(57)【要約】【課題】  従来の撮像装置では、ランダムノイズを低減するためにアナログ信号を複数回ＡＤ変換することによってＡＤ変換期間が長くなってしまう課題があった。【解決手段】  複数のＡＤ変換部のうちの一のＡＤ変換部において、比較結果信号の信号値が変化するまでの期間に、比較結果信号の信号値が複数回変化する他のＡＤ変換部を有することを特徴とする撮像装置である。【選択図】  図１
2015106816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数列に配置されるとともに、各々が入射光に基づく信号を出力する複数の画素と、
前記画素の列に各々が対応して配置されるとともに、各々が前記画素の出力する前記信号に基づくデジタル信号を生成する複数のＡＤ変換部と、
時間に依存して電位が変化するランプ信号を、前記複数のＡＤ変換部に出力するランプ信号出力部を有する制御部と、を有し、
前記複数のＡＤ変換部の各々が、前記ランプ信号と前記複数の画素が出力する信号との比較によって比較結果信号を生成する比較器を有する撮像装置であって、
前記複数のＡＤ変換部のうちの一のＡＤ変換部において、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が変化するまでの期間に、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が複数回変化する他のＡＤ変換部を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記複数のＡＤ変換部の各々がランプ信号処理部を有し、
前記他のＡＤ変換部の前記ランプ信号処理部が、前記比較結果信号の信号値の変化に基づいて、前記比較に用いるランプ信号を、前記ランプ信号出力部から前記ランプ信号処理部に入力される前記ランプ信号の電位から、前記ランプ信号の時間に依存した電位の変化を開始した電位にシフトして前記比較器に出力す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】
前記ランプ信号処理部が一のノードと他のノードとを有する容量素子であって、前記ランプ信号出力部から入力される前記ランプ信号が前記一のノードに入力され、前記他のノードに基準電圧が入力されることによって、前記容量素子が前記ランプ信号をクランプすることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記複数のＡＤ変換部の各々は、前記比較を行う期間にクロック信号をカウントしたカウント信号を生成するカウンタをさらに有し、
前記他のＡＤ変換部が前記比較を行う度に、前記他のＡＤ変換部の前記カウンタが前記カウント信号を積算することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記撮像装置が、出力部をさらに有し、
前記出力部が、前記他のＡＤ変換部の前記カウンタが積算した前記カウント信号を、前記他のＡＤ変換部の前記比較結果信号の信号値が変化した回数で除算した信号を生成することを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記複数のＡＤ変換部の各々は、前記比較を行う期間にクロック信号をカウントしたカウント信号を生成する第２のカウンタをさらに有し、
前記他のＡＤ変換部の前記比較結果信号の信号値が変化する度に、前記他のＡＤ変換部の前記第２のカウンタが、先に行われた前記比較で生成した前記カウント信号をリセットしてから、次の前記比較の前記クロック信号のカウントを行う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】
前記複数のＡＤ変換部の各々は、前記比較を行う期間にクロック信号をカウントしたカウント信号を生成する第２のカウンタを前記カウンタとは別にさらに有し、
前記他のＡＤ変換部の前記比較結果信号の信号値が変化する度に、前記他のＡＤ変換部の前記第２のカウンタが、先に行われた前記比較で生成した前記カウント信号をリセットしてから、次の前記比較の前記クロック信号のカウントを行い、
前記ランプ信号出力部から前記複数のＡＤ変換部に出力される前記ランプ信号の時間に依存した電位の変化が終了した時に、前記他のＡＤ変換部のｎ回目（ｎは２以上の整数）の前記比較における前記比較結果信号の信号値が前記ｎ回目の比較の開始から変化していない場合に、
前記カウンタが前記ｎ回目の前記比較で生成した前記カウント信号から、前記第２のカウンタが前記ｎ回目の前記比較で生成した前記カウント信号を前記出力部が減算することによって、（ｎ−１）回目の前記比較に基づくカウント信号を生成することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記ランプ信号出力部が、単位時間あたり第１の変化量で電位が変化する第１のランプ信号と、単位時間あたり前記第１の変化量よりも小さい第２の変化量で電位が変化する第２のランプ信号とを前記複数のＡＤ変換部に出力し、
前記複数のＡＤ変換部の各々が、前記比較器に入力するランプ信号を前記第１のランプ信号と前記第２のランプ信号とのいずれかを選択するランプ信号選択部を有し、
前記複数のＡＤ変換部の各々の前記ランプ信号選択部が前記第１のランプ信号を選択して前記比較器が前記第１のランプ信号を用いて前記比較を行った後、前記他のＡＤ変換部の前記ランプ信号選択部が前記第２のランプ信号を選択して、前記比較器が前記第２のランプ信号を用いて前記比較を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項９】
前記複数の画素がさらにリセットレベル信号を出力し、
前記複数のＡＤ変換部の各々が、前記ランプ信号と前記複数の画素が出力する前記リセットレベル信号とを比較する第２の比較をさらに行い、
前記他のＡＤ変換部の前記比較結果信号の信号値が変化する回数と同じ回数、前記他のＡＤ変換部が前記第２の比較を行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記撮像装置は、前記画素の列に各々が対応して設けられた複数の増幅器をさらに有し、
前記複数の増幅器の各々が、対応して設けられた前記画素の出力する信号を増幅して前記比較器に出力することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記複数のＡＤ変換部の各々が、前記比較結果信号の変化した回数をカウントする第３のカウンタを有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか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て画像を生成する信号処理部と、を有することを特徴とする撮像システム。
【請求項１３】
複数列に配置されるとともに、各々が入射光に基づく信号を出力する複数の画素と、
前記画素の列に各々が対応して配置されるとともに、各々が前記画素の出力する前記信号に基づくデジタル信号を生成する複数のＡＤ変換部と、
時間に依存して電位が変化するランプ信号を、前記複数のＡＤ変換部に出力するランプ信号出力部を有する制御部と、を有し、
前記複数のＡＤ変換部の各々が、前記ランプ信号と前記複数の画素が出力する信号との比較に基づいて比較結果信号を生成する比較器と、前記比較を行う期間にクロック信号をカウントしたカウント信号を生成するカウンタとを有する撮像装置を有する撮像システムであって、
前記複数のＡＤ変換部のうちの一のＡＤ変換部において、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が変化するまでの期間に、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が複数回変化する他のＡＤ変換部を前記撮像装置が有し、
前記他のＡＤ変換部の前記カウンタは、前記比較を行う度に前記カウント信号を積算するカウンタであり、
さらに前記撮像装置は、前記他のＡＤ変換部の前記カウンタが積算した前記カウント信号を出力する出力部を有し、
さらに前記撮像システムが、前記出力部から入力される前記他のＡＤ変換部の前記カウンタが積算した前記カウント信号を、前記他のＡＤ変換部の前記比較結果信号が変化した回数で除算した信号を生成する信号処理部を有することを特徴とする撮像システム。
【請求項１４】
複数列に配置されるとともに、各々が入射光に基づく信号を出力する複数の画素と、
前記画素の列に各々が対応して配置されるとともに、各々が前記画素の出力する前記信号に基づくデジタル信号を生成する複数のＡＤ変換部と、
を有し、
前記複数のＡＤ変換部の各々が、時間に依存して電位が変化するランプ信号と前記複数の画素が出力する信号との比較に基づいて比較結果信号を生成する比較器を有する撮像装置の駆動方法であって、
前記複数のＡＤ変換部のうちの一のＡＤ変換部において、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が変化するまでの期間に、他のＡＤ変換部が、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が複数回変化することを特徴とする撮像装置の駆動方法。
【請求項１５】
前記複数のＡＤ変換部の各々は、前記比較を行う期間にクロック信号をカウントしたカウント信号を生成するカウンタをさらに有し、
前記他のＡＤ変換部が前記比較を行う度に、前記他のＡＤ変換部の前記カウンタが前記カウント信号を積算することを特徴とする請求項１４に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項１６】
前記他のＡＤ変換部の前記カウンタが積算した前記カウント信号を、前記他のＡＤ変換部の前記比較結果信号の信号値が変化した回数で除算した信号を生成することを特徴とする請求項１５に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項１７】
前記複数のＡＤ変換部の各々は、前記比較を行う期間にクロック信号をカウントしたカウント信号を生成する第２のカウンタを前記カウンタとは別にさらに有し、
前記他のＡＤ変換部の前記比較結果信号の信号値が変化する度に、前記他のＡＤ変換部の前記第２のカウンタが、先に行われた前記比較で生成した前記カウント信号をリセットしてから、次の前記比較の前記クロック信号のカウントを行うことを特徴とする請求項１５または１６に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項１８】
前記複数のＡＤ変換部に出力される前記ランプ信号の時間に依存した電位の変化が終了した時に、前記他のＡＤ変換部のｎ回目（ｎは２以上の整数）の前記比較における前記比較結果信号の信号値が前記ｎ回目の比較の開始から変化していない場合に、
前記カウンタがｎ回目の前記比較で生成した前記カウント信号から、前記第２のカウンタが前記ｎ回目の前記比較で生成した前記カウント信号を減算することによって、（ｎ−１）回目の前記比較に基づくカウント信号を生成することを特徴とする請求項１７に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項１９】
単位時間あたり第１の変化量で電位が変化する第１のランプ信号と、単位時間あたり前記第１の変化量よりも小さい第２の変化量で電位が変化する第２のランプ信号とを前記複数のＡＤ変換部に出力し、
前記複数のＡＤ変換部が、前記第１のランプ信号を用いて前記比較を行った後、前記他のＡＤ変換部が、前記第２のランプ信号を用いて前記比較を行うことを特徴とする請求項１４〜１８のいずれかに記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項２０】
前記複数の画素がさらにリセットレベル信号を出力し、
前記複数のＡＤ変換部の各々が、前記ランプ信号と前記複数の画素が出力する前記リセットレベル信号とを比較する第２の比較をさらに行い、
前記他のＡＤ変換部の前記比較結果信号の信号値が変化する回数と同じ回数、前記他のＡＤ変換部が前記第２の比較を行うことを特徴とする請求項１４〜１９のいずれかに記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項２１】
前記撮像装置は、前記画素の列に各々が対応して設けられた複数の増幅器をさらに有し、
前記複数の増幅器の各々が、対応して設けられた前記画素の出力する信号を増幅して前記比較器に出力することを特徴とする請求項１４〜２０のいずれかに記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項２２】
複数列に配置されるとともに、各々が入射光に基づく信号を出力する複数の画素と、
前記画素の列に各々が対応して配置されるとともに、各々が前記画素の出力する前記信号に基づくデジタル信号を生成する複数のＡＤ変換部と、を有し、
前記複数のＡＤ変換部の各々が、時間に依存して電位が変化するランプ信号と前記複数の画素が出力する信号との比較に基づいて比較結果信号を生成する比較器と、前記比較を行う期間にクロック信号をカウントしたカウント信号を生成するカウンタとを有する撮像装置を有する撮像システムの駆動方法であって、
前記複数のＡＤ変換部のうちの一のＡＤ変換部において、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が変化するまでの期間に、他のＡＤ変換部が、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が複数回変化し、
前記他のＡＤ変換部の前記比較結果信号の信号値が変化する度に、前記他のＡＤ変換部の前記カウンタが前記カウント信号を積算し、
前記他のＡＤ変換部の前記カウンタが積算した前記カウント信号を、前記他のＡＤ変換部の前記比較結果信号の信号値が変化した回数で除算した信号を生成することを特徴とする撮像システムの駆動方法。
【請求項２３】
前記撮像システムは、前記撮像装置が出力する信号を処理する信号処理部を有し、
前記信号処理部が、前記他のＡＤ変換部の前記カウンタが積算した前記カウント信号を、前記他のＡＤ変換部の前記比較結果信号の信号値が変化した回数で除算した信号を生成することを特徴とする請求項２２に記載の撮像システムの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置、撮像システム、撮像装置の駆動方法、撮像システムの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のデジタルカメラで使用されるＣＭＯＳイメージセンサ（以下、ＣＭＯＳセンサと略記する場合もある）において、列毎にＡＤ変換部（以下、列毎に設けられたＡＤ変換部を列ＡＤＣと表記する。）を備えたものとして、特許文献１に記載の撮像装置が知られている。
【０００３】
特許文献１の撮像装置は、画素のリセットレベル信号を複数回サンプリングした結果を、列ＡＤＣが平均化を行う。これによって特許文献１に記載の撮像装置は、画素および列ＡＤＣで生じるランダムノイズを低減した信号を出力している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−００４７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の撮像装置では、ランダムノイズを低減するためにアナログ信号を複数回ＡＤ変換することによってＡＤ変換期間が長くなってしまう課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記の課題を鑑みて為された発明であり、その一の態様は、  複数列に配置されるとともに、各々が入射光に基づく信号を出力する複数の画素と、前記画素の列に各々が対応して配置されるとともに、各々が前記画素の出力する前記信号に基づくデジタル信号を生成する複数のＡＤ変換部と、時間に依存して電位が変化するランプ信号を、前記複数のＡＤ変換部に出力するランプ信号出力部を有する制御部と、を有し、前記複数のＡＤ変換部の各々が、前記ランプ信号と前記複数の画素が出力する信号との比較によって比較結果信号を生成する比較器を有する撮像装置であって、前記複数のＡＤ変換部のうちの一のＡＤ変換部において、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が変化するまでの期間に、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が複数回変化する他のＡＤ変換部を有することを特徴とする撮像装置である。
【０００７】
他の一の態様は、複数列に配置されるとともに、各々が入射光に基づく信号を出力する複数の画素と、前記画素の列に各々が対応して配置されるとともに、各々が前記画素の出力する前記信号に基づくデジタル信号を生成する複数のＡＤ変換部と、時間に依存して電位が変化するランプ信号を、前記複数のＡＤ変換部に出力するランプ信号出力部を有する制御部と、を有し、前記複数のＡＤ変換部の各々が、前記ランプ信号と前記複数の画素が出力する信号との比較に基づいて比較結果信号を生成する比較器と、前記比較を行う期間にクロック信号をカウントしたカウント信号を生成するカウンタとを有する撮像装置を有する撮像システムであって、前記複数のＡＤ変換部のうちの一のＡＤ変換部において、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が変化するまでの期間に、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が複数回変化する他のＡＤ変換部を前記撮像装置が有し、前記他のＡＤ変換部の前記カウンタは、前記比較を行う度に前記カウント信号を積算するカウンタであり、さらに前記撮像装置は、前記他のＡＤ変換部の前記カウンタが積算した前記カウント信号を前記信号処理部に出力する出力部を有し、さらに前記撮像システムが、前記他のＡＤ変換部の前記カウンタが積算した前記カウント信号を、前記他のＡＤ変換部の前記比較結果信号が変化した回数で除算した信号を生成する信号処理部を有することを特徴とする撮像システムである。
【０００８】
他の一の態様は、複数列に配置されるとともに、各々が入射光に基づく信号を出力する複数の画素と、前記画素の列に各々が対応して配置されるとともに、各々が前記画素の出力する前記信号に基づくデジタル信号を生成する複数のＡＤ変換部と、を有し、前記複数のＡＤ変換部の各々が、時間に依存して電位が変化するランプ信号と前記複数の画素が出力する信号との比較に基づいて比較結果信号を生成する比較器を有する撮像装置の駆動方法であって、前記複数のＡＤ変換部のうちの一のＡＤ変換部において、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が変化するまでの期間に、他のＡＤ変換部が、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が複数回変化することを特徴とする撮像装置の駆動方法である。
【０００９】
他の一の態様は、複数列に配置されるとともに、各々が入射光に基づく信号を出力する複数の画素と、前記画素の列に各々が対応して配置されるとともに、各々が前記画素の出力する前記信号に基づくデジタル信号を生成する複数のＡＤ変換部と、を有し、前記複数のＡＤ変換部の各々が、時間に依存して電位が変化するランプ信号と前記複数の画素が出力する信号との比較に基づいて比較結果信号を生成する比較器と、前記比較を行う期間にクロック信号をカウントしたカウント信号を生成するカウンタとを有する撮像装置を有する撮像システムの駆動方法であって、前記複数のＡＤ変換部のうちの一のＡＤ変換部において、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が変化するまでの期間に、他のＡＤ変換部が、前記ランプ信号と前記画素が出力する信号との比較によって前記比較結果信号の信号値が複数回変化し、前記他のＡＤ変換部の前記比較結果信号の信号値が変化する度に、前記他のＡＤ変換部の前記カウンタが前記カウント信号を積算し、前記他のＡＤ変換部の前記カウンタが積算した前記カウント信号を、前記他のＡＤ変換部の前記比較結果信号の信号値が変化した回数で除算した信号を生成することを特徴とする撮像システムの駆動方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、ＡＤ変換期間の長期化を抑制しながら、撮像装置が出力する信号に含まれるランダムノイズを低減した撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】撮像装置の構成の一例を示した図
【図２】画素の構成の一例と画素の動作の一例を示した図
【図３】列回路の構成の一例を示した図
【図４】撮像装置の動作の一例を示した図
【図５】撮像装置の動作の一例を示した図
【図６】列回路の構成の一例を示した図
【図７】撮像装置の動作の一例を示した図
【図８】撮像装置の動作の一例を示した図
【図９】撮像システムの構成の一例を示した図
【図１０】列回路の構成の一例を示した図
【図１１】撮像装置の動作の一例を示した図
【図１２】撮像システムの構成の一例を示した図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら各実施例の撮像装置について説明する。
【００１３】
（実施例１）
図１は、本実施例の撮像装置１００の構成を示した図である。撮像装置１００は、入射光に基づく信号を出力する画素１０２を複数列および複数行に配置した画素部１０１、信号を出力させる画素行を選択するとともに順次走査する垂直走査回路１０４を有する。さらに撮像装置１００は、垂直走査回路１０４によって選択された画素１０２から信号が入力される垂直信号線１０３、垂直信号線１０３から入力される信号を処理する列回路１０５、列回路を制御する列回路制御部１０６を有する。さらに撮像装置１００は、列回路１０５にて処理された信号を、列回路１０５の列ごとに順次読み出す水平走査回路１０７を有する。さらに撮像装置１００は、垂直走査回路１０４と列回路制御部１０６と水平走査回路１０７の動作タイミングをコントロールするタイミング制御部１０８を有している。そして、撮像装置１００は、出力部１１０を有する。
【００１４】
列回路制御部１０６は、列回路１０５の各々に対し、ランプ信号Ｖｒａｍｐ、基準電圧Ｖｒｅｆ、クロック信号ＣＬＫを出力する。さらに列回路制御部１０６は列回路１０５の各々に対し、信号ｃｌｍｐ、信号ｃｌｍｐ＿１ｓｔ、信号ＰＵ／Ｄ、信号ｒｓｔ＿ｃｏｌｍを出力する。本実施例の列回路制御部１０６はランプ信号Ｖｒａｍｐを出力するランプ信号出力部である。
【００１５】
図２（ａ）は、画素１０２の構成を示した図である。画素１０２は、入射光を電荷に変換するフォトダイオード２０１、電荷を保持する浮遊拡散容量２０２、浮遊拡散容量２０２の電荷に基づく信号を出力するトランジスタ２０３を有する。さらに画素１０２は、電源電圧ＶＤＤのトランジスタ２０３への供給、非供給を切り替えるトランジスタ２０４、フォトダイオード２０１の電荷を浮遊拡散容量２０２に転送するトランジスタ２０５を有する。さらに画素１０２は、浮遊拡散容量２０２の電荷をリセットするトランジスタ２０６を有する。トランジスタ２０４、トランジスタ２０５、トランジスタ２０６にはそれぞれ順に、垂直走査回路１０４から信号ＳＥＬ、信号ＴＸ、信号ＲＥＳが入力される。トランジスタ２０３がトランジスタ２０４を介して垂直信号線１０３に出力する信号を信号Ｖｐｉｘと表記する。
【００１６】
図２（ｂ）は画素１０２の動作を示したタイミング図である。画素１０２は、Ｔ１の期間に、垂直走査回路１０４からＨｉｇｈレベル（以下、Ｈレベルと表記する。）の信号ＲＥＳおよび信号ＴＸがそれぞれトランジスタ２０６およびトランジスタ２０５に入力される。これにより、トランジスタ２０６およびトランジスタ２０５がオンし、フォトダイオード２０１および浮遊拡散容量２０２は電源電圧ＶＤＤに基づく電位にリセットされる。その後、Ｔ２期間において、垂直走査回路１０４からＨレベルの信号ＳＥＬがトランジスタ２０４に入力されることによってトランジスタ２０４がオンする。これにより、信号Ｖｐｉｘはリセットレベル信号（以下、Ｎ信号と表記する。）となる。続いてＴ３期間において、垂直走査回路１０４からＨレベルの信号ＴＸがトランジスタ２０５に入力される。これによってトランジスタ２０５がオンすると、フォトダイオード２０１に蓄積された電荷が浮遊拡散容量２０２に転送される。これにより、トランジスタ２０３は、Ｎ信号に重畳して、フォトダイオード２０１が蓄積し、浮遊拡散容量２０２に転送された電荷に基づく信号を出力する。この時にトランジスタ２０３がトランジスタ２０４を介して垂直信号線１０３に出力する信号ＶｐｉｘをＳ信号と表記する。
【００１７】
図３は列回路１０５の構成を示した図である。列回路１０５は、増幅器３０１、比較器３０２、カウンタ３０３を有する。さらに列回路１０５は、スイッチＳｗ１、スイッチＳｗ２、スイッチＳｗ３、フリップフロップ回路ＦＦ１、ＡＮＤ回路ＡＧ１、ＯＲ回路ＯＧ１、クランプ容量素子Ｃｃｌｍｐを有する。図３では、列回路制御部１０６から列回路１０５に入力される信号を、図１で示した符号と同じ符号で示している。比較器３０２には、ランプ信号Ｖｒａｍｐがクランプ容量素子Ｃｃｌｍｐを介して入力される。比較器３０２に入力されるランプ信号を、ランプ信号Ｖｃｏｍｐと表記する。また、増幅器３０１は、信号Ｖｐｉｘを増幅した信号Ｖｐｉｘ＿ａｍｐを比較器３０２に出力する。比較器３０２は、ランプ信号Ｖｃｏｍｐと信号Ｖｐｉｘ＿ａｍｐとを比較した結果を示し比較結果信号ＣＭＰを、スイッチＳｗ１、スイッチＳｗ２、フリップフロップ回路ＦＦ１、カウンタ３０３に出力する。本実施例のＡＤ変換部は、比較器３０２、カウンタ３０３、スイッチＳｗ１、スイッチＳｗ２、スイッチＳｗ３、フリップフロップ回路ＦＦ１、ＡＮＤ回路ＡＧ１、ＯＲ回路ＯＧ１、クランプ容量素子Ｃｃｌｍｐを有する。カウンタ３０３は、信号ＰＵ／Ｄによってカウント値をインクリメントするかデクリメントするかを切り替えられる。また、カウンタ３０３は、スイッチＳｗ１を介して比較器３０２の出力端子と接続される入力端子に、Ｌレベルの比較結果信号ＣＭＰが入力されている期間に、クロックＣＬＫに基づいてカウント動作を行う。逆に、入力端子にＨレベルの比較結果信号ＣＭＰが入力されている期間は、カウント動作を停止する。
【００１８】
各画素１０２は、入射光に基づいてＳ信号を生成するため、光量に応じて画素１０２が出力するＳ信号の信号レベルが変化する。よって、複数の列回路１０５で、増幅Ｓ信号の信号レベルが異なる場合がある。図４では、入射光量の小さい画素１０２のＳ信号が入力された場合の列回路１０５の動作を説明する。また、図５では、入射光量の大きい画素１０２のＳ信号が入力された場合の列回路１０５の動作を説明する。
【００１９】
図４は、図３に示した列回路１０５の動作を示したタイミング図である。図４に示した符号は、それぞれ図３に付した符号と対応している。図４に示したスイッチＳｗ１、スイッチＳｗ２、スイッチＳｗ３は、Ｈレベルではオン、Ｌレベルではオフに統一して示している。
【００２０】
初めに、図４のＴ１期間において、Ｈレベルの信号ｒｓｔ＿ｃｏｌｍが列回路１０５に入力される。これによって、カウンタ３０３のカウント値が初期値にリセットされる。これと同時に、ＯＲ回路ＯＧ１を介してスイッチＳｗ３がオンし、クランプ容量素子Ｃｃｌｍｐの比較器３０２と接続されたノードの電位が基準電圧Ｖｒｅｆにクランプされる。
【００２１】
図４のＴ２期間の中では、垂直走査回路１０４によって画素行が選択されて信号Ｖｐｉｘ＿ａｍｐの出力が変化する。画素１０２が垂直信号線１０３を介して増幅器３０１にＮ信号を出力する。増幅器３０１は、Ｎ信号を増幅した信号を出力する。この増幅器３０１の出力する信号Ｖｐｉｘ＿ａｍｐを、ＡＭＰ＿Ｎ信号と表記する。
【００２２】
図４のＴ３期間では、列回路１０５は、ＡＭＰ＿Ｎ信号のＡＤ変換を行う。図４のＴ３期間は、比較器３０２がランプ信号ＶｃｏｍｐとＡＭＰ＿Ｎ信号との比較を開始するタイミングで開始する。この期間では、列回路制御部１０６は、カウンタ３０３に出力する信号ＰＵ／ＤをＬｏｗレベル（以下、Ｌレベルと表記する。）としている。これにより、カウンタ３０３は初期値からカウント信号値が減少するように、クロック信号ＣＬＫをカウントする。このカウンタ３０３のカウント動作を、以下ダウンカウントと表記する。対照的に、カウンタ３０３が初期値からカウント信号値が上昇するように、クロック信号ＣＬＫをカウントする動作を、以下アップカウントと表記する。ランプ信号Ｖｒａｍｐが時間に依存した電位の変化を開始すると、ランプ信号Ｖｃｏｍｐもランプ信号Ｖｒａｍｐと同じ傾きで電位が変化する。ランプ信号Ｖｃｏｍｐが電位の変化を開始する時点では、比較器３０２の出力する比較結果信号ＣＭＰはＬレベルである。ＡＮＤ回路ＡＧ１の出力はＬレベルであるので、スイッチＳＷ１はオンしている。よって、スイッチＳｗ１を介して、Ｌレベルの比較結果信号ＣＭＰがカウンタ３０３に出力される。カウンタ３０３は比較結果信号ＣＭＰがＬレベルの期間、カウント動作を行う。
【００２３】
図４のＴ４期間では、ランプ信号Ｖｃｏｍｐの電位がＡＭＰ＿Ｎ信号の電位を上回る。そのため、比較結果信号ＣＭＰはＨレベルとなる。比較結果信号ＣＭＰの信号値がＬレベルからＨレベルに変化するタイミングが、比較器３０２がランプ信号ＶｃｏｍｐとＡＭＰ＿Ｎ信号との比較を終了するタイミングである。これにより、カウンタ３０３は、カウント動作を停止し、この時点のカウント信号を保持する。この時にカウンタ３０３が保持したカウント信号が、ＡＭＰ＿Ｎ信号に基づくデジタル信号である。
【００２４】
つづいて、図４のＴ５期間では、画素１０２は、図２（ｂ）に示したＴ３期間の動作を行う。これにより、画素１０２は、垂直信号線１０３を介して増幅器３０１にＳ信号を出力する。また、列回路制御部１０６は、ランプ信号Ｖｒａｍｐを初期値に戻す。これにより、ランプ信号Ｖｃｏｍｐも再び初期値に戻る。これにより、比較結果信号ＣＭＰはＬレベルとなる。ただし、図４のＴ５期間にはクロック信号ＣＬＫは出力されていないのでカウンタ３０３のカウント信号値は変化しない。また、列回路制御部１０６は、図４のＴ５期間に信号ＰＵ／ＤをＨレベルとし、カウンタ３０３のカウント動作をアップカウントに切り替える。増幅器３０１は、Ｓ信号を増幅した信号を比較器３０２に出力する。この増幅器３０１がＳ信号を増幅して出力する信号を、ＡＭＰ＿Ｓ信号と表記する。
【００２５】
図４のＴ６期間から列回路１０５はＡＭＰ＿Ｓ信号のＡＤ変換を行う。図４のＴ６期間は、比較器３０２がランプ信号ＶｃｏｍｐとＡＭＰ＿Ｓ信号との比較を開始するタイミングで開始する。比較器３０２は、スイッチＳｗ１を介して、Ｌレベルの比較結果信号ＣＭＰをカウンタ３０３に出力する。カウンタ３０３は比較結果信号ＣＭＰがＬレベルの期間、アップカウントを行う。
【００２６】
図４のＴ７期間では、ランプ信号ＶｃｏｍｐがＡＭＰ＿Ｓ信号の電位を上回る。そのため、比較結果信号ＣＭＰはＨレベルとなる。比較結果信号ＣＭＰの信号値がＬレベルからＨレベルに変化するタイミングが、比較器３０２がランプ信号ＶｃｏｍｐとＡＭＰ＿Ｓ信号との比較を終了するタイミングである。これにより、カウンタ３０３は、カウント動作を停止し、この時点のカウント信号を保持する。この時にカウンタ３０３が保持したカウント信号が、ＡＭＰ＿Ｓ信号に基づくデジタル信号である。１回目のＡＭＰ＿Ｓ信号のＡＤ変換で得られたデジタル信号を、ＤＳ１信号と表記する。
【００２７】
一方、図４に示したタイミング図で動作する列回路１０５とは別の列回路１０５では、ＡＭＰ＿Ｓ信号の振幅が図４を用いて動作を説明した列の列回路よりも大きいものがあり得る。従って、他の列回路１０５では、Ｔ７期間の後も、ＡＭＰ＿Ｓ信号とランプ信号Ｖｃｏｍｐとの比較継続している。よって、列回路制御部１０６が出力するランプ信号Ｖｒａｍｐの時間に依存した電位の変化が継続している。
【００２８】
図４に示したタイミング図で動作する列回路１０５は、他の列よりもＳ信号の振幅が小さいため、他の列回路１０５よりも先にＡＭＰ＿Ｓ信号に基づくデジタル信号の生成を終えている。図４に示したタイミング図で動作する列回路１０５は、他の列回路１０５がＡＭＰ＿Ｓ信号のＡＤ変換を行っている期間に、ＡＭＰ＿Ｓ信号の２回目のＡＤ変換を行う。
【００２９】
図４のＴ８期間では、列回路制御部１０６は、信号ｃｌｍｐ＿１ｓｔ、信号ｃｌｍｐをＨレベルとする。これにより、信号ｃｌｍｐ＿１ｓｔがＬレベルからＨレベルに遷移する時の比較結果信号ＣＭＰの信号値をフリップフロップ回路ＦＦ１が記憶されるとともに、Ｑ端子から比較結果信号ＣＭＰの信号値に対応する信号を出力する。この場合では、フリップフロップ回路ＦＦ１は、Ｈレベルの信号を出力する。
【００３０】
図４に示したタイミング図で動作する列回路１０５は、信号ｃｌｍｐ＿１ｓｔがＬレベルからＨレベルに遷移する時点までに比較結果信号ＣＭＰはＨレベルとなっている。フリップフロップ回路ＦＦ１から入力される信号と信号ｃｌｍｐのどちらの信号もＨレベルのため、ＡＮＤ回路ＡＧ１はＨレベルの信号を出力する。これによりスイッチＳｗ１がオフし、スイッチＳｗ１と排他的動作をするスイッチＳｗ２がオンする。これにより、カウンタ３０３には比較結果信号ＣＭＰの代わりに、フリップフロップ回路ＦＦ１のＱ端子が出力する信号が入力される。なお、フリップフロップ回路ＦＦ１のＱ端子から出力される信号は水平走査回路１０７にも入力される。後に説明するように、水平走査回路１０７に入力されるフリップフロップ回路ＦＦ１の信号は、出力部１１０がカウンタ３０３のカウント信号を演算するか否かの判断に使用される。
【００３１】
ＡＮＤ回路ＡＧ１の出力する信号がＨレベルのためＯＲ回路ＯＧ１の出力する信号はＨレベルとなる。従って、スイッチＳｗ３はオンとなる。これにより、ランプ信号Ｖｒａｍｐは基準電圧Ｖｒｅｆに再度クランプされる。これにより、ランプ信号Ｖｃｏｍｐの電位は初期値となる。クランプ容量素子Ｃｃｌｍｐは、ランプ信号Ｖｃｏｍｐの電位を、ランプ信号Ｖｒａｍｐの図４のＴ８期間の電位から、ランプ信号Ｖｒａｍｐが電位の変化を開始したＴ３期間の開始時刻の電位にシフトするランプ信号処理部である。ランプ信号処理部がランプ信号Ｖｃｏｍｐの電位をシフトすることにより、比較結果信号ＣＭＰはＬレベルとなる。ただし、前述のように、カウンタ３０３には、比較結果信号ＣＭＰの代わりにフリップフロップ回路ＦＦ１の出力が入力されている。よって、カウンタ３０３のアップカウントは、この時点では開始しない。
【００３２】
図４のＴ９期間では、列回路制御部１０６は信号ｃｌｍｐをＬレベルとする。これにより、ＡＮＤ回路ＡＧ１の出力はＬレベルになり、スイッチＳｗ３がオフする。これにより、ランプ信号Ｖｒａｍｐのクランプ動作が終了するため、ランプ信号Ｖｃｏｍｐの電位が時間に依存して電位が変化する。同時に、スイッチＳｗ１がオンし、スイッチＳｗ２がオフする。これにより、カウンタ３０３のカウント動作は比較結果信号ＣＭＰの信号値によって制御されるようになる。比較結果信号ＣＭＰはＬレベルであるため、カウンタ３０３はカウント動作を行う。この期間も信号ＰＵ／ＤがＨレベルであるので、カウンタ３０３はアップカウントを行う。これにより、再びＡＭＰ＿Ｓ信号のＡＤ変換が行われる。これにより、ＤＳ１信号に対して、２回目のＡＭＰ＿Ｓ信号のＡＤ変換で得たデジタル信号を積算したデジタル信号を得ることができる。このデジタル信号を、以下ＤＳ２信号と表記する。ＤＳ２信号は、ＤＳ１信号からさらに、ＡＭＰ＿Ｓ信号に基づくカウント信号を積算した信号である。Ａｍｐ＿Ｓ信号に基づく複数のデジタル信号を一括して表す際には、ＤＳ信号と表記する。
【００３３】
図４のＴ１０期間の動作は、先に述べたＴ７期間の動作と同じである。
【００３４】
図４のＴ１１期間は、信号ｃｌｍｐ＿１ｓｔがＬレベルのままである点を除いては、時Ｔ８期間からＴ１０期間までの動作と同じである。Ｔ１１期間では、信号ｃｌｍｐ＿１ｓｔはＬレベルのままであるが、フリップフロップ回路ＦＦ１のＱ端子の出力はＴ８期間で変化した状態を維持している。これにより、列回路制御部１０６が信号ｃｌｍｐ＿１ｓｔをＬレベルのままとしても、列回路１０５は、Ｔ８期間からＴ１０期間までの動作と同じ動作を行う。
【００３５】
これ以降、信号ｃｌｍｐがＬレベルからＨレベルに遷移するたびに、列回路１０５はＴ８期間からＴ１０期間の動作を繰り返す。その都度、カウンタ３０３は、カウント信号値を積算する。
【００３６】
次に、図５を用いて、図４のタイミング図で動作する列回路１０５よりも、入力されるＳ信号の振幅が大きい列回路１０５の動作について説明する。
【００３７】
図５において、Ｔ１期間からＴ６期間までの動作は図４のＴ１期間からＴ６期間までの動作と同じである。ただし、Ｓ信号の振幅が図４のタイミング図で動作する列回路１０５よりも大きいため、Ｔ７期間からＴ９期間までの間、比較結果信号ＣＭＰはＬレベルのままである。
【００３８】
図５のＴ８期間に、図４のＴ８期間と同様に、列回路制御部１０６はＨレベルの信号ｃｌｍｐ＿１ｓｔと信号ｃｌｍｐを列回路１０５に出力する。これにより、信号ｃｌｍｐ＿１ｓｔのＬレベルからＨレベルに遷移する時の比較結果信号ＣＭＰの信号値をフリップフロップＦＦ１が記憶するとともに、比較結果信号ＣＭＰの信号値に対応する信号をＱ端子から出力する。この場合では、フリップフロップ回路ＦＦ１は、Ｌレベルの信号を出力する。
【００３９】
ＡＮＤ回路ＡＧ１は、フリップフロップ回路ＦＦ１の出力がＬレベルであるため、Ｌレベルの信号を出力し続ける。従って、スイッチＳｗ１はオンを維持し、スイッチＳｗ１と排他的動作をするスイッチＳｗ２はオフを維持する。よって、カウンタ３０３には引き続き比較結果信号ＣＭＰが入力される。従って、カウンタ３０３は、アップカウントを継続して行う。また、ＡＮＤ回路ＡＧ１は、ＯＲ論理ゲートを介してスイッチＳｗ３に信号を出力するが、フリップフロップ回路ＦＦ１の出力および信号ｒｓｔ＿ｃｏｌｍが共にＬレベルであるため、スイッチＳｗ３はオフを維持する。よって、ランプ信号Ｖｃｏｍｐは引き続き時間に依存した電位の変化を続ける。
【００４０】
図５のＴ１０期間では、ランプ信号ＶｃｏｍｐがＡＭＰ＿Ｓ信号を上回る。よって、比較結果信号ＣＭＰはＨレベルとなる。これにより、カウンタ３０３は、アップカウントを停止し、この時点のカウント信号を保持する。この時にカウンタ３０３が保持したカウント信号の信号値はＡＭＰ＿Ｓ信号とＡＭＰ＿Ｎ信号との差に基づくデジタル信号である。つまり、Ｓ信号に含まれるＮ信号の成分と、列回路１０５のオフセット成分とを低減した信号に基づくデジタルである。
【００４１】
図５のＴ１１期間では、列回路制御部１０６は再び信号ｃｌｍｐをＨレベルとするが、フリップフロップ回路ＦＦ１の出力はＴ８期間で記憶した状態を維持している。よって、Ｔ９期間以降に、比較結果信号ＣＭＰの信号値が変化しても、図５のタイミング図で動作する列回路１０５は、ＡＭＰ＿Ｓ信号の複数回のＡＤ変換を行わない。
【００４２】
その後、水平走査回路１０７によってデジタル信号が各列のカウンタ３０３から順次出力される。
【００４３】
この時、フリップフロップ回路ＦＦ１の出力がＨレベルを示している列回路１０５については、デジタル信号を、積算を行った回数ｎで割る。これにより複数のＤＳ信号の平均値を得ることができる。これにより、列回路１０５のランダムノイズは１／√ｎに減るため、画質を向上することができる。この際、積算回数を２のｍ乗回としておくと、各ビットの信号を、それぞれｍビットずつ下位にシフトすることで除算を行うことができるため、信号処理の回路を簡略化することができる。
【００４４】
また、フリップフロップ回路ＦＦ１の出力がＬレベルである列回路１０５のデジタル信号については複数回のＡＤ変換が行われていないため、出力部１１０はデジタル信号を除算せずに撮像装置１００の外部に出力する。
【００４５】
本実施例の撮像装置は、ＡＭＰ＿Ｓ信号に関するＡＤ変換を繰り返して行うほど、ランダムノイズの低減効果を得ることができる。
【００４６】
また、本実施例の撮像装置は、ランプ信号Ｖｒａｍｐの時間に依存した電位の変化を行う期間内に、入射光に基づく同一のアナログ信号を複数回ＡＤ変換する列回路１０５を有する。別の見方をすれば、本実施例の撮像装置は、ある列回路１０５の比較器３０２が比較を行っている期間内に、別の列回路１０５の比較器３０２が、入射光に基づく同一のアナログ信号を複数回、比較する。これにより、本実施例の撮像装置は、ＡＤ変換期間の長期化を抑制しながら、ランダムノイズを低減した信号を得ることができる。
【００４７】
なお、列回路制御部１０６が信号ｃｌｍｐ＿１ｓｔをＬレベルからＨレベルに遷移させるタイミングは、列回路１０５の読み出しノイズよりも光ショットノイズが支配的となるＳ信号のレベルに基づいて決定することが望ましい。
【００４８】
また本実施例では列回路制御部１０６で発生させたランプ信号Ｖｒａｍｐを各列に共通して出力している一方で、スイッチＳｗ３の動作により、各々の列回路１０５で異なるランプ信号Ｖｃｏｍｐが入力される。これにより、各列に個別にランプ信号Ｖｒａｍｐを出力する構成に比して、ランプ信号Ｖｒａｍｐの伝送線の数を減らすことができる。これにより、ランプ信号の伝送線間での抵抗ばらつき、容量ばらつきによるＡＤ変換精度の低下が生じにくい。また、列回路制御部１０６、列回路１０５の回路面積を小さくできるとともに、歩留まりを向上させた撮像装置を構成できる。
【００４９】
なお、ここでは複数のＤＳ信号の平均化を出力部１１０が行った例を説明した。他の例として、撮像装置の外部に設けられた信号処理回路で行うようにしても良い。また、各列のデジタル信号を撮像装置の外部に出力した後に、各列のフリップフロップ回路ＦＦ１の出力を撮像装置の外部に出力するようにしても良い。
【００５０】
（実施例２）
本実施例の撮像装置について、実施例１とは異なる点を中心に説明する。
【００５１】
本実施例の撮像装置の構成は図１の構成に対して、列回路制御部１０６からそれぞれの列回路１０５に信号ｃｌｍｐ＿１ｓｔを出力する信号線が設けられていない点を除いて同じである。
【００５２】
図６は、本実施例の列回路１０５の構成を示した図である。図６では、図３と同じ機能を有する部材については、図３で付した符号と同じ符号を付して表している。
【００５３】
図３の構成と比して、図６の列回路１０５は、フリップフロップ回路ＦＦ１のＣＫが信号ｃｌｍｐを伝送する伝送線に接続されている点、列回路１０５がカウンタ７０１およびＢｕｆカウンタ７０２をさらに有している点が異なっている。
【００５４】
カウンタ７０１は、ＡＭＰ＿Ｓ信号に基づくデジタル信号を積算した回数をカウントする第３のカウンタである。
【００５５】
列回路制御部１０６は、カウンタ７０１に、カウンタ３０３と共通の信号ｒｓｔ＿ｃｏｌｍを出力する。よって、カウンタ３０３とカウンタ７０１のカウント信号のリセットは同時に行われる。また、カウンタ７０１のカウントアップのクロック線がフリップフロップ回路ＦＦ１のＤ端子と共通のノードに接続されている。そのため、比較結果信号ＣＭＰの出力が変化する度に、カウンタ７０１のカウント信号が１ずつ増加する。
【００５６】
Ｂｕｆカウンタ７０２は、同一入射光に基づくＡＤ変換をｎ回（ｎは２以上の整数）繰り返す度、カウント初期値の０からアップカウントを行う。ランプ信号Ｖｒａｍｐが時間に依存した電位の変化を終了するタイミングに、ｎ回目のＡＤ変換が終了しない場合がある。この場合、ｎ回目の途中までカウント動作が進んだカウント信号から、（ｎ−１）回目のＡＤ変換で得たカウント信号の信号値に戻す処理を行う。具体的には、カウンタ３０３が保持した、ｎ回目の途中までを積算したカウント信号から、Ｂｕｆカウンタ７０２が保持した、ｎ回目のみのカウント信号を減算する。このため、本実施例の撮像装置は、列回路１０５がｎ回目のＡＤ変換のみで得たカウント信号を保持するＢｕｆカウンタ７０２を有している。つまり、Ｂｕｆカウンタ７０２は、先に行われた比較で生成したカウント信号をリセットしてから、次の比較のクロック信号ＣＬＫのカウントを行う第２のカウンタである。
【００５７】
Ｂｕｆカウンタ７０２は、比較結果信号ＣＭＰがＨレベルとなると、カウント信号を初期値にリセットする。
【００５８】
図７は、本実施例の撮像装置の動作を説明する図である。図７は、ランプ信号Ｖｒａｍｐが時間に依存した電位の変化を開始してから終了するまでの期間に、同一入射光に基づくアナログ信号を複数回比較する列回路１０５の動作を示している。
【００５９】
図７の動作では、図４の動作に対し、信号ｃｌｍｐ＿１ｓｔが無い事、カウンタ７０１およびＢｕｆカウンタ７０２の動作が追加されている点が異なる。
【００６０】
フリップフロップ回路ＦＦ１は信号ｃｌｍｐがＬレベルからＨレベルに遷移する都度、比較結果信号ＣＭＰの信号値を記憶する。ただし、図７での動作では、信号ｃｌｍｐがＬレベルからＨレベルに遷移するタイミングにおいて、常に比較結果信号ＣＭＰはＨレベルである。よって、図７の動作は、追加の構成要素であるカウンタ７０１とＢｕｆカウンタ７０２の動作を除き、図４で説明した動作と同じである。
【００６１】
カウンタ７０１はカウント信号の信号値を比較結果信号ＣＭＰがＨレベルとなる時に１だけ進める。また、Ｂｕｆカウンタ７０２は、比較結果信号ＣＭＰがＨレベルとなると、カウント信号をリセットする。また、カウンタ３０３のアップカウントの開始と同時にカウンタ７０１もアップカウントを開始する。
【００６２】
図８は、図７の動作を行う列回路１０５よりも、Ｓ信号の振幅が大きい列回路１０５の動作を示したタイミング図である。
【００６３】
列回路制御部１０６がＴ８期間に信号ｃｌｍｐをＨレベルとするが、この時点では比較結果信号ＣＭＰはＬレベルのままである。したがって、ＡＮＤ回路ＡＧ１の出力はＬレベルのままであり、スイッチＳｗ１、スイッチＳｗ２、スイッチＳｗ３のオン、オフ状態も変化しない。このため、ランプ信号Ｖｃｏｍｐは時間に依存した電位の変化を続け、カウンタ３０３もアップカウントを継続する。この状態は、Ｔ９期間も同様である。
【００６４】
図８の動作においても、カウンタ７０１はカウント信号の信号値を比較結果信号ＣＭＰがＨレベルとなる時に１だけ進める。また、Ｂｕｆカウンタ７０２は、比較結果信号ＣＭＰがＨレベルとなると、カウント信号をリセットする。また、カウンタ３０３のアップカウントの開始と同時にカウンタ７０１もアップカウントを開始する。
【００６５】
ここで、列回路制御部１０６がランプ信号Ｖｒａｍｐの時間に依存した電位の変化をＡＴ１４期間で終了した場合について述べる。列回路制御部１０６は、ランプ信号Ｖｒａｍｐの時間に依存した電位の変化の終了と同時に、クロック信号ＣＬＫの出力を停止する。この時点で、ｎ回目のＡＤ変換において、比較結果信号ＣＭＰがＬレベルのままである列回路１０５において、カウンタ３０３とＢｕｆカウンタ７０２がアップカウントを停止するとともに、この時点のカウント信号をそれぞれ保持する。この時、カウンタ３０３のカウント値はＴ１３期間まで積算したカウント信号と、ｎ回目のＡＤ変換途中のカウント信号とを積算したカウント信号を保持している。一方、Ｂｕｆカウンタ７０２は、ｎ回目のＡＤ変換途中のカウント信号を保持している。水平走査回路１０７は、カウンタ３０３が保持したカウント信号と、Ｂｕｆカウンタ７０２が保持したカウント信号とをそれぞれ読み出す。そして、出力部１１０は、カウンタ３０３が保持したカウント信号から、Ｂｕｆカウンタ７０２が保持したカウント信号を減算した差信号を生成する。さらに、水平走査回路１０７は、カウンタ７０１が保持したカウント信号を読み出す。そして出力部１１０は、生成した差信号を、カウンタ７０１が保持したカウント信号の信号値で除算する。これにより、本実施例の撮像装置は、ｎ回目のＡＤ変換が途中で終了した場合でも、（ｎ−１）回目までのＡＤ変換で得たカウント信号を平均化することができる。
【００６６】
このように、本実施例の撮像装置は、実施例１の撮像装置に比べて、ＡＤ変換が途中となってしまった場合についても対応できる。これにより、本実施例の撮像装置は、同一入射光に基づくアナログ信号をＡＤ変換する回数の設定の自由度を向上することができる。
【００６７】
尚、本実施例では画素１０２がＳ信号よりもＮ信号を先に出力しているが、順序を逆にしても良い。この場合、Ｓ信号に関するＡＤ変換の回数に基づいて、Ｎ信号のＡＤ変換の回数を設定するようにしても良い。この場合には、Ｎ信号に基づく複数のデジタル信号を平均化することによって、Ｎ信号に基づくデジタル信号に含まれるランダムノイズを低減することができる。
【００６８】
本実施例では、出力部１１０が、カウンタ７０１とＢｕｆカウンタ７０２のカウント信号同士の差を得て、カウンタ７０１のカウント信号値で除算する動作を行っていた。他の例として、撮像装置の外部に設けられた信号処理部９００がこの動作を行うようにしても良い。この例として示した図９は、撮像装置１００と信号処理部９００とを有する撮像システムを示した図である。出力部１１０は、各列のカウンタ７０１、ＢＵｆカウンタ７０２、カウンタ３０３のカウント信号をそれぞれ信号処理部９００に出力する。信号処理部９００は減算器９０１、除算器９０２を有する。減算器９０１にはカウンタ３０３のカウント信号とＢｕｆカウンタ７０２のカウント信号とがそれぞれ入力される。減算器９０１は、カウンタ７０１のカウント信号からＢｕｆカウンタ７０２のカウント信号を減算して差信号を生成する。そして減算器９０１は差信号を除算器９０２に出力する。除算器９０２にはさらにカウンタ７０１のカウント信号が入力される。除算器９０２は、減算器９０１から入力される差信号を、カウンタ７０１のカウント信号で除算する。これにより、信号処理部９００は（ｎ−１）回目までのＡＤ変換で得たカウント信号を平均化することができる。
【００６９】
（実施例３）
本実施例について、実施例１と異なる点を中心に説明する。
【００７０】
本実施例では、列回路制御部１０６は、時間に依存した電位の変化量が互いに異なるランプ信号Ｖｒａｍｐ、ランプ信号Ｖｒａｍｐ２をそれぞれの列回路１０５に出力する。撮像装置のその他の構成は、図１に示した構成と同じである。
【００７１】
図１０は、本実施例の列回路１０５の構成を示した図である。ランプ信号Ｖｒａｍｐ２は、ランプ信号Ｖｒａｍｐに比して、単位時間あたりの電位の変化量が１／２のランプ信号である。列回路１０５の各々は、クランプ容量素子Ｃｃｌｍｐに出力するランプ信号を、ランプ信号Ｖｒａｍｐ、ランプ信号Ｖｒａｍｐ２のいずれか一方を選択するランプ信号選択部であるスイッチＳｗ４を有する。スイッチＳｗ４は、フリップフロップ回路ＦＦ１のＱ端子の出力によって制御されている。スイッチＳｗ４は、フリップフロップ回路ＦＦ１のＱ端子の出力がＬレベルの時には、ランプ信号Ｖｒａｍｐをクランプ容量素子Ｃｃｌｍｐに出力する。一方、スイッチＳｗ４は、フリップフロップ回路ＦＦ１のＱ端子の出力がＨレベルの時には、ランプ信号Ｖｒａｍｐ２をクランプ容量素子Ｃｃｌｍｐに出力する。
【００７２】
図１１は、本実施例の撮像装置の動作を示したタイミング図である。以下、図４のタイミング図と異なる点を中心に説明する。
【００７３】
図１１のＴ１期間からＴ７期間までの動作については、図４のＴ１期間からＴ７期間までの動作と同じである。
【００７４】
図１１のＴ８期間の開始時にフリップフロップ回路ＦＦ１のＱ端子の出力がＨレベルとなると、スイッチＳｗ４は、クランプ容量素子Ｃｃｌｍｐに出力する信号を、ランプ信号Ｖｒａｍｐからランプ信号Ｖｒａｍｐ２に切り替える。これにより、Ｔ９期間に比較器３０２に入力されるランプ信号Ｖｃｏｍｐの単位時間あたりの電位の変化量は、Ｔ６期間のランプ信号Ｖｃｏｍｐの単位時間あたりの電位の変化量に対して１／２となる。Ｔ９期間にランプ信号Ｖｒａｍｐ２を比較に用いることによって、２回目以降のＡＤ変換で得られる、ＡＭＰ＿Ｓ信号に基づくデジタル信号の分解能を、１回目のＡＤ変換で得られるデジタル信号よりも向上させることができる。撮像装置では、入射光量が小さくなるにつれて、画素１０２と列回路１０５のノイズ成分が相対的に大きくなるため、デジタル信号のＳ／Ｎ比は低下する。しかし、本実施例の撮像装置では、低輝度の画素１０２のＳ信号に基づくＡＭＰ＿Ｓ信号を高分解能でＡＤ変換することによって、デジタル信号のＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。
【００７５】
本実施例では、同一入射光に基づくＡＭＰ＿Ｓ信号の２回目以降のＡＤ変換に、ランプ信号Ｖｒａｍｐ２を用いる例を説明した。他の例として、ＡＭＰ＿Ｓ信号の振幅に応じて、２回目以降のＡＤ変換に用いるランプ信号を、ランプ信号Ｖｒａｍｐとランプ信号Ｖｒａｍｐ２とのいずれかに切り替えるようにしても良い。例えば、ランダムノイズの低減を重視する場合には、可能な限りＡＤ変換回数を増やすためにランプ信号Ｖｒａｍｐを用いるようにしても良い。そして、低輝度時のＳ／Ｎ比の向上を重視する場合には、ランプ信号Ｖｒａｍｐ２を用いるようにしても良い。
【００７６】
（実施例４）
これまで実施例１〜実施例３で述べた撮像装置を撮像システムに適用した場合の実施例について述べる。撮像システムとして、デジタルスチルカメラやデジタルカムコーダーや監視カメラなどがあげられる。図１２に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラに撮像装置を適用した場合の模式図を示す。
【００７７】
図１２において、撮像システムは被写体の光学像を撮像装置１５４に結像させるレンズ１５２、レンズ１５２の保護のためのバリア１５１、レンズ１５２を通った光量を可変にするための絞り１５３を有する。レンズ１５２、絞り１５３は撮像装置１５４に光を導く光学系である。また、撮像システムは撮像装置１５４が出力する出力信号の処理を行う出力信号処理部１５５を有する。
【００７８】
出力信号処理部１５５はデジタル信号処理部を有し、撮像装置１５４が出力する信号を、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って信号を出力する動作を行う。ここで述べる出力信号処理部１５５は、実施例１で述べた撮像システムの出力信号処理部に相当する。
【００７９】
また、撮像システムは、画像データを一時的に記憶する為のバッファメモリ部１５６、記録媒体に記録または読み出しを行うための記憶媒体制御インターフェース部１５８を有する。さらに撮像システムは、撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１５９を有する。さらに、撮像システムは、外部コンピュータ等と通信する為の外部インターフェース部１５７、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部１５１０、撮像装置１５４を有する。さらに撮像システムは、出力信号処理部１５５に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部１５１１を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも撮像装置１５４と、撮像装置１５４から出力された出力信号を処理する出力信号処理部１５５とを有すればよい。また、図４に示した撮像装置の構成の場合では、出力信号処理部１５５が焦点検出信号の処理を行うことができる。さらに出力信号処理部１５５がＡ＋Ｂ信号に基づくデジタル信号から画像を生成することができる。
【００８０】
以上のように、本実施例の撮像システムは、撮像装置１５４を適用して撮像動作を行うことが可能である。
【００８１】
また、出力信号処理部１５５が、実施例２で述べた信号処理部９００を有していても良い。
【００８２】
尚、本明細書では、列回路１０５が増幅器３０１を有する例を基に説明したが、この例に限定されるものではない。つまり、画素１０２が出力する信号が、増幅されずに比較器３０２に入力されるようにしても良い。
【００８３】
また、本明細書では、列回路制御部１０６が、スロープ状に電位が変化するランプ信号を生成する例を基に説明したが、この例に限定されるものではない。他の例として、列回路制御部１０６が階段状に電位が変化するランプ信号を生成するようにとしても良い。このような階段状に電位が変化するランプ信号も、時間に電位が変化するランプ信号である。
【００８４】
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】
【００８５】
１００  撮像装置
１０１  画素部
１０２  画素
１０３  垂直信号線
１０４  垂直走査回路
１０５  列回路
１０６  列回路制御部
１０７  水平走査回路
１０８  タイミング制御部
１１０  出力部
【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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