(57)【要約】【課題】一つの画素列に対して、複数の垂直信号線で読み出す固体撮像装置において、画素信号の高速読み出しとダイナミックレンジ拡大読み出しを最適化する。【解決課題】本発明の固体撮像装置は、行列状に配列されるとともに、光電変換により信号を生成する複数の画素と、前記画素の各列に複数設けられた垂直信号線と、前記垂直信号線毎に複数設けられた列回路と、を有し、複数行の画素の信号を前記複数の列回路によって同時に処理する第１の読み出し動作、同一の画素の信号を前記複数の列回路によって異なるゲインで同時に処理する第２の読み出し動作を選択可能である。【選択図】図１
2015128253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
行列状に配列されるとともに、光電変換により信号を生成する複数の画素と、
前記画素の各列に複数設けられた垂直信号線と、
前記垂直信号線毎に複数設けられた列回路と、を有し、
複数行の画素の信号を前記複数の列回路によって同時に処理する第１の読み出し動作、同一の画素の信号を前記複数の列回路によって異なるゲインで同時に処理する第２の読み出し動作を選択可能な固体撮像装置。
【請求項２】
前記列回路は前記画素の信号を増幅するアナログ増幅回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記列回路は前記画素の信号をデジタル変換するアナログ／デジタル変換回路を含むことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項４】
同一の前記垂直信号線に対応して設けられた、複数の前記アナログ／デジタル変換回路は、互いに異なるランプ信号により、同一の画素信号をデジタル変換することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記列回路は、
時間に対して変化するランプ信号を生成するランプ生成回路と、
前記ランプ信号と前記画素の信号とを比較する比較回路と、
前記ランプ信号の立ち上がりから比較回路における比較結果が反転するまでの計数結果をデジタル変換データとして出力するカウンタ回路とを備え、
前記画素の信号の振幅に応じて、前記ランプ信号における時間に対する変化率を設定することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第２の読み出し動作において、前記複数の列回路はそれぞれ異なるゲインで同一の前記画素の信号を増幅し、ダイナミックレンジを拡大する処理のために出力する請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１の読み出し動作において、前記複数の列回路は複数行の画素の信号を同一のゲインにて増幅することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置からの信号を処理する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、前記第２の読み出し動作において、異なるゲインにて増幅された複数の信号のうち、第１の信号のゲインよりも大きなゲインで増幅された第２の信号に対して、１を下回る倍率をかけることを特徴とする撮像システム。
【請求項９】
行列状に配列されるとともに、光電変換により信号を生成する複数の画素と、前記画素の各列に複数設けられた垂直信号線と、前記垂直信号線毎に複数設けられた列回路とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
複数行の画素の信号を前記複数の列回路によって同時に処理する第１の読み出し動作と、同一の画素の信号を前記複数の列回路によって異なるゲインで同時に処理する第２の読み出し動作とを切り替え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、入射光を電気信号に変換する光電変換素子を複数備えた固体撮像装置およびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置における画素数の増大傾向により、信号読み出しの高速化が求められる。高速化技術の一つとして特許文献１には、画素列に対して複数の信号読出し線を備える構成が開示されている。
【０００３】
また、画素数の増大に伴い画素サイズは縮小され、Ｓ／Ｎ比やダイナミックレンジの維持も必要とされる。特許文献２には、一画素の信号を複数のゲインで増幅し、高ゲイン側の信号を信号の大きさに応じて１を下回る倍率をかけることで出力ノイズを低減し、ダイナミックレンジの拡大を図る技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０５０４０３号公報
【特許文献２】特開２０１０−０１６４１６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、引用文献１、２に記載の構成は、信号読み出しの高速化、ダイナミックレンジの拡大などを個別に実現するものにすぎず、これらを一つの装置で実現するものではなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の固体撮像装置は、行列状に配列されるとともに、光電変換により信号を生成する複数の画素と、前記画素の各列に複数設けられた垂直信号線と、前記垂直信号線毎に複数設けられた列回路と、を有し、複数行の画素の信号を前記複数の列回路によって同時に処理する第１の読み出し動作、同一の画素の信号を前記複数の列回路によって異なるゲインで同時に処理する第２の読み出し動作を選択可能である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数行の画素の信号を同時に読み出す高速読み出しモード、同一の画素の信号を複数の列回路によって読み出すダイナミックレンジ拡大モードを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態における固体撮像装置の概略構成を表す図である。
【図２】（ａ）第１実施形態における固体撮像装置の１列分の画素部および信号読出し回路を示す図である。（ｂ）第１実施形態における列増幅回路の構成を表す図である。
【図３（ａ）】第１実施形態の高速読み出しモードにおけるタイミングチャートの図である。
【図３（ｂ）】第１実施形態の高速読み出しモードにおける各スイッチの電気的接続状態の推移を表す図である。
【図３（ｃ）】第１実施形態の高速読み出しモードにおける列増幅回路の容量接続状態を表す図である。
【図４（ａ）】第１実施形態のダイナミックレンジ拡大モードにおけるタイミングチャートである。
【図４（ｂ）】第１実施形態のダイナミックレンジ拡大モードにおける各スイッチの電気的接続状態の推移の図である。
【図４（ｃ）】第１実施形態のダイナミックレンジ拡大モードにおける列増幅回路の容量接続状態を表す図である。
【図５（ａ）】第２実施形態のダイナミックレンジ拡大モードにおけるタイミングチャートである。
【図５（ｂ）】第２実施形態のダイナミックレンジ拡大モードにおける各スイッチの電気的接続状態の推移の図である。
【図５（ｃ）】第２実施形態のダイナミックレンジ拡大モードにおける各スイッチの電気的接続状態の推移の図である。
【図５（ｄ）】第２実施形態のダイナミックレンジ拡大モードにおける列増幅回路の容量接続状態を表す図である。
【図６】第３、第５実施形態における固体撮像装置の全体概略図である。
【図７】第３実施形態における列ＡＤ変換部のブロック図である。
【図８】第４実施形態における固体撮像装置の全体概略図である。
【図９】第４実施形態における列ＡＤ変換部のブロック図である。
【図１０】第４実施形態における固体撮像装置の１列分の画素部および信号読出し回路を示す図である。
【図１１】第４、第５実施形態におけるランプ信号の説明図である。
【図１２】第５実施形態における列ＡＤ変換部のブロック図である。
【図１３】第６実施形態における固体撮像装置システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を、図１〜図４を参照しながら説明する。本実施形態に係る固体撮像装置はアナログ出力をするとともに、１水平走査期間毎にゲインを切り替えるものである。
【００１０】
図１は第１実施形態における固体撮像装置１の概略構成を表している。固体撮像装置１は、画素部１０、垂直走査回路１０２、垂直信号線１０３、列増幅部１０４ａ、１０４ｂ、列メモリ部１０５ａ、１０５ｂ、水平走査回路１０６ａ、１０６ｂ、水平信号線１０７ａ、１０７ｂ、出力回路１０８ａ、１０８ｂを有する。
【００１１】
画素部１０は、ｍ行×ｎ列の行列状に２次元配列された複数の画素１０１から構成されている。図示されていないが、それぞれの画素１０１は光電変換素子であるフォトダイオード、フォトダイオードに蓄積された電荷を出力する画素出力部、画素を選択する画素選択部を備える。垂直走査回路１０２は画素１０１の画素選択部に電気的接続され、垂直走査回路１０２により画素１０１が選択されると、画素１０１で光電変換された画素信号は垂直走査回路１０２によって、選択される垂直信号線１０３に出力される。
【００１２】
垂直信号線１０３は画素の各列に複数設けられており、それぞれが列増幅部１０４ａ、１０４ｂに電気的接続可能である。画素信号は垂直信号線１０３を介して列増幅部１０４ａ、１０４ｂに入力される。列増幅部１０４ａ、１０４ｂは垂直信号線毎の増幅回路を複数備えている。列メモリ部１０５ａ、１０５ｂは、サンプル・ホールド回路等から構成され、列増幅部１０４ａ、１０４ｂで増幅された画素信号を保持する。水平走査回路１０６ａ、１０６ｂは、列メモリ部１０５ａ、１０５ｂを水平信号線１０７ａ、１０７ｂに電気的に接続し、増幅された画素信号を出力回路１０８ａ、１０８ｂに出力する。出力回路１０８ａ、１０８ｂから出力された信号は信号処理部１０９に出力される。信号処理部１０９は入力された画素信号をアナログーデジタル変換し、デジタル変換データにおいてゲイン処理、補正処理、ガンマ処理等の信号処理を行い、信号処理後のデータを画像データとして保存する。
【００１３】
図２（ａ）に、画素１０１、垂直信号線１０３および列増幅部１０４のそれぞれの１列分の構成を示す。１列の画素アレイは画素１０１（１）〜１０１（２ｎ）（ｎは１以上の整数）からなり、垂直信号線１０３は１０３＿ｏｄｄ、１０３＿ｅｖｅｎの２系統を有している。垂直信号線１０３＿ｏｄｄは行選択スイッチＳＥＬ［２ｎ−１］を介して奇数行の画素１０１（２ｎ−１）に電気的接続され、垂直信号線１０３＿ｅｖｅｎは行選択スイッチＳＥＬ［２ｎ］を介して偶数行の画素１０１（２ｎ）に電気的接続される。
【００１４】
列増幅部１０４ａは複数の列増幅回路２０２ａを備え、同様に列増幅部１０４ｂは複数の列増幅回路２０２ｂを備える。垂直信号線１０３＿ｏｄｄの一端は接続スイッチ２０１ａ＿ｏｄｄを介して列増幅回路２０２ａに電気的接続され、垂直信号線１０３＿ｏｄｄの他端は接続スイッチ２０１ｂ＿ｏｄｄを介して列増幅回路２０２ｂに電気的接続される。同様に、垂直信号線１０３＿ｅｖｅｎの一端は接続スイッチ２０１ａ＿ｅｖｅｎを介して列増幅回路２０２ａに電気的接続され、垂直信号線１０３＿ｅｖｅｎの他端は接続スイッチ２０１ｂ＿ｅｖｅｎを介して列増幅回路２０２ｂに電気的接続される。また、行選択スイッチＳＥＬ［１］〜［２ｎ］は、奇数行の画素１０１と垂直信号線１０３＿ｏｄｄ、偶数行の画素１０１と垂直信号線１０３＿ｅｖｅｎとをそれぞれ電気的接続する。
【００１５】
図２（ｂ）に列増幅回路２０２ａ、２０２ｂの一例としての、アナログ増幅回路を示す。なお、列増幅回路２０２ａ、２０２ｂは同様の構成を有しており、また垂直信号線１０３との電気的接続も同じであるので、列増幅回路２０２ａを例に説明する。列増幅回路２０２ａは、差動増幅器３０１、入力容量Ｃ０、帰還容量Ｃ１、Ｃ２、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓｒを備えて構成されている。差動増幅器３０１の非反転入力ノードには参照電圧Ｖｒｅｆが入力され、反転入力ノードには入力容量Ｃ０の一端が電気的接続される。入力容量Ｃ０の他端は、接続スイッチ２０１ａ＿ｏｄｄ、２０１ａ＿ｅｖｅｎを介して、垂直信号線１０３ｏｄｄ、１０３ｅｖｅｎにそれぞれ電気的接続される。差動増幅器３０１の反転入力ノードと出力ノードとはスイッチＳｒ、スイッチＳ１および帰還容量Ｃ１、スイッチＳ２および帰還容量Ｃ２を介して電気的接続可能である。スイッチＳ１およびＳ２の制御により列回路２０２ａのゲインを切り替えることができる。例えば、スイッチＳ１、Ｓ２がオンである場合には、列増幅回路２０２ａのゲインはＣ０／（Ｃ１＋Ｃ２）となり、スイッチＳ１のみがオンである場合には、列増幅回路２０２ａのゲインはＣ０／Ｃ１となる。また、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓｒがすべてオンとなることにより、作動増幅器３０１の出力ノードと反転入力ノードとが短絡され、帰還容量Ｃ１、Ｃ２がリセットされる。
【００１６】
実施形態１における固体撮像装置では、接続スイッチ２０１ａ＿ｏｄｄ、２０１ｂ＿ｏｄｄ、２０１ａ＿ｅｖｅｎ、２０１ｂ＿ｅｖｅｎによって垂直信号線１０３と列増幅回路２０２ａ、２０２ｂとの電気的接続を切り替えている。さらに列増幅回路２０２のゲインを切り替えて駆動することにより、高速読み出しモード（第１の読み出し動作）とダイナミックレンジ拡大モード（第２の読み出し動作）とを切替える。以下、それぞれの読み出しモードの駆動方法についてタイミングチャートを用いて説明する。
【００１７】
図３（ａ）は高速読み出しモードにおけるタイミングチャートを示し、図３（ｂ）は各タイミング期間における垂直信号線と接続スイッチとの電気的接続状態を示す。また、図３（ｃ）は列増幅回路２０２ａ、２０２ｂのゲイン設定のための各スイッチの電気的接続状態を示す。
【００１８】
垂直パルスＰＶが垂直走査回路１０２に供給され、垂直パルスＰＶに同期して、２行毎に行選択スイッチＳＥＬ［１］〜［ｎ］がＯＮ状態に遷移する。高速読出しモードにおいては、時刻ｔ０〜ｔ１に行選択スイッチＳＥＬ［１］、ＳＥＬ［２］がＯＮとなり、一行目と二行目の画素１０１が選択され、画素信号が読み出される。同様に、時刻ｔ１〜ｔ２で行選択スイッチＳＥＬ［３］、ＳＥＬ［４］がＯＮとなり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間で行選択スイッチＳＥＬ［５］、ＳＥＬ［６］がＯＮとなり、それぞれの選択された画素信号が読み出される。図示していないがこのような動作が画素部１０に配列された行数２ｎ分（つまりｎ回）繰り返される。また、高速読み出しモードにおいてはスイッチ２０１ａ＿ｏｄｄ、２０１ｂ＿ｅｖｅｎが常にＯＮである。このため、垂直信号線１０３＿ｏｄｄに電気的接続される奇数行の画素信号は、それぞれ列増幅回路２０２ａにより増幅され、垂直信号線１０３＿ｅｖｅｎに電気的接続される偶数行の画素信号は、それぞれ列増幅回路２０２ｂによって増幅される。本実施形態の列増幅回路２０２ａ、２０２ｂのスイッチＳ１＿ａ、Ｓ２＿ａ、Ｓ１＿ｂ、Ｓ２＿ｂはＯＮであり、列増幅回路２０２ａ、２０２ｂのゲインはともに同一のゲインＣｏ／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。上記の通り高速読出モードでは、同時に選択される行は二行毎であり、奇数行と偶数行がそれぞれ異なる列増幅回路２０２ａ、２０２ｂで読み出される。このように、二行分の画素信号データを同時に読み出すことで、読み出しの高速化を実現できる。
【００１９】
図４（ａ）はダイナミックレンジ拡大モードおけるタイミングチャートを示し、図４（ｂ）は各タイミング期間における垂直信号線の接続スイッチの電気的接続状態を示す。また、図４（ｃ）は列増幅回路２０２ａ、２０２ｂのゲイン設定のための各スイッチの電気的接続状態を示す。ここでのダイナミックレンジ拡大モードは、１画素の画素信号を複数の異なる増幅ゲインにより同時に読み出す駆動方法である。本実施形態によれば、１つの固体撮像装置において、複数行の画素の信号を同時に読み出す高速読み出しモード、同一の画素の信号を複数の列回路によって読み出すダイナミックレンジ拡大モードを選択可能である。
【００２０】
ダイナミックレンジ拡大モードにおいては垂直走査パルスＰＶに同期して、時刻ｔ０〜ｔ１では行選択スイッチＳＥＬ［１］が選択され、時刻ｔ１〜ｔ２では行選択スイッチＳＥＬ［２］が選択され、時刻ｔ２〜ｔ３ではＳＥＬ［３］が選択される。このように１行毎に画素が選択される。時刻ｔ０〜ｔ１には接続スイッチ２０１ａ＿ｏｄｄおよび２０１ｂ＿ｏｄｄがＯＮ、接続スイッチ２０１ａ＿ｅｖｅｎおよび２０１ｂ＿ｅｖｅｎがＯＦＦとなる。選択された一行目（奇数行）の画素信号が２つの列増幅回路２０２ａおよび２０２ｂにより増幅される。次の時刻ｔ１〜ｔ２には接続スイッチ２０１ａ＿ｏｄｄおよび２０１ｂ＿ｏｄｄがＯＦＦ、接続スイッチ２０１ａ＿ｅｖｅｎおよび２０１ｂ＿ｅｖｅｎがＯＮとなる。これにより、選択された二行目（偶数行）の画素信号が２つの列増幅回路２０２ａおよび２０２ｂにより増幅される。続いて時刻ｔ２〜ｔ３には、時刻ｔ０〜ｔ１の電気的接続状態と同様に選択された三行目（奇数行）の画素信号が２つの列増幅回路２０２ａおよび２０２ｂにより増幅される。このように、画素の読み出しが、画素部１０に配列される行数２ｎ分繰り返される。
【００２１】
このとき、図４（ｃ）に示すように、列増幅回路２０２ａのスイッチＳ１＿ａ、Ｓ２＿ａがＯＮとなり、列増幅回路２０２ａのゲインはＣ０／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。また、列増幅回路２０２ｂのスイッチＳ１＿ｂのみがＯＮとなり、列増幅回路２０２ｂのゲインはＣ０／Ｃ１となる。それぞれ異なるゲインで増幅された信号は出力回路１０８から出力された後、信号処理部１０９でダイナミックレンジ拡大処理がなされる。ダイナミックレンジ拡大処理としては、例えば特許文献２に記載された処理を用いることができる。例えば、画素信号が所定の出力レベル以下の小信号である場合には、信号処理部１０９は列増幅回路２０２ｂから出力される高ゲインＣ０／Ｃ１の画素信号を画像データ生成のために用いる。信号処理部１０９は、列増幅回路２０２ｂからの画素信号に対して１／（Ｃ０／Ｃ１）倍のゲイン処理を施すことにより、ノイズを抑圧することができる。
【００２２】
すなわち、小信号時においては、列増幅回路２０２ｂによって画素信号を１より大きいゲインで増幅し、増幅後の画素信号を信号処理部１０９によって１を下回る倍率のゲイン処理を施す。これにより、列増幅回路２０２ｂ以降で発生するノイズを低減することができる。また、画素信号が所定の出力レベルを超える大信号である場合には、信号処理部１０９は列増幅回路２０２ａから出力される低ゲインＣ０／（Ｃ１＋Ｃ２）の信号をそのまま使用し、画像データを形成する。例えば、各容量の値をＣ０＝８００［ｆＦ］、Ｃ１＝５０［ｆＦ］、Ｃ２＝７５０［ｆＦ］とすると、列増幅回路２０２ａのゲインは１倍、列増幅回路２０２ｂのゲインは１６倍となる。このとき列増幅回路２０２ｂでは画素信号のみならず画素ノイズ成分ｎが１６倍されるが、列増幅回路２０２ｂ以降で発生するノイズＮはゲインに依存せず、増幅されない。従って、列増幅回路２０２ｂから出力された画素信号に１／１６のゲイン処理を施すことで、ノイズＮの成分を１／１６に低減する効果、つまり小信号時のダイナミックレンジを拡大する効果が得られる。
【００２３】
なお、上述のゲインは１６倍に限定されることなく、任意のゲインＧを用いることができる。すなわち、列増幅回路２０２ｂにおいて画素信号をゲインＧで増幅し、信号処理部１０９において画素信号を１／Ｇ倍しても良い。また、信号処理部１０９におけるゲイン処理においては、１／Ｇに限られず、１を下回る任意の倍率を用いても良い。
【００２４】
（第２の実施形態）
続いて、図５を参照しながら第２実施形態に係る固体撮像装置を説明する。本実施形態に係る固体撮像装置は、アナログ出力をするとともに、インターレース走査をするものである。第２実施形態における固体撮像装置の回路構成および高速読出しモードにおける駆動方法は第１実施形態と同様のものを用いることができる。ここでは第１実施形態との差異であるダイナミックレンジ拡大モードにおける駆動方法のみ説明する。
【００２５】
図５（ａ）は第２実施形態におけるダイナミックレンジ拡大モードのタイミングチャートを示し、図５（ｂ）、（ｃ）は垂直信号線の接続スイッチの電気的接続状態の推移を示す。また、図５（ｄ）は列増幅回路２０２ａ、２０２ｂのゲイン設定のスイッチの電気的接続状態を示す。ここでのダイナミックレンジ拡大モードは、１画素の光信号を複数の増幅ゲインにより読み出す駆動方法である。第１実施形態における垂直信号線１０３と列増幅回路２０２との電気的接続切り替えが１行毎であるのに対して、第２実施形態では電気的接続切り替えのタイミングが、１フィールド毎のインターレース走査である。
【００２６】
図５（ａ）において、フィールド切換えパルスＰfieldは１フィールド毎に出力されるパルスである。フィールド切換えパルスＰfieldに従い、時刻ｔ０−０から１フィールド目の信号読み出しがスタートする。これにより、垂直走査パルスＰＶが時刻ｔ０−０、ｔ０−１、ｔ０−２・・・ｔ０−ｎにおいてＨｉｇｈとなり、行選択スイッチＳＥＬ［１］〜［ｎ］のＯＮ状態を遷移させる。
【００２７】
また、同時に選択される行は１行毎である。時刻ｔ０−０からスタートする１フィールド目、時刻ｔ２−０からスタートする３フィールド目というように奇数フィールドが選択される。奇数フィールドにおいては、行選択スイッチＳＥＬ［１］（第１行）、ＳＥＬ［３］（第３行）、・・・・ＳＥＬ［２ｎー１］（第（２ｎ−１）行）、つまり奇数行が順次選択される。時刻ｔ１−０からスタートする２フィールド目、時刻ｔ３−０からスタートする４フィールド目というように偶数フィールドが選択される。偶数フィールドにおいては、行選択スイッチＳＥＬ［２］（第２行）、ＳＥＬ［４］（第４行）・・・・ＳＥＬ［２ｎ］（第(２ｎ)行）、つまり偶数行が順次選択され画素信号が読み出される。
【００２８】
奇数フィールド選択時は垂直信号線の接続スイッチ２０１ａ＿ｏｄｄおよび２０１ｂ＿ｏｄｄがＯＮ、接続スイッチ２０１ａ＿ｅｖｅｎおよび２０１ｂ＿ｅｖｅｎがＯＦＦとなる。これにより、選択された奇数行の画素信号が２つの列増幅回路２０２ａおよび２０２ｂにより増幅される。また、偶数行選択時には接続スイッチ２０１ａ＿ｏｄｄおよび２０１ｂ＿ｏｄｄがＯＦＦ、接続スイッチ２０１ａ＿ｅｖｅｎおよび２０１ｂ＿ｅｖｅｎがＯＮとなり、選択された偶数行の画素信号が２つの列増幅回路２０２ａおよび２０２ｂにより増幅される。このとき、列増幅回路２０２ａ、２０２ｂの増幅ゲインは図５（ｄ）に示すようになる。すなわち、列増幅回路２０２ａにおいては、スイッチＳ１＿ａ、Ｓ２＿ａがＯＮし、ゲインはＣ０／（Ｃ１＋Ｃ２）となり、列増幅回路２０２ｂにおいては、スイッチＳ１＿ｂのみがＯＮし、ゲインはＣ０／Ｃ１となる。それぞれ異なるゲインで増幅された信号は出力回路１０８から出力された後、信号処理部１０９でダイナミックレンジ拡大の処理がなされる。さらに信号処理部１０９は１フィールド目の出力信号と２フィールド目の出力信号とを合成して１フレームの画像データを生成する。
【００２９】
本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。ダイナミックレンジ拡大モードにおいては、１つの画素の画素信号を複数の異なる増幅ゲインにより同時に読み出すことにより、小信号のＳＮ比を改善し、ダイナミックレンジを拡大することができる。画素信号が所定の出力レベル以下の小信号については、高ゲインＣ０／Ｃ１での増幅をした後、１／（Ｃ０／Ｃ１）倍のゲイン処理を施す。また、画素信号が所定の出力レベルを超える大信号である場合には、信号処理部１０９は列増幅回路２０２ａから出力される低ゲインＣ０／（Ｃ１＋Ｃ２）の信号をそのまま使用し、画像データを形成する。列増幅回路２０２ｂでは画素信号のみならず画素ノイズ成分ｎが増幅されるが、列増幅回路２０２ｂ以降で発生するノイズＮは増幅されない。従って、ダイナミックレンジ拡大モード時には、小信号のダイナミックレンジを拡大する効果が得られる。一方、高速読出しモードにおいては、同一のゲインＣｏ／（Ｃ１＋Ｃ２）を用いて二行分の画素信号を同時に読み出すことで、読み出しの高速化を実現できる。
【００３０】
（第３の実施形態）
図６、図７を参照しながら第３実施形態に係る固体撮像装置を説明する。第１、第２実施形態は、画素信号を信号処理部１０９によってＡＤ変換するのに対して、本実施形態に係る固体撮像装置１は、列ＡＤ変換部６０１ａ、６０１ｂによって画素信号をデジタル信号に変換可能である。本実施形態において、前述した駆動モードの切り替え方法、駆動方法は第１、第２実施形態と同様である。従って、ここでは、第１、第２実施と相違する構成を中心に説明し、駆動モードの切り替え方法、駆動方法の説明を省略する。
【００３１】
図６は第３実施形態における固体撮像装置１の全体概略図である。固体撮像装置１は、画素１０１が行列状に配列された画素部１０、垂直走査回路１０２、垂直信号線１０３を備える。さらに、固体撮像装置１は、列増幅部１０４ａ、１０４ｂ、列ＡＤ変換部６０１ａ、６０１ｂ、列メモリ部１０５ａ、１０５ｂ、水平走査回路１０６ａ、１０６ｂ、水平信号線１０７ａ、１０７ｂ、出力回路１０８ａ、１０８ｂを備える。
【００３２】
画素部１０、垂直走査回路１０２、垂直信号線１０３、列増幅部１０４ａ、１０４ｂは第１実施形態と同様に構成されている。列ＡＤ変換部６０１ａ、６０１ｂは列増幅部１０４ａ、１０４ｂで増幅された画素信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換する。列メモリ部１０５ａ、１０５ｂはデジタル信号の画素信号を保持する複数の列メモリから構成されている。水平走査回路１０６ａ、１０６ｂは、列メモリ部１０５ａ、１０５ｂを水平信号線１０７ａ、１０７ｂに電気的接続し、デジタル変換された画素信号が出力回路１０８ａ、１０８ｂにより出力される。出力された信号は信号処理部１０９により、補正処理等の信号処理が行われ画像データとして保存される。
【００３３】
図７に、列ＡＤ変換部６０１ａ、６０１ｂのブロック図を示す。列ＡＤ変換部６０１ａ、６０１ｂはランプ生成回路７０１、ｎ個の比較回路７０２−１〜７０２−ｎ、ｎ個のカウンタ回路７０３−１〜７０２−ｎを備え、列アンプ２０２からの画素の信号をデジタル変換する。比較回路７０２は、列アンプ２０２から入力された画素信号の振幅とランプ生成回路７０２で生成されるランプ信号の振幅とを比較し、比較結果である反転信号を出力する。カウンタ回路７０３はランプ信号の立ち上がりから比較回路７０１の出力信号が反転するまでのカウンタクロックを計数し、その計数結果をデジタル変換データとして列メモリ部１０５ａ、１０５ｂに出力する。例えば、カウンタ回路７０３の計数の最大値を２１０とすることにより、画素信号を１０ビットの精度でＡＤ変換することができる。列メモリ部１０５ａ、１０５ｂに保持されたデジタル変換データは、水平走査回路１０６により水平信号線１０７に電気的接続され出力回路１０８により出力される。出力された信号は信号処理部１０９により補正処理等の信号処理が行われ画像データとして保存される。
【００３４】
本実施形態においても、高速読み出しモードにおいては、二行分の画素信号データを同時に読み出すことで、読み出しの高速化を実現でき、また、ダイナミックレンジ拡大モードにおいては小信号時のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００３５】
（第４の実施形態）
図８〜図１０を参照しながら第４実施形態に係る固体撮像装置を説明する。本実施形態に係る固体撮像装置１は、列増幅部を有しない点において第３実施形態に係る固体撮像装置１と異なり、他の構成においては同様である。従って、ここでは第３実施形態と相違する構成を中心に説明する。
【００３６】
図８は第４実施形態における固体撮像装置１の全体概略図である。固体撮像装置１は、画素１０１が行列状に２次元配列された画素部１０、垂直走査回路１０２、垂直信号線１０３を備える。さらに、固体撮像装置１は、列ＡＤ変換部６０１ａ、６０１ｂ、列メモリ部１０５ａ、１０５ｂ、水平走査回路１０６ａ、１０５ｂ、水平信号線１０７ａ、１０７ｂ、出力回路１０８ａ、１０８ｂを備える。
【００３７】
垂直信号線１０３は接続スイッチ２０１を介して列ＡＤ変換部６０１に電気的接続され、列ＡＤ変換部６０１によってアナログ信号である画素信号はデジタル信号へＡＤ変換される。
【００３８】
図９は第４実施形態における列ＡＤ変換部６０１の回路ブロック図である。列ＡＤ変換部６０１はランプ生成回路７０１、ｎ個の比較回路７０２−１〜ｎ、ｎ個のカウンタ回路７０３−１〜７０３−ｎを備える。比較回路７０２は、垂直信号線１０３から入力された信号振幅とランプ生成回路７０２で生成されるランプ信号の振幅とを比較し、比較結果である反転信号を出力する。カウンタ回路７０３はランプ信号の立ち上がりから比較回路７０１の出力信号が反転するまでのカウンタクロックを計算し、その計数結果をデジタル変換データとして列メモリ部１０５ａ、１０５ｂに出力する。第４実施形態に係るランプ生成回路７０１は、ランプ信号の傾き、すなわち参照信号の時間に対する変化率を複数有し、この変化率を任意に設定できる。
【００３９】
図１０は、第４実施形態における画素１０１、垂直信号線１０３および列ＡＤ部６０１の１列分の構成を示す。垂直信号線１０３＿ｏｄｄの一端は接続スイッチ２０１ａ＿ｏｄｄを介して列ＡＤ部６０１ａに電気的接続され、垂直信号線１０３＿ｏｄｄの他端は、接続スイッチ２０１ｂ＿ｏｄｄを介して列ＡＤ部６０２ｂに電気的接続される。同様に、垂直信号線１０３＿ｅｖｅｎの一端は接続スイッチ２０１ａ＿ｅｖｅｎを介して列ＡＤ部６０２ａに電気的接続され、垂直信号線１０３＿ｅｖｅｎの他端は接続スイッチ２０１ｂ＿ｅｖｅｎを介して列ＡＤ部６０２ｂに電気的接続される。奇数行の行選択スイッチＳＥＬ［２ｎ−１］は奇数行の画素１０１と垂直信号線１０３＿ｏｄｄとを電気的接続し、偶数行の行選択スイッチＳＥＬ［２ｎ］は偶数行の画素１０１と垂直信号線１０３＿ｅｖｅｎとを電気的接続する。
【００４０】
図１１は、ランプ生成回路７０１におけるランプ信号を示す図である。図示するように、２つのランプ信号が列ＡＤ変換部６０１ａ、６０２ｂに伝送される。２つの列ＡＤ変換部６０１ａ、６０１ｂは画素１０１の信号を異なるゲインで読み出すことができる。例えば、ランプ信号ＶＨと、ランプ信号ＶＨに対して１／１６の傾きで生成されるランプ信号ＶＬとのいずれかに設定しても良い。ダイナミックレンジ拡大モードにおいては、列ＡＤ変換部６０１ａは大信号のためのランプ信号ＶＨに設定され、列ＡＤ変換部６０ｂは小信号のためのランプ信号ＶＬに設定される。このときランプ信号ＶＬによりＡＤ変換される信号はランプ信号ＶＨに対して１／１６の分解能で読みだされる。このようにしてＡＤ変換された２つの信号は信号処理部１０９によって合成される。所定レベル以下の小信号にはランプ信号ＶＬを採用し、所定レベルを超える大信号にはランプ信号ＶＨを採用することで、小信号領域に対して分解能の高い、つまり小信号領域のダイナミックレンジを広げた画像データを取得することができる。
【００４１】
例えば、図１１において、ランプ信号ＶＨを用いて１Ｖの信号を１０ビットの精度でＡＤ変換したとすると、６２．５ｍＶの信号振幅は４ビットに相当し、小信号の分解能が必ずしも十分ではなくなってしまう。本実施形態によれば、６２．５ｍＶ以下の小信号においては、ランプ信号ＶＬを用いてＡＤ変換することにより、６２．５ｍＶ以下の信号を１０ビットの精度でＡＤ変換することができる。また、画素信号が６２，５ｍＶ以下である場合には、ＡＤ変換された１０ビットのデータＤ０−Ｄ９の上位に４ビットの冗長ビットを付加し、画素信号が６２．５ｍＶを超える場合には、ＡＤ変換された１０ビットのデータＤ０−Ｄ９を４ビットシフトしても良い。このようにして、１４ビットのデジタル変換データを得ることができる。第３の実施形態で述べたように、小信号時の量子化ノイズが低減されることから、ダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
【００４２】
また、高速読み出しモードにおいては、２つの列ＡＤ変換部６０１ａ、６０１ｂにおいて同一のランプ信号ＶＨ、若しくはランプ信号ＶＬを用いて、２行の画素を高速に読み出すことができる。
【００４３】
本実施形態には、列増幅部１０４は設けられていないが、列ＡＤ変換部６０１ａ、６０１ｂは異なるランプ信号でＡＤ変換を行うことが可能である。ランプ信号の傾きが異なれば、画素信号の振幅とでデジタル変換データとの対応関係も変わるため、列ＡＤ変換部６０１ａ、６０１ｂは実質的には画素信号の増幅ゲインを変更可能であって、デジタル増幅回路として機能する。従って、列ＡＤ変換部６０１ａ、６０１ｂは特許請求の範囲に記載の列回路であると解釈可能である。
【００４４】
（第５の実施形態）
第５実施形態に係る固体撮像装置は、ＡＤ変換部の構成を除いて第３実施形態と同様に構成されている。また、本実施形態における駆動モードの切り替え方法、駆動方法は第１実施形態、第２実施形態と同様であるため、第１〜第４実施形態の構成との相違点を中心に説明する。
【００４５】
図１２は第５実施形態におけるＡＤ変換部６０１の構成図である。ＡＤ変換部６０１は列増幅部１０４によって増幅された画素信号をＡＤ変換し、列メモリ部１０５ａ、１０５ｂに出力するように構成されている。ＡＤ変換部６０１はランプ生成回路７０１、ｎ個の選択回路８０１−１〜８０１−ｎ、ｎ個の比較回路７０２−１〜７０２−ｎ、ｎ個のカウンタ回路７０３−１〜７０３−ｎを備えて構成されている。本実施形態に係るランプ生成回路７０１は２つのランプ信号ＶＨ、ＶＬを出力可能であり、選択回路８０１は２つのランプ信号ＶＨ、ＶＬのいずれかを選択するよう構成されている。
【００４６】
列ＡＤ変換部６０１は、まず、列増幅回路２０２から出力された画素信号の振幅が、画素信号のＳＮ比を考慮して設定した比較基準信号より大きいか、小さいかを判定し、その結果に応じて画素信号と比較するランプ信号を選択し、比較処理を行う。上述したように、ランプ信号生成回路７０１は２つのランプ信号ＶＨ、ＶＬを同時に出力し、ランプ信号ＶＨ、ＶＬの傾き比、すなわち時間に対するランプ信号の増加分を例えば図１１に示すように１６とする。比較回路７０１は入力された信号振幅とランプ生成回路７０２で生成されるランプ信号ＶＨ、ＶＬのうち選択された一つのランプ信号の振幅とを比較し、比較結果である反転信号を出力する。カウンタ回路７０３はランプ信号の立ち上がりから出力信号が反転するまでのカウンタクロックを計数し、その係数結果をデジタル変換データとして列メモリ部１０５に出力する。列メモリ部１０５に保持されたデジタル変換データは、水平走査回路１０６により水平信号線１０７に電気的接続され出力回路１０８により出力される。出力された信号は信号処理部１０９により補正処理等の信号処理が行われ画像データとして保存される。
【００４７】
本実施形態における固体撮像装置１は１個の比較回路７０１において画素信号の振幅に応じて、ランプ信号と比較するので少ないビット数のＡＤ変換回路で多ビット数のデジタル変換データを取得できる効果がある。第４実施形態において説明したように、例えば１０ビットの精度のＡＤ変換回路において、ランプ信号ＶＨの１／１６の傾き比のランプ信号ＶＬを用いることにより、実質的には１４ビットの精度でＡＤ変換を行うことが可能となる。従って、小信号時の量子化ノイズが低減されることから、ダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
【００４８】
なお、ランプ信号ＶＨ、ＶＬを切り替えるための閾値電圧は６２．５ｍＶに限定されずに、他の電圧値でも良い。また、ランプ信号は２種類に限定されることなく、３種類以上であっても良い。すなわち、２以上のＮ種類のランプ信号を、Ｎ−１個の閾値電圧で切り替えても良い。
【００４９】
また、本実施形態の固体撮像装置は、２つの列増幅部１０４ａ、１０４ｂを備えているため、第１〜第４実施形態と同様に、列増幅部以降に発生するノイズを低減することができる。すなわち、小信号の画素信号を高ゲインで増幅した後、１を下回る倍率でゲイン処理をすることにより、列増幅部１０４ｂ以降に発生するノイズを低減することができる。
【００５０】
さらに、本実施形態においても、高速読出しモードにおいては、複数行の画素の信号を同時に読み出すことで、読出しの高速化を実現でき、また、ダイナミックレンジ拡大モードにおいては小信号時のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００５１】
（第６の実施形態）
図１３は、本発明の第６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９は、例えば、光学部９１０、固体撮像装置１、信号処理部１０９、記録・通信部９２０、タイミング制御回路部９３０、システムコントロール回路部９４０、及び再生・表示部９５０を含む。固体撮像装置１及び映像信号１０９は、上述の各実施形態で説明したものが用いられる。
【００５２】
レンズ等の光学系である光学部９１０は、被写体からの光を固体撮像装置１における画素部１０（図１）に結像させ、被写体の像を形成する。固体撮像装置１は、タイミング制御回路部９３０からの信号に基づくタイミングで、画素部１０に結像された光に応じた信号を出力する。固体撮像装置１から出力された信号は、信号処理部１０９に入力され、信号処理部１０９が、プログラム等によって定められた方法に従って、入力された信号に対してゲイン処理等の信号処理を行う。例えば、ダイナミックレンジ拡大モードにおいては、高ゲインで増幅された小信号に対して、１を下回る倍率をかけるゲイン処理を行う。信号処理部１０９における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９２０に送られる。記録・通信部９２０は、画像を形成するための信号を再生・表示部９５０に送り、再生・表示部９２０に動画や静止画像を再生・表示させる。記録・通信部９２０は、また、映像信号処理部１０９からの信号を受けて、システムコントロール回路部９２４０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。
【００５３】
システムコントロール回路部９４０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９１０、タイミング制御回路部９３０、記録・通信部９２０、及び再生・表示部９５０の駆動を制御する。また、システムコントロール回路部９４０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９４０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９３０は、制御部であるシステムコントロール回路部９４０による制御に基づいて固体撮像装置１及び信号処理部１０９の駆動タイミングを制御する。
【００５４】
（その他の実施形態）
以上、第１〜第６実施形態に係る固体撮像装置を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明趣旨を逸脱しない範囲において変更実施可能である。例えば、画素１列あたりの列増幅部の個数は２に限定されず、４、８、１６等、任意の数を採用し得る。すなわち、画素１列毎に、Ｎ（２以上の整数）本の垂直信号線と、Ｎ本の信号線に電気的接続されたＮ個の列増幅部とを設けてもよい。高速読み出しモードにおいては、Ｎ個の列増幅部によってＮ行の画素を同時に読み出すことで、さらなる高速読み出しが可能となる。また、ダイナミックレンジ拡大モードにおいては、ゲインの異なるＮ個の列増幅部によって、１つの画素の画素信号を読み出すことにより、画素信号のレベルに応じたゲインでの増幅を行ってもよい。また各画素の具体的な構成に関して詳細な説明を行なっていないが、画素で信号の増幅を行なうアクティブピクセルセンサを好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１          固体撮像装置
９          撮像システム
１０        画素部
１０１      画素
１０３      垂直信号線
１０４      列増幅部
２０１（２０１ａ＿ｏｄｄ，２０１ａ＿ｅｖｅｎ，２０１ｂ＿ｏｄｄ，２０１ｂ_ｅｖｅｎ）        接続スイッチ
２０２（２０２ａ，２０２ｂ）      列増幅回路
【図１】
2015128253.tif 000003
【図２】
2015128253.tif 000004
【図３（ａ）】
2015128253.tif 000005
【図３（ｂ）】
2015128253.tif 000006
【図３（ｃ）】
2015128253.tif 000007
【図４（ａ）】
2015128253.tif 000008
【図４（ｂ）】
2015128253.tif 000009
【図４（ｃ）】
2015128253.tif 000010
【図５（ａ）】
2015128253.tif 000011
【図５（ｂ）】
2015128253.tif 000012
【図５（ｃ）】
2015128253.tif 000013
【図５（ｄ）】
2015128253.tif 000014
【図６】
2015128253.tif 000015
【図７】
2015128253.tif 000016
【図８】
2015128253.tif 000017
【図９】
2015128253.tif 000018
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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