(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が、入射光に基づく電荷を蓄積する光電変換部と、浮遊拡散部と、前記光電変換部に蓄積された電荷を前記浮遊拡散部に転送するトランジスタとを備え、リセット信号と、画像信号とを出力する、行列状に配列された複数の画素と、
前記複数の画素の各々を順次選択することによって、前記複数の画素の各々から順次前記リセット信号と前記画像信号とを出力させる走査回路と、
前記画素から出力された、前記トランジスタがオン状態になり、その後オフ状態になった後の前記浮遊拡散部の電位に基づく１つの画像信号を、第１の利得及び前記第１の利得とは値が異なる第２の利得を含む複数の値の利得のそれぞれで増幅することによって得られた複数の画像信号を出力する、増幅部と、
保持回路部と
を備え、
前記走査回路が、前記複数の画素のうちの第１の画素の選択を開始してから、その次に前記複数の画素のうちの第２の画素の選択を開始するまでの期間である読み出し期間において、前記保持回路部が前記増幅部から出力される前記リセット信号を保持する回数が、前記保持回路部が前記増幅部から出力された複数の増幅された画像信号を保持する回数よりも少ない
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記増幅部は、さらに前記リセット信号を、前記第１の利得及び前記第２の利得のいずれか一方のみにより増幅することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記リセット信号を増幅する際の利得は前記第１の利得であり、前記第１の利得は、前記第２の利得よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記増幅部と前記画素とがそれぞれリセットされた後、前記増幅部は、前記リセット信号を前記第１の利得のみで増幅し、その後、前記画像信号を前記第１の利得で増幅し、その後、前記画像信号を前記第２の利得で増幅することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記増幅部のリセットが、前記増幅部の利得が前記第１の利得に設定された状態で行われ、前記増幅部がリセットされた後、前記増幅部の利得が前記第１の利得に設定されたまま前記リセット信号が増幅されることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記読み出し期間において、前記増幅部のリセットが行われる回数は１回であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記読み出し期間は、前記第１の画素がリセットされてから、前記第２の画素がリセットされるまでの期間に対応することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項８】
リセットされた画素の出力信号であるリセット信号と、入射光に基づく出力信号である画像信号とを出力する、行列状に配列された複数の画素と、
前記複数の画素の各々を順次選択することによって、前記複数の画素の各々から順次前記リセット信号と前記画像信号とを出力させる走査回路と、
前記画素から出力された１つの画像信号を、第１の利得及び前記第１の利得とは値が異なる第２の利得を含む複数の値の利得のそれぞれで増幅することによって得られた複数の画像信号を出力する、増幅部と、
前記リセット信号と、複数の値の利得で増幅して得られた複数の画像信号との各々を保持する複数の保持回路を有する水平転送部と、
を備え、
前記走査回路が、前記複数の画素のうちの第１の画素の選択を開始してから、その次に前記複数の画素のうちの第２の画素の選択を開始するまでの期間である読み出し期間において、前記増幅部から出力される前記リセット信号の個数は、前記増幅部から出力された複数の増幅された画像信号の個数よりも少なく、
前記リセット信号を保持する保持回路の個数は、前記増幅された複数の画像信号を保持する保持回路の個数よりも少ない
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
前記水平転送部は、前記増幅された複数の画像信号と前記増幅されたリセット信号との差に基づく信号を、前記水平転送部の出力信号として出力することを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記撮像装置は、リセット信号を出力するリファレンス画素をさらに含み、
前記増幅部は差動入力端子と差動出力端子を有する完全差動増幅器を含み、
前記完全差動増幅器の差動入力端子のうちの第１の端子には前記リファレンス画素から出力されたリセット信号が入力され、前記完全差動増幅器の差動入力端子のうちの第２の端子には前記画素から出力された画像信号が入力される
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記撮像装置は、前記完全差動増幅器の差動出力端子から出力される差動信号をシングルエンド信号に変換して出力することを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記撮像装置は、前記完全差動増幅器の差動出力端子から出力される、複数の値の利得で増幅して得られた複数の画像信号を保持する複数の保持回路を有する水平転送部をさらに備え、
前記保持回路に保持された複数の画像信号は、前記水平転送部から並行して出力される
ことを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の撮像装置と、前記撮像装置から出力される信号を処理する出力信号処理部とを備えることを特徴とする撮像システム。
【請求項１４】
前記出力信号処理部は、前記第１の利得により増幅された画像信号に対し、前記第２の利得を前記第１の利得で除算して得た利得比を乗算することを特徴とする請求項１３に記載の撮像システム。
【請求項１５】
前記出力信号処理部は、前記第２の利得により増幅された画像信号に対し、前記第１の利得のときのオフセット成分と、前記第２の利得のときのオフセット成分との差分を用いてオフセット成分の補正を行うことを特徴とする請求項１３に記載の撮像システム。
【請求項１６】
前記出力信号処理部は、
前記第１の利得により増幅された画像信号に対し、前記第２の利得を前記第１の利得で除算して得た利得比を乗算し、
前記第２の利得により増幅された画像信号に対し、前記第１の利得のときのオフセット成分と、前記第２の利得のときのオフセット成分との差分を用いてオフセット成分の補正を行い、
さらに、
前記出力信号処理部は、
前記画像信号に前記利得比を乗算することにより生成された信号、
前記オフセット成分の補正により生成された信号、及び
前記乗算により生成された信号と前記オフセット成分の補正により生成された信号とを重み付け平均して得た信号
のいずれか１つを前記画素の入射光量に応じて出力する
ことを特徴とする請求項１３に記載の撮像システム。
【請求項１７】
各々が、入射光に基づく電荷を蓄積する光電変換部と、浮遊拡散部とを備え、リセット信号と、画像信号とを出力する、行列状に配列された複数の画素と、
前記複数の画素の各々を順次選択することによって、前記複数の画素の各々から順次前記リセット信号と前記画像信号とを出力させる走査回路と、
前記画素から出力された、前記浮遊拡散部の電位に基づく１つの画像信号を、第１の利得及び第２の利得を含む複数の値の利得のそれぞれで増幅することによって得られた複数の画像信号を出力する、増幅部と
を備える撮像システムの駆動方法であって、
前記走査回路が、前記複数の画素のうちの第１の画素の選択を開始してから、その次に前記複数の画素のうちの第２の画素の選択を開始するまでの期間である読み出し期間において、前記増幅部のリセットを少なくとも１回行うこと、
前記読み出し期間において、前記光電変換部に蓄積された電荷を前記浮遊拡散部に転送すること、及び
前記読み出し期間において、前記増幅部のリセット信号を保持する回数よりも、前記転送の後の前記浮遊拡散部の電位に基づく１つの画像信号を前記第１の利得及び前記第２の利得のそれぞれで前記増幅部が増幅することによって前記増幅部から出力される複数の画像信号を保持する回数を多くすること
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記第１の利得により増幅された画像信号に対し前記第２の利得を前記第１の利得で除算して得た利得比を乗算することをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の利得により増幅された画像信号に対し、前記第１の利得のときのオフセット成分と、前記第２の利得のときのオフセット成分との差分を用いてオフセット成分の補正を行うことをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の利得により増幅された画像信号に対し、前記第２の利得を前記第１の利得で除算して得た利得比を乗算すること、
前記第２の利得により増幅された画像信号に対し、前記第１の利得のときのオフセット成分と、前記第２の利得のときのオフセット成分との差分を用いてオフセット成分の補正を行うこと、及び
前記乗算により生成された信号、前記オフセット成分の補正により生成された信号、及び前記乗算により生成された信号と前記オフセット成分の補正により生成された信号とを重み付け平均して得た信号、のいずれか１つを前記画素の入射光量に応じて出力すること
をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置、撮像システム及び撮像システムの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、行列状に配列された複数の画素と、複数の画素の各列に設けられた列増幅部とを有し、画素信号を列増幅部で増幅して出力する撮像装置及びその信号を処理する信号処理部を備える撮像システムが記載されている。特許文献１の撮像システムは、列増幅部において画素から出力される信号を１よりも大きいｑ倍の利得で増幅し、その後信号処理部において画像信号に対して１を下回る倍率を乗算することができる。
【０００３】
特許文献１の撮像システムは、入射光量が小さい場合は、ｑ倍の利得で増幅することで、入力換算ノイズ（列増幅部以降で発生したノイズを利得で割った値）を減少させ、Ｓ／Ｎ(Signal/Noise)比のうち、Ｎ成分を減少させることができる。また、入射光量が大きい場合にはｑよりも低い利得ｐで読み出すことで出力信号が飽和しないようにすることができる。このようにして、Ｓ／Ｎ比の向上及びダイナミックレンジの拡大が可能な撮像システムが特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】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】
特許文献１には、撮像装置の駆動方法として、利得を変えた２つの信号を順次読み出す旨が開示されている。特許文献１に記載の撮像装置の一態様においては、列増幅部からの出力信号は、４つの保持容量に順次保持される（例えば、特許文献１の図４）。よって、保持すべき信号の個数が多いため、読み出し速度が遅くなるという問題がある。特許文献１には撮像装置の他の一態様として、利得が異なる２つの列増幅器を備え、２対の保持容量に対し並列的に出力信号を保持させるという構成も開示されている。しかしながら、この構成では列増幅部が画素１列に対し２つ必要となり、列増幅部の占有面積が増大し、その結果としてチップ面積が増大するという別の問題が生じるため、この構成による読み出しの高速化は困難な場合がある。
【０００６】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、信号の読み出し速度が向上した撮像装置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】
【０００７】
本発明の一態様に係る撮像装置は、各々が、入射光に基づく電荷を蓄積する光電変換部と、浮遊拡散部と、前記光電変換部に蓄積された電荷を前記浮遊拡散部に転送するトランジスタとを備え、リセット信号と、画像信号とを出力する、行列状に配列された複数の画素と、前記複数の画素の各々を順次選択することによって、前記複数の画素の各々から順次前記リセット信号と前記画像信号とを出力させる走査回路と、前記画素から出力された、前記トランジスタがオン状態になり、その後オフ状態になった後の前記浮遊拡散部の電位に基づく１つの画像信号を、第１の利得及び前記第１の利得とは値が異なる第２の利得を含む複数の値の利得のそれぞれで増幅することによって得られた複数の画像信号を出力する、増幅部と、保持回路部とを備え、前記走査回路が、前記複数の画素のうちの第１の画素の選択を開始してから、その次に前記複数の画素のうちの第２の画素の選択を開始するまでの期間である読み出し期間において、前記保持回路部が前記増幅部から出力される前記リセット信号を保持する回数が、前記保持回路部が前記増幅部から出力された複数の増幅された画像信号を保持する回数よりも少ないことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、信号の読み出し速度が向上した撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る撮像装置の構成の一例を示した図である。
【図２】第１の実施形態に係る撮像装置の構成をより詳細に示した図である。
【図３】第１の実施形態に係る撮像装置の動作の一例を示したタイミング図である。
【図４】２つの信号からダイナミックレンジを拡大した信号を得る信号処理方法を示した模式図である。
【図５】第２の実施形態に係る撮像装置の構成の一例を示した図である。
【図６】第２の実施形態に係る撮像装置の動作の一例を示したタイミング図である。
【図７】第３の実施形態に係る撮像装置の構成の一例を示した図である。
【図８】第４の実施形態に係る撮像装置の構成の一例を示した図である。
【図９】第４の実施形態に係る撮像装置の動作の一例を示したタイミング図である。
【図１０】第５の実施形態に係る撮像システムの構成の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。各図面を通じて同様の機能を有する部材には同一の符号を付し、その説明を省略することもある。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る撮像装置の一例を示したブロック図である。本実施形態の撮像装置は、複数の画素１００が行列状に配列された画素アレイを有する撮像領域１と、垂直走査回路２と、列増幅部３と、水平転送部４とを有する。垂直走査回路２は、画素１００のトランジスタをオン（導通状態）又はオフ（非導通状態）に制御するための制御信号を供給する。撮像領域１は、画素１００からの信号を列ごとに読み出すための垂直信号線６を有する。列増幅部３は、各列の画素１００からの信号を増幅する、各列の垂直信号線６に接続された増幅回路３１を有する。水平転送部４は、各列の増幅器に接続されたスイッチと、該スイッチをオン又はオフに制御するための制御信号を供給する水平走査回路５と、各列の増幅回路３１から出力される信号を増幅する増幅回路４１を有する。増幅回路４１から出力される信号は、撮像装置の外部の出力信号処理部（不図示）に入力され、アナログ／デジタル変換、入力データの補正などの処理が行われる。
【００１２】
なお、本明細書では入出力電圧等の絶対値の比率が１以下の場合においてもこの比率を「利得」と表現する。また、利得が１以下の処理も「増幅」に含まれるものとする。すなわち、一般的には「バッファリング」（利得が約１）又は「減衰」（利得が１未満）と呼ばれるものも「増幅」に含まれる。
【００１３】
図２は、本実施形態の画素１００、列増幅部３及び水平転送部４の構成をより詳細に示した図である。図１に示したように、画素領域１、列増幅部３及び水平転送部４は多数の素子により構成されているが、図２においては簡略化のため、画素１００は１素子のみ、列増幅部３及び水平転送部４は１列分のみが図示されている。
【００１４】
画素１００は、光電変換部１９及びトランジスタ２０、２１、２２、２３を有する。光電変換部１９は、入射光に基づく電荷を蓄積するフォトダイオード等の光電変換素子である。各トランジスタはＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）等により構成される。本実施形態では、各トランジスタはＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴであるものとする。
【００１５】
垂直走査回路２は、トランジスタ２０、２２、２３のゲートに対し、それぞれ信号ＰＴＸ、ＰＳＥＬ、ＰＲＥＳを供給して、撮像領域１の画素１００を行ごとに制御する。トランジスタ２０は、光電変換部１９とトランジスタ２１のゲートとの間に接続されている。信号ＰＴＸが、ＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベル（以下、これらをＬレベル、Ｈレベルと表記する。）になると、光電変換部１９に蓄積された電荷は、トランジスタ２１のゲートである浮遊拡散部ＦＤに転送され、保持される。トランジスタ２１のドレインには電源電圧ＶＤＤが供給される。トランジスタ２１のソースはトランジスタ２２のドレインに接続され、トランジスタ２２のソースは垂直信号線６に接続される。以上より、トランジスタ２１は光電変換部１９から転送された電荷に応じた電圧を垂直信号線６に出力させるソースフォロワとして機能する。電流源７は、画素１００から出力される信号を読み出すためのバイアス電流を垂直信号線６に供給する。垂直走査回路２から入力される信号ＰＳＥＬがＨレベルとなり、トランジスタ２２がオンになると、トランジスタ２１が出力する信号は垂直信号線６に出力される。このように、光電変換部１９から転送された電荷に基づいて出力される信号を画像信号と呼ぶ。
【００１６】
トランジスタ２３のソースは、トランジスタ２１のゲートに接続され、トランジスタ２３のドレインには、電源電圧ＶＤＤが供給されている。垂直走査回路２から入力される信号ＰＲＥＳがＨレベルになると、トランジスタ２１のゲートの浮遊拡散部ＦＤの電位が電源電圧ＶＤＤに基づく電圧にリセットされる。浮遊拡散部ＦＤの電位がリセットされると、リセット電位に基づく信号が垂直信号線６に出力される。このように、リセット時に浮遊拡散部ＦＤのリセット電位に基づいて出力される信号をリセット信号（Ｎ信号）と呼ぶ。
【００１７】
列増幅部３は、垂直信号線６から入力される信号を増幅して、水平転送部４に出力する回路である。列増幅部３は、スイッチ８、９、１０、１１、列増幅器１２及び容量素子Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２を有する。不図示のタイミングジェネレータは、スイッチ８に信号ＰＬを、スイッチ９に信号φＣ１を、スイッチ１０に信号φＣ２を、スイッチ１１に信号φＣを供給し、オン又はオフに制御する。なお、以下の説明において、各スイッチは、入力される信号がＨレベルのときにオンになり、Ｌレベルのときにオフになるものとする。また、本明細書において、「スイッチ」は外部から入力される信号に基づいてオン又はオフの切り替えを行う装置を意味するものとし、例えばトランジスタにより構成することができる。以下、各スイッチもＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴであるものとする。
【００１８】
列増幅器１２は、例えばオペアンプなどの差動増幅器により構成される。以下、列増幅器１２は非反転入力端子、反転入力端子及び出力端子を有する差動増幅器であるものとして説明する。垂直信号線６から入力される信号はスイッチ８及び容量素子Ｃ０を介して列増幅器１２の反転入力端子に入力される。列増幅器１２の反転入力端子と出力端子の間にはスイッチ９、１０、１１及び容量素子Ｃ１、Ｃ２を含む帰還回路が接続されている。スイッチ９の一端は列増幅器１２の反転入力端子に接続され、他端は容量素子Ｃ１の一端に接続されている。容量素子Ｃ１の他端は列増幅器１２の出力端子に接続されている。同様に、スイッチ１０の一端は列増幅器１２の反転入力端子に接続され、他端は容量素子Ｃ２の一端に接続されている。容量素子Ｃ２の他端は列増幅器１２の出力端子に接続されている。スイッチ１１は列増幅器１２の反転入力端子と出力端子の間に接続されている。列増幅器１２の非反転入力端子には基準電圧ＶＲＥＦが入力される。
【００１９】
列増幅部３の利得は、容量素子Ｃ０と容量素子Ｃ１の容量比（Ｃ０／Ｃ１）、又は容量素子Ｃ０と容量素子Ｃ２の容量比（Ｃ０／Ｃ２）に基づいて設定される。本実施形態では、例えば利得Ｇ１を４倍、利得Ｇ２を１倍とすることができるが、これに限定されない。利得Ｇ１と利得Ｇ２の選択は、スイッチ９とスイッチ１０のいずれかをオンにして、容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２のいずれかを帰還容量として選択することにより行われる。
【００２０】
スイッチ１１は、列増幅器１２をリセットする際に列増幅器１２の反転入力端子と出力端子の間及び容量素子Ｃ１、Ｃ２の両端を導通状態とするためのものである。容量素子Ｃ０、列増幅器１２、スイッチ１１等は第１のＣＤＳ（Correlated Double Sampling；相関二重サンプリング）回路として機能する。
【００２１】
水平転送部４は、スイッチ１３、１４、１５、容量素子ＣＴＮ、ＣＴＳ１、ＣＴＳ２、スイッチ１６、１７、１８、水平走査回路５及び出力増幅器Ｄａｍｐ１、Ｄａｍｐ２を有する。不図示のタイミングジェネレータは、スイッチ１３に信号φＣＴＮを、スイッチ１４に信号φＣＴＳ１を、スイッチ１５に信号φＣＴＳ２を供給し、オン又はオフに制御する。スイッチ１３、１４、１５の一端はそれぞれ列増幅器１２の出力端子と接続され、他端は容量素子ＣＴＮ、ＣＴＳ１、ＣＴＳ２の一端とそれぞれ接続される。容量素子ＣＴＮ、ＣＴＳ１、ＣＴＳ２の他端は電位ＶＳＳとする。電位ＶＳＳは、例えばウェルに接続することによって与えられる。以上より、各スイッチと各容量素子は入力されたリセット信号、画像信号等の入力信号電圧を一時的に保持する保持回路を構成している。すなわち、スイッチ１３、１４、１５を導通状態にすることで、容量素子ＣＮＴ、ＣＴＳ１、ＣＴＳ２に列増幅器１２から出力された信号をサンプルホールドすることができる。容量素子ＣＴＮには拡散浮遊部ＦＤのリセット電位に基づくリセット信号が保持される。また、容量素子ＣＴＳ１及び容量素子ＣＴＳ２には、入射光の光量に基づく画像信号が保持される。
【００２２】
スイッチ１６、１７、１８の一端は、スイッチ１３、１４、１５の列増幅器１２の出力端子と接続されている側の端子にそれぞれ接続される。水平走査回路５は、列増幅器１２が設けられた列ごとに、スイッチ１６、１７、１８に信号φＨｎを供給し、オン又はオフに制御する。水平走査回路５は、列ごとに順次スイッチ１６、１７、１８をオンにすることにより水平走査を行う。
【００２３】
水平走査回路５がスイッチ１６、１７、１８を導通状態とすると、容量素子ＣＴＮ、ＣＴＳ１、ＣＴＳ２に保持された信号が、出力増幅器Ｄａｍｐ１、Ｄａｍｐ２に入力される。出力増幅器Ｄａｍｐ１、Ｄａｍｐ２も、列増幅器１２と同様に、非反転入力端子、反転入力端子及び出力端子を有する差動増幅器であるものとする。スイッチ１７は出力増幅器Ｄａｍｐ１の非反転入力端子と接続され、スイッチ１８は出力増幅器Ｄａｍｐ２の非反転入力端子と接続される。スイッチ１６は出力増幅器Ｄａｍｐ１、Ｄａｍｐ２の両方の反転入力端子に接続される。出力増幅器Ｄａｍｐ１、出力増幅器Ｄａｍｐ２は撮像装置に接続される不図示の出力信号処理部に信号を出力する。出力増幅器Ｄａｍｐ１は、容量素子ＣＴＳ１に保持された信号と容量素子ＣＴＮに保持された信号との差分を出力し、出力増幅器Ｄａｍｐ２は、容量素子ＣＴＳ２に保持された信号と容量素子ＣＴＮに保持された信号との差分を出力する。容量素子ＣＴＮ、ＣＴＳ１、ＣＴＳ２と出力増幅器Ｄａｍｐ１、Ｄａｍｐ２とを含む回路は第２のＣＤＳ回路として機能する。第２のＣＤＳ回路によって増幅部３の利得の変化に起因するオフセット電圧が低減される。
【００２４】
図３は、図１及び図２に示した撮像装置における、１つの画素から信号の読み出しを行う、一読み出し期間の動作を示すタイミング図である。以下、図１及び図２を参照しながら、図３のタイミング図を用いて本実施形態の撮像装置の動作について説明する。
【００２５】
時刻ｔ０において、垂直走査回路２から出力される信号ＰＴＸはＬレベルである。すなわち、トランジスタ２０はオフであり、光電変換部１９と浮遊拡散部ＦＤとの間は電気的に非接続である。
【００２６】
また、垂直走査回路２から出力される信号ＰＲＥＳはＨレベルとなる。これにより、画素１００の各々の浮遊拡散部ＦＤの電位がリセットされる。さらに、垂直走査回路２から出力される信号ＰＳＥＬはＨレベルとなる。これにより、トランジスタ２１は、リセットされている浮遊拡散部ＦＤの電位に基づく信号を、トランジスタ２２を介して垂直信号線６に出力する。
【００２７】
また、時刻ｔ０において、不図示のタイミングジェネレータから出力される信号ＰＬはＨレベルとなる。これによりスイッチ８が導通状態となり、垂直信号線６の電圧が、容量素子Ｃ０を介して列増幅器１２に入力される。
【００２８】
また、信号φＣ、信号φＣ１、信号φＣ２もＨレベルとなる。これにより、列増幅器１２の反転入力端子と出力端子が接続されてボルテージフォロワ状態となる。また、容量素子Ｃ１、Ｃ２の両端が同電位となって、容量素子Ｃ１、Ｃ２に蓄積された電荷がリセットされる。
【００２９】
さらに、信号φＣＴＮ、信号φＣＴＳ１、φＣＴＳ２はＨレベルとなる。これにより、水平転送部４の容量素子ＣＴＮ、ＣＴＳ１、ＣＴＳ２は列増幅器１２の出力電位を基準とした電位でリセットされる。
【００３０】
次に、時刻ｔ１において、不図示のタイミングジェネレータから出力される信号φＣ２がＬレベルになり、容量素子Ｃ２は列増幅器１２の反転入力端子と非接続になる。すなわち、帰還容量として容量素子Ｃ１が選択され、列増幅器１２の利得はＧ１となる。
【００３１】
また、信号φＣＴＮ、信号φＣＴＳ１、信号φＣＴＳ２もＬレベルとなる。これにより、容量素子ＣＴＮ、容量素子ＣＴＳ１、容量素子ＣＴＳ２のリセットが解除される。
【００３２】
次に、時刻ｔ２において、信号ＰＲＥＳはＬレベルとなる。これにより浮遊拡散部ＦＤの電位のリセットが解除される。この際に、浮遊拡散部ＦＤにはリセットノイズ（ｋＴＣノイズ）が混入した電位が保持される。このリセットノイズに基づく画素１００からの出力信号がリセット信号である。上述のように、列増幅器１２はボルテージフォロワ状態であるため、容量素子Ｃ０にはリセット信号に対応した電位が、基準電圧ＶＲＥＦによりクランプされる。
【００３３】
次に、時刻ｔ３において、信号φＣはＬレベルとなる。これにより、リセットが解除される。
【００３４】
時刻ｔ４において、信号φＣＴＮはＨレベルとなり、列増幅器１２から出力される、増幅されたリセット信号が、容量素子ＣＴＮに印加される。その後、時刻ｔ５において、信号φＣＴＮはＬレベルとなり、増幅されたリセット信号が容量素子ＣＴＮにサンプルホールドされる。なお、リセット信号に含まれるリセットノイズの成分は、容量素子Ｃ０にクランプされた電圧により差し引かれて列増幅器１２から出力されている。よって、容量素子ＣＴＮに保持される信号には、利得Ｇ１の場合における列増幅器１２のオフセット電圧が主に含まれている。
【００３５】
次に、時刻ｔ６において、信号ＰＴＸがＨレベルとなり、その後時刻ｔ７において、信号ＰＴＸはＬレベルとなる。これにより、トランジスタ２０は、光電変換部１９に蓄積された電荷を浮遊拡散部ＦＤに転送する。トランジスタ２１は、浮遊拡散部ＦＤに転送された電荷に基づく画像信号を、トランジスタ２２を介して垂直信号線６に出力する。このとき、列増幅器１２から増幅され出力される画像信号は、第１のＣＤＳ回路においてリセット信号が差し引かれたものとなる。
【００３６】
次に、時刻ｔ８において、信号φＣＴＳ１がＨレベルになった後、時刻ｔ９において、信号φＣＴＳ１はＬレベルとなる。これにより、列増幅器１２から出力される画像信号が、容量素子ＣＴＳ１にサンプルホールドされる。
【００３７】
次に、時刻ｔ１０において、信号φＣ１がＬレベルになった後に、時刻ｔ１１において、信号φＣ２がＨレベルになる。これにより、列増幅器１２の帰還容量が容量素子Ｃ１から容量素子Ｃ２に切り替わり、列増幅部３の利得がＧ２に変化する。列増幅器１２に入力されている信号は変化しないので、出力される信号の違いは列増幅部３の利得がＧ１からＧ２に変化したことによるものである。
【００３８】
次に、時刻ｔ１２において、信号φＣＴＳ２がＨレベルになった後、時刻ｔ１３において、信号φＣＴＳ２はＬレベルになる。これにより、列増幅器１２が出力する光信号が利得Ｇ２で増幅された画像信号が、容量素子ＣＴＳ２にサンプルホールドされる。
【００３９】
次に、時刻ｔ１４において、信号ＰＳＥＬがＬレベルとなり、画素１００は垂直信号線６と非接続となる。また、同時刻ｔ１４において、信号ＰＬもＬレベルになり、列増幅器１２と垂直信号線６も非接続となる。さらに、同時刻ｔ１４において、信号φＣ２もＬレベルになり、列増幅器１２の増幅動作が停止する。
【００４０】
次に、時刻ｔ１５から時刻ｔ１６の期間、水平走査回路５は、信号φＨｎの動作を開始し、各列のスイッチ１６、１７、１８を順次オンにする水平走査を行う。これにより、出力増幅器Ｄａｍｐ１は、容量素子ＣＴＮ、ＣＴＳ１に保持した信号の差に基づく信号を、順次外部に出力し、出力増幅器Ｄａｍｐ２は、容量素子ＣＴＮ、ＣＴＳ２に保持した信号の差に基づく信号を、順次外部に出力する。出力増幅器Ｄａｍｐ１、Ｄａｍｐ２から出力される信号をそれぞれ信号Ｓ１、Ｓ２とする。
【００４１】
ここで、出力増幅器Ｄａｍｐ１の出力信号Ｓ１は、第２のＣＤＳ回路にて、利得Ｇ１の場合の列増幅部３のオフセット成分が差し引かれたものとなる。一方、出力増幅器Ｄａｍｐ２の出力信号Ｓ２には、利得Ｇ２の場合の列増幅部３のオフセット成分と、利得Ｇ１の場合の列増幅部３のオフセット成分の差分が、オフセット成分として残ることとなる。
【００４２】
上述したように本実施形態の撮像装置の駆動方法では、列増幅部３のリセットが１回行われ、リセット状態における出力信号が容量素子ＣＴＮに保持される。このとき、列増幅部３の利得は利得Ｇ１（本実施形態では４倍）となっているため、容量素子ＣＴＮに保持される信号は利得Ｇ１で増幅されたものである。その後、利得Ｇ１で増幅された画像信号と、利得Ｇ２（本実施形態では１倍）で増幅された画像信号とがそれぞれ容量素子ＣＴＳ１、ＣＴＳ２に保持される。そして、出力増幅器Ｄａｍｐ１、Ｄａｍｐ２より、容量素子ＣＴＳ１、ＣＴＳ２に保持された信号から容量素子ＣＴＮに保持された信号を差し引いた信号が信号Ｓ１、Ｓ２として出力される。なお、画像信号を増幅する利得の値の種類をさらに多くし、３個以上としてもよい。その場合、出力増幅器の個数を利得の値の個数に応じて増加させる。
【００４３】
本実施形態では列増幅部３をリセットする回数が、出力される画像信号の個数よりも少ない。これにより、リセットの回数を削減し、読み出しを高速化することができる。なお、上述の例ではリセットの回数は１回のみであったが、画像信号の個数よりも少ない範囲であれば２回以上とすることもできる。ただし、１回の場合が最も読み出しの高速化に対する効果が大きく、好ましい。
【００４４】
本実施形態の構成では、入射光量に応じて異なる利得で増幅された複数の画像信号を用いることでダイナミックレンジの拡大が可能である。そのための信号処理方法について図４（ａ）、図４（ｂ）及び図４（ｃ）を用いて説明する。
【００４５】
図４（ｂ）は、入射光量に対する信号Ｓ１及び信号Ｓ２の信号電圧の大きさを示す図である。図示されているように、利得Ｇ１が利得Ｇ２より大きい場合、同じ入射光量の場合、信号Ｓ１の方が大きい出力値となる。信号Ｓ１の方が信号Ｓ２よりも少ない光量で飽和するため、検出可能な光量の上限値が小さい。しかしながら、信号Ｓ１は列増幅部３で相対的に高い増幅率で増幅しているため、信号Ｓ１に含まれるノイズ成分は画素１００で発生したものが主であり、列増幅部３以降で発生したノイズの割合が少ない。これに対し、信号Ｓ２は、相対的に低い増幅率で増幅しているため、信号Ｓ２に含まれるノイズ成分は信号Ｓ１に比べ、列増幅部３以降で発生したノイズの割合が大きい。しかしながら、信号Ｓ２は検出可能な光量の上限値が大きい。以上の理由により、信号Ｓ１及び信号Ｓ２は良好な精度で検出できる入射光量の範囲が異なっているため、信号Ｓ１及び信号Ｓ２を組み合わせることでダイナミックレンジを拡張した信号を得ることができる。
【００４６】
信号Ｓ１と信号Ｓ２から、ダイナミックレンジを拡張した出力信号を得る信号処理方法について、図４（ａ）を用いて説明する。この信号処理方法は、例えば、出力増幅器Ｄａｍｐ１、Ｄａｍｐ２の後段に設けられた出力信号処理部において行うことができる。上述のように、出力増幅器Ｄａｍｐ１、Ｄａｍｐ２から出力される信号Ｓ１、Ｓ２はアナログ信号である。この信号処理方法は、信号Ｓ１、Ｓ２に対する加算、減算、乗算等の演算を含む。上記の演算は、アナログ／デジタル変換回路によりデジタルデータに変換してから行ってもよく、アナログ信号のままで、演算回路等を用いて行ってもよい。
【００４７】
まず、出力信号処理部は、出力増幅器Ｄａｍｐ１、Ｄａｍｐ２から入射光量に対応する信号Ｓ１、Ｓ２を取得する。
【００４８】
上述のように、信号Ｓ１及びＳ２の読み出し時における列増幅部３の利得はそれぞれＧ１及びＧ２である。信号Ｓ１に利得Ｇ１と利得Ｇ２の比であるＧ２／Ｇ１を乗算し、信号Ｓ１’を得る（Ｓ４１）。これにより、入力光量に対する出力信号の傾きを信号Ｓ１’と信号Ｓ２についてほぼ同一にすることができる。
【００４９】
上述のように、出力増幅器Ｄａｍｐ２の出力信号Ｓ２には、利得Ｇ２の場合の列増幅部３のオフセット成分と、利得Ｇ１の場合の列増幅部３のオフセット成分との差分が、オフセット成分として残留している。そのため、信号Ｓ２からＳ２オフセット補正値を減算し、信号Ｓ２’を得る（Ｓ４２）。これにより、オフセット成分が低減された信号Ｓ２’を得ることができる。なお、Ｓ２オフセット補正値は、利得Ｇ２のときの列増幅部３のオフセット成分と利得Ｇ１のときの列増幅部３のオフセット成分とをあらかじめ測定しておき、その差分を記憶媒体に保持しておくことにより、事前に取得されたものを用いることができる。
【００５０】
次にこれらの２つの信号Ｓ１’と信号Ｓ２’を合成する方法について述べる。上述の演算の結果得られた信号Ｓ１’と信号Ｓ２’は傾き又はオフセットが完全に一致していない場合がある。このような場合に、入射光量の範囲によって信号Ｓ１’と信号Ｓ２’のいずれか一方を選択するような単純な方法により合成を行うと、入射光量の範囲の境目付近で信号Ｓ１’と信号Ｓ２’が不連続となり、画質の劣化原因となり得る。したがって、連続的に信号Ｓ１’と信号Ｓ２’を連続的に接続し合成する処理が必要である。
【００５１】
そのため、図４（Ｃ）に示されるように、一点で信号Ｓ１’と信号Ｓ２’を合成するのではなく、入射光量Ａから入射光量Ｂの範囲で重み付け平均を行うことにより、信号Ｓ１’と信号Ｓ２’を連続的に合成する。すなわち、入射光量がＡより小さい範囲では信号Ｓ１’を選択し（Ｓ４３）、入射光量がＢよりも大きい範囲では信号Ｓ２’を選択する（Ｓ４４）。その間のＡ≦入射光量≦Ｂの範囲では、Ｓ１’とＳ２’を重み付け平均する（Ｓ４５）。以上のようにして、入射光量の区間に応じて選択又は重み付け平均された信号Ｓ３が生成され、出力される（Ｓ４６）。出力信号をＡ≦入射光量≦Ｂの範囲での信号Ｓ３は、入力光量をＩとすると下式のようになる。
Ｓ３  ＝  Ｓ１’×ａ  ＋  Ｓ２’×ｂ
ただし
ａ  ＝  （Ｂ−Ｉ）／（Ｂ−Ａ）
ｂ  ＝  １−ａ
【００５２】
ただし、信号Ｓ１’と信号Ｓ２’の合成方法はこれに限られるものではなく、信号Ｓ１’と信号Ｓ２’が連続的に接続可能であれば他の方法を用いても良い。例えば、ａ及びｂの係数を、事前に定められたルックアップテーブルによって設定してもよい。
【００５３】
このような処理をすることで、入力光量が小さい信号に対しては、大きな利得Ｇ１で増幅された信号Ｓ１を用いることにより、列増幅部３以降で発生するノイズが低減される。よって、画像を得るために十分な大きさのＳ／Ｎ比の信号が取得可能である。一方、入力光量が比較的大きい信号に対しては、比較的小さな利得Ｇ２で増幅された信号Ｓ２を用いることで、光量が大きい場合も飽和せずに信号の取得が可能となる。この場合、列増幅器３以降で発生するノイズは混入し得るが、信号強度が大きいため画像を得るために十分な大きさのＳ／Ｎ比の信号が得られる。このことから、広い範囲の入力光量において十分なＳ／Ｎ比で信号が取得可能であるため、ダイナミックレンジが拡大される。
【００５４】
本発明の第１の実施形態では、列増幅部３をリセットする回数は１回であり、異なる利得Ｇ１、Ｇ２に基づく画像信号Ｓ１、Ｓ２の個数は２個である。したがって、特許文献１の構成よりもリセットを行う回数が減少しているため、信号の読み出しに要する時間が短縮され、読み出しが高速化する。一方、上述したように、リセットを行う回数を減少させた場合であっても複数の利得Ｇ１、Ｇ２を用いることによる撮像システムのＳ／Ｎ比の向上とダイナミックレンジの拡大という効果を享受することができる。
【００５５】
本実施形態においては、列増幅部３に設けられた容量素子Ｃ１及び容量素子Ｃ２のいずれか１つのみを用いて利得Ｇ１、Ｇ２が決定されているが、容量素子Ｃ１及び容量素子Ｃ２に接続されるスイッチ９、１０の両方をオンにして利得を設定してもよい。このようにすることで、選択可能な利得の種類を増加させることができる。
【００５６】
（第２の実施形態）
本実施形態の撮像装置について、第１の実施形態とは異なる点を中心に説明する。
【００５７】
図５は、本実施形態の撮像装置の構成を示した図である。
【００５８】
本実施形態では、列増幅器１２として差動入力端子及び差動出力端子を備えた完全差動型の差動増幅器（以下、完全差動増幅器）を用いている。完全差動増幅器を用いることで、同相信号除去比（ＣＭＲＲ）及び電源電圧変動除去比（ＰＳＲＲ）が向上する。また、完全差動増幅器ではコモンモード電圧Ｖｃｍを入力することにより、出力コモンモード電圧を制御することもできる。
【００５９】
第１の実施形態では、列増幅器１２の非反転入力端子には基準電圧ＶＲＥＦが入力されていたが、本実施形態では、リファレンス画素１０１が接続されている。リファレンス画素１０１は、光電変換部１９を除いては画素１００と同様の構成となっている。リファレンス画素１０１の光電変換部１９には、光電変換素子に光が入射されないように、フォトダイオード等の光電変換素子の上に金属膜などの遮光膜が設けられている。このような遮光された画素を遮光画素又はオプティカルブラック（ＯＢ）画素と呼ぶ。遮光画素からは入射光がない場合に相当する信号が出力されるので、遮光画素を基準電圧源として用いることができる。なお、光電変換部１９にフォトダイオードを作成せず、その代わりに電位ＶＳＳを有するウェルに接続されるように構成してもよい。
【００６０】
電源電圧ＶＤＤの変動、画素に設けられたスイッチからのスイッチングノイズなどのノイズが信号に混入した場合、画素１００とリファレンス画素１０１の双方に対し同相のノイズとして作用する。完全差動増幅器はノイズの同相成分を低減するので、上記の要因等による同相ノイズは低減される。
【００６１】
次に列増幅部３の帰還回路の構成の違いについて説明する。第１の実施形態では、列増幅器１２の反転入力端子と出力端子との間に帰還回路が構成されていた。これに対し、本実施形態では、列増幅器１２の反転入力端子と非反転出力端子との間及び非反転入力端子と反転出力端子との間の双方にそれぞれ同じ帰還回路が構成されている。
【００６２】
また、第１の実施形態では、帰還回路において容量素子Ｃ１、Ｃ２にそれぞれ直列にスイッチ９、１０が接続されている。これに対し本実施形態では、スイッチ９は設けられておらず、スイッチ１０は、容量素子Ｃ２の一端と、列増幅器１２の入力端子、容量素子Ｃ０、Ｃ１の一端及びスイッチ１１の一端が接続されるノードとの間に接続されている。これにより、スイッチ１０をオフにした場合は帰還容量の容量値がＣ１になり、スイッチ１０をオンにした場合は帰還容量の容量値が（Ｃ１＋Ｃ２）になるように構成されている。すなわち、スイッチ１０がオフのときの利得Ｇ１は容量比（Ｃ０／Ｃ１）に応じて設定され、スイッチ１０がオンのときの利得Ｇ２は容量比（Ｃ０／（Ｃ１＋Ｃ２））に応じて設定される。
【００６３】
本実施形態では、列増幅器１２として完全差動増幅器を用いることで、回路の対称性が向上されている。そのため、各スイッチが動作した際のスイッチングノイズ等のノイズが差動回路間で対称に発生する。例えば、列増幅器３の帰還容量を制御するスイッチ１０をオフにする際には、スイッチ１０を構成するトランジスタのゲート下に蓄積された電荷が容量素子Ｃ０側と容量素子Ｃ２側に分かれて移動する。このとき、容量素子Ｃ２側に移った電荷は、容量素子Ｃ２に蓄積され、容量素子Ｃ２の端子間電圧を変化させる。第１の実施形態のような非対称な回路の場合、容量素子Ｃ２の端子間電圧の変化がオフセット電圧の変動、ノイズ等の原因になる場合がある。これに対し、本実施形態では完全差動増幅器を用いているため、リファレンス電圧入力側の回路と、信号入力側の回路の対称性により、上記の電荷も対称に発生する。このような同相の電圧変動によるノイズは低減されるため、本実施形態の回路では、スイッチング等によるオフセット電圧の変動、ノイズが発生しにくい。
【００６４】
なお、本実施形態では、水平転送部４の増幅回路としてシングルエンドの出力増幅器Ｓａｍｐ１、Ｓａｍｐ２が用いられている。
【００６５】
図６は、図５に示した撮像装置の動作を示したタイミング図である。以下、図１及び図５を参照しながら、図６のタイミング図を用いて本実施形態の撮像装置の動作について説明する。
【００６６】
時刻ｔ０において、垂直走査回路２から出力される信号ＰＴＸはＬレベルである。すなわち、トランジスタ２０はオフであり、光電変換部１９と浮遊拡散部ＦＤとの間は電気的に非接続である。また、垂直走査回路２から出力される信号ＰＲＥＳはＨレベルとなる。これにより、画素１００の各々の浮遊拡散部ＦＤの電位がリセットされる。さらに、垂直走査回路２から出力される信号ＰＳＥＬをＨレベルとなる。これにより、トランジスタ２１は、リセットされている浮遊拡散部ＦＤの電位に基づく信号を、トランジスタ２２を介して垂直信号線６に出力する。
【００６７】
また、時刻ｔ０において、不図示のタイミングジェネレータから出力される信号ＰＬはＨレベルとなる。これによりスイッチ８が導通状態となり、垂直信号線６の電圧が、容量素子Ｃ０を介して列増幅器１２に入力される。
【００６８】
また、信号φＣ、信号φＣ２はＨレベルとなる。これにより、列増幅器１２の反転入力端子と非反転出力端子が接続され、非反転入力端子と反転出力端子が接続される。また、容量素子Ｃ１、Ｃ２の両端が同電位となって、容量素子Ｃ１、Ｃ２に蓄積された電荷がリセットされる。
【００６９】
さらに、信号φＣＴ１がＨレベルとなる。これにより、水平転送部４の容量素子ＣＴ１は列増幅器１２の出力電位を基準とした電位でリセットされる。
【００７０】
次に、時刻ｔ１において、不図示のタイミングジェネレータから出力される信号φＣ２がＬレベルになり、容量素子Ｃ２の電位のリセットが解除される。また、容量Ｃ１のみが列増幅器１２の帰還容量として機能し、列増幅部３の利得はＧ１（本実施形態では１６倍とする）となる。
【００７１】
また、信号φＣＴ１もＬレベルとなる。これにより、容量素子ＣＴ１のリセットも解除される。
【００７２】
次に、時刻ｔ２において、信号ＰＲＥＳがＬレベルとなる。これにより浮遊拡散部ＦＤの電位のリセットが解除される。この際に、浮遊拡散部ＦＤにはリセットノイズ（ｋＴＣノイズ）が混入した電位が保持される。これにより、この浮遊拡散部ＦＤに保持された電位に基づくリセット信号が画素１００及びリファレンス画素１０１から出力される。
【００７３】
次に、時刻ｔ３において、信号φＣがＬレベルとなる。これにより、リセットが解除される。このとき、容量素子Ｃ０には、リセット信号に対応した電位がクランプされる。
【００７４】
時刻ｔ４において、信号ＰＴＸがＨレベルとなり、その後時刻ｔ５において、信号ＰＴＸはＬレベルとなる。これにより、トランジスタ２０は、光電変換部１９に蓄積された電荷を、浮遊拡散部ＦＤに転送する。トランジスタ２１は、浮遊拡散部ＦＤに転送された電荷に基づく画像信号を、トランジスタ２２を介して垂直信号線６に出力する。このとき、出力される画像信号は、容量素子Ｃ０、列増幅器１２、スイッチ１１等による第１のＣＤＳ回路において、リセット信号が差し引かれたものとなる。
【００７５】
次に、時刻ｔ６において、信号φＣＴ１がＨレベルとなり、その後時刻ｔ７において、信号φＣＴ１はＬレベルとなる。これにより、列増幅器１２から出力される信号が、容量素子ＣＴ１にサンプルホールドされる。
【００７６】
次に、時刻ｔ８から時刻ｔ９の期間、水平走査回路５は信号φＨｎの動作を開始し、各列のスイッチ１６、１７を順次オンにする水平走査を行う。これにより、出力増幅器Ｓａｍｐ１、Ｓａｍｐ２は、容量素子ＣＴ１に保持した信号に基づく信号Ｓ１を、順次外部に出力する。
【００７７】
次に、時刻ｔ１０において、信号φＣ２がＨレベルになる。これにより、容量素子Ｃ１、Ｃ２の双方が列増幅器１２の帰還容量として機能し、列増幅部３の利得はＧ２に変化する。本実施形態では利得Ｇ２を１倍に設定する。列増幅器１２に入力されている画像信号は変化しないので、出力される信号の違いは列増幅部３の利得がＧ１からＧ２に変化したことによるものである。
【００７８】
次に、時刻ｔ１１において、信号φＣＴ１がＨレベルになった後、時刻ｔ１２において、信号φＣＴ１はＬレベルになる。これにより、列増幅器１２の出力する光信号が利得Ｇ２で増幅された信号Ｓ２が、容量素子ＣＴ１にサンプルホールドされる。
【００７９】
次に、時刻ｔ１３において、信号ＰＳＥＬがＬレベルとなり、画素１００及びリファレンス画素１０１は、垂直信号線６と非接続となる。また、同時刻ｔ１３において、信号ＰＬもＬレベルになり、列増幅器１２と垂直信号線６も非接続となる。さらに、同時刻ｔ１３において、信号φＣ２もＬレベルとなり、列増幅器１２の増幅動作が停止する。
【００８０】
次に、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の期間、水平走査回路５は、信号φＨｎの動作を開始し、各列のスイッチ１６、１７を順次オンにする水平走査を行う。これにより、出力増幅器Ｓａｍｐ１、Ｓａｍｐ２は、容量素子ＣＴ１に保持した信号に基づく信号Ｓ２を、順次外部に出力する。
【００８１】
なお、本実施形態では、第１の実施形態とは異なり、信号Ｓ１、Ｓ２が出力増幅器Ｓａｍｐ１、Ｓａｍｐ２から差動信号として出力される。すなわち、出力増幅器Ｓａｍｐ１、Ｓａｍｐ２の出力電圧の差が出力信号となる。
【００８２】
以上のようにして出力された信号Ｓ１及びＳ２から、第１の実施形態と同様の方法により、ダイナミックレンジを拡大し、Ｓ／Ｎ比を向上した出力信号を得ることができる。また、第１の実施形態と同様にリセット回数が低減されているので、信号の読み出しに要する時間が短縮され、読み出しが高速化する。
【００８３】
これに加えて、本実施形態では、列増幅器１２として完全差動増幅器を用いているため、ＣＭＲＲ及びＰＳＲＲが高い撮像装置を提供することができる。また、列増幅部３の対称性が高い構成であるため、列増幅部３を構成するスイッチ及び容量素子により発生するオフセット及びノイズを低減することができる。
【００８４】
本実施形態では、帰還容量として、容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２の間に接続されたスイッチ１０により利得を変化させているが、第１の実施形態のように各容量素子に対し個別にスイッチを設けてもよい。また、本実施形態では信号Ｓ１を出力する時刻ｔ８から時刻ｔ９の間の期間において、信号ＰＳＥＬ、ＰＬがＨレベルである。しかしながら、信号ＰＳＥＬ、ＰＬの両方又は一方をＬレベルとすることにより、列増幅器１２と、垂直信号線６、画素１００とを電気的に分離してから信号Ｓ１を出力させてもよい。
【００８５】
（第３の実施形態）
本実施形態の撮像装置について、第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００８６】
図７は、本実施形態の撮像装置の構成を示す図である。
【００８７】
第２の実施形態では、出力増幅器Ｓａｍｐ１、Ｓａｍｐ２がシングルエンド入出力であるのに対し、本実施形態の出力増幅器Ｄａｍｐ１は、差動入力、シングルエンド出力である。これにより、差動信号をシングルエンド信号に変換してから出力できるので、水平転送部４の出力線が２本から１本に減少する。
【００８８】
本実施形態の構成によれば、第２の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、出力信号線の本数を少なくすることができるため、撮像装置を小型化することができる。
【００８９】
（第４の実施形態）
本実施形態の撮像装置について、第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。図８は、本実施形態の撮像装置の構成を示した図である。
【００９０】
第２の実施形態では、容量素子ＣＴ１による保持回路が１対配置された構成であったが、本実施形態では容量素子ＣＴ１による保持回路と容量素子ＣＴ２による保持回路とがそれぞれ１対ずつ、合計２対配置されている。また、水平転送部４の増幅器として、差動入出力の出力増幅器Ｄａｍｐ１、Ｄａｍｐ２が、出力増幅器Ｓａｍｐ１、Ｓａｍｐ２の代わりに設けられている。保持容量ＣＴ１に保持された信号はスイッチ４７、４８を介して出力増幅器Ｄａｍｐ１に入力され、保持容量ＣＴ２に保持された信号はスイッチ４６、４９を介して出力増幅器Ｄａｍｐ２に入力される。このことにより、信号Ｓ１と信号Ｓ２を並行して水平転送部４から出力することができるため、撮像装置の動作を高速化することができる。
【００９１】
図９は、図８に示した撮像装置の動作を示したタイミング図である。以下、図１及び図８を参照しながら、図９のタイミング図を用いて本実施形態の撮像装置の動作について説明する。なお、第２の実施形態と同様の動作については説明を省略する。
【００９２】
時刻ｔ０において、第２の実施形態と同様の動作に加えて、不図示のタイミングジェネレータは、信号φＣＴ２をＨレベルとする。その後、時刻ｔ１において、信号φＣＴ２はＬレベルとなる。この動作により、容量素子ＣＴ１と同様に容量素子ＣＴ２もリセットされる。その後時刻ｔ７までの動作は第２の実施形態と同様である。
【００９３】
次に、時刻ｔ８にて、信号φＣ２がＨレベルになり、列増幅部３の利得はＧ１からＧ２に変化する。本実施形態では利得Ｇ２を１倍に設定する。
【００９４】
次に、時刻ｔ９において、信号φＣＴ２がＨレベルとなり、その後、時刻ｔ１０において、信号φＣＴ２はＬレベルとなる。これにより、列増幅器１２が出力する画像信号が利得Ｇ２で増幅された信号Ｓ２が、容量素子ＣＴ２にサンプルホールドされる。
【００９５】
次に、時刻ｔ１１において、信号ＰＳＥＬがＬレベルとなり、画素１００及びリファレンス画素１０１は、垂直信号線６と非接続となる。また、同時刻ｔ１１において、信号ＰＬもＬレベルになり、列増幅器１２と垂直信号線６も非接続となる。さらに、同時刻ｔ１１において、信号φＣ２もＬレベルとなり、列増幅器１２の増幅動作が停止する。
【００９６】
次に、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３の期間、水平走査回路５は、信号φＨｎの動作を開始し、各列のスイッチ４６、４７、４８、４９を順次オンにする水平走査を行う。これにより、出力増幅器Ｄａｍｐ１、Ｄａｍｐ２は、容量素子ＣＴ１、ＣＴ２に保持した信号に基づく信号Ｓ１、Ｓ２を順次外部に出力する。
【００９７】
以上のようにして出力された信号Ｓ１及びＳ２から、第１の実施形態と同様の方法により、ダイナミックレンジを拡大し、Ｓ／Ｎ比を向上した出力信号を得ることができる。また、第１の実施形態と同様に信号の読み出しに要する時間が短縮され、読み出しが高速化する。
【００９８】
本実施形態の構成を用いることで、第２の実施形態の効果が得られることに加えて、信号Ｓ１及び信号Ｓ２を並行して外部に出力することができるため、撮像装置の動作をさらに高速化させることができる。
【００９９】
（第５の実施形態）
第１〜第４の実施形態で述べた撮像装置を撮像システムに適用した、第５の実施形態について述べる。撮像システムは撮像装置を用いて画像、動画等を取得する装置であり、その一例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラなどがある。図１０に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラに第１〜第４の実施形態の撮像装置を適用した場合のブロック図を示す。
【０１００】
図１０において、撮像システムは被写体の光学像を撮像装置３０１に結像させるレンズ３０２、レンズ３０２の保護のためのバリア３０３及びレンズ３０２を通った光量を調整するための絞り３０４を有する。また、撮像システムは撮像装置３０１より出力される出力信号の処理を行う出力信号処理部３０５を有する。
【０１０１】
出力信号処理部３０５はデジタル信号処理部を有し、撮像装置３０１から出力される信号を、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って信号を出力する動作を行う。撮像装置３０１から出力される信号がアナログ信号である場合、出力信号処理部３０５はアナログ／デジタル変換回路をデジタル信号処理部の前段に備えてもよい。デジタル信号処理部で行われる処理は、図４（ａ）、図４（ｂ）及び図４（ｃ）を用いて説明した信号処理方法を含んでもよい。また、デジタル信号処理部で行われる補正は、デジタルデータの値を定数倍して画像の輝度を変化させる補正を含んでもよく、γ補正等の画像の階調を変化させる補正を含んでもよい。
【０１０２】
また、撮像システムは、画像データを一時的に記憶する為のバッファメモリ部３０６、記録媒体への記録又は読み出しを行うための記憶媒体制御インターフェース（Ｉ／Ｆ）部３０７を有する。さらに撮像システムは、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の、着脱可能な、又は撮像システムに内蔵された、記録媒体３０９を有する。さらに、撮像システムは、外部のコンピュータ等と通信するための外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部３０８、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部３１０を有する。さらに撮像システムは、出力信号処理部３０５に、各種タイミング信号を出力するタイミングジェネレータ３１１を有する。なお、タイミング信号などの制御信号はタイミングジェネレータ３１１ではなく外部から入力されてもよい。すなわち、撮像システムは少なくとも撮像装置３０１と、撮像装置３０１から出力された出力信号を処理する出力信号処理部３０５とを有すればよい。
【０１０３】
以上のように、本実施形態の撮像システムは、第１〜第４の実施形態で述べた撮像装置３０１を適用して撮像動作を行うことが可能である。
【符号の説明】
【０１０４】
３  列増幅部
４  水平転送部
１００  画素
【図１】
0006385192.tif 000002
【図２】
0006385192.tif 000003
【図３】
0006385192.tif 000004
【図４】
0006385192.tif 000005
【図５】
0006385192.tif 000006
【図６】
0006385192.tif 000007
【図７】
0006385192.tif 000008
【図８】
0006385192.tif 000009
【図９】
0006385192.tif 000010
【図１０】
0006385192.tif 000011