(57)【要約】【課題】動画撮像時におけるランダムノイズと横線ノイズとの相対的な差を軽減する必要がある。【解決手段】光電変換素子を含む複数の単位画素３が行列状に２次元配置された画素アレイ部２と、画素アレイ部の単位画素から列毎に信号を読み出す列信号線Ｈ１〜Ｈｎと、所定の列信号線同士（例えばＨ１とＨ３）を短絡するスイッチＳＷ１と、クロック信号ＣＬＫ２に基づいて参照信号Ｒ１および参照信号Ｒ２を生成する参照信号生成回路７と、列信号線Ｈ１から出力される信号と参照信号Ｒ１とを比較する第１の比較器４と、列信号線Ｈ３から出力される信号と参照信号Ｒ２とを比較する第２の比較器４とを備え、参照信号Ｒ１とＲ２とは比較動作中の単位時間あたりの電圧変化量が実質的に同一であり、第１の比較器４が比較を開始した後所定の時間が経過してから、第２の比較器４が比較を開始することを特徴とする固体撮像装置。【選択図】図１
2015035637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子を含む複数の単位画素が行列状に２次元配置された画素アレイ部と、
前記画素アレイ部の第１の列に属する単位画素から信号を読み出す第１の列信号線と、
前記画素アレイ部の第２の列に属する単位画素から信号を読み出す第２の列信号線と、
前記第１の列信号線と前記第２の列信号線を短絡するスイッチと、
前記画素アレイ部の各単位画素を行毎に選択する行走査手段と、
クロック信号に基づいて第１の参照信号および第２の参照信号を生成する参照信号生成回路と、
前記行走査手段によって選択された行の前記第１の列に属する単位画素から前記第１の列信号線を介して出力される第１のアナログ信号と、前記第１の参照信号とを比較する第１の比較器と、
前記第１の比較器の、比較開始から比較器の出力が反転するまでの時間をカウントする第１のカウンタと、
前記行走査手段によって選択された行の前記第２の列に属する単位画素から前記第２の列信号線を介して出力される第２のアナログ信号と、前記第２の参照信号とを比較する第２の比較器と、
前記第２の比較器の、比較開始から比較器の出力が反転するまでの時間をカウントする第２のカウンタとを備え、
前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とは、前記第１の比較器および前記第２の比較器の比較動作中における単位時間あたりの電圧変化量が実質的に同一であり、
前記第１の比較器が比較を開始した後所定の時間が経過してから、前記第２の比較器が比較を開始することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記参照信号生成回路は、
前記クロック信号に基づいて階段状または傾斜状に時間変化するランプ波を出力するランプ波発生回路と、
前記ランプ波発生回路の出力に基づいて、前記第１の参照信号と、前記第１の参照信号を前記所定の時間分遅延させた前記第２の参照信号とを生成する遅延制御回路と
を備える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】
前記第１のカウンタのカウント結果を保持する第１のデジタルメモリと、
前記第２のカウンタのカウント結果を保持する第２のデジタルメモリと、
前記第１のデジタルメモリおよび前記第２のデジタルメモリに接続された論理回路とを更に備え、
前記第１のカウンタのカウント結果と前記第２のカウンタのカウント結果とは、前記論理回路において平均演算処理されることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記比較動作中において、前記スイッチはオンしており、前記第１の列信号線と前記第２の列信号線は短絡されてい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】
前記遅延制御回路は、
前記ランプ発生回路の出力と第１の容量素子を介して接続された第１のバッファ回路と、
前記ランプ発生回路の出力と第２の容量素子を介して接続された第２のバッファ回路と、
前記第１のバッファ回路の入力端子を所定の電圧で初期化するための第１の初期化回路と、
前記第２のバッファ回路の入力端子を前記所定の電圧で初期化するための第２の初期化回路と、
前記第２のバッファ回路の入力端子を前記所定の電圧に固定する時差制御回路とを備え、
前記ランプ波発生回路が前記ランプ波を出力する前の定常状態において前記初期化回路が前記第１のバッファ回路および前記第２のバッファ回路の入力端子を所定の電圧で初期化し、
前記ランプ波発生回路が前記ランプ波を出力開始してから、前記時差制御回路は、前記所定の時間だけ前記第２のバッファ回路の入力端子を前記所定の電圧に固定することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記遅延制御回路は、
前記ランプ波発生回路の出力端子と、前記第１の初期化回路と、前記第１のバッファ回路の入力端子とに接続された第１の減衰器と、
前記ランプ波発生回路の出力端子と、前記第２の初期化回路と、前記第２のバッファ回路の入力端子とに接続された第２の減衰器と
を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１の減衰器および第２の減衰器は、容量値の異なる２種類の容量素子を有することを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
光電変換素子を含む複数の単位画素が行列状に２次元配置された画素アレイ部と、
前記画素アレイ部の第１の列に属する単位画素から信号を読み出す第１の列信号線と、
前記画素アレイ部の第２の列に属する単位画素から信号を読み出す第２の列信号線と、
前記第１の列信号線と前記第２の列信号線を短絡するスイッチと、
前記画素アレイ部の各単位画素を行毎に選択する行走査手段と、
クロック信号に基づいて第１の参照信号および第２の参照信号を生成する参照信号生成回路と、
前記行走査手段によって選択された行の前記第１の列に属する単位画素から前記第１の列信号線を介して出力される第１のアナログ信号と、前記第１の参照信号とを比較する第１の比較器と、
前記第１の比較器の、比較開始から比較器の出力が反転するまでの時間をカウントする第１のカウンタと、
前記行走査手段によって選択された行の前記第２の列に属する単位画素から前記第２の列信号線を介して出力される第２のアナログ信号と、前記第２の参照信号とを比較する第２の比較器と、
前記第２の比較器の、比較開始から比較器の出力が反転するまでの時間をカウントする第２のカウンタとを備え、
前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とは、前記第１の比較器および前記第２の比較器の比較動作中における単位時間あたりの電圧変化量が実質的に同一な階段状または傾斜状に時間変化する信号であり、
前記第１の参照信号が時間変化を開始した後所定の時間が経過してから、前記第２の参照信号が時間変化を開始することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項９】
前記参照信号生成回路は、
前記クロック信号に基づいて階段状または傾斜状に時間変化するランプ波を出力するランプ波発生回路と、
前記ランプ波発生回路の出力に基づいて、前記第１の参照信号と、前記第１の参照信号を前記所定の時間分遅延させた前記第２の参照信号とを生成する遅延制御回路と
を備えることを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第１のカウンタのカウント結果を保持する第１のデジタルメモリと、
前記第２のカウンタのカウント結果を保持する第２のデジタルメモリと、
前記第１のデジタルメモリおよび前記第２のデジタルメモリに接続された論理回路とを更に備え、
前記第１のカウンタのカウント結果と前記第２のカウンタのカウント結果とは、前記論理回路において平均演算処理されることを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記比較動作中において、前記スイッチはオンしており、前記第１の列信号線と前記第２の列信号線は短絡されていることを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記遅延制御回路は、
前記ランプ発生回路の出力と第１の容量素子を介して接続された第１のバッファ回路と、
前記ランプ発生回路の出力と第２の容量素子を介して接続された第２のバッファ回路と、
前記第１のバッファ回路の入力端子を所定の電圧で初期化するための第１の初期化回路と、
前記第２のバッファ回路の入力端子を前記所定の電圧で初期化するための第２の初期化回路と、
前記第２のバッファ回路の入力端子を前記所定の電圧に固定する時差制御回路とを備え、
前記ランプ波発生回路が前記ランプ波を出力する前の定常状態において前記初期化回路が前記第１のバッファ回路および前記第２のバッファ回路の入力端子を所定の電圧で初期化し、
前記ランプ波発生回路が前記ランプ波を出力開始してから、前記時差制御回路は、前記所定の時間だけ前記第２のバッファ回路の入力端子を前記所定の電圧に固定することを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記遅延制御回路は、
前記ランプ波発生回路の出力端子と、前記第１の初期化回路と、前記第１のバッファ回路の入力端子とに接続された第１の減衰器と、
前記ランプ波発生回路の出力端子と、前記第２の初期化回路と、前記第２のバッファ回路の入力端子とに接続された第２の減衰器と
を更に備えることを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記第１の減衰器および第２の減衰器は、容量値の異なる２種類の容量素子を有することを特徴とする請求項１３に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
請求項１〜請求項１４のいずれかに記載の固体撮像装置を有するカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＣＭＯＳイメージセンサに代表される固体撮像装置に適用可能なアナログデジタル変換回路（以下ＡＤＣと表記）、特にシングルスロープ型（あるいは、積分型、カウンタ型とも呼ばれる）ＡＤＣを搭載した撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラシステムにおいては、光電変換素子のセルサイズ縮小が行われ固体撮像装置の画素数の増加が一段と進み、１０００万画素以上の高解像度の固体撮像装置が市場で主に使用されている。高画素の固体撮像装置からの読み出し方式としては、画素配列の各列にＡＤＣを内蔵し、水平走査期間内に画素配列一行分の画素出力信号のＡＤ変換を一度に処理する列並列ＡＤ変換方式の固体撮像装置が一般的に利用されている。この列並列ＡＤＣの回路方式としては、画素ピッチで決まる各列の面積的制約により、比較的回路規模が小さいシングルスロープ型ＡＤＣが一般的によく用いられている。最近では、デジタルスチルカメラでは高速連写機能や動画撮影機能が付加価値の高い機能として普及しているが、これは列並列ＡＤ変換方式の固体撮像装置による恩恵のひとつである。
【０００３】
しかし、列並列ＡＤ変換方式の固体撮像装置では、参照信号のノイズに起因するランダムな横線ノイズが発生してしまう。その一つの策として、特許文献１では、画素信号のリセットレベルと信号レベルについてそれぞれＡＤ変換回数に応じて分解能を落としたＡＤ変換を複数回行い、各回の参照電圧には本来の分解能相当のオフセットをつけて、それぞれのＡＤ変換結果をデジタル演算することによって、ＡＤ変換の高速化、高精度化に加えてランダムノイズ抑制を可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２９６４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで動画においては、１秒間に出画する枚数（フレームレート）や１枚あたりの画素数を多くするほど、動きの滑らかな精細な高速動画撮影が可能になるが、高画素の固体撮像装置においては例えば静止画撮像時の全画素のデータを高フレームレートで処理することは、後段の画像処理ＬＳＩの処理スピードの限界から現状では実現できていない。
【０００６】
そこで、縦横に隣接した同色複数画素の読み出し信号の混合を行うことで、１フレームあたりのデータ量を軽くし高速動画撮影を実現する手段が一般的にとられている。複数画素混合を行う場合、例えば水平２画素、垂直２画素の４画素混合の場合、ランダムノイズについては正規分布に従って理論的に１／√４に削減される。
【０００７】
しかし、実際の画像ノイズとしては、ランダムな横線ノイズが発生してしまう。これは、列並列ＡＤＣ方式が、行単位の画素読み出し信号を同時に共通の参照信号と比較する動作を行うために、１ライン前のＡＤ変換時の参照信号に乗っているノイズとの差分が垂直方向で平均化されないことによると考えられる。
【０００８】
また、水平方向の画素混合に着目すると、参照信号のノイズは、列並列ＡＤＣの動作原理により時間的に相関を持っているため、水平方向の画素混合による参照信号のノイズ抑制効果は低いと考えられる。つまり水平方向の２画素混合ではランダムノイズは１／√２に削減されるが、参照信号のノイズは削減されず、相対的なノイズ量の差が画像の横線として見え易い状況となってしまう。
【０００９】
ところが、特許文献１に記載の方法では、複数回のＡＤ変換によるランダムノイズの削減効果は認められる一方、上記のような画素混合の場合のランダムノイズに関する横線ノイズ成分の抑制という観点においては、複数回のＡＤ変換のそれぞれの分解能は１／２以下に落とされているため、ＡＤ変換の量子化ノイズは本来よりも大きくなっており、量子化ノイズよりも小さなランダムノイズ成分についての抑制効果は不十分であると考えられる。そのため、量子化ノイズを出来るだけ下げてランダムノイズを抑制する手段は横線ノイズ対策として必要である。
【００１０】
そこで本発明は、動画撮像時におけるランダムノイズと横線ノイズとの相対的な差を軽減することを主たる目的としたもので、静止画、動画の両方において、横線ノイズを抑制した良好な画質を実現可能な固体撮像装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明に係る固体撮像装置は、光電変換素子を含む複数の単位画素が行列状に２次元配置された画素アレイ部と、前記画素アレイ部の第１の列に属する単位画素から信号を読み出す第１の列信号線と、前記画素アレイ部の第２の列に属する単位画素から信号を読み出す第２の列信号線と、前記第１の列信号線と前記第２の列信号線を短絡するスイッチと、前記画素アレイ部の各単位画素を行毎に選択する行走査手段と、クロック信号に基づいて第１の参照信号および第２の参照信号を生成する参照信号生成回路と、前記行走査手段によって選択された行の前記第１の列に属する単位画素から前記第１の列信号線を介して出力される第１のアナログ信号と、前記第１の参照信号とを比較する第１の比較器と、前記第１の比較器の、比較開始から比較器の出力が反転するまでの時間をカウントする第１のカウンタと、前記行走査手段によって選択された行の前記第２の列に属する単位画素から前記第２の列信号線を介して出力される第２のアナログ信号と、前記第２の参照信号とを比較する第２の比較器と、前記第２の比較器の、比較開始から比較器の出力が反転するまでの時間をカウントする第２のカウンタとを備え、前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とは、前記第１の比較器および前記第２の比較器の比較動作中における単位時間あたりの電圧変化量が実質的に同一であり、前記第１の比較器が比較を開始した後所定の時間が経過してから、前記第２の比較器が比較を開始することを特徴とする。
【００１２】
または、本発明に係る固体撮像装置は、光電変換素子を含む複数の単位画素が行列状に２次元配置された画素アレイ部と、前記画素アレイ部の第１の列に属する単位画素から信号を読み出す第１の列信号線と、前記画素アレイ部の第２の列に属する単位画素から信号を読み出す第２の列信号線と、前記第１の列信号線と前記第２の列信号線を短絡するスイッチと、前記画素アレイ部の各単位画素を行毎に選択する行走査手段と、クロック信号に基づいて第１の参照信号および第２の参照信号を生成する参照信号生成回路と、前記行走査手段によって選択された行の前記第１の列に属する単位画素から前記第１の列信号線を介して出力される第１のアナログ信号と、前記第１の参照信号とを比較する第１の比較器と、前記第１の比較器の、比較開始から比較器の出力が反転するまでの時間をカウントする第１のカウンタと、前記行走査手段によって選択された行の前記第２の列に属する単位画素から前記第２の列信号線を介して出力される第２のアナログ信号と、前記第２の参照信号とを比較する第２の比較器と、前記第２の比較器の、比較開始から比較器の出力が反転するまでの時間をカウントする第２のカウンタとを備え、前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とは、前記第１の比較器および前記第２の比較器の比較動作中における単位時間あたりの電圧変化量が実質的に同一であり、前記第１の比較器が比較を開始した後所定の時間が経過してから、前記第２の比較器が比較を開始することを特徴とする。
【００１３】
また、好ましくは、前記参照信号生成回路は、前記クロック信号に基づいて階段状または傾斜状に時間変化するランプ波を出力するランプ波発生回路と、前記ランプ波発生回路の出力に基づいて、前記第１の参照信号と、前記第１の参照信号を前記所定の時間分遅延させた前記第２の参照信号とを生成する遅延制御回路とを備えることを特徴とする。
【００１４】
また、好ましくは、前記第１のカウンタのカウント結果を保持する第１のデジタルメモリと、前記第２のカウンタのカウント結果を保持する第２のデジタルメモリと、前記第１のデジタルメモリおよび前記第２のデジタルメモリに接続された論理回路とを更に備え、前記第１のカウンタのカウント結果と前記第２のカウンタのカウント結果とは、前記論理回路において平均演算処理されることを特徴とする。
【００１５】
また、好ましくは、前記比較動作中において、前記スイッチはオンしており、前記第１の列信号線と前記第２の列信号線は短絡されていることを特徴とする。
【００１６】
また、好ましくは、前記遅延制御回路は、前記ランプ発生回路の出力と第１の容量素子を介して接続された第１のバッファ回路と、前記ランプ発生回路の出力と第２の容量素子を介して接続された第２のバッファ回路と、前記第１のバッファ回路の入力端子を所定の電圧で初期化するための第１の初期化回路と、前記第２のバッファ回路の入力端子を前記所定の電圧で初期化するための第２の初期化回路と、前記第２のバッファ回路の入力端子を前記所定の電圧に固定する時差制御回路とを備え、前記ランプ波発生回路が前記ランプ波を出力する前の定常状態において前記初期化回路が前記第１のバッファ回路および前記第２のバッファ回路の入力端子を所定の電圧で初期化し、前記ランプ波発生回路が前記ランプ波を出力開始してから、前記時差制御回路は、前記所定の時間だけ前記第２のバッファ回路の入力端子を前記所定の電圧に固定することを特徴とする。
【００１７】
また、好ましくは、前記遅延制御回路は、前記ランプ波発生回路の出力端子と、前記第１の初期化回路と、前記第１のバッファ回路の入力端子とに接続された第１の減衰器と、前記ランプ波発生回路の出力端子と、前記第２の初期化回路と、前記第２のバッファ回路の入力端子とに接続された第２の減衰器とを更に備えることを特徴とする。
【００１８】
また、好ましくは、前記第１の減衰器および第２の減衰器は、容量値の異なる２種類の容量素子を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の固体撮像素子によれば、ＡＤ変換時間の大幅な延長やチップ面積の増大を伴うことなく、動画撮影時のランダムノイズと横線ノイズの相対的な差を減らすことができ、画像に現れる横線ノイズを低減する効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態に係る固体撮像装置を示した図
【図２】単位画素の回路構成の一例を示した図
【図３】本発明の参照信号生成回路の第１の構成を示した図
【図４】本発明の参照信号生成回路の第２の構成を示した図
【図５】本発明の参照信号生成回路の第３の構成を示した図
【図６】本発明の第１の参照信号生成回路の動作タイミングチャート
【図７】本発明の第２および第３の参照信号生成回路の動作タイミングチャート
【図８】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の動作タイミングチャート
【図９】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の数フレームのタイミングチャート
【図１０】参照電圧のＳ／Ｎ改善効果の説明図
【図１１】第２の実施形態に係る固体撮像装置を示した図
【図１２】本発明の固体撮像装置を利用したカメラシステム構成を示した図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置は、光電変換素子を含む複数の単位画素が行列状に２次元配置された画素アレイ部と、前記画素アレイ部の第１の列に属する単位画素から信号を読み出す第１の列信号線と、前記画素アレイ部の第２の列に属する単位画素から信号を読み出す第２の列信号線と、前記第１の列信号線と前記第２の列信号線を短絡するスイッチと、前記画素アレイ部の各単位画素を行毎に選択する行走査手段と、クロック信号に基づいて第１の参照信号および第２の参照信号を生成する参照信号生成回路と、前記行走査手段によって選択された行の前記第１の列に属する単位画素から前記第１の列信号線を介して出力される第１のアナログ信号と、前記第１の参照信号とを比較する第１の比較器と、前記第１の比較器の、比較開始から比較器の出力が反転するまでの時間をカウントする第１のカウンタと、前記行走査手段によって選択された行の前記第２の列に属する単位画素から前記第２の列信号線を介して出力される第２のアナログ信号と、前記第２の参照信号とを比較する第２の比較器と、前記第２の比較器の、比較開始から比較器の出力が反転するまでの時間をカウントする第２のカウンタとを備え、前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とは、前記第１の比較器および前記第２の比較器の比較動作中における単位時間あたりの電圧変化量が実質的に同一であり、前記第１の比較器が比較を開始した後所定の時間が経過してから、前記第２の比較器が比較を開始することを特徴とするものである。
【００２２】
以下、図面を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法について説明する。
【００２３】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を示した構造平面図である。固体撮像装置１は、複数の単位画素３が行および列に配列された画素アレイ２と、画素アレイ２の外部に設けられて、垂直列ごとに配置された比較器４、カウンタ５、デジタルメモリ６と、比較器４にＡＤ変換用の参照信号Ｒ１、Ｒ２を供給する参照信号生成回路７と、論理回路８とを備えている。ここで、本発明の第１の実施形態に係る参照信号生成回路７は、ランプ波発生回路７ａと、遅延制御回路７ｂとを備えている。また、列アドレスや列走査を制御する水平走査回路（列走査回路ともいう）９と、行アドレスや行走査を制御する垂直走査回路（行走査回路ともいう）１０と、タイミング制御部１１とを備えている。タイミング制御部１１は、端子１２ａを介してマスタークロックＭＣＬＫを、端子１２ｂを介して外部システム１２からタイミング設定データを受け取り、種々の内部クロックを生成し水平走査回路９や垂直走査回路１０などを制御する。
【００２４】
図２は、単位画素３の回路構成の一例を示した図である。各単位画素３は、光電変換により入射光量に応じた電荷を発生するフォトダイオードＰＤ１と、フォトダイオードＰＤ１で発生した電荷を電荷蓄積部ＦＤに転送する読み出しトランジスタＴ１０と、電荷蓄積部ＦＤをリセットするリセットトランジスタＴ１１と、電荷蓄積部ＦＤに蓄積された電荷量に応じた電圧を出力する増幅トランジスタＴ１２と、増幅トランジスタから出力された信号を垂直信号線（列信号線ともいう）Ｈ１、Ｈ２、・・・、Ｈｎへと出力する選択トランジスタＴ１３とを備えている。水平信号線（行制御線ともいう）Ｖ１〜Ｖｍのそれぞれは、リセット信号線ΦＲＳと、読み出し信号線ΦＴＲと、選択信号線ΦＳＥＬとを備えている。各単位画素３は、水平信号線Ｖ１〜Ｖｍからの信号を介して垂直走査回路１０により制御され、画素信号を対応する列の比較器４に伝達する垂直信号線（Ｈ１、Ｈ２、・・・、Ｈｎ）と接続される。
【００２５】
各単位画素３からの画素信号は、対応する列の垂直信号線（Ｈ１、Ｈ２、・・・、Ｈｎ）を経由して、比較器４に入力される。比較器４は、入力されたアナログの画素信号と参照信号生成回路７で生成される参照信号Ｒ１（またはＲ２）とを比較する。カウンタ５は比較器４の比較処理が完了するまでの時間をカウントし、デジタルメモリ６はカウンタ５のカウント結果を保持する。この一連の動作によりＡＤ変換機能を実現している。比較器４の一方の入力端子には、他の比較器４の一方の入力端子と共通に、参照信号生成回路７で生成される階段状（実際には配線負荷などによる鈍りで傾斜状となるものも含める）の参照信号Ｒ１（またはＲ２）が入力され、他方の入力端子には、それぞれ対応する垂直信号線（Ｈ１、Ｈ２、・・・Ｈｎ）が接続され、画素アレイ２から画素信号電圧が個々に入力される。比較器４の出力信号はカウンタ５に供給される。
【００２６】
カウンタ５では、比較器４が参照信号Ｒ１（またはＲ２）と画素信号電圧との比較を開始すると同時にクロックＣＬＫ１でのカウント（計数）を開始し、垂直信号線（Ｈ１、Ｈ２、・・・Ｈｎ）を介して入力されたアナログの画素信号と参照信号Ｒ１（またはＲ２）との比較一致によって比較器４からパルス信号が得られるまでカウントすることでＡＤ変換を行う。
【００２７】
また、この際、ＡＤ変換とともに、垂直信号線（Ｈ１、Ｈ２、・・・Ｈｎ）を介して入力されたアナログ電圧の画素信号に対して、画素リセット直後のリセット成分Ｖｒｓｔ（ノイズを含む）と真の（受光光量に応じた）信号成分を含むデータ成分（リセット成分Ｖｒｓｔ＋信号成分Ｖｓｉｇ）との差分をとる処理を行う。例えば、リセット成分Ｖｒｓｔに対するカウントの際には、カウンタ５はダウンカウントを行いカウント後の値を保持する。続くデータ成分（リセット成分Ｖｒｓｔ＋信号成分Ｖｓｉｇ）に対するカウントの際には、カウンタ５は保持された値を基点としてアップカウントを行う。アップカウント終了時の値は信号成分Ｖｓｉｇに対応するものとなる。これによって、ＡＤ変換の列間の誤差要因となる各列のクロックスキューやカウンタディレイ等のばらつきを排除して、真の信号レベルＶｓｉｇのみを取り出すことが可能になる。つまり、デジタルＣＤＳが可能となる。このＡＤ変換でデジタル化された画素データは、水平走査回路９からの水平選択信号によって順次転送され、論理回路８を経由して出力される。
【００２８】
ここで、図１では画素のカラーフィルタ配列として、２行２列の４画素１組で繰り返すベイヤー配列、動画撮影時の混合画素数としては、縦横同色２画素混合の場合を示している。
【００２９】
動画撮影時の画素混合では、同一行の同色画素の混合を行うために、本実施形態の固体撮像装置１は、１列おきに垂直信号線（Ｈ１、Ｈ２、・・・Ｈｎ）を短絡するスイッチＳＷ１、ＳＷ２を有している。垂直信号線Ｈ１と垂直信号線Ｈ３との接続を制御するＳＷ１、垂直信号線Ｈ２と垂直信号線Ｈ４との接続を制御するＳＷ２と同様のスイッチ接続が、Ｈ５〜Ｈ８、Ｈ９〜Ｈ１２・・・においても施されている（図示しない）。なお、３画素以上の混合についても一般化でき、混合画素数ｎに対しては、垂直信号線Ｈ１〜Ｈ（２ｎ）において、Ｈ（２ｍ−１）とＨ（２ｍ＋１）間にＳＷ（２ｍ−１）を、Ｈ（２ｍ）とＨ（２ｍ＋２）間にＳＷ（２ｍ）を接続し（ただし１≦ｍ＜ｎの整数）、Ｈ１〜Ｈ（２ｎ）間と同様のスイッチ接続が、Ｈ（２ｎ×ｋ＋１）〜Ｈ（２ｎ×（ｋ＋１））（ただし１≦ｋの整数）においても施されることになる。
【００３０】
論理回路８は、前記スイッチＳＷ１、ＳＷ２の制御と連動して内部の処理を切り替えるようになっており、例えば制御信号Ｓ５が画素混合を示す値の場合は、デジタルメモリから送られてくるＡＤ変換結果に対して混合画素単位毎に同色同士の平均化演算を行い、制御信号Ｓ５が画素混合を示さない値の場合はそのままで順次出力する動作を行う。
【００３１】
ここで、本実施形態の固体撮像装置１によるノイズ削減効果について説明する。
【００３２】
参照信号Ｒ１とＲ２とは、比較動作中における単位時間あたりの電圧変化量が実質的に同一である階段状または傾斜状に時間変化するランプ波であり、画素混合を行なわない静止画撮像時の参照信号Ｒ１とＲ２とは同じ時間から変化を開始するランプ波である。これに対し、画素混合を行なう動画撮像時は、参照信号Ｒ１とＲ２とは所定の時差を持ったランプ波に切り替わり、水平方向に隣接する同色画素列（例えばＨ１とＨ３）に対応する比較器４が所定の時差を持った参照信号（Ｒ１とＲ２）を参照するように接続されている。
【００３３】
この構成によって、動画撮像時に垂直信号線間（例えばＨ１とＨ３間）を短絡するスイッチ（ＳＷ１）がオンすることによる水平方向の画素混合後の画素信号は、それぞれの垂直信号線に対応する２個の比較器４において参照信号Ｒ１またはＲ２との比較が所定の時差を持って行われることになる。前述の通り、画素混合によってランダムノイズは１／√２倍に低減される。更に、２個の比較器４より２回分のＡＤ変換結果が得られるので、論理回路８による平均化処理によって参照信号のノイズを１／√２に抑制する効果も得られる。
【００３４】
つまり、画素混合によって抑制されるランダムノイズと、２回分のＡＤ変換結果により抑制される参照電圧のノイズとの相対的なレベル差が軽減され、動画において横線ノイズを目立たなくすることが可能になる。
【００３５】
なお、以上に述べたノイズ抑制効果を得るためには、参照信号の分解能は、ＡＤ変換の分解能と同等以上でなければならない。本発明が課題としている横線ノイズ成分は、ランダムノイズよりも小信号であるため、分解能が粗いと横線ノイズ成分はＡＤ変換の量子化ノイズに埋もれてしまい、ＡＤ変換結果の平均化効果が十分に得られないためである。したがって、高速化のために、参照電圧の分解能を下げてランプ波のスイープ時間を短縮する構成においては本発明の効果を得ることができない。
【００３６】
図３は、本発明の第１の実施形態に係る参照信号生成回路７の具体的な回路構成例を説明するための図面である。前述の通り、参照信号生成回路７は、ランプ波発生回路７ａ、遅延制御回路７ｂを備える。
【００３７】
ランプ波発生回路７ａは、クロックＣＬＫ２に同期して所定の電圧ステップで階段状または傾斜状に時間変化するランプ波を出力する機能を有するものであり、一般的には、カウンタに上記クロックＣＬＫ２を入力し、カウンタの出力をデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）に入力し、ＤＡＣの出力をランプ波とする構成や、上記クロックＣＬＫ２に同期したタイミングで一定電流を容量に充電してランプ波を出力する構成などがある。ランプ波発生回路７ａの出力には、後段の遅延制御回路７ｂの入力インピーダンスに応じて適宜バッファなどを備える。
【００３８】
遅延制御回路７ｂは、ランプ波発生回路７ａの出力と出力バッファ７ｅ１、７ｅ２との間をそれぞれ接続する容量Ｃ２と、出力バッファ７ｅ１、７ｅ２の入力端子のフローティング電位を所定の電圧で初期化するための電圧源およびスイッチＳＷ３ａ、ＳＷ３ｂと、ランプ出力のタイミング差を制御する時差制御回路７ｄとから構成される。
【００３９】
時差制御回路７ｄは、基本的にサンプルホールド回路を構成しており、スイッチＳＷ４ａ、ＳＷ４ｂをオンの状態で、出力バッファ７ｅ１の入力端子電圧を増幅器でバッファした後、サンプリング容量Ｃ１にチャージし、次にスイッチＳＷ４ａ、ＳＷ４ｂをオープン、スイッチＳＷ５をオンしてＣ１に保持した電圧を増幅器でバッファして出力し、スイッチＳＷ６がオン状態の時に、出力バッファ７ｅ２の入力を強制的にＣ１に保持された電圧で固定する機能を有する。
【００４０】
この動作を図６のタイミングチャートを用いて説明する。ランプ波発生回路７ａが階段状または傾斜状に時間変化するランプ波を出力開始する前に、時刻ｔ１で、制御信号Ｓ２をＬｏｗレベルとしてスイッチＳＷ３ａ、ＳＷ３ｂ、ＳＷ４ａ、ＳＷ４ｂをオンし、出力バッファ７ｅ１、７ｅ２の入力を所定の電圧で初期化し、サンプリング容量Ｃ１にチャージ開始する。
【００４１】
時刻ｔ２で、制御信号Ｓ２をＨｉｇｈレベルとしてスイッチＳＷ３ａ、ＳＷ３ｂ、ＳＷ４ａ、ＳＷ４ｂをオープンし、出力バッファ７ｅ１、７ｅ２の初期化およびサンプリング容量Ｃ１のチャージを終えるとともに、制御タイミング信号Ｓ３、遅延制御信号Ｓ４をＬｏｗレベルとしてスイッチＳＷ５、ＳＷ６をオンしておく。
【００４２】
時刻ｔ３でランプ波発生回路７ａがランプ波出力を開始すると、遅延制御回路７ｂは参照信号Ｒ１として同じ傾斜でランプ波を出力する。一方、遅延制御回路７ｂのスイッチＳＷ６がオンしているので参照信号Ｒ２は初期化電圧に固定された状態を保っており、制御タイミング信号をＨｉｇｈレベルとしてスイッチＳＷ６を任意の時間差（ここでは時刻ｔ４）でオープンにした時点から、遅延制御回路７ｂは参照信号Ｒ１と同じ傾斜で参照信号Ｒ２を出力開始する。つまり、スイッチＳＷ６のタイミング制御によって参照信号Ｒ１と参照信号Ｒ２の遅延差を制御することができる。
【００４３】
時差制御回路７ｄでは、参照信号生成回路７およびカウンタ５に供給されるクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２と共通のマスタークロックＭＣＬＫを元に発生された制御信号Ｓ２〜Ｓ３、遅延制御信号Ｓ４でスイッチの開閉を制御するので、ランプ波のステップ数、カウンタ５のカウント値、スイッチ開閉との相互のタイミングの同期が容易に実現でき、ばらつきの影響を受け難い特性変動の少ない時差制御が可能で、参照信号Ｒ１に対する参照信号Ｒ２の遅延制御を高精度に行うことができるので、画像を確認しながら横線ノイズが最も軽減される最適な状態の時差に設定することができる。
【００４４】
なお、本実施形態では２種類の参照電圧を発生する場合を示しているが、混合画素数に応じて容量と出力バッファの数を増設することで参照電圧の種類を任意に増やすことができ、平均化演算の母数を増すことでノイズ抑制効果を一層高めることもできる。
【００４５】
次に、図８と図９は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。ここでは特に、動画撮影時の画素混合を行う場合の駆動方法について示す。
【００４６】
図９に本発明の第１の実施形態に係るイメージセンサの数フレーム動作における参照信号Ｒ１またはＲ２を示す。列並列ＡＤＣは全ての行Ｖｘの画素読み出し時に対して同時にデジタルＣＤＳを実行している。ここで、第ｋフレームにおいて、１行目読み出しからｍ行目読み出しまで、各行の画素読み出しには、画素のリセット成分を読み出すためのダウンカウント期間と、画素のデータ成分を読み出すためのアップカウント期間を必要としている。このように、本発明の第１の実施形態に示されたイメージセンサでは、図９に示すように各行Ｖｘの単位画素３の読み出し、つまり、ＡＤ変換期間はダウンカウント期間とアップカウント期間で構成され、上記ＡＤ変換期間を各行で実行することで１フレームの映像データを出力している。
【００４７】
図８に、１水平走査期間における駆動方法を詳細に示す。まず、１回目の読み出しのため、タイミング制御部１１は、カウンタ５のカウント値を設定された初期値にリセットさせるとともに、カウンタ５をダウンカウントモードに設定する。ここで、カウント値の初期値は“０”であっても、任意の値であってもよいものとする。
【００４８】
次に、時刻ｔ４において、選択信号線ΦＳＥＬをＨｉｇｈレベルとし、単位画素の選択トランジスタＴ１３をオンさせ所定の画素行Ｖｘを選択する。更に、読み出し信号線ΦＴＲをＬｏｗレベルに保ち読み出しトランジスタＴ１０をオフした状態で、リセット信号線ΦＲＳをＨｉｇｈレベルとし、リセットトランジスタＴ１１をオンさせ、各単位画素３のフローティング拡散ノードＦＤの電圧をリセットする。時刻ｔ４から一定時間が過ぎてからフローティング拡散ノードＦＤの電圧がリセットされた状態で、リセット信号線ΦＲＳをＬｏｗレベルとしリセットトランジスタＴ１１をオフする。これにより、各単位画素３のフローティング拡散ノードＦＤの電圧が増幅トランジスタＴ１３によって増幅され、リセット成分（Ｖｒｓｔ）が垂直信号線を介して読み出される。ここで、スイッチＳＷ１、ＳＷ２は同色画素の混合を行なうためにオンしている。つまり、垂直信号線Ｈ１およびＨ３の双方を介して対応する画素列の混合信号が読み出され、同様に垂直信号線Ｈ２およびＨ４の双方を介して対応する画素列の混合信号が読み出される。
【００４９】
リセット成分Ｖｒｓｔの垂直信号線の電位の読み出しはダウンカウントにより行う。ダウンカウント時には、タイミング制御部１１は、参照信号生成回路７へ、参照信号Ｒ１およびＲ２生成用の制御信号Ｓ２〜Ｓ３、遅延制御信号Ｓ４を供給する。これを受けて、参照信号生成回路７は、比較器４の一方の入力端子へ、階段状または傾斜状に時間変化する参照信号Ｒ１およびＲ２を入力する。
【００５０】
時刻ｔ８に比較器４はリセット信号を受けて初期化される。このとき、遅延制御回路７ｂにおいては制御信号Ｓ２、遅延制御信号Ｓ４によりスイッチＳＷ３ａ、ＳＷ３ｂ、ＳＷ４ａ、ＳＷ４ｂ、ＳＷ６をオンして時差制御回路７ｄのサンプリング容量Ｃ１のチャージを行うとともに、参照信号Ｒ１をＲ２に一致させた状態にする。
【００５１】
次に、時刻ｔ１０で比較器４のリセットが解除され、参照信号Ｒ１と垂直信号線Ｈ１〜Ｈｎに出力されている画素のリセット成分（Ｖｒｓｔ）の電圧との比較を開始する。タイミング制御部１１からは互いに同期したクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２が、カウンタ５と参照信号生成回路７にそれぞれ供給される。カウンタ５は設定された初期値からダウンカウントを開始し、参照信号生成回路７から出力される参照信号Ｒ１は初期電圧から階段状または傾斜状の時間変化を開始する。それを受けて、参照信号Ｒ１を受ける比較器４は、参照信号Ｒ１と画素のリセット成分Ｖｒｓｔとの比較を開始する。この時、遅延制御信号Ｓ４はＬｏｗレベルであり遅延制御回路７ｂのスイッチＳＷ６はオン状態を維持しているので、参照信号Ｒ２は初期電圧を保っている。
【００５２】
時刻ｔ１１で、遅延制御信号Ｓ４をＨｉｇｈレベルに転じてＳＷ６をオープンにすると、参照信号Ｒ２が初期電圧から階段状または傾斜状の時間変化を開始する。それを受けて、参照信号Ｒ２を受ける比較器４は、参照信号Ｒ２と画素のリセット成分Ｖｒｓｔとの比較を開始する。
【００５３】
時刻ｔ１２において、参照信号Ｒ１と垂直信号線Ｈ１、Ｈ２等を介して入力されるＶｘ行の画素リセット成分の電圧（Ｖｒｓｔ）とが同じになると、参照信号Ｒ１を受けている比較器４はその出力をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ反転させ、参照信号Ｒ１と画素のリセット成分Ｖｒｓｔとの比較を終了する。比較器４の出力がＬｏｗレベルに変化したことを受けて、その後段のカウンタ５はダウンカウントを停止する。つまり、リセット成分Ｖｒｓｔに応じた電圧と参照信号Ｒ１を比較して、リセット成分Ｖｒｓｔの大きさに対応した時間軸方向の大きさをクロックＣＬＫ１でカウント（計数）することで、リセット成分Ｖｒｓｔの大きさに対応したカウント値を得る。言い換えれば、カウンタ５は参照信号Ｒ１の時間変化の開始時点（時刻ｔ１０）をカウンタ５のダウンカウント開始時点として、比較器４の出力が反転するまで（時刻ｔ１２まで）ダウンカウントすることにより、リセット成分Ｖｒｓｔの大きさに対応したカウント値を得る。
【００５４】
時刻ｔ１３において、参照信号Ｒ２と垂直信号線Ｈ３、Ｈ４等を介して入力されるＶｘ行の画素リセット成分の電圧（Ｖｒｓｔ）とが同じになると、参照信号Ｒ２を受けている比較器４はその出力をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ反転させ、参照信号Ｒ２と画素のリセット成分Ｖｒｓｔとの比較を終了する。比較器４の出力がＬｏｗレベルに変化したことを受けて、その後段のカウンタ５はダウンカウントを停止する。カウンタ５は参照信号Ｒ１の時間変化の開始時点（時刻ｔ１１）をカウンタ５のダウンカウント開始時点として、比較器４の出力が反転するまで（時刻ｔ１３まで）ダウンカウントすることにより、リセット成分Ｖｒｓｔの大きさに対応したカウント値を得る。この時のカウント値は、参照信号Ｒ１を受けている列のカウント値に対して、遅延制御回路７ｂで設定されている時間差（時刻ｔ１０からｔ１１までの時間差）だけ多くカウントした状態となる。
【００５５】
時刻ｔ１４において、タイミング制御部１１は、参照信号生成回路７とカウンタ５へのクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２の供給を停止する。これにより、比較器４は、参照信号Ｒ１またはＲ２と画素リセット成分Ｖｒｓｔとの電圧との比較を停止する。参照信号生成回路７のランプ波発生回路７ａの出力電圧は、ランプ波の変化開始電圧に戻る。この時、遅延制御回路７ｂの容量Ｃ２による電荷保存の働きにより、参照信号Ｒ２とＲ１の電圧差はダウンカウント期間中の任意時刻（時刻ｔ１１から時刻ｔ１４までの任意時刻）における電圧差のまま保たれている。
【００５６】
画素リセット成分Ｖｒｓｔの読み出し動作が終了すると、続いてデータ成分の読み出し動作を開始する。ここで、データ成分とは、画素のリセット成分Ｖｒｓｔと画素の信号成分Ｖｓｉｇとを加算した成分である。画素リセット成分Ｖｒｓｔの読み出しと異なる点は、カウンタ５をアップカウントモードに設定する点と、遅延制御回路７ｂの全スイッチの開閉状態はダウンカウント終了時のまま維持されるため、参照信号Ｒ１とＲ２は同時に開始される点である。
【００５７】
時刻ｔ１６で、読み出し信号ΦＴＲをＨｉｇｈレベルとし読み出しトランジスタＴ１０をオンさせると、フォトダイオードＰＤ１で発生した全ての光電荷は、フローティング拡散ノードＦＤに伝達される。所定の時間経過後に読み出し信号ΦＴＲをＬｏｗレベルとし読み出しトランジスタＴ１０をオフする。この動作により、増幅トランジスタＴ１２のデータ成分（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）が垂直信号線Ｈ１〜Ｈｎへ出力される。
【００５８】
時刻ｔ２０で、比較器４は、参照信号Ｒ１およびＲ２と垂直信号線Ｈ１〜Ｈｎに出力されている画素信号成分のデータ成分（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）の電圧との比較を開始する。タイミング制御部１１からは互いに同期したクロックＣＬＫ１、ＣＬＫ２が、カウンタ５と参照信号生成回路７とにそれぞれ供給さる。カウンタ５はダウンカウントが停止したカウント値から、アップカウントを開始し、参照信号生成回路７から出力される参照信号Ｒ１およびＲ２は初期電圧から階段状または傾斜状の時間変化を開始する。
【００５９】
時刻ｔ２２において、参照信号Ｒ１と垂直信号線Ｈ１、Ｈ２等を介して入力されるＶｘ行のデータ成分の電圧（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）とが同じになると、参照信号Ｒ１を受けている比較器４はその出力をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ反転させ、参照信号Ｒ１とデータ成分の電圧（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）との比較を終了する。比較器４の出力がＬｏｗレベルに変化したことを受けて、その後段のカウンタ５はアップカウントを停止する。つまり、データ成分（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）に応じた電圧信号と参照信号Ｒ１およびＲ２を比較して、データ成分（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）の大きさに対応した時間軸方向の大きさをクロックＣＬＫ１でカウント（計数）することで、データ成分（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）の大きさに対応したカウント値を得ることが出来る。言い換えれば、カウンタ５は、参照電圧の時間変化の開始時点（時刻ｔ２０）をカウンタ５のアップカウント開始時点として、比較器４の出力が反転するまで（時刻ｔ２２まで）アップカウントすることにより、データ成分（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）の大きさに対応したカウント値を得る。ここで、アップカウント開始時のカウント値は、初期値からリセット成分Ｖｒｓｔの大きさに対応したカウント値分ダウンカウントした値であったため、アップカウント停止時のカウント値は、画素の信号成分Ｖｓｉｇの大きさに対応したものとなる。
【００６０】
時刻ｔ２３において、参照信号Ｒ２と垂直信号線Ｈ３、Ｈ４等を介して入力されるＶｘ行のデータ成分の電圧（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）とが同じになると、参照信号Ｒ２を受けている比較器４はその出力をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ反転させ、参照信号Ｒ２とデータ成分の電圧（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）との比較を終了する。比較器４の出力がＬｏｗレベルに変化したことを受けて、その後段のカウンタ５はアップカウントを停止する。カウンタ５は参照信号Ｒ２の時間変化の開始時点（時刻ｔ２０）をカウンタ５のアップカウント開始時点として、比較器４の出力が反転するまで（時刻ｔ２３まで）アップカウントすることにより、データ成分（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）の大きさに対応したカウント値を得る。ここで、アップカウント開始時のカウント値は、初期値からリセット成分Ｖｒｓｔの大きさに対応したカウント値分ダウンカウントした値であったため、アップカウント停止時のカウント値は、画素の信号成分Ｖｓｉｇの大きさに対応したものとなる。
【００６１】
このように、デジタルＣＤＳは、例えば、カウンタ５の設定を、リセット成分（Ｖｒｓｔ）を読み出すときにはダウンカウント、データ成分（Ｖｒｓｔ＋Ｖｓｉｇ）を読み出すときにはアップカウントとすることにより、カウンタ５内で自動的に減算が行われ、信号成分Ｖｓｉｇに相当するカウント値を得ることによって行っている。
【００６２】
ＡＤ変換された画素の信号成分Ｖｓｉｇは、次行であるＶｘ＋１行の画素のリセット成分Ｖｒｓｔのダウンカウント開始前に、カウンタ５から出力される。タイミング制御部１１からのメモリ転送指示パルスに基づき、カウンタ５に保持された画素の信号成分Ｖｓｉｇのカウント結果を後段のデジタルメモリ６に転送する。
【００６３】
その後、デジタルメモリ６に保持された画素の信号成分Ｖｓｉｇは水平走査回路９により読み出され、論理回路８においてノイズ抑制処理がなされる。例えば、垂直信号線Ｈ１を介して読み出されＡＤ変換された信号成分Ｖｓｉｇと、垂直信号線Ｈ３を介して読み出されＡＤ変換された信号成分Ｖｓｉｇとは、画素混合された同一の信号に対して時間差を持った２回のＡＤ変換を行なった結果であり、これらのＡＤ変換結果を論理回路８で平均化することにより、ノイズ抑制効果が得られる。
【００６４】
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置は、電荷生成部としての受光素子が行列状に配された画素アレイ２からは、行ごとに各垂直列について画素信号が順次出力される。そして最終的に、受光素子が行列状に配された画素アレイ２に対する１枚分の画像すなわちフレーム画像が、画素単位の画像デジタルデータの羅列として出力される。
【００６５】
本実施形態の駆動方法では、各行Ｖｘの読み出し時の色信号として、Ｇｒ、Ｒのみを含む行と、Ｇｂ、Ｂのみを含む行の２種類であり、各行Ｖｘ毎の水平方向画素も２種類であるので、画素混合によるランダムノイズ低減は１√４となるのに対して、参照電圧のノイズは画素混合によって抑制効果は得られないものの、各行で時間差をもった２回のＡＤ変換結果の平均化を行うことで水平方向の積分効果により、参照電圧のノイズを１／√２に抑制でき、横線ノイズが改善される。
【００６６】
本実施形態を一般化して、Ｍ列の画素混合を行なうとすると、まず、動画撮像時に上記スイッチをオンすることにより、水平方向に混合する同色画素数Ｍ個の列読み出し線に繋がるＭ個の比較器（Ｍ≧２の整数）によって、共通のアナログ入力に対して所定の時間差でＭ回のＡＤ変換が平行して行われる。つまり、時間的にずれたタイミングでＭ回のＡＤ変換が行われ、デジタルメモリに保持された結果を論理回路で平均化処理することにより、参照電圧のノイズは１回のＡＤ変換時のノイズに対して理論的には１／√Ｍに低減され、ランダムノイズと横線ノイズ成分とのレベル乖離が緩和される。
【００６７】
また、混合画素数に等しい数の複数ランプ波に対し、水平方向に隣接する同色画素列に対応する比較器が互いに異なる参照電圧を参照するように接続されているので、動画撮像時の複数回のＡＤ変換は当該複数の比較器による各１回のＡＤ変換で等価的に実現され、静止画撮像時に使用する比較器との兼用が可能であるので、新たな比較器やカウンタ等の追加は不要であり、面積増加は最小で済むという効果もある。
【００６８】
また、平均化回数に等しい数の複数ランプ波を任意の時間差を持たせて発生させ、時差並列的にＡＤ変換を行うことによって、ＡＤ変換時間の延長は、複数ランプ波の時差分にとどめることができ、ＡＤ変換の分解能を保ったまま変換時間を大幅に増すことなく実現できる。
【００６９】
また、複数のランプ波は、共通の参照信号生成回路の出力をもとにそれぞれ遅延されて生成されるので、１ステップ電圧または単位時間あたりの電圧変化量の相対的なばらつきは非常に小さいので、ＡＤ変換時の信号増幅率の差に起因するＡＤ変換結果の誤差も小さく、デジタルメモリに保持されたＡＤ変換結果を平均化処理する際の演算誤差への影響も小さい。
【００７０】
また、出力バッファの入力の電圧を所定の電圧に固定した状態から開放するタイミングを、比較時間をカウントするクロックと同期させることにより、正確で高精度な時差制御が可能となる。
【００７１】
横線ノイズの主要因は、参照電圧に含まれるランダムノイズであると考えられ、これによって横線ノイズ成分の抑制効果を増すことができる。
【００７２】
（第１の実施形態の変形例１）
図４は、本発明の第１の実施形態の変形例１に係る参照信号生成回路７の構成例を示した図面である。
【００７３】
遅延制御回路７ｂは、ランプ波発生回路７ａの出力と基準電圧との間に２種の容量Ｃ２、Ｃ３を直列に接続した減衰器７ｃ１、７ｃ２と、ランプ出力のタイミング差を制御する時差制御回路７ｄと、出力バッファ７ｅ１、７ｅ２の入力端子のフローティング電位を所定の電圧で初期化するための電圧源およびスイッチＳＷ３ａ、ＳＷ３ｂと、ランプ出力のタイミング差を制御する時差制御回路７ｄとを備える。
【００７４】
時差制御回路７ｄは、第１の実施形態と同じものであり、説明は割愛する。
【００７５】
この参照信号生成回路７の動作を図７のタイミングチャートを用いて説明する。ランプ波発生回路７ａが階段状または傾斜状に時間変化するランプ波を出力開始する前に、時刻ｔ１で、制御信号Ｓ２をＬｏｗレベルとしてスイッチＳＷ３ａ、ＳＷ３ｂ、ＳＷ４ａ、ＳＷ４ｂをオンし、減衰器７ｃ１、７ｃ２の出力を所定の電圧で初期化し、サンプリング容量Ｃ１にチャージ開始する。
【００７６】
時刻ｔ２で、制御信号Ｓ２をＨｉｇｈレベルとしてスイッチＳＷ３ａ、ＳＷ３ｂ、ＳＷ４ａ、ＳＷ４ｂをオープンし、出力バッファ７ｅ１、７ｅ２の入力端子電圧の初期化およびサンプリング容量Ｃ１のチャージを終えるとともに、制御タイミング信号Ｓ３、遅延制御信号Ｓ４をＬｏｗレベルとしてスイッチＳＷ５、ＳＷ６をオンしておく。時刻ｔ３でランプ波発生回路７ａがランプ波出力を開始すると、所定の減衰比（本実施例ではＣ２／（Ｃ２＋Ｃ３）倍）で振幅調整されたランプ波が参照信号Ｒ１として出力されるが、遅延制御回路７ｂのスイッチＳＷ６がオンしているので、参照信号Ｒ２はランプ開始電圧に固定された状態を保っている。制御タイミング信号をＨｉｇｈレベルとしてスイッチＳＷ６を任意の時間差（ここでは時刻ｔ４）でオープンにした時点から、参照信号Ｒ２は参照信号Ｒ１と同じ傾斜でランプ波を出力開始する。つまり、スイッチＳＷ６のタイミング制御によって参照信号Ｒ１と参照信号Ｒ２の遅延差を制御できる。
【００７７】
図１０は減衰器入出力のレベルダイヤグラムをＳ／Ｎの観点で示した図である。
【００７８】
ランプ波発生回路７ａの回路ノイズをＶｎ、参照電圧振幅をＶｓとした場合、参照電圧のＳ／Ｎは図１０（ａ）に示すようにＶｓ／Ｖｎとなる。次に、図１０（ｂ）のように減衰器の入力において、参照電圧振幅をＶｓ×（Ｃ２＋Ｃ３）／Ｃ２と広くとり、図１０（ｃ）のようにＣ２／（Ｃ２＋Ｃ３）倍の減衰をかけると、参照電圧に含まれる回路ノイズをＣ２／（Ｃ２＋Ｃ３）倍に低減する効果が得られ、参照電圧のＳ／Ｎが改善する。すなわち、実施例１における２回ＡＤ変換結果の平均化による参照電圧のノイズ抑制効果に加えて、減衰器の利用により更なる参照電圧のノイズ抑制効果が得られる。
【００７９】
なお、厳密には、時差制御回路のＳＷ４ａ、ＳＷ６の寄生容量の影響によって時刻ｔ３〜ｔ４の間とｔ４以降とで、減衰器７ｃ１の出力および参照信号Ｒ１の傾きが変化するが、ＡＤ変換のゲイン誤差が許容範囲に収まる程度に、減衰器容量Ｃ２、Ｃ３を大きく設定している。
【００８０】
上記のように、第１の実施形態の変形例１に係る参照信号生成回路７においては、減衰器の利用により参照電圧のＳ／Ｎを向上し、減衰器を容量分圧回路で構成することで時差制御回路による高精度な遅延制御を簡単な構成で実現している。
【００８１】
言い換えれば、遅延回路として減衰器と時差制御回路とを組み合わせることにより、参照信号生成回路の出力レンジをＡＤ変換に必要なレンジよりも十分広くとっておき、減衰器によって必要なＡＤＣ入力レンジに合わせる構成をとることによって、参照電圧発生回路の回路ノイズを更に抑制でき、ランプ波のＳ／Ｎを向上させることができる。
【００８２】
横線ノイズの主要因は、参照電圧に含まれるランダムノイズであると考えられ、これによって横線ノイズ成分の抑制効果を増すことができる。
【００８３】
（第１の実施形態の変形例２）
図５は、第１の実施形態の変形例２に係る参照信号生成回路７の構成例を示した図面である。
【００８４】
第１の実施形態の変形例１と異なるのは、ランプ波発生回路７ａと減衰器７ｃ１、７ｃ２の出力とを短絡するようにスイッチＳＷ３ａ、ＳＷ３ｂを接続した点である。第１の実施形態および変形例１の構成では、出力バッファの入力端子電圧を初期化するための電圧源を設ける必要があるが、変形例２においては、ランプ波発生回路のランプ開始電圧を初期化電圧として利用することにより、電圧源を不要にすることができ、回路規模や面積的に更にメリットが得られる。
【００８５】
なお、出力バッファ７ｅ１、７ｅ２は、差動増幅器を用いたユニティゲインバッファ回路や、ソースフォロワなど、電圧バッファ機能を有したものであればよい。また、参照信号Ｒ１、Ｒ２については、一定のステップ電圧で下降するランプ波以外にも、一定のステップ電圧で上昇するランプ波、あるいは双方のランプ波を差動型の参照電圧として用いる構成でも本発明の応用は可能である。
【００８６】
（第２の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置を示した構造平面図である。
【００８７】
なお、駆動方法や動作については第１の実施形態と同様であるため、ここでの説明は割愛する。
【００８８】
高画素の固体撮像装置では画素サイズが縮小され、各列の比較器４、カウンタ５、デジタルメモリ６を１列分の幅に収めることが困難である。このような場合、画素２列分の幅のスペースに一つの比較器４、カウンタ５、デジタルメモリ６を収めて、画素アレイの上下両側に２画素列ピッチで配置し、各列の読み出し線を奇数列と偶数列で分けて上下の比較器４に接続する構成をとる場合がある。この構成の場合には、色フィルター配列における同色画素に対応した読み出し線（例えば図のＨ１とＨ３）が隣接する位置関係となり、スイッチＳＷ１、ＳＷ２は互いに画素アレイの上下に交互に配置される。
【００８９】
したがって、本実施形態においては、第１の実施形態に述べた効果に加えて、画素混合に関係する回路（同色画素の垂直信号線間を短絡するＳＷとその配線）による面積的なデメリットは少なく、また第１の実施形態に比べて、スイッチへの配線において他配線との交差や並走がなく可能になるため、画素混合する垂直信号線と他の垂直信号線間の寄生容量を介したクロストークなどの問題が排除されるという効果が得られる。
【００９０】
なお、画素数が多い場合は、参照信号生成回路の出力につながる比較器の数が増えて負荷が大きくなるので、画素アレイの上側の比較器に供給する参照電圧は、図８のように下側の比較器に参照電圧を供給する参照信号生成回路と別に設けた参照信号生成回路から供給しても良いが、上下間の駆動タイミングを合わせるために、タイミング制御部も同じ回路を上側にも追加するか、共通のタイミング制御部から上下両側の参照信号生成回路を制御する必要がある。
【００９１】
また当然ながら、参照信号生成回路の出力の駆動能力が負荷に対して十分な場合は、一つの参照信号生成回路から上下両方の比較器に共通に参照電圧を供給する構成にしてもよい。
【００９２】
（第３の実施形態）
図１２は、本発明による固体撮像装置をカメラに応用する場合の構成例のブロック図である。
【００９３】
外部からの光は、露出を制御するメカシャッタ１０１、撮影レンズ１０２、を通った後、絞り１０３により必要に応じて光量が制御され、固体撮像装置１の画素アレイ上に結像される。
【００９４】
画素アレイで光電変換された画素信号はＡＤ変換処理され、固体撮像装置１からデジタル信号として出力される。
【００９５】
出力されるデジタル信号はさらに信号処理部１０４で各種の画像処理が施される。処理されたデジタル信号はメモリ部１０５に格納され、外部Ｉ／Ｆ部１０６を通して外部の機器に送られる。固体撮像装置１、信号処理部１０４はタイミング発生部１０７により制御される他、システム全体はシステム制御部１０８で制御される。記録媒体１０９に画像を記録するために、出力デジタル信号はシステム制御部１０８に制御される記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１１０を通して記録される。
【００９６】
なお、固体撮像装置１は、システム制御部１０８から制御信号ＤＡＴＡによって動画撮像時の画素混合の指示を受けると、画素アレイで光電変換された画素信号に対して、前述のように、同色複数画素信号の混合と複数の時差をもった参照電圧によるＡＤ変換および平均化処理を行って、信号処理部１０４へデジタルの画像信号を出力する。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
以上説明したように、本発明は、動画撮像時の横線ノイズ特性の改善を、素子数の増加を抑えて実現することができ、例えば、ＭＯＳ固体撮像装置、デジタルスチルカメラ、ムービーカメラ、カメラ付き携帯電話機、監視カメラ等に適用できる。
【符号の説明】
【００９８】
１  固体撮像装置
２  画素アレイ
３  単位画素
４  比較器
５  カウンタ
６  デジタルメモリ
７  参照信号生成回路
７ａ  ランプ波発生回路
７ｂ  遅延制御回路
７ｃ１、７ｃ２  減衰器
７ｄ  時差制御回路
７ｅ１、７ｅ２  出力バッファ
８  論理回路
９  水平走査回路
１０  垂直走査回路
１１  タイミング制御部
１２  外部システム
１２ａ  マスタークロック入力端子
１２ｂ  シリアルデータ入出力端子
１０１  シャッタ
１０２  撮影レンズ
１０３  絞り
１０４  信号処理部
１０５  メモリ部
１０６  外部Ｉ／Ｆ部
１０７  タイミング発生部
１０８  システム制御部
１０９  記録媒体
１１０  記録媒体制御Ｉ／Ｆ部
ＣＬＫ１  カウンタクロック
ＣＬＫ２  参照信号クロック
Ｈ１〜Ｈｎ  垂直信号線
Ｖ１〜Ｖｍ  水平信号線
Ｓ１  制御信号
Ｓ２  制御信号
Ｓ３  制御タイミング信号
Ｓ４  遅延制御信号
Ｓ５  制御信号
Ｒ１、Ｒ２  参照信号
【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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