、暗時や低輝度時のオフセットノイズを抑制しつつ、高速読み出しを実現することが可能となる。
【００３７】
また、上述の各実施形態において、時刻ｔ１〜ｔ２の間、信号φＳｅｌ及びφｖｌｉｎｅ＿ｏｎがハイレベルになっている場合を説明したが、これらをローレベルにしても良い。
【００３８】
（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態による撮像システムの構成例を示す図である。撮像システム８００は、例えば、光学部８１０、撮像装置８２０、映像信号処理回路部８３０、記録・通信部８４０、タイミング制御回路部８５０、システムコントロール回路部８６０、及び再生・表示部８７０を含む。撮像装置８２０は、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置である。
【００３９】
レンズ等の光学系である光学部８１０は、被写体からの光を撮像装置８２０の、複数の画素１０１が２次元状に配列された画素アレイ１０に結像させ、被写体の像を形成する。撮像装置８２０は、タイミング制御回路部８５０からの信号に基づくタイミングで、画素アレイ１０に結像された光に応じた信号を出力する。撮像装置８２０から出力された信号は、映像信号処理部である映像信号処理回路部８３０に入力され、映像信号処理回路部８３０が、プログラム等によって定められた方法に従って信号処理を行う。映像信号処理回路部８３０での処理によって得られた信号は画像データとして記録・通信部８４０に送られる。記録・通信部８４０は、画像を形成するための信号を再生・表示部８７０に送り、再生・表示部８７０に動画や静止画像を再生・表示させる。記録・通信部８４０は、また、映像信号処理回路部８３０からの信号を受けて、システムコントロール回路部８６０と通信を行うほか、不図示の記録媒体に、画像を形成するための信号を記録する動作も行う。
【００４０】
システムコントロール回路部８６０は、撮像システムの動作を統括的に制御するものであり、光学部８１０、タイミング制御回路部８５０、記録・通信部８４０、及び再生・表示部８７０の駆動を制御する。また、システムコントロール回路部８６０は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、ここに撮像システムの動作を制御するのに必要なプログラム等が記録される。また、システムコントロール回路部８６０は、例えばユーザの操作に応じて駆動モードを切り替える信号を撮像システム内に供給する。具体的な例としては、読み出す行やリセットする行の変更、電子ズームに伴う画角の変更や、電子防振に伴う画角のずらし等である。タイミング制御回路部８５０は、システムコントロール回路部８６０による制御に基づいて撮像装置８２０及び映像信号処理回路部８３０の駆動タイミングを制御する。
【００４１】
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【００４２】
５０  固体撮像装置 、１０１  画素、１０２  スイッチ、１０３  定電流源、１０４  垂直出力線、１０６  増幅トランジスタ、１０７  選択トランジスタ、１０８  転送トランジスタ、１０９  光電変換部
【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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