(57)【要約】【課題】シングルスロープ積分型のＡＤ変換方式を採用したＣＭＯＳイメージセンサにおいて、ＡＤ変換処理の高速化を図る。【解決手段】信号の大きさに応じて、参照信号の傾き制御とカウンタの分周速度制御とを併用する。たとえば、点Ｒ（ｔ２１）で、参照信号Ｖslopの傾きをそれ以前に対して２倍にするとともに、カウンタの分周速度を２倍にする。参照信号の傾きを一定にしたままでの処理に比べると、信号が大きくなるほど、ＡＤ変換処理における比較処理の期間を短縮でき、信号が大きくなるほどＡＤ変換処理が高速になる。また、参照信号の傾き増大に伴うＡＤ変換ゲイン低下を、カウンタの分周速度の側面から補正することで、補正演算をすることなく信号成分を忠実に反映したデジタルデータを取得できる。【選択図】図９
2008136043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素から得られるアナログの画素信号の所定レベルと、当該所定レベルをデジタルデータに変換するための漸次変化する参照信号とを比較する比較部と、
前記比較部での比較処理と並行してカウント処理を行ない、比較処理が完了した時点のカウント値を保持することで前記所定レベルのデジタルデータを取得するカウント部と、
前記所定レベルについての前記比較部における比較処理が完了する前に、前記参照信号の傾きをＪ倍に変更するとともに、前記カウント部における分周動作をＫ倍に変更する変更部と
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記変更部は、前記参照信号の傾きをＪ倍に変更するとともに、前記カウント部における上位ビット側の分周動作をＫ倍に変更する
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】
前記変更部は、前記Ｋ倍がＪ倍と等しくなるように制御する
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４】
前記カウント部は、非同期カウンタであり、各ビットの段間には、入力されるクロック信号を切り替えるカウントクロック切替部を具備し、
前記変更部は、前記参照信号の傾きをＪ倍に変更するときには、各ビットに入力されるクロック信号を、より上位ビットのクロック信号として伝達するように前記カウントクロック切替部を制御することで前記Ｋ倍をＪ倍と等しくする
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】
前記変更部は、前記参照信号の傾きがＪ倍に変更されると同時に前記カウント部における各ビット出力の分周動作がＫ倍に変更されるように制御する
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６】
前記変更部は、前記参照信号の傾きをＪ１倍に変更するとともに前記カウント部における各ビット出力の分周動作をＫ１倍に変更し、その後、前記参照信号の傾きをＪ２（ただしＪ１＜Ｊ２）倍に変更するとともに前記カウント部における各ビット出力の分周動作をＫ２（ただしＫ１＜Ｋ２）倍に変更するというように、順次、各倍率を大きくして、倍率を複数段階で変更するように制御する
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７】
前記カウンタ部は、前記画素信号における第１の所定レベルについての処理時には、ダウンカウントモードおよびアップカウントモードの何れか一方のモードでカウント処理を行ない、前記比較部における前記比較処理が完了した時点のカウント値を保持し、前記画素信号における第２の所定レベルについての処理時には、前記保持しておいたカウント値を始点として、ダウンカウントモードおよびアップカウントモードの他方のモードでカウント処理を行ない、前記比較部における前記比較処理が完了した時点のカウント値を保持する
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８】
複数の前記比較部は、それぞれが処理対象とする前記画素信号について、共通の前記参照信号を使用して並列的に比較処理を行なう
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９】
画素から得られるアナログの画素信号の所定レベルと、当該所定レベルをデジタルデータに変換するための漸次変化する参照信号とを比較する比較部と、
前記比較部での比較処理と並行してカウント処理を行ない、比較処理が完了した時点のカウント値を保持することで前記所定レベルのデジタルデータを取得するカウント部と、
前記所定レベルについての前記比較部における比較処理が完了する前に、前記参照信号の傾きをＪ倍に変更するとともに、前記カウント部における分周動作をＫ倍に変更する変更部と、
前記変更部を制御するための制御信号の生成を制御する制御部と
を備えたことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量分布検知の半導体装置の一例である固体撮像装置およびこの固体撮像装置を利用した撮像装置に関する。より詳細には、たとえば光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする複数の単位構成要素が配列されてなり、単位構成要素によって電気信号に変換された物理量分布をアナログの電気信号として読み出し、デジタルデータに変換してから、外部に出力する仕組みに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、固体撮像装置の一例として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）イメージセンサが持つ種々の問題を克服し得るＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-oxide Semiconductor ）型のイメージセンサが注目を集めている。
【０００３】
たとえば、ＣＭＯＳイメージセンサは、画素ごとにフローティングディフュージョンアンプなどによる増幅回路を持ち合わせており、画素信号の読出しに当たっては、アドレス制御の一例として、画素アレイ部の中のある１行を選択し、その１行分を同時にアクセスして行単位で、つまり１行分の全画素について同時並列的に、画素信号を画素アレイ部から読み出す、いわゆる列並列出力型あるいはカラム型と称される方式が多く用いられている。
【０００４】
また、固体撮像装置では、画素アレイ部から読み出されたアナログの画素信号を、アナログ−デジタル変換装置（ＡＤ変換装置；Analog Digital Converter）にてデジタルデータに変換してから外部に出力する方式が採られることもある。
【０００５】
この点については、列並列出力型のイメージセンサについても同様であり、その信号出力回路については様々なものが考案されているが、その最も進んだ形態の一例として、列ごとにＡＤ変換装置を備え、デジタルデータとして画素信号を外部に取り出す方式が提案されている（たとえば特許文献１を参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２７８１３５号公報
【０００７】
また、ＡＤ変換方式としても、回路規模や処理速度や分解能などの観点から様々な方式が考えられているが、一例として、アナログの単位信号とデジタルデータに変換するためのランプ状の参照信号と比較するとともに、この比較処理と並行してカウント処理を行ない、比較処理が完了した時点のカウント値に基づいて単位信号のデジタルデータを取得する、いわゆるシングルスロープ積分型あるいはランプ信号比較型と言われるＡＤ変換方式がある。前述の特許文献１でも、この方式を採用している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここで、デジタルスチルカメラなど光を電気信号に変換し画像信号を出力する装置として用いられている固体撮像装置において、近年の画素数増加や高フレームレート化に伴い、より高速なＡＤ変換を行なうことが求められている。
【０００９】
固体撮像装置の１つであるＭＯＳ（ＣＭＯＳ）型イメージセンサは、ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）集積回路と同様のプロセスで製造できる特徴を活かして、画素ごとに電荷を電気信号に変換し、列ごと、並列に、画素から読み出される電気信号を処理することで、列並列型としない場合に比べて処理速度を向上させることができる。
【００１０】
電気信号に対する処理としてＡＤ変換を適用すれば、列並列型としない場合に比べてＡＤ変換速度を向上させることができる。逆を言えば、ＡＤ変換のさらなる高速化を実現するには、その列ごとにＡＤ変換する回路の高速化が必要となってくる。
【００１１】
しかしながら、シングルスロープ積分型などと称されるＡＤ変換方式の場合、アナログの単位信号とデジタルデータに変換するためのランプ状の参照信号とをコンパレータなどと称される比較部で比較するので、比較部における比較処理に要する時間が、ＡＤ変換性能、特に変換処理の高速性にとって問題となる。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、シングルスロープ積分型などと称されるＡＤ変換方式を採用する場合に、比較部における比較処理に要する時間を短縮することで、ＡＤ変換処理の高速化を図ることのできる仕組み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】
【００１３】
本発明に係る固体撮像装置においては、先ず、画素から得られるアナログの画素信号の所定レベル（たとえばリセットレベルや信号レベル）と、この所定レベルをデジタルデータに変換するための漸次変化する参照信号とを比較する比較部と、比較部による比較処理と並行してカウント処理を行ない、比較処理が完了した時点のカウント値を保持することで所定レベルのデジタルデータを取得するカウント部とを備えるものとする。つまり、画素信号についてのＡＤ変換の仕組みとしては、いわゆるシングルスロープ積分型あるいはランプ信号比較型と言われるＡＤ変換方式を採用する。
【００１４】
そして、本発明に係る仕組みにおいては、所定レベルについての比較部における比較処理が完了する前に、参照信号の傾きをＪ倍に変更するとともに、カウント部における上位ビット側の分周動作をＫ倍に（好ましくはＪ倍と等しく）変更する変更部を設ける。つまり、信号の大きさに応じて、参照信号の傾き制御御とカウンタの分周速度制御とを併用する。
【００１５】
比較処理の途中で参照信号の傾きをＪ倍に変化させると、参照信号がフルスイングする時間が短縮され、ＡＤ変換処理対象の所定レベルに一致する時間が短縮される。その結果、信号が大きいときのＡＤ変換に要する比較処理時間が短縮される。
【００１６】
また、参照信号の傾きをＪ倍に変更したときにカウント部における上位ビット側の分周動作をＫ倍に（原理的にはＪ倍と等しく）変更することにより、参照信号の傾き増大に伴うＡＤ変換ゲインの低下（１／Ｊ倍）を、カウンタの分周速度の側面からＫ倍に（原理的にはＪ倍と等しく）補正することで、事実上、信号の大きさに対して、線形にＡＤ変換ができるようになる。
【００１７】
その結果、画素信号のリセットレベルと信号レベルとの差で表わされる信号成分についてのＡＤ変換処理において、信号レベル と参照信号とが一致する前に参照信号を変化させた場合においても、補正演算をすることなく、信号成分を忠実に反映したデジタルデータを取得することができる。
【００１８】
なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とが纏めてパッケージングされた、撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
【００１９】
また、本発明は、固体撮像装置のみではなく、撮像装置にも適用可能である。この場合、撮像装置として、固体撮像装置と同様の効果が得られる。ここで、撮像装置は、たとえば、カメラや撮像機能を有する携帯機器のことを示す。また「撮像」は、通常のカメラ撮影時の像の撮り込みだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、シングルスロープ積分型などと言われるＡＤ変換方式を採用する場合において、信号の大きさに応じて参照信号の傾き制御御とカウンタの分周速度制御とを併用するようにしたので、参照信号の傾きを一定にしたままでの処理に比べると、信号が大きくなるほど、ＡＤ変換処理における比較処理の期間を短縮でき、信号が大きくなるほどＡＤ変換処理を高速に実現できるようになる。
【００２１】
また、参照信号の傾き増大に伴うＡＤ変換ゲイン低下を、カウンタの分周速度の側面から補正することで、信号の大きさに対して線形にＡＤ変換できるようにするので、補正演算をすることなく信号成分を忠実に反映したデジタルデータを取得できる。
【００２２】
たとえば、参照信号の傾きを増大させることで信号の大きさに応じてＡＤ変換の高速化を図りつつ、リセットレベルと信号レベルについての２回に亘るＡＤ変換完了後のカウンタ値を補正しなくても、信号成分を忠実に反映したデジタルデータを取得できる構成を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下においては、Ｘ−Ｙアドレス型の固体撮像装置の一例である、ＣＭＯＳ固体撮像装置をデバイスとして使用した場合を例に説明する。また、ＣＭＯＳ固体撮像装置は、全ての画素がＮＭＯＳよりなるものであるとして説明する。
【００２４】
ただしこれは一例であって、対象となるデバイスはＭＯＳ型の固体撮像装置に限らない。光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする単位構成要素をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知用の半導体装置の全てに、後述する全ての実施形態が同様に適用できる。
【００２５】
＜固体撮像装置の全体概要＞
図１は、本発明に係る固体撮像装置の一実施形態であるＣＭＯＳ固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）の概略構成図である。
【００２６】
固体撮像装置１は、入射光量に応じた信号を出力する受光素子（電荷生成部の一例）を含む複数個の画素が行および列に配列された（すなわち２次元マトリクス状の）画素部を有し、各画素からの信号出力が電圧信号であって、ＣＤＳ(Correlated Double Sampling ；相関２重サンプリング）処理機能部やデジタル変換部（ＡＤＣ；Analog Digital Converter）などが列並列に設けられているものである。
【００２７】
“列並列にＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部が設けられている”とは、垂直列の垂直信号線（列信号線の一例）１９に対して実質的に並列に複数のＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部が設けられていることを意味する。
【００２８】
複数の各機能部は、デバイスを平面視したときに、ともに画素アレイ部１０に対して列方向の一方の端縁側（図の下側に配されている出力側）にのみ配されている形態のものであってもよいし、画素アレイ部１０に対して列方向の一方の端縁側（図の下側に配されている出力側）とその反対側である他方の端縁側（図の上側）に分けて配されている形態のものであってもよい。後者の場合、行方向の読出走査（水平走査）を行なう水平走査部も、各端縁側に分けて配して、それぞれが独立に動作可能に構成するのがよい。
【００２９】
たとえば、列並列にＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部が設けられている典型例としては、撮像部の出力側に設けたカラム領域と呼ばれる部分に、ＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を垂直列ごとに設け、順次出力側に読み出すカラム型のものである。また、カラム型（列並列型）に限らず、隣接する複数（たとえば２つ分）の垂直信号線１９（垂直列）に対して１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を割り当てる形態や、Ｎ本おき（Ｎは正の整数；間にＮ−１本を配する）のＮ本分の垂直信号線１９（垂直列）に対して１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を割り当てる形態などを採ることもできる。
【００３０】
カラム型を除くものは、何れの形態も、複数の垂直信号線１９（垂直列）が１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を共通に使用する構成となるので、画素アレイ部１０側から供給される複数列分の画素信号を１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部に供給する切替回路（スイッチ）を設ける。なお、後段の処理によっては、出力信号を保持するメモリを設けるなどの対処が必要になる。
【００３１】
何れにしても、複数の垂直信号線１９（垂直列）に対して１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部を割り当てる形態などを採ることで、各画素信号の信号処理を画素列単位で読み出した後に行なうことで、同様の信号処理を各単位画素内で行なうものに比べて、各単位画素内の構成を簡素化し、イメージセンサの多画素化、小型化、低コスト化などに対応できる。
【００３２】
また、列並列に配された複数の信号処理部にて１行分の画素信号を同時並行処理することができるので、出力回路側やデバイスの外部で１つのＣＤＳ処理機能部やデジタル変換部にて処理を行なう場合に比べて、信号処理部を低速で動作させることができ、消費電力や帯域性能やノイズなどの面で有利である。逆に言えば、消費電力や帯域性能などを同じにする場合、センサ全体の高速動作が可能となる。
【００３３】
なお、カラム型の構成の場合、低速で動作させることができ消費電力や帯域性能やノイズなどの面で有利であるとともに切替回路（スイッチ）が不要である利点もある。以下の実施形態では、特に断りのない限り、このカラム型で説明する。
【００３４】
図１に示すように、本実施形態の固体撮像装置１は、複数の単位画素３が行および列に配列された画素部や撮像部などとも称される画素アレイ部１０と、画素アレイ部１０の外側に設けられた駆動制御部７と、画素アレイ部１０の単位画素３に画素信号読出用の動作電流（読出電流）を供給する読出電流源部２４と、垂直列ごとに配されたカラムＡＤ回路２５を有するカラム処理部２６と、カラム処理部２６にＡＤ変換用の参照信号Ｖslopを供給する参照信号生成部２７と、出力部２９とを備えている。これらの各機能部は、同一の半導体基板上に設けられている。
【００３５】
なお、参照信号Ｖslopは、全体的にある傾きを持って線形に変化する波形を持つものであればよく、その変化が滑らかなスロープ状を呈するものであってもよいし、階段状に順次変化するものであってもよい。
【００３６】
本実施形態のカラムＡＤ回路２５は、画素信号Ｓｏの基準レベルであるリセットレベルＳrst と信号レベルＳsig とを独立にデジタルデータに変換するＡＤ変換部と、リセットレベルＳrst のＡＤ変換結果と信号レベルＳsig のＡＤ変換結果との間で差分処理を実行することで、リセットレベルＳrst と信号レベルＳsig の差で示される信号成分のデジタルデータを取得する差分処理部の機能を備えている。
【００３７】
なお、カラム処理部２６の前段または後段には、必要に応じて信号増幅機能を持つＡＧＣ(Auto Gain Control) 回路などをカラム処理部２６と同一の半導体領域に設けることも可能である。カラム処理部２６の前段でＡＧＣを行なう場合にはアナログ増幅、カラム処理部２６の後段でＡＧＣを行なう場合にはデジタル増幅となる。ｎビットのデジタルデータを単純に増幅してしまうと、階調が損なわれてしまう可能性があるため、どちらかというとアナログにて増幅した後にデジタル変換するのが好ましいと考えられる。
【００３８】
駆動制御部７は、画素アレイ部１０の信号を順次読み出すための制御回路機能を備えている。たとえば駆動制御部７としては、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）１２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）１４と、内部クロックを生成するなどの機能を持つ通信・タイミング制御部２０とを備えている。
【００３９】
なお、図示を割愛するが、高速クロック生成部の一例であって、入力されたクロック周波数よりも高速のクロック周波数のパルスを生成するクロック変換部を設けるようにしてもよい。通信・タイミング制御部２０は、端子５ａを介して入力される入力クロック（マスタークロック）CLK0やクロック変換部で生成された高速クロックに基づいて内部クロックを生成する。
【００４０】
クロック変換部で生成された高速クロックを源とする信号を用いることで、ＡＤ変換処理などを高速に動作させることができるようになる。また、高速クロックを用いて、高速の計算を必要とする動き抽出や圧縮処理を行なうことができる。また、カラム処理部２６から出力されるパラレルデータをシリアルデータ化してデバイス外部に映像データＤ１を出力することもできる。こうすることで、ＡＤ変換されたデジタルデータのビット分よりも少ない端子で高速動作出力する構成を採ることができる。
【００４１】
図１では、簡単のため行および列の一部を省略して示しているが、現実には、各行や各列には、数十から数千の単位画素３が配置される。この単位画素３は、典型的には、受光素子（電荷生成部）としてのフォトダイオードと、増幅用の半導体素子（たとえばトランジスタ）を有する画素内アンプとから構成される。
【００４２】
画素内アンプとしては、単位画素３の電荷生成部で生成・蓄積された信号電荷を電気信号として出力することができるものであればよく、様々な構成を採ることができるが、一般的には、フローティングディフュージョンアンプ構成のものが用いられる。一例としては、電荷生成部に対して、電荷読出部（転送ゲート部／読出ゲート部）の一例である読出選択用トランジスタ、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタ、垂直選択用トランジスタ、およびフローティングディフュージョンの電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタを有する、ＣＭＯＳセンサとして汎用的な４つのトランジスタからなる構成のものを使用することができる（たとえば後述の図２を参照）。
【００４３】
あるいは、特許第２７０８４５５号公報に記載のように、電荷生成部により生成された信号電荷に対応する信号電圧を増幅するための、ドレイン線（ＤＲＮ）に接続された増幅用トランジスタと、電荷生成部をリセットするためのリセットトランジスタと、垂直シフトレジスタより転送配線（ＴＲＦ）を介して走査される読出選択用トランジスタ（転送ゲート部）を有する、３つのトランジスタからなる構成のものを使用することもできる。
【００４４】
なお、固体撮像装置１は、色分解（色分離）フィルタを使用することで、画素アレイ部１０をカラー撮像対応にすることができる。すなわち、画素アレイ部１０における各電荷生成部（フォトダイオードなど）の電磁波（本例では光）が入射される受光面に、カラー画像を撮像するための複数色の色フィルタの組合せからなる色分解フィルタの何れかの色フィルタを、たとえばいわゆるベイヤ（Ｂａｙｅｒ）配列などにして設けることで、カラー画像撮像対応とする。
【００４５】
単位画素３は、行選択のための行制御線１５を介して垂直走査部１４と、また垂直信号線１９を介してカラムＡＤ回路２５が垂直列ごとに設けられているカラム処理部２６と、それぞれ接続されている。ここで、行制御線１５は垂直走査部１４から画素に入る配線全般を示す。
【００４６】
水平走査回路１２は、カラム処理部２６からカウント値を水平信号線１８へ読み出す読出走査部の機能を持つ。
【００４７】
水平走査部１２や垂直走査回路１４などの駆動制御部７の各要素は、画素アレイ部１０とともに、半導体集積回路製造技術と同様の技術を用いて単結晶シリコンなどの半導体領域に一体的に形成され、半導体システムの一例である固体撮像装置として構成される。
【００４８】
これらの各機能部は、半導体集積回路製造技術と同様の技術を用いて単結晶シリコンなどの半導体領域に一体的に形成されたいわゆる１チップもの（同一の半導体基板上に設けられているもの）として、半導体システムの一例であるＣＭＯＳイメージセンサとして、本実施形態の固体撮像装置１の一部をなすように構成される。
【００４９】
なお、固体撮像装置１は、このように各部が半導体領域に一体的に形成された１チップとして形成された形態であってもよいし、図示を割愛するが、画素アレイ部１０、駆動制御部７、カラム処理部２６などの各種の信号処理部の他に、撮影レンズ、光学ローパスフィルタ、あるいは赤外光カットフィルタなどの光学系をも含む状態で、これらを纏めてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態としてもよい。
【００５０】
水平走査部１２や垂直走査部１４は、たとえばデコーダを含んで構成され、通信・タイミング制御部２０から与えられる制御信号ＣＮ１，ＣＮ２に応答してシフト動作（走査）を開始するようになっている。このため、たとえば、行制御線１５には、単位画素３を駆動するための種々のパルス信号（たとえば、画素リセットパルスRST 、転送パルスTRG 、ＤＲＮ制御パルスDRN など）が含まれる。
【００５１】
通信・タイミング制御部２０は、図示しないが、各部の動作に必要なクロックや所定タイミングのパルス信号を供給するタイミングジェネレータＴＧ（読出アドレス制御装置の一例）の機能ブロックと、端子５ａを介して外部の主制御部から供給されるマスタークロックCLK0を受け取り、また端子５ｂを介して外部の主制御部から供給される動作モードなどを指令するデータを受け取り、さらに固体撮像装置１の情報を含むデータを外部の主制御部に出力する通信インタフェースの機能ブロックとを備える。
【００５２】
たとえば、水平アドレス信号を水平デコーダ１２ａへ、また垂直アドレス信号を垂直デコーダ１４ａへ出力し、各デコーダ１２ａ，１４ａは、それを受けて対応する行もしくは列を選択する。
【００５３】
この際、単位画素３を２次元マトリックス状に配置してあるので、画素信号生成部５により生成され垂直信号線１９を介して列方向に出力されるアナログの画素信号を行単位で（列並列で）アクセスし取り込む（垂直）スキャン読みを行ない、この後に、垂直列の並び方向である行方向にアクセスし画素信号（本例ではデジタル化された画素データ）を出力側へ読み出す（水平）スキャン読みを行なうようにすることで、画素信号や画素データの読出しの高速化を図るのがよい。もちろん、スキャン読みに限らず、読み出したい単位画素３を直接にアドレス指定することで、必要な単位画素３の情報のみを読み出すランダムアクセスも可能である。
【００５４】
また、通信・タイミング制御部２０では、端子５ａを介して入力される入力クロック（マスタークロック）CLK0と同じ周波数のクロックCLK1や、それを２分周したクロックやより分周した低速のクロックをデバイス内の各部、たとえば水平走査部１２、垂直走査部１４、カラム処理部２６などに供給する。以下、２分周したクロックやそれ以下の周波数のクロック全般を纏めて、低速クロックCLK2とも言う。
【００５５】
垂直走査部１４は、画素アレイ部１０の行を選択し、その行に必要なパルスを供給するものである。たとえば、垂直方向の読出行を規定する（画素アレイ部１０の行を選択する）垂直デコーダ１４ａと、垂直デコーダ１４ａにて規定された読出アドレス上（行方向）の単位画素３に対する行制御線１５にパルスを供給して駆動する垂直駆動部１４ｂとを有する。なお、垂直デコーダ１４ａは、信号を読み出す行の他に、電子シャッタ用の行なども選択する。
【００５６】
水平走査部１２は、低速クロックCLK2に同期してカラム処理部２６のカラムＡＤ回路２５を順番に選択し、その信号を水平信号線（水平出力線）１８に導くものである。たとえば、水平方向の読出列を規定する（カラム処理部２６内の個々のカラムＡＤ回路２５を選択する）水平デコーダ１２ａと、水平デコーダ１２ａにて規定された読出アドレスに従って、カラム処理部２６の各信号を水平信号線１８に導く水平駆動部１２ｂとを有する。なお、水平信号線１８は、たとえばカラムＡＤ回路２５が取り扱うビット数ｎ（ｎは正の整数）分、たとえば１０（＝ｎ）ビットならば、そのビット数分に対応して１０本配置される。
【００５７】
このような構成の固体撮像装置１において、単位画素３から出力された画素信号は、垂直列ごとに、垂直信号線１９を介して、カラム処理部２６のカラムＡＤ回路２５に供給される。
【００５８】
カラム処理部２６の各カラムＡＤ回路２５は、１列分の画素のアナログ信号Ｓｏを受けて、そのアナログ信号Ｓｏを処理する。たとえば、各カラムＡＤ回路２５は、アナログ信号を、たとえば低速クロックCLK2を用いて、たとえば１０ビットのデジタル信号に変換するＡＤＣ(Analog Digital Converter)回路を持つ。
【００５９】
カラム処理部２６におけるＡＤ変換処理としては、行単位で並列に保持されたアナログ信号を、列ごとに設けられたカラムＡＤ回路２５を使用して、行ごとに並列にＡＤ変換する方法を採る。この際には、シングルスロープ積分型（あるいはランプ信号比較型）のＡＤ変換の手法を使用する。この手法は、簡単な構成でＡＤ変換器が実現できるため、並列に設けても回路規模が大きくならないという特徴を有している。
【００６０】
シングルスロープ積分型のＡＤ変換に当たっては、変換開始から参照信号Ｖslopと処理対象信号電圧とが一致するまでの時間に基づいて、アナログの処理対象信号をデジタル信号に変換する。このための仕組みとしては、原理的には、コンパレータ（電圧比較器）にランプ状の参照信号Ｖslopを供給するとともに、クロック信号でのカウント（計数）を開始し、垂直信号線１９を介して入力されたアナログの画素信号を参照信号Ｖslopと比較することによって比較結果を示すパルス信号が得られるまでのクロック数をカウントすることでＡＤ変換を行なう。
【００６１】
また、この際、回路構成を工夫することで、ＡＤ変換とともに、垂直信号線１９を介して入力された電圧モードの画素信号に対して、画素リセット直後の信号レベル（ノイズレベルもしくはリセットレベルと称する）と真の（受光光量に応じた）信号レベルＶsig との差分をとる処理（いわゆるＣＤＳ処理と等価）を行なうことができる。これにより、固定パターンノイズ（ＦＰＮ；Fixed Pattern Noise ）やリセットノイズと言われるノイズ信号成分を取り除くことができる。
【００６２】
＜参照信号生成部とカラムＡＤ回路との詳細＞
参照信号生成部２７は、ＤＡ変換回路（ＤＡＣ；Digital Analog Converter）２７ａを有して構成されており、通信・タイミング制御部２０からの制御データＣＮ４で示される初期値からカウントクロックＣＫdac に同期して、階段状の鋸歯状波（ランプ波形；以下参照信号Ｖslopとも称する）を生成して、カラム処理部２６の個々のカラムＡＤ回路２５に、この生成した階段状の鋸歯状波の参照信号ＶslopをＡＤ変換用の参照電圧（ＡＤＣ基準信号）として供給するようになっている。なお、図示を割愛しているが、ノイズ防止用のフィルタを設けるとよい。
【００６３】
なお、この参照信号Ｖslopは、たとえば逓倍回路で生成される逓倍クロックを元に生成される高速クロックを基準とすることで、端子５ａを介して入力されるマスタークロックCLK0に基づき生成するよりも高速に変化させることができる。
【００６４】
通信・タイミング制御部２０から参照信号生成部２７のＤＡ変換回路２７ａに供給する制御データＣＮ４は、比較処理ごとの参照信号Ｖslopが基本的には同じ傾き（変化率）となるように、時間に対するデジタルデータの変化率を同じにする情報も含んでいる。具体的には、カウントクロックＣＫdac に同期して、単位時間ごとに１ずつカウント値を変化させ、そのカウント値を電流加算型のＤＡ変換回路で電圧信号に変換するようにする。
【００６５】
ここで、本実施形態のＤＡ変換回路２７ａは、通信・タイミング制御部２０の制御の元で参照信号Ｖslopの変化特性（具体的には傾き）を、電圧比較部２５２における比較処理の途中で変更可能になっている（具体的にはより大きくなるようにできる）。
【００６６】
参照信号Ｖslopの傾き調整は、たとえばカウントクロックＣＫdac の周波数（クロック周期）を変更する手法を採ることで、高精度に調整することができる。たとえば、ＤＡ変換回路２７ａに供給するカウントクロックＣＫdac を、当初はカウントクロックＣＫ０と同じにしておくが、所定回数のカウントが完了したときカウントクロックＣＫ０に対して２倍速にし、さらに所定回数のカウントが完了したときカウントクロックＣＫ０に対して４倍速にするなど、カウントクロックＣＫ０に対して２＾ｋ倍速にするとよい。
【００６７】
なお、ここで示した参照信号Ｖslopの傾き変更手法は一例であって、このような手法に限定されない。たとえば、参照信号生成部２７に与えるカウントクロックＣＫdac の周期を一定にしつつ、カウンタ出力値をｘ、制御データＣＮ４に含まれている参照信号Ｖslopの傾き（変化率）βとしてｙ＝α（初期値）−β＊ｘによって算出される電位を出力するなど、制御データＣＮ４に含まれているランプ電圧の傾き（変化率）を指示する情報により、１つのカウントクロックＣＫdac ごとの電圧変化分ΔＳＬＰを調整するなど、任意の回路を用いることができる。参照信号Ｖslopの傾きの調整は、たとえばクロック周期を変える以外に、単位電流源の電流量を変えることによって、クロック当たりのΔＳＬＰを調整することでも実現できる。
【００６８】
カラムＡＤ回路２５は、参照信号生成部２７のＤＡ変換回路２７ａで生成される参照信号Ｖslopと、行制御線１５（Ｖ０，Ｖ１，…）ごとに単位画素３から垂直信号線１９（Ｈ０，Ｈ１，…）を経由し得られるアナログの画素信号を比較する電圧比較部（コンパレータ）２５２と、電圧比較部２５２が比較処理を完了するまでの時間をカウントし、その結果を保持するカウンタ部２５４とを備えて構成されｎビットＡＤ変換機能を有している。
【００６９】
ここで、本実施形態では、列ごとに配された電圧比較部２５２にＤＡ変換回路２７ａから参照信号Ｖslopが共通に供給され、各電圧比較部２５２が処理を担当する画素信号電圧Ｖｘについて、共通の参照信号Ｖslopを使用して比較処理を行なうようになっている。
【００７０】
通信・タイミング制御部２０は、電圧比較部２５２が画素信号のリセットレベルＶrst と信号成分Ｖsig の何れについて比較処理を行なっているのかに応じてカウンタ部２５４におけるカウント処理のモードを切り替える制御部の機能を持つ。この通信・タイミング制御部２０から各カラムＡＤ回路２５のカウンタ部２５４には、カウンタ部２５４がダウンカウントモードで動作するのかアップカウントモードで動作するのかを指示するための制御信号ＣＮ５が入力されている。
【００７１】
電圧比較部２５２の一方の入力端子RAMPは、他の電圧比較部２５２の入力端子RAMPと共通に、参照信号生成部２７で生成される階段状の参照信号Ｖslopが入力され、他方の入力端子には、それぞれ対応する垂直列の垂直信号線１９が接続され、画素アレイ部１０からの画素信号電圧が個々に入力される。電圧比較部２５２の出力信号はカウンタ部２５４に供給される。
【００７２】
カウンタ部２５４のクロック端子ＣＫには、他のカウンタ部２５４のクロック端子ＣＫと共通に、通信・タイミング制御部２０からカウントクロックＣＫ０が入力されている。
【００７３】
このカウンタ部２５４は、その構成については図示を割愛するが、ラッチで構成されたデータ記憶部２５５の配線形態を同期カウンタ形式に変更することで実現でき、１本のカウントクロックＣＫ０の入力で、内部カウントを行なうようになっている。カウントクロックＣＫ０も、参照信号Ｖslopと同様に、逓倍回路で生成される逓倍クロック（高速クロック）を使用することができ、この場合、端子５ａを介して入力されるマスタークロックCLK0を使用するよりも高分解能にできる。
【００７４】
ここで、カウンタ部２５４は、カウントモードに拘わらず共通のアップダウンカウンタ（Ｕ／Ｄ  ＣＮＴ）を用いて、ダウンカウント動作とアップカウント動作とを切り替えて（具体的には交互に）カウント処理を行なうことが可能に構成されている点に特徴を有する。
【００７５】
また、本実施形態のカウンタ部２５４としては、カウント出力値がカウントクロックＣＫ０に同期せずに出力される非同期カウンタを使用するのが好ましい。基本的には、同期カウンタを使用することもできるが、同期カウンタの場合、全てのフリップフロップ（カウンタ基本要素）の動作がカウントクロックＣＫ０で制限される。よって、より高周波数動作が要求される場合には、カウンタ部２５４としては、その動作制限周波数が最初のフリップフロップ（カウンタ基本要素）の制限周波数でのみ決められるため高速動作に適する非同期カウンタの使用がより好ましいのである。
【００７６】
カウンタ部２５４には、水平走査回路１２から制御線１２ｃを介して制御パルスが入力される。カウンタ部２５４は、カウント結果を保持するラッチ機能を有しており、制御線１２ｃを介しての制御パルスによる指示があるまでは、カウンタ出力値を保持する。
【００７７】
個々のカラムＡＤ回路２５の出力側は、たとえば、カウンタ部２５４の出力を水平信号線１８に接続することができる。あるいは、図示のように、カウンタ部２５４の後段に、このカウンタ部２５４の保持したカウント結果を保持するｎビットのメモリ装置としてのデータ記憶部２５６と、カウンタ部２５４とデータ記憶部２５６との間に配されたスイッチ２５８とを備える構成を採ることもできる。
【００７８】
データ記憶部２５６を備える構成を採る場合、スイッチ２５８には、他の垂直列のスイッチ２５８と共通に、通信・タイミング制御部２０から、所定のタイミングで、制御パルスとしてのメモリ転送指示パルスＣＮ８が供給される。スイッチ２５８は、メモリ転送指示パルスＣＮ８が供給されると、対応するカウンタ部２５４のカウント値をデータ記憶部２５６に転送する。データ記憶部２５６は、転送されたカウント値を保持・記憶する。
【００７９】
なお、カウンタ部２５４のカウント値を所定のタイミングでデータ記憶部２５６に保持させる仕組みは、両者間にスイッチ２５８を配する構成に限らず、たとえば、カウンタ部２５４とデータ記憶部２５６とを直接に接続しつつ、カウンタ部２５４の出力イネーブルをメモリ転送指示パルスＣＮ８で制御することで実現することもできるし、データ記憶部２５６のデータ取込タイミングを決めるラッチクロックとしてメモリ転送指示パルスＣＮ８を用いることでも実現できる。
【００８０】
データ記憶部２５６には、水平走査回路１２から制御線１２ｃを介して制御パルスが入力される。データ記憶部２５６は、制御線１２ｃを介しての制御パルスによる指示があるまでは、カウンタ部２５４から取り込んだカウント値を保持する。
【００８１】
水平走査回路１２は、カラム処理部２６の各電圧比較部２５２とカウンタ部２５４とが、それぞれが担当する処理を行なうのと並行して、各データ記憶部２５６が保持していたカウント値を読み出す読出走査部の機能を持つ。
【００８２】
データ記憶部２５６の出力は、水平信号線１８に接続されている。水平信号線１８は、カラムＡＤ回路２５のビット幅であるｎビット幅分の信号線を有し、図示しないそれぞれの出力線に対応したｎ個のセンス回路を経由して出力回路２８に接続される。
【００８３】
特に、データ記憶部２５６を備えた構成とすれば、カウンタ部２５４が保持したカウント結果を、データ記憶部２５６に転送することができるため、カウンタ部２５４のカウント動作すなわちＡＤ変換処理と、カウント結果の水平信号線１８への読出動作とを独立して制御可能であり、ＡＤ変換処理と外部への信号の読出動作とを並行して行なうパイプライン動作が実現できる。
【００８４】
このような構成において、カラムＡＤ回路２５は、水平ブランキング期間に相当する画素信号読出期間において、カウント動作を行ない、所定のタイミングでカウント結果を出力する。すなわち、先ず、電圧比較部２５２では、参照信号生成部２７からのランプ波形電圧と、垂直信号線１９を介して入力される画素信号電圧とを比較し、双方の電圧が同じになると、電圧比較部２５２のコンパレート出力が反転する。たとえば、電圧比較部２５２は、電源電位などのＨレベルをインアクティブ状態として、画素信号電圧と参照信号Ｖslopとが一致したときに、Ｌレベル（アクティブ状態）へ遷移する。
【００８５】
カウンタ部２５４は、参照信号生成部２７から発せられるランプ波形電圧に同期してダウンカウントモードもしくはアップカウントモードでカウント動作を開始しており、コンパレート出力の反転した情報がカウンタ部２５４に通知されると、カウント動作を停止し、その時点のカウント値を画素データとしてラッチ（保持・記憶）することでＡＤ変換を完了する。
【００８６】
この後、カウンタ部２５４は、所定のタイミングで水平走査回路１２から制御線１２ｃを介して入力される水平選択信号ＣＨ（ｉ）によるシフト動作に基づいて、記憶・保持した画素データを、順次、カラム処理部２６外や画素アレイ部１０を有するチップ外へ出力端子５ｃから出力する。
【００８７】
なお、本実施形態の説明としては直接関連しないため特に図示しないが、その他の各種信号処理回路なども、固体撮像装置１の構成要素に含まれる場合がある。
【００８８】
＜画素部＞
図２は、図１に示した固体撮像装置１に使用される単位画素３の構成例と、駆動部と駆動制御線と画素トランジスタの接続態様を示す図である。画素アレイ部１０内の単位画素（画素セル）３の構成は、通常のＣＭＯＳイメージセンサと同様であり、本実施形態では、ＣＭＯＳセンサとして汎用的な４ＴＲ構成のものや、たとえば、特許第２７０８４５５号公報に記載のように、３つのトランジスタからなる３ＴＲ構成のものを使用することができる。もちろん、これらの画素構成は一例であり、通常のＣＭＯＳイメージセンサのアレイ構成であれば、何れのものでも使用できる。
【００８９】
画素内アンプとしては、たとえばフローティングディフュージョンアンプ構成のものが用いられる。一例としては、電荷生成部に対して、電荷読出部（転送ゲート部／読出ゲート部）の一例である読出選択用トランジスタ、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタ、垂直選択用トランジスタ、およびフローティングディフュージョンの電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタを有する、ＣＭＯＳセンサとして汎用的な４つのトランジスタからなる構成（以下４ＴＲ構成とも言う）のものを使用することができる。
【００９０】
たとえば、図２に示す４ＴＲ構成の単位画素３は、光を受光して電荷に変換する光電変換機能とともに、その電荷を蓄積する電荷蓄積機能の各機能を兼ね備えた電荷生成部３２と、電荷生成部３２に対して、電荷読出部（転送ゲート部／読出ゲート部）の一例である読出選択用トランジスタ（転送トランジスタ）３４、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタ３６、垂直選択用トランジスタ４０、およびフローティングディフュージョン３８の電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタ４２を有する。
【００９１】
この単位画素３は、電荷蓄積部の機能を備えた電荷注入部の一例であるフローティングディフュージョン３８とからなるＦＤＡ（Floating Diffusion Amp）構成の画素信号生成部５を有するものとなっている。フローティングディフュージョン３８は寄生容量を持った拡散層である。
【００９２】
読出選択用トランジスタ（第２の転送部）３４は、転送信号φＴＲＧが供給される転送駆動バッファＢＦ１により転送配線（読出選択線ＴＸ）５５を介して駆動されるようになっている。リセットトランジスタ３６は、リセット信号φＲＳＴが供給されるリセット駆動バッファＢＦ２によりリセット配線（ＲＳＴ）５６を介して駆動されるようになっている。垂直選択用トランジスタ４０は、垂直選択信号φＶＳＥＬが供給される選択駆動バッファＢＦ３により垂直選択線（ＳＥＬ）５２を介して駆動されるようになっている。各駆動バッファは、垂直走査部１４の垂直駆動部１４ｂによって駆動可能になっている。
【００９３】
画素信号生成部５におけるリセットトランジスタ３６は、ソースがフローティングディフュージョン３８に、ドレインが電源Ｖddにそれぞれ接続され、ゲート（リセットゲートＲＧ）には画素リセットパルスRST がリセット駆動バッファから入力される。
【００９４】
垂直選択用トランジスタ４０は、一例として、ドレインが増幅用トランジスタ４２のソースに、ソースが画素線５１にそれぞれ接続され、ゲート（特に垂直選択ゲートＳＥＬＶという）が垂直選択線５２に接続されている。なおこのような接続構成に限らず、ドレインが電源Ｖddに、ソースが増幅用トランジスタ４２のドレインにそれぞれ接続され、垂直選択ゲートＳＥＬＶが垂直選択線５２に接続されるようにしてもよい。
【００９５】
垂直選択線５２には、垂直選択信号ＳＥＬが印加される。増幅用トランジスタ４２は、ゲートがフローティングディフュージョン３８に接続され、ドレインが垂直選択用トランジスタ４０を介して電源Ｖddに、ソースは画素線５１に接続され、さらに垂直信号線５３（１９）に接続されるようになっている。
【００９６】
さらに垂直信号線５３は、その一端がカラム処理部２６側に延在するとともに、その経路において、読出電流源部２４が接続され、増幅用トランジスタ４２との間で、略一定の動作電流（読出電流）が供給されるソースフォロワ構成が採られるようになっている。
【００９７】
具体的には、読出電流源部２４は、各垂直列に設けられたＮＭＯＳ型のトランジスタ（特に負荷ＭＯＳトランジスタという）２４２と、全垂直列に対して共用される電流生成部２４５およびゲートおよびドレインが共通に接続されソースがソース線２４８に接続されたＮＭＯＳ型のトランジスタ２４６を有する基準電流源部２４４とを備えている。
【００９８】
各負荷ＭＯＳトランジスタ２４２は、ドレインが対応する列の垂直信号線５３に接続され、ソースが接地線であるソース線２４８に共通に接続されている。これにより、各垂直列の負荷ＭＯＳトランジスタ２４２は基準電流源部２４４のトランジスタ２４６との間でゲート同士が接続されカレントミラー回路を構成し、垂直信号線１９に対し電流源として機能するように接続されている。
【００９９】
ソース線２４８は、水平方向の端部（図１の左右の垂直列）で基板バイアスである接地（ＧＮＤ）に接続され、負荷ＭＯＳトランジスタ２４２の接地に対する動作電流（読出電流）が、チップの左右両端から供給されるような構成となっている。
【０１００】
電流生成部２４５には、必要時にのみ所定電流を出力するようにするための負荷制御信号SFLACTが、図示しない負荷制御部から供給されるようになっている。電流生成部２４５は、信号読出し時には、負荷制御信号SFLACTのアクティブ状態が入力されることで、各増幅用トランジスタ４２に接続された負荷ＭＯＳトランジスタ２４２によって、予め決められた定電流を流し続けるようになっている。つまり、負荷ＭＯＳトランジスタ２４２は、選択行の増幅用トランジスタ４２とソースフォロアを組んで読出電流を増幅用トランジスタ４２に供給することで垂直信号線５３への信号出力をさせる。
【０１０１】
このような４ＴＲ構成では、フローティングディフュージョン３８は増幅用トランジスタ４２のゲートに接続されているので、増幅用トランジスタ４２はフローティングディフュージョン３８の電位（以下ＦＤ電位という）に対応した信号を電圧モードで、画素線５１を介して垂直信号線１９（５３）に出力する。
【０１０２】
リセットトランジスタ３６は、フローティングディフュージョン３８をリセットする。読出選択用トランジスタ（転送トランジスタ）３４は、電荷生成部３２にて生成された信号電荷をフローティングディフュージョン３８に転送する。垂直信号線１９には多数の画素が接続されているが、画素を選択するのには、選択画素のみ垂直選択用トランジスタ４０をオンする。すると選択画素のみが垂直信号線１９と接続され、垂直信号線１９には選択画素の信号が出力される。
【０１０３】
＜電圧比較部とカウンタ部とのインタフェース例＞
図３は、電圧比較部２５２およびカウンタ部２５４周辺の接続インタフェース例を説明する図である。
【０１０４】
各垂直信号線１９に対応する各列の電圧比較部２５２は、画素アレイ部１０から読み出された画素信号電圧Ｖｘと参照信号生成部２７から供給された参照信号Ｖslopとが一致したときに、コンパレート出力Compをインアクティブ状態（たとえばハイレベル）からアクティブ状態（たとえばローレベル）に反転する。
【０１０５】
カウンタ部２５４は、電圧比較部２５２からのコンパレート出力Compに基づいてカウントクロックＣＫ０の出力を制御（ゲート）するゲート部５０２と、ゲート部５０２からのカウントクロックＣＩＮに基づいてカウント動作をするカウント実行部５０４を備える。
【０１０６】
参照信号生成部２７には、傾き変更指示信号CHNGが、また、カウント実行部５０４には、カウントモード制御信号ＵＤＣ、リセット制御信号ＣＬＲ、データ保持制御パルスHLDC、およびカウントクロック制御信号ＴＨが、それぞれ通信・タイミング制御部２０から供給される。
【０１０７】
なお、傾き変更指示信号CHNGとしては、ＤＡ変換回路２７ａがどのような形態で参照信号Ｖslopの傾きを変更する構成であるのかに適したものが使用される。一例としては、周波数（クロック周期）が適宜切り替えられるカウントクロックＣＫdac であってもよいし、参照信号Ｖslopの傾き（変化率）βとして制御データＣＮ４に含むようにしてもよい。
【０１０８】
通信・タイミング制御部２０は、電圧比較部２５２における比較処理過程で比較処理が完了する前に、傾き変更指示信号CHNGを参照信号生成部２７に発して参照信号Ｖslopの傾きをＪ倍に変更するとともに、カウントモード制御信号ＵＤＣ、リセット制御信号ＣＬＲ、データ保持制御パルスHLDC、およびカウントクロック制御信号ＴＨをカウンタ部２５４のカウント実行部５０４に発して、カウント実行部５０４における各ビット出力の分周動作をＫ倍（好ましくはＫ倍＝Ｊ倍）に変更するＡＤ変換速度変更部の機能を備える。
【０１０９】
通信・タイミング制御部２０は、傾き変更指示信号CHNG、カウントモード制御信号ＵＤＣ、リセット制御信号ＣＬＲ、データ保持制御パルスHLDC、およびカウントクロック制御信号ＴＨのオン／オフタイミングを、外部の主制御部から供給されるデータDATAに従って決定する。これらのオン／オフタイミングは、光ショットノイズと量子化ノイズとの関係に基づいてより高精度を求めるか高速性を求めるかといった目的に応じて決定される。
【０１１０】
ゲート部５０２は、コンパレート出力がインアクティブ状態にあるときには入力されたカウントクロックＣＫ０をそのままカウントクロックＣＩＮとしてカウント実行部５０４に伝達するが、コンパレート出力がアクティブ状態に反転したときには、カウントクロックＣＫ０の伝達を停止する。
【０１１１】
カウントクロックＣＫ０の伝達が停止されることにより、カウント実行部５０４は、カウンタの動作を停止し、その時点の画素信号電圧Ｖｘを反映したカウント値を保持する、すなわちカウント実行部５０４は、画素信号電圧Ｖｘをデジタルデータに変換して保持することになる。
【０１１２】
＜カウンタ部＞
図４および図５は、カウンタ部２５４のカウント実行部５０４の一構成例を示す図である。ここでは、１２ビットに対応した構成で示している。
【０１１３】
各垂直信号線１９に対応する各列のカウント実行部５０４は、基本構成としては、Ｄ型のフリップフロップ（ＦＦ）を縦続接続し、前段のカウント出力を後段のクロック端子CKに入力する非同期カウンタの構成を採っている。
【０１１４】
また、本実施形態の特徴点として、フリップフロップのそれぞれは、自身の反転出力ＮＱをＤ入力端子に戻す際に、反転出力ＮＱに対するホールド機能のオン／オフをフリップフロップの別に制御可能な構成を採る。加えて、段間には、カウントモードをアップカウントとダウンカウントの何れかに切り替える機能部と、カウントクロックを前段のカウント出力に基づくパルスとするのかゲート部５０２からのカウントクロックＣＩＮとするのかを切り替える機能部とを有する。
【０１１５】
具体的には、カウント実行部５０４は、先ず、フリップフロップ（ＦＦ）５１０_00 〜５１０_11 を有する。またカウント実行部５０４は、フリップフロップ５１０（_00 〜_11 ）の反転出力端ＮＱ（図ではＱの上にバーを付して示す）とＤ入力端との間に、反転出力端ＮＱのデータを保持可能なデータ保持部（ＨＯＬＤ）５１２（_00 〜_11 ）を有する。各データ保持部５１２（_00 〜_11 ）は、各別のデータ保持制御パルスHLDC（00〜11）によって制御されるようになっている。データ保持部５１２は、フリップフロップ５１０の入力の状態を問わずカウント出力を保持する機能を持ち、たとえば排他的論理和で実現できる。
【０１１６】
たとえば、データ保持部５１２は、データ保持制御パルスHLDCがアクティブＨ（Ｈ：ハイレベル）のときに入力データ（フリップフロップ５１０の反転出力ＮＱ）を保持し、インアクティブＬ（Ｌ：ローレベル）のときには保持動作を解除して、入力データ（フリップフロップ５１０の反転出力ＮＱ）をそのままフリップフロップ５１０のＤ入力端に伝達する。
【０１１７】
各フリップフロップ５１０のリセット端Ｒには、リセット制御信号ＣＬＲが共通に入力されるようになっている。フリップフロップ５１０は、たとえば、リセット制御信号ＣＬＲがアクティブＨのときには非反転出力ＱをＬレベルに、反転出力端ＮＱをＨレベルにセットする。
【０１１８】
また、カウント実行部５０４は、各フリップフロップ５１０の段間に、カウントモードをアップカウントとダウンカウントの何れか一方に切り替えるカウントモード切替部（Ｕ／Ｄ）５１４（_00 〜_10 ）を有する。カウントモード切替部５１４は、前段のフリップフロップ５１０の反転出力端ＮＱのデータをそのまま出力するのか反転して出力するのかを、カウントモード制御信号ＵＤＣに基づいて切り替える。このカウントモード切替部５１４は、たとえば排他的論理和で実現できる。
【０１１９】
たとえば、カウントモード切替部５１４は、カウントモード制御信号ＵＤＣがハイレベルのときにはカウント実行部５０４がアップカウント動作をし、ローレベルのときにはカウント実行部５０４がダウンカウント動作をするように、フリップフロップ５１０の反転出力端ＮＱのデータの反転／非反転を切り替える。
【０１２０】
また、カウント実行部５０４は、各フリップフロップ５１０の段間において、カウントモード切替部５１４の後段に、カウントモード切替部５１４の出力パルスとゲート部５０２からのカウントクロックＣＩＮとをカウントクロック制御信号ＴＨ（00〜10）に基づいて切り替えて後段のフリップフロップ５１０のクロック端CKに供給するカウントクロック切替部（ＳＥＬ）５１６（00〜10）を有する。
【０１２１】
各カウントクロック切替部５１６（_00 〜_10 ）は、各別のカウントクロック制御信号ＴＨ（00〜10）によって制御されるようになっている。カウントクロック制御信号ＴＨ（00〜10）は、前段側が先にアクティブになり、順次遅れた所定のタイミングで後段側がアクティブになるようになっている（詳細は後述する）。
【０１２２】
たとえば、カウントクロック切替部５１６は、カウントクロック制御信号ＴＨがインアクティブＬのときにはカウントモード切替部５１４の出力を伝達し、カウントクロック制御信号ＴＨがアクティブＨに切り替わるとゲート部５０２からのカウントクロックＣＩＮを伝達する。
【０１２３】
ここで、カウントクロック切替部５１６は、ゲート部５０２からのカウントクロックＣＩＮの取込み形態として、図４に示す第１例では、カラム別に、前段のフリップフロップ５１０に入力されるクロックパルスを取り扱うように配線しているのに対して、図５に示す第２例では、各段用のカウントクロック線５１７（_00 〜_11 ）を設けて、ゲート部５０２からのカウントクロックＣＩＮを、各カラムに対して共通かつ各フリップフロップ５１０の段間にも配線しておき、そのカウントクロック線５１７から取り込むようにしている。
【０１２４】
図４に示す第１例では、カウントクロックＣＩＮの配線の引回しが図５に示す第２例よりも少なくて済むが、カウントクロックＣＩＮを順次上位ビット側のフリップフロップ５１０に伝達する際、下位側のフリップフロップ５１０のデータ出力自体は無効なものとして取り扱われるものの、実際には動作したままとなっている。
【０１２５】
これに対して、図５に示す第２例では、カウントクロックＣＩＮの配線の引回しが図４に示す第１例よりも多くなるが、たとえばクロック停止部（STOP）５１８（_00 〜_10 ）をゲート部５０２と各段用のカウントクロック線５１７（_00 〜_10 ）との間に設けてフリップフロップ５１０へのカウントクロック供給をカウントクロック制御信号ＴＨ（_00 〜_10 ）に基づき停止可能に構成するなど、切替え後には前段側（下位ビット側）のフリップフロップ５１０へのカウント動作を停止させることができるので低消費電力化を図ることができる利点がある。
【０１２６】
第１例および第２例の何れの構成を採っても、カウント実行部５０４としては、非同期バイナリカウンタとして動作するようになっており、また、カウントクロック切替部５１６をカウントクロック制御信号ＴＨに基づいて動作させることで、各段のフリップフロップ５１０それぞれのクロック入力を後段側（上位ビット側）のフリップフロップ５１０のクロック入力に伝達する機能を持つ。換言すれば、下位ビット出力に使用されていたより高速のクロックを順次所定のタイミングで後段側（上位ビット側）に伝達していくことで、カウントクロックＣＩＮに対する上位ビット出力の分周動作を順次高速にしていくようになっている。たとえば、切替え前にカウントクロックＣＩＮに対して１／４分周動作をしていたものを、切替え後にはカウントクロックＣＩＮに対して１／２分周動作をするように変更することができる。
【０１２７】
カウントクロックの切替え後には、それまでのクロックより高速のクロックでカウント動作（分周動作）をすることになるので、参照信号Ｖslopの傾きとの関係を調整することで、ＡＤ変換の線形性を保持しつつ高速なＡＤ変換が可能となる。この点については、後で詳しく説明する。
【０１２８】
なお、カウンタ部２５４に供給されるカウントクロックＣＫ０は周波数を変更せずに、カウンタ部２５４内での前述のような対処でビット別に分周動作を高速化させる仕組みを採っているので、高速化に伴ってカウンタ部２５４内で消費電力が大きく増加してしまうような事態は発生しない。
【０１２９】
分周動作を高速化させる仕組みとしてカウントクロックＣＫ０の周波数を高速にすることも考えられるが、この場合、カウンタ部２５４全体が高速で動作することになり、消費電力が増加してしまう。参照信号Ｖslopの傾きを大きくする際にカウントクロックＣＫdac の周波数を高速にする場合にも、同様に参照信号生成部２７では消費電力が増加するが、カラム処理部２６ではカウンタ部２５４が各列に配置されているので、「消費電力が増加」の度合いが、カラム処理部２６の方が参照信号生成部２７よりも比べものにならないほど大きい。
【０１３０】
このようなことを踏まえると、参照信号生成部２７ではカウントクロックＣＫdac の周波数を高速にする手法を採って参照信号Ｖslopの傾きを精度よく大きくしつつ、カウンタ部２５４では、カラム処理部２６での消費電力増加を招かぬように、カウントクロックＣＫ０の周波数を一定にしたままで、カウンタ部２５４内での前述のような対処でビット別に分周動作の高速化を図る仕組みをとることが有効である。
【０１３１】
＜固体撮像装置の動作；基本動作＞
図６は、図１に示した固体撮像装置１のカラムＡＤ回路２５における基本動作である信号取得差分処理を説明するためのタイミングチャートである。
【０１３２】
画素アレイ部１０の各単位画素３で感知されたアナログの画素信号をデジタル信号に変換する仕組みとしては、たとえば、所定の傾きで下降するランプ波形状の参照信号Ｖslopと単位画素３からの画素信号における基準成分や信号成分の各電圧とが一致する点を探し、この比較処理で用いる参照信号Ｖslopの生成時点から、画素信号における基準成分や信号成分に応じた電気信号と参照信号とが一致した時点までをカウントクロックでカウント（計数）することで、基準成分や信号成分の各大きさに対応した画素信号レベルのカウント値を得る手法を採る。
【０１３３】
つまり、垂直信号線１９に読み出したアナログの画素信号電圧Ｖｘを、列ごとに配置されたカラムＡＤ回路２５の電圧比較部２５２で参照信号Ｖslopと比較する。このとき、電圧比較部２５２と同様に列ごとに配置されたカウンタ部２５４を動作させておき、参照信号Ｖslopのある電位とカウンタ部２５４とを１対１の対応を取りながら変化させることで、垂直信号線１９の画素信号電圧Ｖｘをデジタルデータに変換する。ここで、参照信号Ｖslopの変化は電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期（クロック）で量子化しながらカウンタ部２５４で数えることで、デジタルデータに変換する。参照信号Ｖslopがある時間Δｔの間にΔＶ変化するとして、Δｔの周期でカウンタ部２５４を動作させると参照信号ＶslopがＮ×ΔＶ変化したときのカウンタ値はＮとなる。
【０１３４】
ここで、垂直信号線１９から出力される画素信号Ｓｏ（画素信号電圧Ｖｘ）は、時間系列として、基準レベルとしての画素信号の雑音を含むリセットレベルＳrst の後に信号レベルＳsig が現れるものである。１回目の処理を基準レベル（リセットレベルＳrst ・事実上リセットレベルＶrst と等価）について行なう場合、２回目の処理はリセットレベルＳrst に信号成分Ｖsig を加えた信号レベルＳsig についての処理となる。以下具体的に説明する。
【０１３５】
１回目の処理時、つまりリセットレベルＳrst についてのＡＤ変換期間Ｔrst においては、先ず通信・タイミング制御部２０は、リセット制御信号ＣＬＲをアクティブＨにして、カウンタ部２５４の各フリップフロップ５１０の非反転出力端Ｑから出力されるカウント値を初期値“０”にリセットさせるとともに、カウンタ部２５４をダウンカウントモードに設定する（ｔ１）。このとき、通信・タイミング制御部２０は、データ保持制御パルスHLDCをアクティブＨに、またカウントモード制御信号ＵＤＣをローレベル（つまりダウンカウントモード）にしておく。
【０１３６】
またこのとき、単位画素３では、読出対象行Ｖｎの垂直選択信号φＶＳＥＬをアクティブＨにして画素信号Ｓｏの垂直信号線１９への出力を許可し、ほぼ同時にリセット信号φＲＳＴをアクティブＨにしてフローティングディフュージョン３８をリセット電位にする（ｔ１〜ｔ２）。このリセット電位が画素信号Ｓｏとして垂直信号線１９に出力される。これにより、画素信号電圧Ｖｘとしては、リセットレベルＳrst が垂直信号線１９に現れるようになる。なお、このとき、単位画素３ごとの画素内アンプ（画素信号生成部５）のばらつきにより、収束するリセットレベルＳrst の電位はばらつく。
【０１３７】
そして、読出対象行Ｖｎの単位画素３から垂直信号線１９（Ｈ０，Ｈ１，…）への１回目の読出しが安定した後、つまり、リセットレベルＳrst が収束したら、通信・タイミング制御部２０は、参照信号生成部２７に向けて、参照信号Ｖslop生成用の制御データＣＮ４を供給する。ここでは、カウンタ部２５４におけるカウント動作開始と同時に参照信号Ｖslopが変化し始めるようにするべく、制御データＣＮ４としてはデータ保持制御パルスHLDCを使用し、このデータ保持制御パルスHLDCをインアクティブＬにする（ｔ１０）。
【０１３８】
これを受けて、参照信号生成部２７は、電圧比較部２５２の一方の入力端子RAMPへの比較電圧である参照信号Ｖslopとして、初期電圧SLP_iniを始点とする、全体として鋸歯状（RAMP状）に時間変化させた階段状もしくは線形状の電圧波形を入力する。電圧比較部２５２は、この参照信号Ｖslopと画素アレイ部１０から供給される垂直信号線１９の画素信号電圧Ｖｘとを比較する。
【０１３９】
電圧比較部２５２の入力端子RAMPへの参照信号Ｖslopの入力と同時に、電圧比較部２５２における比較時間を、参照信号生成部２７から発せられる参照信号Ｖslopに同期して、行ごとに配置されたカウンタ部２５４で計測する。実際には、参照信号Ｖslopの生成のためにデータ保持制御パルスHLDCがインアクティブＬにされており、これによってデータ保持部５１２の保持動作が解除されるので、カウンタ部２５４は、１回目のカウント動作として、初期値“０”からダウンカウントを開始する。すなわち、負の方向にカウント処理を開始する。
【０１４０】
電圧比較部２５２は、参照信号生成部２７からのランプ状の参照信号Ｖslopと垂直信号線１９を介して入力される画素信号電圧Ｖｘとを比較し、双方の電圧が同じになったときに、コンパレート出力をＨレベルからＬレベルへ反転させる。つまり、リセットレベルＶrst に応じた電圧信号（リセットレベルＳrst ）と参照信号Ｖslopとを比較して、リセットレベルＶrst の大きさに対応した時間軸方向に大きさを持っているアクティブロー（Ｌ）のパルス信号を生成して、カウンタ部２５４に供給する。
【０１４１】
この結果を受けて、カウンタ部２５４は、コンパレート出力の反転とほぼ同時にカウント動作を停止し、その時点のカウント値（符号を加味して“−Ｄrst ”とする）を画素データとしてラッチ（保持・記憶）することでＡＤ変換を完了する。つまり、電圧比較部２５２における比較処理によって得られる時間軸方向に大きさを持っているアクティブロー（Ｌ）のパルス信号の幅をカウントクロックＣＫ０でカウント（計数）することで、リセットレベルＶrst の大きさに対応したデジタル値Ｄrst を示す（符号を加味すれば−Ｄrst を示す）カウント値を得る。
【０１４２】
通信・タイミング制御部２０は、所定のダウンカウント期間を経過すると、データ保持制御パルスHLDCをアクティブＨにする（ｔ１４）。これにより、参照信号生成部２７は、ランプ状の参照信号Ｖslopの生成を停止し（ｔ１４）、初期電圧SLP_iniに戻る。
【０１４３】
１回目の処理時は、画素信号電圧ＶｘにおけるリセットレベルＶrst を電圧比較部２５２で検知してカウンタ部２５４でカウント動作を行なっているので、単位画素３のリセットレベルＶrst を読み出してリセットレベルＶrst のＡＤ変換を実施することになる。
【０１４４】
このリセットレベルＶrst 内には、単位画素３ごとにばらつく雑音がオフセットとして含まれている。しかし、このリセットレベルＶrst のばらつきは一般に小さく、またリセットレベルＳrst は概ね全画素共通であるので、任意の垂直信号線１９の画素信号電圧ＶｘにおけるリセットレベルＶrst の出力値はおおよそ既知である。
【０１４５】
したがって、１回目のリセットレベルＶrst の読出しおよびＡＤ変換時には、参照信号Ｖslopを調整することにより、ダウンカウント期間（比較期間）を短くすることが可能である。たとえば、リセットレベルＳrst についての比較処理の最長期間を、７ビット分のカウント期間（１２８クロック）にして、リセットレベルＳrst （リセットレベルＶrst ）の比較を行なう。
【０１４６】
続いての２回目の処理時、つまり信号レベルＳsig についてのＡＤ変換期間Ｔsig においては、リセットレベルＶrst に加えて、単位画素３ごとの入射光量に応じた信号成分Ｖsig を読み出し、１回目の読出しと同様の動作を行なう。すなわち、先ず通信・タイミング制御部２０は、カウントモード制御信号ＵＤＣをハイレベルにしてカウンタ部２５４をアップカウントモードに設定する（ｔ１６）。
【０１４７】
またこのとき、単位画素３では、読出対象行Ｖｎの垂直選択信号φＶＳＥＬをアクティブＨにしたままで転送信号φＴＲＧをアクティブＨにして垂直信号線１９に信号レベルＳsig を読み出す（ｔ１８〜ｔ１９）。
【０１４８】
そして、読出対象行Ｖｎの単位画素３から垂直信号線１９（Ｈ０，Ｈ１，…）への２回目の読出しが安定した後、通信・タイミング制御部２０は、参照信号生成部２７に向けて、参照信号Ｖslop生成用の制御データＣＮ４を供給する。ここでも、カウンタ部２５４におけるカウント動作開始と同時に参照信号Ｖslopが変化し始めるようにするべく、制御データＣＮ４としてはデータ保持制御パルスHLDCを使用し、このデータ保持制御パルスHLDCをインアクティブＬにする（ｔ２０）。
【０１４９】
これを受けて、参照信号生成部２７は、電圧比較部２５２の一方の入力端子RAMPへの比較電圧である参照信号Ｖslopとして、初期電圧SLP_iniを始点とし１回目と同じ傾きを持った全体として鋸歯状（RAMP状）に時間変化させた階段状もしくは線形状の電圧波形を入力する。電圧比較部２５２は、この参照信号Ｖslopと画素アレイ部１０から供給される垂直信号線１９の画素信号電圧Ｖｘとを比較する。
【０１５０】
電圧比較部２５２の入力端子RAMPへの参照信号Ｖslopの入力と同時に、電圧比較部２５２における比較時間を、参照信号生成部２７から発せられる参照信号Ｖslopに同期して、行ごとに配置されたカウンタ部２５４で計測する。ここでも、実際には、参照信号Ｖslopの生成のためにデータ保持制御パルスHLDCがインアクティブＬにされており、これによってデータ保持部５１２の保持動作が解除されるので、カウンタ部２５４は、２回目のカウント動作として、１回目の読出しおよびＡＤ変換時に取得された画素信号電圧ＶｘのリセットレベルＳrst のデジタル値Ｄrst （ここでは負の値となっている）から、１回目とは逆にアップカウントを開始する。すなわち、正の方向にカウント処理を開始する。
【０１５１】
電圧比較部２５２は、参照信号生成部２７からのランプ状の参照信号Ｖslopと垂直信号線１９を介して入力される画素信号電圧Ｖｘとを比較し、双方の電圧が同じになったときに、コンパレート出力をＨレベルからＬレベルへ反転させる（ｔ２２）。つまり、信号成分Ｖsig に応じた電圧信号（画素信号電圧Ｖｘの信号レベルＳsig ）と参照信号Ｖslopとを比較して、信号成分Ｖsig の大きさに対応した時間軸方向に大きさを持っているアクティブロー（Ｌ）のパルス信号を生成して、カウンタ部２５４に供給する。
【０１５２】
この結果を受けて、カウンタ部２５４は、コンパレート出力の反転とほぼ同時にカウント動作を停止し、その時点のカウント値を画素データとしてラッチ（保持・記憶）することでＡＤ変換を完了する（ｔ２２）。つまり、電圧比較部２５２における比較処理によって得られる時間軸方向に大きさを持っているアクティブロー（Ｌ）のパルス信号の幅をカウントクロックＣＫ０でカウント（計数）することで、画素信号電圧Ｖｘにおける信号レベルＳsig に対応したカウント値を得る。
【０１５３】
所定のアップカウント期間を経過すると、単位画素３では、読出対象行Ｖｎの垂直選択信号φＶＳＥＬをインアクティブＬにして画素信号Ｓｏの垂直信号線１９への出力を禁止し、次の読出対象行Ｖｎ＋１について、垂直選択信号φＶＳＥＬをアクティブＨにする（ｔ２６）。このとき、通信・タイミング制御部２０は、次の読出対象行Ｖｎ＋１についての処理に備える。たとえば、カウントモード制御信号ＵＤＣをローレベルにしてカウンタ部２５４をアッダウンカウントモードに設定する。
【０１５４】
この２回目の処理時は、画素信号電圧Ｖｘにおける信号レベルＳsig を電圧比較部２５２で検知してカウント動作を行なっているので、単位画素３の信号成分Ｖsig を読み出して信号レベルＳsig のＡＤ変換を実施することになる。
【０１５５】
ここで、信号レベルＳsig は、リセットレベルＳrst に信号成分Ｖsig を加えたレベルであるので、信号レベルＳsig のＡＤ変換結果のカウント値は、基本的には“Ｄrst ＋Ｄsig ”であるが、アップカウントの開始点を、リセットレベルＳrst のＡＤ変換結果である“−Ｄrst ”としているので、実際に保持されるカウント値は、“−Ｄrst ＋（Ｄsig＋Ｄrst ） ＝Ｄsig ”となる。
【０１５６】
リセットレベルＳrst についてのＡＤ変換期間Ｔrst と信号レベルＳsig についてのＡＤ変換期間Ｔsig の１digit 当たりの電圧値（変換係数）をα［Ｖ／digit ］として、ＡＤ変換結果のカウント値Ｄsig を電圧値に変換すると、信号成分Ｖsig の電圧値はα・Ｄsig となる。
【０１５７】
図示する例では、垂直信号線１９の画素信号電圧ＶｘのリセットレベルＳrst がデジタル値で“１０”で、信号成分Ｖsig がデジタル値で“６０”であり信号レベルＳsig がデジタル値で“７０”の場合を示している。リセットレベルＳrst についてのＡＤ変換期間Ｔrst では、カウンタ値が“−１０”になったとき、参照信号Ｖslopと画素信号電圧Ｖｘが一致（クロス）し、電圧比較部２５２のコンパレート出力がアクティブＬに反転することで、カウンタ部２５４はダウンカウント動作を停止する。したがって、リセットレベルＳrst のＡＤ変換結果は“−１０”となり、この値は、次の画素信号読出し期間である信号レベルＳsig についてのＡＤ変換期間Ｔsig まで保持される。
【０１５８】
次に、信号レベルＳsig についてのＡＤ変換期間Ｔsig では、単位画素３から信号レベルＶsig を読み出して、カウンタ部２５４でアップカウントを開始する。参照信号ＶslopがＡＤ変換期間Ｔrst のときの画素信号電圧Ｖｘの電位になったときに（図中点Ｐ）にカウンタ値はゼロとなり、参照信号Ｖslopと画素信号電圧Ｖｘの信号レベルＳsig が一致したときに、電圧比較部２５２のコンパレート出力がアクティブＬに反転することで、カウンタ部２５４はアップカウント動作を停止する。
【０１５９】
このとき、カウンタ部２５４が実際にアップカウントした回数は“７０”であるが、カウンタ部２５４は負の値の“−１０”からアップカウントを開始しているので、実際のカウンタ値は、“−１０＋７０＝６０ ”となり、信号成分Ｖsig のデジタル値“６０”と等しくなる。
【０１６０】
つまり、本実施形態においては、カウンタ部２５４におけるカウント動作を、１回目の処理時にはダウンカウント、２回目の処理時にはアップカウントとしているので、カウンタ部２５４内で自動的に、リセットレベルＳrst のＡＤ変換結果であるカウント値“−Ｄrst ”と信号レベルＳsig のＡＤ変換結果であるカウント値“Ｄrst ＋Ｄsig ”との間での差分処理（減算処理）が自動的に行なわれ、この差分処理結果に応じたカウント値Ｄsig がカウンタ部２５４に保持される。この差分処理結果に応じたカウンタ部２５４に保持されるカウント値Ｄsig は信号成分Ｖsig に応じたものとなる。
【０１６１】
上述のようにして、１回目の処理時におけるダウンカウントと２回目の処理時におけるアップカウントといった、２回の読出しとカウント処理によるカウンタ部２５４内での差分処理によって、単位画素３ごとのばらつきを含んだリセットレベルＶrst を除去することができ、単位画素３ごとの入射光量に応じた信号成分Ｖsig のみのＡＤ変換結果を簡易な構成で取得することができる。
【０１６２】
よって、本実施形態のカラムＡＤ回路２５は、アナログの画素信号をデジタルの画素データに変換するデジタル変換部としてだけでなく、ＣＤＳ(Correlated Double Sampling ；相関２重サンプリング）処理機能部としても動作することとなる。
【０１６３】
ここで、２回目の処理時は、入射光量に応じた信号成分Ｖsig を読み出してＡＤ変換を行なうので、光量の大小を広い範囲で判定するために、アップカウント期間（ｔ２０〜ｔ２４；比較期間）を広く取り、電圧比較部２５２に供給する参照信号Ｖslopを大きく変化させる必要がある。
【０１６４】
そこで本実施形態では、信号レベルＳsig についての比較処理の最長期間を、たとえば１２ビット分のカウント期間（４０９６クロック）にして、信号レベルＳsig の比較を行なう。つまり、リセットレベルＳrst （リセットレベルＶrst ／基準成分）についての比較処理の最長期間を、信号レベルＳsig についての比較処理の最長期間よりも短くする。リセットレベルＳrst と信号レベルＳsig の双方の比較処理の最長期間すなわちＡＤ変換期間の最大値を同じにするのではなく、リセットレベルＳrst についての比較処理の最長期間を信号レベルＳsig についての比較処理の最長期間よりも短くすることで、２回に亘るトータルのＡＤ変換期間が短くなるように工夫する。
【０１６５】
この場合、１回目と２回目との比較ビット数が異なるが、通信・タイミング制御部２０から制御データを参照信号生成部２７に供給して、この制御データに基づいて参照信号生成部２７にて参照信号Ｖslopを生成するようにすることで、参照信号Ｖslopの傾きすなわち参照信号Ｖslopの変化率を１回目と２回目とで同じにする。デジタル制御で参照信号Ｖslopを生成すれば、参照信号Ｖslopの傾きを１回目と２回目とで同じにすることが容易である。これにより、ＡＤ変換の精度を等しくできるため、アップダウンカウンタによる差分処理結果が正しく得られる。
【０１６６】
また、本実施形態のカラムＡＤ回路２５では、カウンタ部２５４の後段にデータ記憶部２５６を備えており、カウンタ部２５４の動作前に、通信・タイミング制御部２０からのメモリ転送指示パルスＣＮ８に基づき、前行Ｈｘ−１のカウント結果をデータ記憶部２５６に転送することができる。
【０１６７】
つまり、ＡＤ変換期間終了後、カウンタ部２５４内のデータをデータ記憶部２５６へと退避し、カラムＡＤ回路２５は次の行Ｖｘ＋１のＡＤ変換を開始する。データ記憶部２５６内のデータは、その裏で水平走査回路１２により順に選択され、出力回路２８を用いて読み出すことができる。
【０１６８】
データ記憶部２５６を備えない構成では、２回目の読出処理、すなわちＡＤ変換処理が完了した後でなければ画素データをカラム処理部２６の外部に出力することができないので、読出処理には制限があるのに対して、データ記憶部２５６を備えることで、１回目の読出処理（ＡＤ変換処理）に先立って前回の減算処理結果を示すカウント値をデータ記憶部２５６に転送しているので、読出処理には制限がない。
【０１６９】
カウンタ部２５４が保持したカウント結果を、データ記憶部２５６に転送することができるため、カウンタ部２５４のカウント動作すなわちＡＤ変換処理と、カウント結果の水平信号線１８への読出動作とを独立して制御可能であり、ＡＤ変換処理と外部への信号の読出動作とを並行して行なうパイプライン動作が実現できる。
【０１７０】
このように、本実施形態の固体撮像装置１では、アップダウンカウンタを用いつつ、その処理モードを切り替えて２回に亘ってカウント処理を行なうようにした。また、行列状に単位画素３が配列された構成において、カラムＡＤ回路２５を垂直列ごとに設けた列並列カラムＡＤ回路で構成した。
【０１７１】
このため、基準レベル（リセットレベルＳrst ）と信号レベルＳsig との減算処理が２回目のカウント結果として垂直列ごとに直接に取得することができ、リセットレベルＳrst と信号レベルＳsig のそれぞれのカウント結果を保持するメモリ装置をカウンタ部が備えるラッチ機能で実現でき、ＡＤ変換されたデータを保持する専用のメモリ装置をカウンタとは別に用意する必要がない。
【０１７２】
加えて、基準成分に対応する信号レベル（リセットレベルＳrst ）のデジタルデータと信号成分に対応する信号レベルＳsig のデジタルデータとの差を取るための特別な減算器が不要になる。
【０１７３】
たとえば、リセットレベルＳrst についてのＡＤ変換期間Ｔrst ではダウンカウントして単位画素３のリセットレベルＳrst のＡＤ変換結果を保持し、信号レベルＳsig についてのＡＤ変換期間Ｔsig ではアップカウントすることで、リセットレベルＳrst からの信号成分Ｖsig についてのＡＤ変換結果を取得することが可能となり、実質的に、信号成分Ｖsig についてのＡＤ変換とＣＤＳ処理の機能を同時に実現することになる。また、カウンタ部２５４内に保持されたカウント値が示す画素データは正の信号電圧を示すので、負の信号電圧を正の信号電圧にする補数演算などが不要となり、既存のシステムとの親和性が高い。
【０１７４】
また、カウンタ部２５４の後段にデータ記憶部２５６を設けることで、データ記憶部２５６から水平信号線１８および出力回路２８を経た外部への信号出力動作と、現行Ｈｘの読出しおよびカウンタ部２５４のカウント動作とを並行して行なうことができ、より効率のよい信号出力が可能となる。画素信号電圧Ｖｘの信号成分Ｖsig をデジタルデータに変換した値Ｄsig はデータ記憶部２５６に保持された後、水平走査回路１２によって順次外部に読み出されていく。このように、列ごとに、電荷生成部３２で生成された信号電荷がアナログ電気信号さらにデジタルデータまで並列に処理することで、その後の転送はデジタルデータであることから、高速演算が可能であり、高速処理を実現することができる。
【０１７５】
＜シングルスロープ積分型ＡＤ変換方式の問題点の詳細＞
図７および図８は、シングルスロープ積分型ＡＤ変換方式の問題点、特に、アナログの画素信号電圧Ｖｘとデジタルデータに変換するための参照信号Ｖslopとを比較する処理期間が、ＡＤ変換性能、特に変換処理速度に与える影響を説明する図である。ここで、図７は、比較処理期間を短くする手法の一例を説明する図である。また、図８は、図７に示す手法を採った場合における問題点を説明する図である。
【０１７６】
本実施形態のカラム処理部２６（特にカラムＡＤ回路２５）においては、リセットレベル（リセット電位）および信号レベル（信号電位）のそれぞれについてシングルスロープ積分型のＡＤ変換処理を実行し、その際に、リセット電位についてはアップカウントおよびダウンカウントの内の一方のモード（前例ではダウンカウント）で処理し、信号電位についてはアップカウントおよびダウンカウントの内の他方のモード（前例ではアップカウント）で処理することで、２回目のカウント処理結果においては、自動的に、両者の差分結果のデジタルデータが得られるようにしている。
【０１７７】
本実施形態で採用しているシングルスロープ積分型のＡＤ変換方式では、ＡＤ変換の分解能、つまり１ＬＳＢの大きさは、参照信号Ｖslopを変化させている間のカウンタ部２５４のカウントスピード（つまりカウントクロックの周波数）と、参照信号Ｖslopの傾きによって決定される。
【０１７８】
たとえば、カウンタ部２５４が１カウントを行なうのに必要な時間をカウントサイクルとすると、その間に参照信号Ｖslopが変化した量がＡＤ変換の分解能（１ＬＳＢの幅）ということになる。１ＬＳＢの幅が小さい（狭い）ときにはＡＤ変換の分解能が高く、１ＬＳＢの幅が大きい（広い）ときにはＡＤ変換の分解能が低い。
【０１７９】
よって、たとえば、カウントスピードの側面では、スピードが速いほどカウントサイクルが短くなり、参照信号Ｖslopの傾きが同じ場合、その間に参照信号Ｖslopが変化する量、すなわち１ＬＳＢの幅は小さく、ＡＤ変換の分解能が高くなる。また、参照信号Ｖslopの傾きが同じ場合、カウントスピードが速いほど参照信号Ｖslopと垂直信号線１９上の信号電圧とが一致する時点までの計数値が進むので、大きなデジタルデータが得られるようになり、ＡＤ変換のゲインが高くなる。このことは、カウントスピードを変えることがＡＤ変換ゲインを調整することと等価であり、読出ゲインを制御していることと等価であることを意味する。
【０１８０】
また、参照信号Ｖslopの傾きの側面では、カウントスピードが同じ場合、傾きが緩やかなほど、その間に参照信号Ｖslopが変化する量、すなわち１ＬＳＢの幅は小さく、ＡＤ変換の分解能が高くなる。また、カウントスピードが同じ場合、傾きが緩やかなほど参照信号Ｖslopと垂直信号線１９上の信号電圧とが一致する時点が遅くなるので、大きなデジタルデータが得られるようになり、ＡＤ変換のゲインが高くなる。
【０１８１】
つまり、カウントスピードを同じにした状態で、参照信号Ｖslopの傾きを変えて１ＬＳＢの幅を制御すれば、参照信号Ｖslopと垂直信号線１９上の画素信号電圧Ｖｘとが一致する時点が調整されることになり、その結果、垂直信号線１９上の画素信号電圧Ｖｘが同じであっても、一致する時点の計数値、すなわち信号電圧のデジタルデータが調整されることになる。このことは、参照信号Ｖslopの傾きを変えることがＡＤ変換ゲインを調整することと等価であり、読出ゲインを制御していることと等価であることを意味する。
【０１８２】
このとき、さらなる高速化や高精度化を求めるには、カラムＡＤ回路２５の高速化が必要となる。このカラムＡＤ回路２５において、高速化のためには、参照信号Ｖslopを調整しないものとすれば、カウンタ部２５４の速度向上が必要となる。カウンタの速度を速めるためにはカウンタの分周動作を高速にする必要がある。このためにはカウンタ部２５４に供給するカウントクロックＣＫ０を高速にすることが考えられる。しかしながら、高速クロックをカラムＡＤ回路２５に通させなければならないことや、各列の全てのカラムＡＤ回路２５が高速にカウント動作することで、消費電力が増加するなどの問題が発生してしまう。
【０１８３】
これらの問題を解消しつつＡＤ変換処理の高速化を図るには、カウントクロックを高速にすることなく、参照信号Ｖslop側を調整してＡＤ変換の階調を可変にすることでカウント時間を圧縮し高速化を図ることが考えられる。
【０１８４】
たとえば、単位画素３から出力される光強度に対する光信号出力（センサ出力：sensor output ）には、図７（Ａ）に示すように、光粒子に対応する信号成分（signal response ）の他に、画素信号生成部５が持つ背景ノイズ成分（sensor noise floor）や光ショットノイズ（photon shot noise ）と言われるノイズ成分が載ることが知られている。
【０１８５】
センサ出力をＡＤ変換する場合には、背景ノイズ以下のレベルをＡＤ変換しても信号成分がこの背景ノイズに埋もれてしまうので意味がないので、少なくとも背景ノイズレベル以上がＡＤ変換の有効範囲となる。
【０１８６】
光ショットノイズは、光信号に応じた光電子に対して１／２乗で変化する。したがって、信号量が少ない場合には光ショットノイズが少なく高分解能でＡＤ変換することで光信号を高精度にＡＤ変換できるが、信号量が多くなると光ショットノイズも相当に多くなり高分解能でＡＤ変換しても、光ショットノイズの分があるために、必ずしも光信号を高精度にＡＤ変換できることにはならない。
【０１８７】
このことは、光ショットノイズが多くなる光信号の強い領域では、光ショットノイズの分を除いた分についての信号成分に関しての分解能があれば十分であり、その限りにおいてＡＤ変換の分解能を低下させても（換言すれば量子化ステップを粗くしても）、ＡＤ変換結果の精度としては、何ら不都合はないことを意味する。このことを利用して、信号量が多くなってくるとＡＤ変換の精度を調整すれば、換言すれば、分解能や量子化ステップを調整する手法を採れば、信号の大きさに応じてＡＤ変換の高速化を図ることができると考えられる。
【０１８８】
たとえば、図７（Ｂ）に示すように、センサ出力（信号成分Ｖsig に対応する光電子数：単位は「ａ．ｕ．」）がレベル０〜レベル１までの間は量子化ステップを１ＬＳＢにし、レベル１〜レベル２までの間は量子化ステップを２ＬＳＢにし、以後、同様にして、段階的に、レベルがアップするほど量子化ステップを粗くする、つまり分解能を低下させるようにする。
【０１８９】
このことは、センサ出力レベルがアップするほど、カウンタ部２５４のカウント実行部５０４を構成するフリップフロップ５１０の下位ビット側の出力を、センサ出力レベル順に無視し、上位ビット側のフリップフロップ５１０のみを動作させることができることを意味する。
【０１９０】
一方、センサ出力レベルに応じて段階的に分解能を変化させるには、前述の説明から理解されるように、図７（Ｃ）に示すように、参照信号Ｖslopの傾きを、段階的により急になるように変更していき、単位時間当たりの電圧の変化すなわち１カウント当たりの電圧差（ｍＶ／digit ）を変化させるようにすればよい。
【０１９１】
ただし、このままでは、ＡＤ変換ゲインが小さくなるので、センサ出力に対するＡＤ変換結果の線形性が崩れてしまう。たとえば、リセットレベルＳrst についてのＡＤ変換期間Ｔrst と信号レベルＳsig についてのＡＤ変換期間Ｔsig における変化点以前の１digit 当たりの電圧値（変換係数）をα［Ｖ／digit ］とすると、変化点以降における１digit 当たりの電圧値（変換係数）はα／Ｊとなる。このため、ＡＤ変換結果のカウント値Ｄをそのまま電圧値に変換すると、変化点のカウント値をｍとしたとき、“α・ｍ＋（Ｄ−ｍ）・α／Ｊ”となり、センサ出力の大きさが不正確となる。
【０１９２】
これを避けるには、参照信号Ｖslopの傾きの変化度合いを相殺するようにカウントクロックを高速にすることでゲイン補正を加える、つまりカウンタ値と電圧値の関係ΔＶ／Δｔを一定に保つようにすることも考えられる。しかしながら、単純にカウントクロックを高速にすることは、前述のような問題を招くので、事実上は採用できない。
【０１９３】
したがって、実際には、カウントクロックは変更せずに、参照信号Ｖslopの傾きを変えた箇所から、参照信号Ｖslopの傾きに応じて、ＡＤ変換結果のカウンタ値に対して補正を加える必要がある。たとえば、“α・ｍ＋（Ｄ−ｍ）・α／Ｊ・Ｊ”というように補正を加えると、“α・ｍ＋（Ｄ−ｍ）・α＝α・Ｄ”となり、センサ出力の大きさが正確に得られる。
【０１９４】
しかしながら、本実施形態の固体撮像装置１では、列ごとに設けられた複数の電圧比較部２５２にＤＡ変換回路２７ａから共通に参照信号Ｖslopを供給して、複数列の画素信号電圧Ｖｘについて同時並行的に比較処理を行なうようにしているので、参照信号Ｖslopの傾きを変化させると、リセットレベルＳrst が複数列の単位画素３ごとにばらつくので、信号成分Ｖsig に対する変化ポイントが単位画素３ごとにばらつく。よって、補正箇所（変化点のカウント値ｍ）を列ごとに変えて演算しなければならない。
【０１９５】
ところが、カウントクロック切替部５１６を設けずに、カウンタ部２５４の各フリップフロップ５１０を、カウントクロックＣＩＮで順に単純に非同期動作をさせていたのでは、実際には、その補正箇所（変化点のカウント値ｍ）を既知の値として取得することができず、補正することができない。
【０１９６】
たとえば、図８において、画素信号電圧Ｖｘ_0，Ｖｘ_1は、それぞれ異なる列の垂直信号線１９_0，１９_1の電位である。既に説明したように、画素アレイ部１０は、単位画素３ごとに画素内アンプ（画素信号生成部５）を有しているため、単位画素３ごとにリセットレベルＳrst がばらつく。
【０１９７】
したがって、たとえば、図８において、画素信号電圧Ｖｘ_0のリセットレベルＳrst_0 のデジタル値Ｄrst_0 が“−１０”であるのに対して、画素信号電圧Ｖｘ_1のリセットレベルＳrst_1 のデジタル値Ｄrst_1 が“０”といった具合にばらつくこともある。その差は小さいけれども、ばらつきを持つことには変わりがない。各画素信号電圧Ｖｘ_0，Ｖｘ_1の信号成分Ｖsig_0 ，Ｖsig_1 についてのＡＤ変換結果としては、カラムＡＤ回路２５におけるＣＤＳ機能により除去されるのは説明した通りである。
【０１９８】
ここで、信号レベルＳsig についてのＡＤ変換期間Ｔsig 中の点Ｒ（ｔ２１）で参照信号Ｖslopの傾きをＪ倍（たとえば２倍）に変化させる。このとき、垂直信号線１９_0の画素信号電圧Ｖｘ_0（Ｖｒ）はカウンタ値ｍ０にデジタル変換され、垂直信号線１９_1の画素信号電圧Ｖｘ_1（Ｖｒ）はカウンタ値ｍ１にデジタル変換される。
【０１９９】
このとき、カウンタ部２５４_0，２５４_1が実際にアップカウントした回数は、期間“ｔ２１−ｔ２０”とカウントクロックの周期で決まるので、何れも同じであるが、それぞれ異なるリセットレベルＳrst_0 ，Ｓrst_1 に応じた負の値Ｄrst_0 ，Ｄrst_1 からアップカウントを開始しているので、点Ｒ（ｔ２１）でのカウンタ値ｍ０，ｍ１は、それぞれ異なった値となる。
【０２００】
さらに、画素信号電圧Ｖｘ_0に関しては、点Ｒ（ｔ２１）以降の低分解能期間Ｔsig_L1で、信号レベルＳsig_0 が参照信号Ｖslopと一致した時点（ｔ２２_0）で、カウンタ部２５４_0がその時点のカウント値ｙ０を保持してストップする。同様に、画素信号電圧Ｖｘ_1に関しては、信号レベルＳsig_1 が参照信号Ｖslopと一致した時点（ｔ２２_1）で、カウンタ部２５４_1がその時点のカウント値ｙ１を保持してストップする。
【０２０１】
ここで、信号成分Ｖsig についてのＡＤ変換処理において、信号レベルＳsig と参照信号Ｖslopとが一致する前に参照信号Ｖslopを変化させた場合においても、信号成分Ｖsig を忠実に反映したデジタルデータＤsig を取得するためには、参照信号Ｖslopの傾きを変えた箇所から、参照信号Ｖslopの傾きに応じて、最終カウント値ｙに対して補正を加える必要がある。
【０２０２】
この補正のためには、変化点以降のカウント数ΔＣ（＝最終カウント値ｙ−変化点のカウント数ｍ）を、参照信号Ｖslopの傾き変化（Ｊ倍）に伴うＡＤ変換ゲインの低下（１／Ｊ倍）分を相殺するように補正しなければならない。これを式で表わすと、“ｍ＋（ｙ−ｍ）＊Ｊ”とすればよく、この補正結果に対して、１digit 当たりの電圧値（変換係数）αを掛けると、正確なセンサ出力電圧が得られる。
【０２０３】
ただし、変化点のカウント数ｍは、単位画素３ごとに異なるリセット成分（リセットレベルＳrst ）の影響を受けるので、たとえば、“ｍ０＋（ｙ０−ｍ０）＊Ｊ”，“ｍ１＋（ｙ１−ｍ１）＊Ｊ”のように、単位画素３の別に補正しなければならないことになる。ところが、補正箇所のカウンタ値ｍ０，ｍ１は、カウンタ部２５４では保持されておらず、既知の値でないために補正することができない。
【０２０４】
補正箇所ｍ０，ｍ１の値をカウンタ部２５４で保持するには、別途それ用のビット分（前例では１２ビット分）のデータ保持回路を設けることが考えられるが、その分、回路規模が大きくなる。
【０２０５】
そこで、本実施形態では、カウンタ部２５４に補正箇所ｍ０，ｍ１の値を保持するためのビット分（前例では１２ビット分）のデータ保持回路を設ける代わりに、たとえばカウンタ部２５４のカウント実行部５０４の構成を、たとえば図４，図５に示したように、大元のカウントクロックＣＩＮの周波数は高速化することなく、上位ビットデータの分周動作のみを高速化する対応をとる。
【０２０６】
すなわち、センサ出力レベルがアップしたときに備えて参照信号Ｖslopの傾きをより急になる方向に変化させたときには、フリップフロップ５１０をより高速にカウント動作（分周動作）をするように制御する。
【０２０７】
また、センサ出力レベルがアップした際には、図７（Ｂ）に示したように、光ショットノイズも大きくなっているので、量子化ステップを粗くする、つまり分解能を低下させるようにする。このために、下位ビット出力を無効にして、残りの上位ビット出力のみを有効なものとして使用するようにする。そして、上位ビットデータ用に動作させる必要のあるフリップフロップ５１０については、より高速にカウント動作（分周動作）をするようにする。
【０２０８】
たとえば、図４，図５に示したように、下位ビット出力用に使用されていたより高速のクロック入力を、分解能を切り替えるセンサ出力レベルに合わせて上位ビット側に伝達していく。こうすることで、元のカウントクロック（本例ではＣＩＮ）に対する上位ビットの分周動作を、分解能を切り替える動作に連動させて順次高速にしていく。
【０２０９】
カウントクロック切替部５１６を必要とするが、補正箇所ｍ０，ｍ１の値を保持するためのビット分（前例では１２ビット分）のデータ保持回路に比べると、その規模は小さくて済む。大元のカウントクロックＣＩＮの周波数は同じであるので、消費電力の増大も起きない。回路構成によっては、無効として取り扱う下位ビット側のフリップフロップ５１０のカウント動作を停止させることで、消費電力を低減することもできる。
【０２１０】
以下、参照信号Ｖslopの傾きを変化させる（より急にする）とともに、参照信号Ｖslopの傾き変化に合わせてカウンタの分周動作を変化させる（より高速にする）仕組みについて、具体的に説明する。
【０２１１】
＜高速ＡＤ変換への対処方法＞
図９〜図１１は、図４，図５に示したカウント実行部５０４による高速ＡＤ変換への対処方法を説明する図である。ここで、図９は、高速ＡＤ変換対応時のカラムＡＤ回路２５における信号取得差分処理を説明するためのタイミングチャートである。図１０は、カウントクロック切替部５１６を動作させたときの効果を説明する図である。図１１は、参照信号Ｖslopの傾き変更制御とカウンタの分周速度制御との関係を示した図である。
【０２１２】
たとえば、図９（Ａ），（Ｂ）において、画素信号電圧Ｖｘ_0，Ｖｘ_1は、それぞれ異なる列の垂直信号線１９_0，１９_1の電位である。
【０２１３】
リセットレベルＳrst についてのＡＤ変換期間Ｔrst においては、単位画素３のリセットレベルＳrst_0 ，Ｓrst_1 が読み出され、カウンタ部２５４_0，２５４_1は、そのリセットレベルＳrst_0 ，Ｓrst_1 をダウンカウントする。このとき、カウントクロック制御信号ＴＨ00〜ＴＨ11は全てインアクティブＬである。たとえば、画素信号電圧Ｖｘ_0のリセットレベルＳrst_0 のデジタル値Ｄrst_0 が“−１０”であるのに対して、画素信号電圧Ｖｘ_1のリセットレベルＳrst_1 のデジタル値Ｄrst_1 が“０”といった具合にばらつくものとする。
【０２１４】
次に、信号レベルＳsig についてのＡＤ変換期間Ｔsig においては、最初は参照信号ＶslopをＡＤ変換期間Ｔrst と同じ傾きで変化させつつ、カウンタ部２５４では、各デジタル値Ｄrst_0 ，Ｄrst_1 からアップカウントを開始する。このとき、データ保持制御パルスHLDC00〜HLDC11は全てインアクティブＬであるし、カウントクロック制御信号ＴＨ00〜ＴＨ11は全てインアクティブＬである。
【０２１５】
そして、点Ｒ（ｔ２１）で参照信号Ｖslopの傾きをｊ倍（たとえば２倍）に変化させるとともに、フリップフロップ５１０の分周動作をｋ（好ましくはｋ＝ｊ）倍に高速化させる。
【０２１６】
たとえば、点Ｒ（ｔ２１）で参照信号Ｖslopの傾きを２倍に変化させるのと同時に、データ保持部５１２_00 へのデータ保持制御パルスHLDC00をアクティブＨに切り替えるとともに、カウントクロック切替部５１６_00 へのカウントクロック制御信号ＴＨ00をアクティブＨに切り替える。
【０２１７】
このとき、垂直信号線１９_0の画素信号電圧Ｖｘ_0はカウンタ値ｍ０にデジタル変換され、垂直信号線１９_1の画素信号電圧Ｖｘ_1はカウンタ値ｍ１にデジタル変換される。カウンタ部２５４_0，２５４_1が実際にアップカウントした回数は、期間“ｔ２１−ｔ２０”とカウントクロックの周期で決まるので、何れも同じであるが、それぞれ異なる負の値Ｄrst_0 ，Ｄrst_1 からアップカウントを開始しているので、点Ｒ（ｔ２１）でのカウンタ値ｍ０，ｍ１は、それぞれ異なった値となる。この点は、カウントクロック切替部５１６を備えない構成と同じである。
【０２１８】
またこのとき、データ保持制御パルスHLDC00がアクティブＨになることで、最下位ビットのフリップフロップ５１０_00 に記録されたデータが保持される。事実上、点Ｒ（ｔ２１）以降は、この最下位ビット出力が無効化される。点Ｒ（ｔ２１）以降では最下位ビット出力が無効化されるので、点Ｒ（ｔ２１）以降は低分解能期間Ｔsig_L1となる。
【０２１９】
また、同時に、カウントクロック制御信号ＴＨ00がアクティブＨになると、最下位ビット（０ビット目）のフリップフロップ５１０_00 の入力クロックが２段目（１ビット目）のフリップフロップ５１０_01 のクロック端へ伝達される。カウンタ部２５４は、最下位ビットのクロック周期が次のビットに伝達されることで、最下位ビットを除く残りの上位ビット出力の分周動作が２倍となり、以前よりも量子化ステップを粗くしつつ２倍のスピードでカウントアップを開始する。
【０２２０】
たとえば、図１０は、カウントクロック制御信号ＴＨ00と参照信号Ｖslopの傾きが変化したときの各ビットのフリップフロップ５１０の出力を示している。カウントクロック制御信号ＴＨ00が点Ｒ（ｔ２１）にてアクティブＨに切り替わることで、最下位ビットのフリップフロップ５１０_00 に供給されていたカウントクロックＣＩＮが２段目のフリップフロップ５１０_01 に伝達され、切替え後は、上位ビットでは切替え前よりも高速で動作するようになる。ただし、以前の最下位ビット出力は無効になるので、以前よりも量子化ステップは粗くなる。
【０２２１】
たとえば、カウントクロック制御信号ＴＨ00の切替え前の１段目のフリップフロップ５１０_00 のカウント出力Ｄ00が１００ＭＨｚの周期である場合、２段目のフリップフロップ５１０_01 のカウント出力Ｄ01が５０ＭＨｚの周期になっている。これに対して、カウントクロック制御信号ＴＨ00がＨレベルに切り替わると、２段目のフリップフロップ５１０_01 のカウント出力Ｄ01が１００Ｈｚの周期となり、上位ビットでは２倍の速度で分周動作をするようになる。
【０２２２】
さらに、画素信号電圧Ｖｘ_0に関しては、点Ｒ（ｔ２１）以降の低分解能期間Ｔsig_L1で、信号レベルＳsig_0 が参照信号Ｖslopと一致した時点（ｔ２２_0）で、カウンタ部２５４_0がその時点のカウント値ｚ０を保持してストップする。同様に、画素信号電圧Ｖｘ_1に関しては、信号レベルＳsig_1 が参照信号Ｖslopと一致した時点（ｔ２２_1）で、カウンタ部２５４_1がその時点のカウント値ｚ１を保持してストップする。
【０２２３】
このとき、参照信号Ｖslopの傾きが点Ｒ（ｔ２１）以前の傾きに対して２倍になっており、カウンタ部２５４のフリップフロップ５１０の上位ビットも２倍の速度で分周動作をするので、カウンタ値と電圧値の関係は、２ΔＶ／２Δｔ＝ΔＶ／Δｔとなり、変化点Ｒ（ｔ２１）での列ごとのカウンタ値ｍ０，ｍ１がそれぞれ異なった値をとっても、つまり列ごとに変化点がばらついても、その変化点に関係なくカウンタ値と電圧値の関係ΔＶ／Δｔは一定に保たれることで、センサ出力に対するＡＤ変換結果の線形性を維持できる。
【０２２４】
最終カウント値ｚ０，ｚ１は変化点のカウンタ値ｍのばらつきの影響を受けなくなるので、最終カウント値ｚ０，ｚ１を使用するだけでもよくなるのである。最終カウント値ｚ０，ｚ１そのものが、自動的に、信号成分Ｖsig を忠実に反映したデジタルデータＤsig となっているからである。この結果、参照信号Ｖslopの傾きを変えた箇所から、参照信号Ｖslopの傾きに応じてカウンタ値ｚ０，ｚ１の補正を行なうと言った処理が不要になる。
【０２２５】
すなわち、本実施形態では、変化点Ｒ（ｔ２１）以降では、カウンタの分周速度を、参照信号Ｖslopの傾き変化（Ｊ倍）に伴うＡＤ変換ゲインの低下（１／Ｊ倍）分を相殺するようにＪ倍にしている。したがって、信号成分Ｖsig についてのＡＤ変換処理において、信号レベルＳsig と参照信号Ｖslopとが一致する前に参照信号Ｖslopを変化させても、自動的に、参照信号Ｖslopの傾きを変えた箇所から、参照信号Ｖslopの傾き増大（Ｊ倍）に対応するようにＡＤ変換ゲインも増大（Ｊ倍）してアップカウントを行ない最終カウント値ｚを取得する。これにより、変化点Ｒ（ｔ２１）以降の低分解能期間Ｔsig_L1でも、それ以前と同じゲインが掛かってＡＤ変換されることになる。
【０２２６】
たとえば、リセットレベルＳrst についてのＡＤ変換期間Ｔrst と信号レベルＳsig についてのＡＤ変換期間Ｔsig における変化点Ｒ（ｔ２１）以前の１digit 当たりの電圧値（変換係数）をα［Ｖ／digit ］とすると、変化点Ｒ（ｔ２１）以降の低分解能期間Ｔsig_L1における１digit 当たりの電圧値（変換係数）はＪ×１／Ｊ×αとなり、αが維持されるのである。
【０２２７】
したがって、最終的なカウンタ値ｚが与える信号成分Ｖsig は、α・Ｄsig として、正しく得ることができる。これにより、参照信号Ｖslopの傾き変化（Ｊ倍）に伴うＡＤ変換ゲインの低下（１／Ｊ倍）分を相殺するような補正を最終カウント値ｚに対して加える必要がないのである。
【０２２８】
たとえば、垂直信号線１９_0，１９_1の各画素信号電圧Ｖｘ_0，Ｖｘ_1における信号成分Ｖsig が、何れもデジタル値で“１００”であり、画素信号電圧Ｖｘ_0のリセットレベルＳrst_0が“１０”，画素信号電圧Ｖｘ_1のリセットレベルＳrst_1が“０”であるものとする。また、信号レベルＳsig についてのＡＤ変換期間Ｔsig においては、６０カウントに相当する時点Ｒ（ｔ２１）にて、参照信号Ｖslopの傾きを２倍に変化させ、かつカウント動作を２倍に高速化するものとする。
【０２２９】
この場合、画素信号電圧Ｖｘ_0についてのＡＤ変換を担当するカウンタ部２５４_0では、信号レベルＳsig についてのＡＤ変換期間Ｔsig においては、リセットレベルＳrst についてのＡＤ変換期間Ｔrst において取得したカウント値“−Ｄrst_0 ”（＝−１０）を始点としてアップカウントを開始するので、時点Ｒ（ｔ２１）でのカウント値ｍ０は“５０”となる。このときには、信号成分Ｖsig のデジタル値１００における５０カウント分までがＡＤ変換されていることになる。
【０２３０】
また、カウンタ部２５４_0は、その後の低分解能期間Ｔsig_L1では２倍でカウント動作をして、さらに５０カウント分に達する時点（ｔ２２_0）で、信号レベルＳsig_0 が参照信号Ｖslopと一致するので、その時点のカウント値ｚ０（＝１００）を保持してストップする。
【０２３１】
これに対して、画素信号電圧Ｖｘ_1についてのＡＤ変換を担当するカウンタ部２５４_1では、信号レベルＳsig についてのＡＤ変換期間Ｔsig においては、リセットレベルＳrst についてのＡＤ変換期間Ｔrst において取得したカウント値“−Ｄrst_0 ”（＝０）を始点としてアップカウントを開始するので、時点Ｒ（ｔ２１）でのカウント値ｍ０は“６０”となる。このときには、信号成分Ｖsig のデジタル値１００における６０カウント分までがＡＤ変換されていることになる。
【０２３２】
また、カウンタ部２５４_1は、その後の低分解能期間Ｔsig_L1では２倍でカウント動作をして、さらに４０カウント分に達する時点（ｔ２２_1）で、信号レベルＳsig_1 が参照信号Ｖslopと一致するので、その時点のカウント値ｚ１（＝１００）を保持してストップする。
【０２３３】
このことから分かるように、画素信号電圧ＶｘにおけるリセットレベルＳrst が異なることで参照信号Ｖslopの傾きを変化させた時点のカウント値ｍ（変化点）が異なることになっても、最終的なカウンタ値ｚ、すなわち信号成分Ｖsig のデジタルデータＤsig は、その影響を受けることなく、信号成分Ｖsig が同じであれば、最終的なカウンタ値ｚ（＝Ｄsig ）は一致する。最終的なカウンタ値ｚに対して、単位画素３の別に補正する必要はなく、当然に、変化点のカウンタ値ｍを保持する機能部も不要である。
【０２３４】
なお、前述の説明では、参照信号Ｖslopの傾きを２倍にするとともにカウンタ部２５４の分周動作を２倍に高速化させる事例を示したが、これに限らず、センサ出力レベルの上昇に合わせて、参照信号Ｖslopの傾きをさらに数段階で変化させるとともにフリップフロップ５１０をより高速にカウント動作（分周動作）をするように制御し、この際には、量子化ステップをさらに粗くすることができる。
【０２３５】
たとえば、カウント実行部５０４を図４，図５に示した構成とする場合、図１１に示すように、参照信号Ｖslopの傾きを４倍にするとともにカウントクロック制御信号ＴＨ01もアクティブＨにしてカウンタ部２５４の２ビット目以降の分周動作を４倍に高速化させることができる。さらに、参照信号Ｖslopの傾きを８倍にするとともにカウントクロック制御信号ＴＨ02もアクティブＨにしてカウンタ部２５４の３ビット目以降の分周動作を８倍に高速化させることができる。
【０２３６】
以下同様にして、参照信号Ｖslopの傾きを２＾Ｓ（Ｓは正の整数；“＾”はべき乗を示す）倍にするとともにカウントクロック制御信号ＴＨ0T（Ｔ＝Ｓ−１）もアクティブＨにしてカウンタ部２５４のＳビット目以降の分周動作を２＾Ｓ倍に高速化させることができる。
【０２３７】
このように、信号成分Ｖsig の大きさ（換言すれば光ショットノイズの大きさ）に合わせて、参照信号Ｖslopの傾きをＪ１（＝２）倍、Ｊ２（＝４）倍、Ｊ３（＝８）倍、…というように数段階で変化させる（順次より急にしていく）と、参照信号Ｖslopがフルスイングする時間が一層短縮され、ＡＤ変換をより高速に行なうことができる。
【０２３８】
また、参照信号Ｖslopの傾き変化に合わせてカウンタの分周動作を、Ｋ１（＝２）倍、Ｋ２（＝４）倍、Ｋ３（＝８）倍、…というように複数段階で高速分周動作となるように変化させ下位ビットデータを無効にしていくと、画素信号電圧Ｖｘにおけるリセットレベルのばらつきを起因とする参照信号Ｖslopの変化点のカウンタ値のばらつきの影響を受けることなく、また、信号成分Ｖsig に応じた正しいカウント値を最終出力として取得できる。より多くの下位ビットデータを無効に取り扱うことになるので量子化ステップがさらに粗くなりＡＤ変換時の分解能が一層低下することになるが、光ショットノイズとの関係で、ＡＤ変換結果は、実質的には精度低下が問題となることはないと考えてよい。
【０２３９】
参照信号Ｖslopの傾きを急に（大きく）して比較処理に要する時間を短縮するので、カウンタの動作回数を減らすことが可能となるため高速なＡＤ変換が可能となる、つまりＡＤ変換時間を短縮できる。また逆にＡＤ変換時間を同じとした場合は、カウンタ動作を減らすことができるので低消費電力化が可能となる。
【０２４０】
また、カウンタの分周動作を複数段階で高速化させる際に、下位ビット出力を順次無効にして残りの上位ビット出力の分周動作のみを高速化させることで量子化ステップを粗くするようにすれば、上位ビット出力を制御する大元のカウントクロックは元のカウントクロックＣＩＮと同じ速度にしておいてもよくなる。ＡＤ変換の分解能は低減するが、実質的には、カウンタ全体としては、元のカウントクロックＣＩＮに基づいて動作する点に変わりがなく、消費電力の増加は起きない。また、光ショットノイズを利用して信号成分Ｖsig が大きくなるほど量子化ステップを粗くしてＡＤ変換精度を低下させるので、実質的なＡＤ変換精度は著しく損なうことはない。
【０２４１】
なお、参照信号Ｖslopの傾きを変化させる点Ｒは可変であり、光ショットノイズと量子化ノイズとの関係に基づいて、より高精度を求めるか高速性を求めるかで目的に応じてモード切替を行なうようにすればよい。
【０２４２】
また、前例では、参照信号Ｖslopの傾きを２＾Ｓ倍にするに当たり、Ｓを１，２，３と１ずつ変化させる事例で示したが、これに限らず、たとえば、２，４，…など、その変化ステップは任意である。これに関しても、光ショットノイズと量子化ノイズとの関係に基づいて、より高精度を求めるか高速性を求めるかで目的に応じてモード切替を行なうようにすればよい。
【０２４３】
＜撮像装置＞
図１２は、前述の固体撮像装置１と同様の仕組みを利用した物理情報取得装置の一例である撮像装置の概略構成を示す図である。この撮像装置８は、可視光カラー画像を得る撮像装置になっている。
【０２４４】
前述した固体撮像装置１の仕組みは固体撮像装置のみではなく、撮像装置にも適用可能である。この場合、撮像装置としても、信号成分Ｖsig の大きさに合わせて、参照信号Ｖslopの傾きを段階的に変化させる（より急にしていく）とともに、参照信号Ｖslopの傾き変化に合わせてカウンタの分周動作を段階的に変化させ（より高速にしていく）、さらに、分周動作を段階的に変化させる際には、下位ビット出力を順次無効にして残りの上位ビット出力の分周動作のみを段階的に変化させる仕組みを採ることで、参照信号Ｖslopの傾き変化に伴うＡＤ変換結果に対する補正を要することなく、また実質的な変換精度を損なうことなく、ＡＤ変換を高速に実現できるようになる。
【０２４５】
この際、参照信号Ｖslopの傾き変化点や傾きの大きさおよびその段階数の制御、並びに傾き変化を相殺するためのカウンタの分周速度の高速化の制御は、外部の主制御部において、光ショットノイズと量子化ノイズとの関係に基づいてより高精度を求めるか高速性を求めるかといった目的に応じたモード切替指示を通信・タイミング制御部２０に対するデータ設定で任意に指定できるようにする。
【０２４６】
具体的には、撮像装置８は、蛍光灯などの照明装置８０１の下にある被写体Ｚの像を担持する光Ｌを撮像装置側に導光して結像させる撮影レンズ８０２と、光学ローパスフィルタ８０４と、たとえばＲ，Ｇ，Ｂの色フィルタがベイヤ配列とされている色フィルタ群８１２と、画素アレイ部１０と、画素アレイ部１０を駆動する駆動制御部７と、画素アレイ部１０から出力された画素信号に対してＣＤＳ処理やＡＤ変換処理などを施すカラム処理部２６と、カラム処理部２６に参照信号Ｖslopを供給する参照信号生成部２７と、カラム処理部２６から出力された撮像信号を処理するカメラ信号処理部８１０を備えている。
【０２４７】
光学ローパスフィルタ８０４は、折返し歪みを防ぐために、ナイキスト周波数以上の高周波成分を遮断するためのものである。また、図中に点線で示しように、光学ローパスフィルタ８０４と合わせて、赤外光成分を低減させる赤外光カットフィルタ８０５を設けることもできる。この点は、一般的な撮像装置と同様である。
【０２４８】
カラム処理部２６の後段に設けられたカメラ信号処理部８１０は、撮像信号処理部８２０と、撮像装置８の全体を制御する主制御部として機能するカメラ制御部９００とを有する。
【０２４９】
撮像信号処理部８２０は、色フィルタとして原色フィルタ以外のものが使用されているときにカラム処理部２６のＡＤ変換機能部から供給されるデジタル撮像信号をＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の原色信号に分離する原色分離機能を具備した信号分離部８２２と、信号分離部８２２によって分離された原色信号Ｒ，Ｇ，Ｂに基づいて色信号Ｃに関しての信号処理を行なう色信号処理部８３０とを有する。
【０２５０】
また撮像信号処理部８２０は、信号分離部８２２によって分離された原色信号Ｒ，Ｇ，Ｂに基づいて輝度信号Ｙに関しての信号処理を行なう輝度信号処理部８４０と、輝度信号Ｙ／色信号Ｃに基づいて映像信号ＶＤを生成するエンコーダ部８６０とを有する。
【０２５１】
色信号処理部８３０は、図示を割愛するが、たとえば、ホワイトバランスアンプ、ガンマ補正部、色差マトリクス部などを有する。ホワイトバランスアンプは、図示しないホワイトバランスコントローラから供給されるゲイン信号に基づき、信号分離部８２２の原色分離機能部から供給される原色信号のゲインを調整（ホワイトバランス調整）し、ガンマ補正部および輝度信号処理部８４０に供給する。
【０２５２】
ガンマ補正部は、ホワイトバランスが調整された原色信号に基づいて、忠実な色再現のためのガンマ（γ）補正を行ない、ガンマ補正された各色用の出力信号Ｒ，Ｇ，Ｂを色差マトリクス部に入力する。色差マトリクス部は、色差マトリクス処理を行なって得た色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙをエンコーダ部８６０に入力する。
【０２５３】
輝度信号処理部８４０は、図示を割愛するが、たとえば、信号分離部８２２の原色分離機能部から供給される原色信号に基づいて比較的周波数が高い成分までをも含む輝度信号ＹＨを生成する高周波輝度信号生成部と、ホワイトバランスアンプから供給されるホワイトバランスが調整された原色信号に基づいて比較的周波数が低い成分のみを含む輝度信号ＹＬを生成する低周波輝度信号生成部と、２種類の輝度信号ＹＨ，ＹＬに基づいて輝度信号Ｙを生成しエンコーダ部８６０に供給する輝度信号生成部とを有する。
【０２５４】
エンコーダ部８６０は、色信号副搬送波に対応するデジタル信号で色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙをデジタル変調した後、輝度信号処理部８４０にて生成された輝度信号Ｙと合成して、デジタル映像信号ＶＤ（＝Ｙ＋Ｓ＋Ｃ；Ｓは同期信号、Ｃはクロマ信号）に変換する。
【０２５５】
エンコーダ部８６０から出力されたデジタル映像信号ＶＤは、さらに後段の図示を割愛したカメラ信号出力部に供給され、モニター出力や記録メディアへのデータ記録などに供される。この際、必要に応じて、ＤＡ変換によってデジタル映像信号ＶＤがアナログ映像信号Ｖに変換される。
【０２５６】
本実施形態のカメラ制御部９００は、コンピュータが行なう演算と制御の機能を超小型の集積回路に集約させたＣＰＵ（Central Processing Unit ）を代表例とする電子計算機の中枢をなすマイクロプロセッサ（microprocessor）９０２と、読出専用の記憶部であるＲＯＭ（Read Only Memory）９０４、随時書込みおよび読出しが可能であるとともに揮発性の記憶部の一例であるＲＡＭ（Random Access Memory）９０６と、図示を割愛したその他の周辺部材を有している。マイクロプロセッサ９０２、ＲＯＭ９０４、およびＲＡＭ９０６を纏めて、マイクロコンピュータ（microcomputer ）とも称する。
【０２５７】
なお、上記において“揮発性の記憶部”とは、装置の電源がオフされた場合には、記憶内容を消滅してしまう形態の記憶部を意味する。一方、“不揮発性の記憶部”とは、装置のメイン電源がオフされた場合でも、記憶内容を保持し続ける形態の記憶部を意味する。記憶内容を保持し続けることができるものであればよく、半導体製のメモリ素子自体が不揮発性を有するものに限らず、バックアップ電源を備えることで、揮発性のメモリ素子を“不揮発性”を呈するように構成するものであってもよい。
【０２５８】
また、半導体製のメモリ素子により構成することに限らず、磁気ディスクや光ディスクなどの媒体を利用して構成してもよい。たとえば、ハードディスク装置を不揮発性の記憶部として利用できる。また、ＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体から情報を読み出す構成を採ることでも不揮発性の記憶部として利用できる。
【０２５９】
カメラ制御部９００は、システム全体を制御するものであり、特に前述のＡＤ変換処理の高速化との関係においては、参照信号生成部２７における参照信号Ｖslopの傾き変化制御やカウンタ部２５４における分周速度制御のための各種の制御パルスのオン／オフタイミングを調整する機能を有している。
【０２６０】
ＲＯＭ９０４にはカメラ制御部９００の制御プログラムなどが格納されているが、特に本例では、カメラ制御部９００によって、各種の制御パルスのオン／オフタイミングを設定するためのプログラムが格納されている。
【０２６１】
ＲＡＭ９０６にはカメラ制御部９００が各種処理を行なうためのデータなどが格納されている。
【０２６２】
また、カメラ制御部９００は、メモリカードなどの記録媒体９２４を挿脱可能に構成し、またインターネットなどの通信網との接続が可能に構成している。たとえば、カメラ制御部９００は、マイクロプロセッサ９０２、ＲＯＭ９０４、およびＲＡＭ９０６の他に、メモリ読出部９０７および通信Ｉ／Ｆ（インタフェース）９０８を備える。
【０２６３】
記録媒体９２４は、たとえば、マイクロプロセッサ９０２にソフトウェア処理をさせるためのプログラムデータや、輝度信号処理部８４０からの輝度系信号に基づく測光データＤＬの収束範囲や露光制御処理（電子シャッタ制御を含む）、並びに参照信号生成部２７における参照信号Ｖslopの傾き変化制御やカウンタ部２５４における分周速度制御のための各種の制御パルスのオン／オフタイミングなど、様々な設定値などのデータを登録するなどのために利用される。
【０２６４】
メモリ読出部９０７は、記録媒体９２４から読み出したデータをＲＡＭ９０６に格納（インストール）する。通信Ｉ／Ｆ９０８は、インターネットなどの通信網との間の通信データの受け渡しを仲介する。
【０２６５】
なお、このような撮像装置８は、駆動制御部７およびカラム処理部２６を、画素アレイ部１０と別体にしてモジュール状のもので示しているが、固体撮像装置１について述べたように、これらが画素アレイ部１０と同一の半導体基板上に一体的に形成されたワンチップものの固体撮像装置１を利用してもよいのは言うまでもない。
【０２６６】
また、図では、画素アレイ部１０や駆動制御部７やカラム処理部２６や参照信号生成部２７やカメラ信号処理部８１０の他に、撮影レンズ８０２、光学ローパスフィルタ８０４、あるいは赤外光カットフィルタ８０５などの光学系をも含む状態で、撮像装置８を示しており、この態様は、これらを纏めてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態とする場合に好適である。
【０２６７】
ここで、前述の固体撮像装置１におけるモジュールとの関係においては、図示のように、画素アレイ部１０（撮像部）と、ＡＤ変換機能や差分（ＣＤＳ）処理機能を具備したカラム処理部２６などの画素アレイ部１０側と密接に関連した信号処理部（カラム処理部２６の後段のカメラ信号処理部は除く）が纏めてパッケージングされた状態で撮像機能を有するモジュール状の形態で固体撮像装置１を提供するようにし、そのモジュール状の形態で提供された固体撮像装置１の後段に、残りの信号処理部であるカメラ信号処理部８１０を設けて撮像装置８の全体を構成するようにしてもよい。
【０２６８】
または、図示を割愛するが、画素アレイ部１０と撮影レンズ８０２などの光学系とが纏めてパッケージングされた状態で撮像機能を有するモジュール状の形態で固体撮像装置１を提供するようにし、そのモジュール状の形態で提供された固体撮像装置１に加えて、カメラ信号処理部８１０をもモジュール内に設けて、撮像装置８の全体を構成するようにしてもよい。
【０２６９】
また、固体撮像装置１におけるモジュールの形態として、カメラ信号処理部２００に相当するカメラ信号処理部８１０を含めてもよく、この場合には、事実上、固体撮像装置１と撮像装置８とが同一のものと見なすこともできる。
【０２７０】
このような撮像装置８は、「撮像」を行なうための、たとえば、カメラや撮像機能を有する携帯機器として提供される。なお、「撮像」は、通常のカメラ撮影時の像の撮り込みだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。
【０２７１】
このような構成の撮像装置８においては、前述の固体撮像装置１の全ての機能を包含して構成されており、前述の固体撮像装置１の基本的な構成および動作と同様とすることができ、参照信号Ｖslopの傾き変化とカウンタ分周速度変化とを連動させた制御を行なう仕組みを採ることで、参照信号Ｖslopの傾き変化に伴うＡＤ変換結果に対する補正を要することなく、また実質的な変換精度を損なうことなく、ＡＤ変換を高速に実現できる。
【０２７２】
たとえば、上述した処理をコンピュータに実行させるプログラムは、フラッシュメモリ、ＩＣカード、あるいはミニチュアーカードなどの不揮発性の半導体メモリカードなどの記録媒体９２４を通じて配布される。さらに、サーバなどからインターネットなどの通信網を経由して前記プログラムをダウンロードして取得する、あるいは更新してもよい。
【０２７３】
記録媒体９２４の一例としてのＩＣカードやミニチュアーカードなどの半導体メモリには、上記実施形態で説明した固体撮像装置１（特に参照信号Ｖslopの傾き変化とカウンタ分周速度変化とを連動させた制御を行なうＡＤ変換高速化処理に関わる機能）における処理の一部または全ての機能を格納することができる。したがって、プログラムや当該プログラムを格納した記憶媒体を提供することができる。たとえば、参照信号Ｖslopの傾き変化とカウンタ分周速度変化とを連動させた制御を行なうＡＤ変換高速化処理用のプログラム、すなわちＲＡＭ９０６などにインストールされるソフトウェアは、固体撮像装置１について説明したＡＤ変換高速化処理と同様に、ＡＤ変換処理の高速化を実現するための制御パルス設定機能をソフトウェアとして備える。
【０２７４】
ソフトウェアは、ＲＡＭ９０６に読み出された後にマイクロプロセッサ９０２により実行される。たとえばマイクロプロセッサ９０２は、記録媒体の一例であるＲＯＭ９０４およびＲＡＭ９０６に格納されたプログラムに基づいて制御パルス設定処理を実行することにより、参照信号Ｖslopの傾き変化とカウンタ分周速度変化とを連動させた制御を行なうことでＡＤ変換処理を高速化する機能をソフトウェア的に実現することができる。
【０２７５】
以上、本発明について実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【０２７６】
また、上記の実施形態は、クレーム（請求項）に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【０２７７】
たとえば、前記実施形態では、参照信号Ｖslopの傾きをＪ倍に変化させるのと同時に、フリップフロップ５１０がＪ倍速でカウント動作（分周動作）をするように制御していたが、誤差（ばらつき）の許容範囲を満たす限りにおいて、「同時」であることや、各倍率がＪ倍で同じであることは、多少の誤差が許容される。この点は、一般的な技術において、誤差（ばらつき）の許容範囲を満たす限りにおいて、制御対象の設定値にも誤差が認められることと相違ない。
【０２７８】
しかしながら、前述の説明から分かるように、本来は（原理的には）、倍率が等しいことや変更タイミングが同時であることが、信号成分Ｖsig についてのＡＤ変換処理において、信号レベルＳsig と参照信号Ｖslopとが一致する前に参照信号Ｖslopを変化させた場合においても、補正演算をすることなく、信号成分Ｖsig を忠実に反映したデジタルデータＤsig を取得する上で必要である。
【０２７９】
また、前記実施形態では、参照信号の傾きをＪ倍に変更するとともに、カウント部における上位ビット側の分周動作のみをＫ倍に（好ましくはＪ倍と等しく）変更して、下位ビット側のデータを無効なものとして取り扱うことで、大元のカウントクロックＣＩＮの周波数を同じに維持して、カウンタ部での消費電力の増大が起きないようにしていたが、このことは必須ではない。
【０２８０】
カウンタ部での消費電力の増大が許容される場合には、カウントクロック切替部５１６による切替えを行なわずに、大元のカウントクロックＣＩＮそのものを高周波数に変更するようにして、カウント実行部５０４の全体を高速に分周動作させるようにしてもよい。こうすれば、切替え後にも全てのビットデータを有効なものとして取り扱うことができるので、ＡＤ変換精度と光ショットノイズとの関係を切り離すことができる。
【０２８１】
また、前記実施形態では、参照信号Ｖslopの傾きをより急になる方向に変化させたときに、フリップフロップ５１０をより高速にカウント動作（分周動作）をするように制御するに当たって、フリップフロップ出力のビットの重付け関係を一定にしたまま、下位ビット出力を無効にしつつ、残りの上位ビット出力の分周動作を高速にするように回路を構成して制御していたが、これは、一例であって、傾き切替え後のフリップフロップ５１０の分周動作を高速にするものであればよく、様々な変形が可能である。
【０２８２】
たとえば、各段のフリップフロップ５１０に与えるカウントクロック供給形態を変更するためのカウントクロック切替部５１６を取り除きつつ、ビット出力を、順次下位側へシフトする切替手段を設けるようにしてもよい。この場合、後段側のフリップフロップ５１０のデータ出力を無効なものとして取り扱えばよい。
【０２８３】
なお、切替え前に既にコンパレート出力が反転したカラム（データの確定したカラム）はビットシフトするとデータが失われてしまうので、既に反転したカラムに関してはビットシフトしないでおき、これとの区別のため、その切替え時点で反転していなかったカラムは後で復調するためにビットシフトしたことを示すフラグ信号を出すようにする。この場合でも、切替え時点で反転していなかったカラムのＡＤ変換データとしては、下位ビットデータを無効なものとして取り扱う点には相違ない。
【０２８４】
ただし、この場合、切替え時点でデータの確定しているカラムとの区別をする処理や、切替え時点でデータの確定していないカラムに関して切替え時点の各ビットのカウント値を前段側へロードするための回路が必要になる。したがって、前記実施形態で示したカウントクロック切替用のカウントクロック切替部５１６を利用する構成に比べると回路構成が複雑になる。しかしながら、切替え後には後段側のフリップフロップ５１０へのカウントクロック供給を停止するなどしてカウント動作を停止させることができるので低消費電力化を図ることができる利点がある。
【０２８５】
また、前記実施形態では、カウンタ部２５４として非同期カウンタを用いた場合への適用例を具体的に示したが、同期カウンタを用いた場合でも、同様の思想を適用することは可能である。たとえば、同期カウンタを用いる場合には、各フリップフロップ５１０は、共通のカウントクロックを使用して動作するようにしておき、かつ各フリップフロップ５１０は、自分の値が反転するのを自分よりも下位ビットが全て“１”（アップカウントのとき）もしくは全て“０”（ダウンカウントのとき）のときとなるようにするゲート回路を必要とする。
【０２８６】
このようなものについて、傾き切替後に分周動作を高速にするには、より下位ビット側のゲート回路出力を取り込むようにする切替回路を設けるとよい。ただし、非同期カウンタにおけるカウントクロック切替用のカウントクロック切替部５１６に比べると回路構成が複雑になる。
【０２８７】
あるいは、非同期カウンタを用いた場合の変形例で説明したように、切替え時点の各ビットのカウント値を、下位側へロードするための回路を設けつつ、ビット出力を、順次下位側へシフトする切替手段を設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０２８８】
【図１】本発明に係る固体撮像装置の一実施形態であるＣＭＯＳ固体撮像装置の概略構成図である。
【図２】図１に示した固体撮像装置に使用される単位画素の構成例と、駆動部と駆動制御線と画素トランジスタの接続態様を示す図である。
【図３】電圧比較部およびカウンタ部周辺の接続インタフェース例を説明する図である。
【図４】カウント実行部の第１の構成例を示す図である。
【図５】カウント実行部の第２の構成例を示す図である。
【図６】図１に示した固体撮像装置のカラムＡＤ回路における基本動作である信号取得差分処理を説明するためのタイミングチャートである。
【図７】シングルスロープ積分型ＡＤ変換方式の比較処理期間を短くする手法の一例を説明する図である。
【図８】図７に示す手法を採った場合における問題点を説明する図である。
【図９】高速ＡＤ変換対応時のカラムＡＤ回路における信号取得差分処理を説明するためのタイミングチャートである。
【図１０】カウントクロック切替部を動作させたときの効果を説明する図である。
【図１１】参照信号の傾き変更制御とカウンタの分周速度制御との関係を示した図である。
【図１２】固体撮像装置と同様の仕組みを利用した撮像装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【０２８９】
１…固体撮像装置、１０…画素アレイ部、１２…水平走査回路、１４…垂直走査回路、１５…行制御線、１８…水平信号線、１９…垂直信号線、２０…通信・タイミング制御部、２４…読出電流源部、２５…カラムＡＤ回路、２５２…電圧比較部、２５４…カウンタ部、２５６…データ記憶部、２５８…スイッチ、２６…カラム処理部、２７…参照信号生成部、２７ａ…ＤＡ変換回路、２８…出力回路、３…単位画素、３２…電荷生成部、５０２…ゲート部、５０４…カウント実行部、５１０…フリップフロップ、５１２…データ保持部、５１４…カウントモード切替部、５１６…カウントクロック切替部、７…駆動制御部、８…撮像装置、９００…カメラ制御部
【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】
2008136043.tif 000010
【図９】
2008136043.tif 000011
【図１０】
2008136043.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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