(57)【要約】【課題】アナログデジタル変換時のノイズを低減することができる撮像装置を提供することを課題とする。【解決手段】撮像装置は、光電変換部を含む画素と、信号を保持する保持部と、信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部とを有し、アナログデジタル変換部は、画素のリセット解除状態における画素の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換し、アナログデジタル変換部は、画素の光電変換部による光電変換に基づく信号を保持部を介して入力し、入力した画素の光電変換部による光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換し、アナログデジタル変換部が画素のリセット解除状態における画素の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換する期間は、画素の光電変換部による光電変換に基づく信号が保持部に書き込まれる期間の前又は後である。【選択図】図５
2016178436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部を含む画素と、
信号を保持する保持部と、
信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部とを有し、
前記アナログデジタル変換部は、前記画素のリセット解除状態における前記画素の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換し、
前記アナログデジタル変換部は、前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号を前記保持部を介して入力し、前記入力した前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換し、
前記アナログデジタル変換部が前記画素のリセット解除状態における前記画素の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換する期間は、前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号が前記保持部に書き込まれる期間の前又は後であることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記アナログデジタル変換部は、前記画素のリセット解除状態における前記画素の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換し、
その後、前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号が前記保持部に書き込まれ、
その後、前記アナログデジタル変換部は、前記保持部に書き込まれた前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号が前記保持部に書き込まれ、
その後、前記アナログデジタル変換部は、前記保持部に書き込まれた前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換し、
その後、前記アナログデジタル変換部は、前記画素のリセット解除状態における前記画素の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項４】
さらに、前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号を前記保持部に書き込むための第１のスイッチと、
前記保持部に書き込まれた前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号を前記アナログデジタル変換部に入力するための第２のスイッチと、
前記画素のリセット解除状態における前記画素の出力信号に基づく信号を前記アナログデジタル変換部に入力するための第３のスイッチと
を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
さらに、前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号を前記保持部に書き込むための第１のスイッチと、
前記保持部に書き込まれた前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号を前記アナログデジタル変換部に入力するための第２のスイッチと、
前記画素のリセット解除状態における前記画素の出力信号に基づく信号を前記アナログデジタル変換部に入力するための第３のスイッチとを有し、
前記第３のスイッチは、前記画素のリセット解除状態における前記画素の出力信号に基づく信号を前記アナログデジタル変換部に入力し、
その後、前記第１のスイッチは、前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号を前記保持部に書き込み、
その後、前記第２のスイッチは、前記保持部に書き込まれた前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号を前記アナログデジタル変換部に入力することを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
【請求項６】
さらに、前記画素の出力信号に基づく信号を前記保持部に書き込むための第１のスイッチと、
前記保持部に書き込まれた前記画素の出力信号に基づく信号を前記アナログデジタル変換部に入力するための第２のスイッチと
を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
さらに、前記画素の出力信号に基づく信号を前記保持部に書き込むための第１のスイッチと、
前記保持部に書き込まれた前記画素の出力信号に基づく信号を前記アナログデジタル変換部に入力するための第２のスイッチとを有し、
前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチは、前記画素のリセット解除状態における前記画素の出力信号に基づく信号を前記アナログデジタル変換部に入力し、
その後、前記第１のスイッチは、前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号を前記保持部に書き込み、
その後、前記第２のスイッチは、前記保持部に書き込まれた前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号を前記アナログデジタル変換部に入力することを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
【請求項８】
さらに、前記アナログデジタル変換部により変換された前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号と、前記アナログデジタル変換部により変換された前記画素のリセット解除状態における前記画素の出力信号に基づく信号との差分を出力する差分出力回路を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
光電変換部を含む画素と、
信号を保持する保持部と、
信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部とを有する撮像装置の駆動方法であって、
前記アナログデジタル変換部により、前記画素のリセット解除状態における前記画素の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換するステップと、
前記アナログデジタル変換部により、前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号を前記保持部を介して入力し、前記入力した前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換するステップとを有し、
前記アナログデジタル変換部が前記画素のリセット解除状態における前記画素の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換する期間は、前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号が前記保持部に書き込まれる期間の前又は後であることを特徴とする撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置及び撮像装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置には、光学系により結像された光学像を受光するＣＭＯＳ型イメージセンサが使用されている。また、近年では、画素数の増加や高フレームレート化に伴い、撮像装置の高速読み出しを実現する技術や低消費電力化を図る技術が必要とされている。また、ＣＭＯＳ型イメージセンサは、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、画素毎に電荷を電気信号に変換し、画素から読み出される電気信号を列毎に、並列に処理することで読み出し速度を向上させることができる。
【０００３】
画素からの信号を列毎に並列に読み出す読み出し回路として、列毎に画素信号をアナログからデジタルに変換（以下、「ＡＤ変換」と記述する）する構成が知られている。このＡＤ変換は、大まかには次のようにして行われる。先ず、垂直信号線に読み出されたアナログ電気信号を、列毎に配置されたコンパレータで参照電圧（ある傾きを持った線形に変化するスロープ波形）と比較する。それと同時に、コンパレータと同様に列毎に配置されたカウンタで一定周期のクロックに同期してカウント動作を開始する。その後、上記のアナログ電気信号と参照電圧との大小関係が逆転し、コンパレータの出力が反転した時点でカウンタのカウント動作を停止する。そして、最終的なカウンタのカウント値が、アナログ電気信号の大きさに応じたデジタル信号となる。
【０００４】
このようなＡＤ変換手段を備えた固体撮像装置において、高速化を実現させる提案がされている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１によれば、行列状に２次元配列された複数の画素部から列毎に出力されるアナログ信号を保持する信号保持手段とスイッチ素子と、信号保持手段に保持されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換手段とを備えている。更にＡＤ変換手段による変換動作中にスイッチ素子をオフ状態に維持し、ＡＤ変換手段による変換動作と、画素部から列信号線にアナログ信号を読み出す動作とを並列に駆動することで、信号読み出しの高速化を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１０７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１において、ＡＤ変換動作中にスイッチ素子をオフ状態に維持することで、画素の信号成分のＡＤ変換期間に、画素信号のアナログ出力部と信号保持手段とを電気的に遮断することが可能となる。それにより、画素部内の電荷保持手段で発生するリーク成分が信号保持手段に伝達されないようにすることができるが、大きな信号が転送されることにより発生する電源変動によるノイズの伝達について考慮されていない。
【０００７】
一般的に、高輝度な被写体の像を受光した際、画素部からの光電変換信号は大きく、信号転送時に電源変動を起こし、画像信号に影響を与えることが知られている。例えば、特許文献１では、信号保持手段に保持されたリセット成分をＡＤ変換する動作と、光電変換されたアナログ信号を画素部から読み出す動作を並列に行うようにしている。このため、高輝度な被写体の像を受光して信号保持手段やＡＤ変換器の電源・グランドのレベル変動が発生し、リセット成分のＡＤ変換時にノイズが発生してしまう。
【０００８】
本発明の目的は、高輝度な被写体の像を受光して電源変動が発生しても、アナログデジタル変換時のノイズを低減することができる撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の撮像装置は、光電変換部を含む画素と、信号を保持する保持部と、信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部とを有し、前記アナログデジタル変換部は、前記画素のリセット解除状態における前記画素の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換し、前記アナログデジタル変換部は、前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号を前記保持部を介して入力し、前記入力した前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換し、前記アナログデジタル変換部が前記画素のリセット解除状態における前記画素の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換する期間は、前記画素の前記光電変換部による光電変換に基づく信号が前記保持部に書き込まれる期間の前又は後であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高輝度な被写体の像を受光して電源変動が発生しても、アナログデジタル変換時のノイズを低減することができるので、撮影者の意図した画像を出力可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】画素の構成例を示す図である。
【図２】撮像装置の構成例を示す図である。
【図３】読み出し部の構成例を示す図である。
【図４】読み出し動作を説明するタイミングチャートである。
【図５】読み出し動作の並列処理を説明する図である。
【図６】他の読み出し部の構成例を示す図である。
【図７】読み出し動作を説明するタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による画素１００の構成例を示す回路図である。画素１００は、フォトダイオード１０１と、転送トランジスタ１０２と、リセットトランジスタ１０３と、増幅トランジスタ１０４と、選択トランジスタ１０５と、フローティングディフュージョン１０６とを有する。フォトダイオード１０１は、光を電荷に変換して蓄積する光電変換部である。フォトダイオード１０１のアノードは、グランド電位ノードに接続される。フォトダイオード１０１のカソードは、転送トランジスタ１０２を介して、フローティングディフュージョン１０６に接続される。増幅トランジスタ１０４のゲートは、フローティングディフュージョン１０６に接続される。フローティングディフュージョン１０６は、フローティングディフュージョン１０６をリセットするためのリセットトランジスタ１０３のソースに接続される。リセットトランジスタ１０３のドレインは、電源電圧ノードＶＤＤに接続される。増幅トランジスタ１０４は、ドレインが電源電圧ノードＶＤＤに接続され、ソースが選択トランジスタ１０５のドレインに接続される。選択トランジスタ１０５のソースは、出力端子ＯＵＴに接続される。
【００１３】
転送トランジスタ１０２は、信号ＰＴＸに応じて、フォトダイオード１０１の電荷をフローティングディフュージョン１０６に転送する。フローティングディフュージョン１０６は、電荷を蓄積する。リセットトランジスタ１０３は、信号ＰＲＥＳに応じて、フローティングディフュージョン１０６をリセットする。増幅トランジスタ１０４は、フローティングディフュージョン１０６に蓄積された電荷に基づく電圧を出力する。選択トランジスタ１０５は、信号ＰＳＥＬに応じて、増幅トランジスタ１０４の出力電圧を出力端子ＯＵＴに出力する。出力端子ＯＵＴは、垂直出力線ＶＬ（図３）に接続される。増幅トランジスタ１０４は、選択トランジスタ１０５を介して、垂直出力線ＶＬの負荷である定電流源３０１（図３）に接続されることで、ソースフォロワアンプとして機能する。なお、信号ＰＴＸ、ＰＲＥＳ及びＰＳＥＬは、図２の垂直走査手段２０２から出力される。
【００１４】
図２は、本実施形態による撮像装置２００の構成例を示す図である。撮像装置２００は、画素部２０１、垂直走査手段２０２、読み出し部２０３、水平走査手段２０４、及び差分出力回路１５０を有する。撮像装置２００は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像システムに搭載して使用することが可能である。画素部２０１は、行列状に配列された複数の画素１００（図１）を有し、光学系により結像された光学像を受光し、画像信号を出力する。垂直走査手段２０２は、信号ＰＴＸ、ＰＲＥＳ及びＰＳＥＬを生成し、画素部２０１内の画素１００を行単位で順に選択する。選択された行の画素１００は、画素信号を読み出し部２０３に出力する。読み出し部２０３は、１行分の画素信号をアナログからデジタルに変換する。水平走査手段２０４は、信号ＰＨ（図４）を読み出し部２０３に出力することにより、各列の画素１００の信号を順に差分出力回路１５０に転送させる。なお、撮像装置２００は、上記の各回路にタイミング信号を提供するタイミングジェネレータ等を備えても良い。
【００１５】
図３は、読み出し部２０３の１列分の構成例を示す回路図である。図３の読み出し部２０３の構成は、画素１００の列毎に設けられる。また、垂直出力線（列出力線）ＶＬも、画素１００の列毎に設けられる。複数列の読み出し部２０３は、それぞれ、複数列の列出力線ＶＬを介して、複数列の画素１００に接続される。１本の列出力線ＶＬには、同じ列の複数の画素１００が接続される。選択トランジスタ１０５のソースは、列出力線ＶＬに接続される。定電流源３０１は、列出力線ＶＬの負荷であり、列出力線ＶＬに接続される。
【００１６】
次に、読み出し部２０３の構成を説明する。容量３０２は、列出力線ＶＬ及び増幅アンプ３０４の入力端子間に接続される。容量３０３及びスイッチ３０５の並列接続回路は、増幅アンプ３０４の入力端子及び出力端子間に接続される。増幅アンプ３０４は、容量３０２及び列出力線ＶＬを介して画素１００から入力した信号を増幅する。増幅アンプ３０４の増幅度は、容量３０２及び３０３の比により決まる。スイッチ３０５は、容量３０２及び３０３をリセット（読み出し部２０３をリセット）するためのスイッチであり、信号ＰＣ０Ｒ（図４）により制御される。
【００１７】
スイッチ３０６は、信号ＰＴＮ（図４）に応じて、画素１００のリセット解除時における増幅アンプ３０４の出力信号をコンパレータ３１０に出力するためのスイッチである。容量３０８は、信号を保持する保持部である。スイッチ３０７は、信号ＰＴＳ（図４）に応じて、画素１００の光電変換部による光電変換に基づく信号の出力時における増幅アンプ３０４の出力信号を容量３０８に蓄積するためのスイッチである。スイッチ３０９は、容量３０８に蓄積されている信号をコンパレータ３１０に出力するためのスイッチである。
【００１８】
ランプ電圧生成器３１１は、各列に共通に設けられ、ある傾きを持った線形に変化するスロープ波形の参照信号ＲＡＭＰ（図４）を各列のコンパレータ３１０に出力する。コンパレータ３１０は、ランプ電圧生成器３１１が出力する参照信号ＲＡＭＰと、スイッチ３０６又は３０９により出力される信号とを比較し、両者の大小関係が逆転すると、出力信号を反転させる。
【００１９】
クロック供給手段３１３は、各列に共通に設けられ、一定周期のクロック信号を各列のカウンタ３１２に出力する。カウンタ３１２は、参照信号ＲＡＭＰのスロープ波形の生成が開始されると、クロック供給手段３１３から供給されるクロックに同期したカウント動作を開始する。その後、コンパレータ３１０の出力信号が反転した時点で、カウンタ３１２のカウント動作を停止する。その後、スイッチ３０６がオンしているときのカウンタ３１２のカウント値は、Ｎラッチ３１４ａに記憶される。また、スイッチ３０９がオンしているときのカウンタ３１２のカウント値は、Ｓラッチ３１４ｂに記憶される。Ｎラッチ３１４ａ及びＳラッチ３１４ｂのカウント値は、画素１００が出力するアナログ信号に応じたデジタル信号である。すなわち、読み出し部２０３は、画素１００が出力する信号をアナログからデジタルに変換するアナログデジタル変換部を有する。アナログデジタル変換部は、コンパレータ３１０、ランプ電圧生成器３１１、カウンタ３１２、クロック供給手段３１３、Ｎラッチ３１４ａ及びＳラッチ３１４ｂを有する。Ｎラッチ３１４ａは、画素１００のリセット解除時におけるデジタル信号を記憶する。Ｓラッチ３１４ａは、画素１００の光電変換部による光電変換に基づく信号の出力時におけるデジタル信号を記憶する。その後、図２の水平走査手段２０４は、Ｎラッチ３１４ａ及びＳラッチ３１４ｂに記憶されたデジタル信号を列毎に順に差分出力回路１５０に転送する。差分出力回路１５０は、Ｎラッチ３１４ａ及びＳラッチ３１４ｂに記憶されているデジタル信号の差分を出力することにより、ノイズを除去した画素信号を出力することができる。
【００２０】
図４は、本実施形態による撮像装置２００の駆動方法を示すタイミングチャートであり、撮像装置２００がローリングシャッタ動作を行ったときの読み出し動作を示す。各信号がハイレベルになることにより、各信号に対応するトランジスタ及びスイッチがオンするものとする。
【００２１】
時刻Ｔ１〜Ｔ３では、信号ＰＲＥＳ及びＰＣ０Ｒがハイレベルである。すると、リセットトランジスタ１０３がオンし、全画素１００のフローティングディフュージョン１０６がリセット状態になる。また、スイッチ３０５がオンし、全列の読み出し部２０３の容量３０２及び３０３がリセット、つまり読み出し部２０３がリセットされている。
【００２２】
時刻Ｔ２〜Ｔ８では、０行目の画素１００の信号ＰＳＥＬがハイレベルになり、０行目の画素１００の選択トランジスタ１０５がオンする。次に、時刻Ｔ３では、信号ＰＲＥＳ及びＰＣ０Ｒがローレベルになる。すると、リセットトランジスタ１０３がオフし、全画素１００のフローティングディフュージョン１０６のリセットが解除される。また、スイッチ３０５がオフし、全列の読み出し部２０３の容量３０２及び３０３のリセットが解除される。
【００２３】
また、時刻Ｔ３〜Ｔ５では、信号ＰＴＮがハイレベルになり、スイッチ３０６がオンし、増幅アンプ３０４の出力信号がコンパレータ３１０に入力される。ここで、増幅アンプ３０４の出力信号は、フローティングディフュージョン１０６のリセット解除後の信号（つまりリセット成分）である。
【００２４】
時刻Ｔ４〜Ｔ５では、ランプ電圧生成器３１１は、スロープ波形の参照信号ＲＡＭＰをコンパレータ３１０に出力する。参照信号ＲＡＭＰは、時間と共にレベルが大きくなる。カウンタ３１２は、時刻Ｔ４で、クロック信号に同期してカウント動作を開始する。コンパレータ３１０は、参照信号ＲＡＭＰが増幅アンプ３０４の出力信号より大きくなると、出力信号を反転させる。すると、カウンタ３１２は、カウント動作を終了する。カウンタ３１２のカウント値は、リセット成分としてＮラッチ３１４ａにラッチされる。これにより、リセット成分がアナログからデジタルに変換される。時刻Ｔ５では、ランプ電圧生成器３１１は、参照信号ＲＡＭＰを初期値に戻す。
【００２５】
また、時刻Ｔ５〜Ｔ６では、０行目の画素１００の信号ＰＴＸがハイレベルになり、転送トランジスタ１０２がオンする。すると、０行目の画素１００において、転送トランジスタ１０２は、フォトダイオード１０１の電荷をフローティングディフュージョン１０６に転送する。フォトダイオード１０１が光電変換により生成した電荷は、フローティングディフュージョン１０６に転送される。
【００２６】
また、時刻Ｔ５〜Ｔ７では、信号ＰＴＳがハイレベルになり、スイッチ３０７がオンし、増幅アンプ３０４の出力信号が容量３０８に保持される。次に、時刻Ｔ８〜Ｔ１０では、信号ＰＡＤがハイレベルになり、スイッチ３０９がオンする。すると、容量３０８に保持されている信号は、コンパレータ３１０に出力される。
【００２７】
また、時刻Ｔ８〜Ｔ１０では、ランプ電圧生成器３１１は、スロープ波形の参照信号ＲＡＭＰをコンパレータ３１０に出力する。参照信号ＲＡＭＰは、時間と共にレベルが大きくなる。カウンタ３１２は、時刻Ｔ８で、クロック信号に同期してカウント動作を開始する。コンパレータ３１０は、参照信号ＲＡＭＰが増幅アンプ３０４の出力信号より大きくなると、出力信号を反転させる。すると、カウンタ３１２は、カウント動作を終了する。カウンタ３１２のカウント値は、光電変換信号としてＳラッチ３１４ｂにラッチされる。これにより、光電変換信号がアナログからデジタルに変換される。
【００２８】
その後、時刻Ｔ１１〜Ｔ１５では、読み出し部２０３は、信号ＰＨに応じて、Ｎラッチ３１４ａ及びＳラッチ３１４ｂに記憶された０行目の信号を、差分出力回路１５０に順次列毎に出力する。差分出力回路１５０は、Ｓラッチ３１４ｂの信号及びＮラッチ３１４ａの信号の差分を出力する。
【００２９】
時刻Ｔ９では、１行目の画素１００の信号ＰＳＥＬがローレベルからハイレベルに変化することにより、１行目の画素１００の選択トランジスタ１０５がオンする。時刻Ｔ８〜Ｔ１１では、信号ＰＲＥＳ及びＰＣ０Ｒがハイレベルである。すると、リセットトランジスタ１０３がオンし、全画素１００のフローティングディフュージョン１０６がリセット状態になる。また、スイッチ３０５がオンし、全列の読み出し部２０３の容量３０２及び３０３がリセット、つまり読み出し部２０３がリセットされる。
【００３０】
次に、時刻Ｔ１１では、信号ＰＲＥＳ及びＰＣ０Ｒがローレベルになる。すると、リセットトランジスタ１０３がオフし、全画素１００のフローティングディフュージョン１０６のリセットが解除される。また、スイッチ３０５がオフし、全列の読み出し部２０３の容量３０２及び３０３のリセットが解除される。
【００３１】
また、時刻Ｔ１１では、信号ＰＴＮがハイレベルになり、スイッチ３０６がオンし、増幅アンプ３０４の出力信号がコンパレータ３１０に入力される。ここで、増幅アンプ３０４の出力信号は、フローティングディフュージョン１０６のリセット解除後の信号（つまりリセット成分）である。
【００３２】
次に、時刻Ｔ１２〜Ｔ１３では、ランプ電圧生成器３１１は、スロープ波形の参照信号ＲＡＭＰをコンパレータ３１０に出力する。カウンタ３１２は、時刻Ｔ１２で、クロック信号に同期してカウント動作を開始する。コンパレータ３１０は、参照信号ＲＡＭＰが増幅アンプ３０４の出力信号より大きくなると、出力信号を反転させる。すると、カウンタ３１２は、カウント動作を終了する。カウンタ３１２のカウント値は、リセット成分としてＮラッチ３１４ａにラッチされる。
【００３３】
また、時刻Ｔ１３〜Ｔ１４では、１行目の画素１００の信号ＰＴＸがハイレベルになり、転送トランジスタ１０２がオンする。すると、１行目の画素１００において、転送トランジスタ１０２は、フォトダイオード１０１の電荷をフローティングディフュージョン１０６に転送する。フォトダイオード１０１が光電変換により生成した電荷は、フローティングディフュージョン１０６に転送される。
【００３４】
また、時刻Ｔ１３〜Ｔ１５では、信号ＰＴＳがハイレベルになり、スイッチ３０７がオンし、増幅アンプ３０４の出力信号が容量３０８に保持される。次に、時刻Ｔ１６〜Ｔ１７では、信号ＰＡＤがハイレベルになり、スイッチ３０９がオンする。すると、容量３０８に保持されている信号は、コンパレータ３１０に出力される。
【００３５】
また、時刻Ｔ１６〜Ｔ１７では、ランプ電圧生成器３１１は、スロープ波形の参照信号ＲＡＭＰをコンパレータ３１０に出力する。カウンタ３１２は、時刻Ｔ１６で、クロック信号に同期してカウント動作を開始する。コンパレータ３１０は、参照信号ＲＡＭＰが増幅アンプ３０４の出力信号より大きくなると、出力信号を反転させる。すると、カウンタ３１２は、カウント動作を終了する。カウンタ３１２のカウント値は、光電変換信号としてＳラッチ３１４ｂにラッチされる。
【００３６】
その後、時刻Ｔ１８〜Ｔ１９では、読み出し部２０３は、信号ＰＨに応じて、Ｎラッチ３１４ａ及びＳラッチ３１４ｂに記憶された１行目の信号を、差分出力回路１５０に順次列毎に出力する。差分出力回路１５０は、Ｓラッチ３１４ｂの信号及びＮラッチ３１４ａの信号の差分を出力する。
【００３７】
上記で説明した動作を繰り返すことで、０行目から最終行までの画素信号を読み出すことができる。図４の下部には、各時刻に行われている動作を模式的に示している。時刻Ｔ４〜Ｔ５では、アナログデジタル変換部は、画素１００のリセット解除状態における画素１００の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換する（Ｎ＿ＡＤ）。その後、時刻Ｔ５〜Ｔ７では、スイッチ３０７は、画素１００の光電変換部による光電変換に基づく信号を容量３０８に書き込む（Ｓ転送）。その後、時刻Ｔ８〜Ｔ１０では、アナログデジタル変換部は、容量３０８に書き込まれた画素１００の光電変換部による光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する（Ｓ＿ＡＤ）。
【００３８】
アナログデジタル変換部は、画素１００のリセット解除状態における画素１００の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換する（Ｎ＿ＡＤ）。アナログデジタル変換部は、画素１００の光電変換部からの出力信号に基づく信号を容量３０８を介して入力し、その入力した画素の光電変換部からの出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換する（Ｓ＿ＡＤ）。
【００３９】
時刻Ｔ３〜Ｔ５では、第３のスイッチ３０６は、画素１００のリセット解除状態における画素１００の出力信号に基づく信号をアナログデジタル変換部に入力する。その後、時刻Ｔ５〜Ｔ７では、第１のスイッチ３０７は、画素１００の光電変換部からの出力信号に基づく信号を容量３０８に書き込む。その後、時刻Ｔ８〜Ｔ１０では、第２のスイッチ３０９は、容量３０８に書き込まれた画素１００の光電変換部からの出力信号に基づく信号をアナログデジタル変換部に入力する。
【００４０】
ここで、注目するべきは、時刻Ｔ３〜Ｔ５では、リセット成分の信号が増幅アンプ３０４からコンパレータ３１０に転送され、アナログデジタル変換が行われる。これに対し、時刻Ｔ５〜Ｔ７では、光電変換信号が増幅アンプ３０４から容量３０８に転送され、その後、時刻Ｔ８〜Ｔ１０では、容量３０８に保持されている信号がコンパレータ３１０に出力され、アナログデジタル変換が行われる。それと同時に、時刻Ｔ８〜Ｔ１１では、画素１００のフローティングディフュージョン１０６及び読み出し部２０３がリセットされる。
【００４１】
つまり、光電変換信号が増幅アンプ３０４から容量３０８に転送されている時刻Ｔ５〜Ｔ７では、リセット成分の信号がアナログからデジタルに変換されていない。このため、高輝度な被写体の像を受光して容量３０８やアナログデジタル変換部の電源・グランドの電位変動が発生したとしても、リセット成分の信号のアナログデジタル変換時にノイズの影響を受けることはない。また、本実施形態は、スイッチ３０７に対応する容量３０８及びスイッチ３０９を有するが、スイッチ３０６に対応する容量及びスイッチを有しないので、半導体チップサイズを小型化できる。
【００４２】
上記の様子を示したのが図５（Ａ）である。図５（Ａ）は、右方向に時間の経過を示しており、０行目から２行目の読み出し動作の並列処理の過程がわかるように示している。図５（Ａ）において、０行目の画素１００及び読み出し部２０３のリセット動作（リセット）、０行目のリセット成分の転送（Ｎ転送）、０行目のリセット成分のアナログデジタル変換（Ｎ＿ＡＤ）、０行目の光電変換信号の転送（Ｓ転送）の順で処理が行われる。その後、１行目の画素１００及び読み出し部２０３のリセット動作（リセット）と並行して、０行目の光電変換信号のアナログデジタル変換（Ｓ＿ＡＤ）が行われる。その後、１行目のリセット成分の転送（Ｎ転送）、１行目のリセット成分のアナログデジタル変換（Ｎ＿ＡＤ）、１行目の光電変換信号の転送（Ｓ転送）の順で処理が行われる。例えば、１行目で高輝度な被写体の像を受光していたとしても、その信号の転送時にアナログデジタル変換動作が行われていないので、ノイズを受けることはない。これにより、画質が向上する。
【００４３】
一方、図５（Ｂ）は、本実施形態の動作を行わない場合の読み出し動作を示しており、１行目の光電変換信号の転送（Ｓ転送）が行われるのと並行して、１行目のリセット成分のアナログデジタル変換（Ｎ＿ＡＤ）が行われている。このため、１行目で高輝度な被写体の像を受光していた場合、光電変換信号の転送（Ｓ転送）時に１行目のリセット成分のアナログデジタル変換（Ｎ＿ＡＤ）が行われているので、ノイズを受けてしまう。これにより、画質が低下する。
【００４４】
図５（Ａ）と図５（Ｂ）を比較すると、本実施形態の図５（Ａ）の方がわずかに読み出し時間が長くなっている。ただし、本実施形態の図５（Ａ）は、次行の画素１００及び読み出し部２０３のリセット動作と並行して、前行の光電変換信号のアナログデジタル変換が行われており、十分な読み出し速度が確保されている。
【００４５】
以上のように、本実施形態では、リセット成分の転送（Ｎ転送）、リセット成分のアナログデジタル変換（Ｎ＿ＡＤ）、光電変換信号の転送（Ｓ転送）の順で処理が行われている。また、本実施形態では、光電変換信号のアナログデジタル変換（Ｓ＿ＡＤ）と画素１００及び読み出し部２０３のリセット動作が並行に行われている。なお、本実施形態は、この順序で行う処理に限られることない。リセット成分の転送（Ｎ転送）及びリセット成分のアナログデジタル変換（Ｎ＿ＡＤ）と、光電変換信号の転送（Ｓ転送）及び光電変換信号のアナログデジタル変換（Ｓ＿ＡＤ）との処理順序が逆でもよい。光電変換信号の転送（Ｓ転送）とリセット成分のアナログデジタル変換（Ｎ＿ＡＤ）又は光電変換信号のアナログデジタル変換（Ｓ＿ＡＤ）が並列処理されなければよい。
【００４６】
すなわち、まず、スイッチ３０７は、画素１００の光電変換部よる光電変換に基づく信号を容量３０８に書き込む（Ｓ転送）。その後、アナログデジタル変換部は、容量３０８に書き込まれた画素１００の光電変換部による光電変換に基づく信号をアナログからデジタルに変換する（Ｓ＿ＡＤ）。その後、アナログデジタル変換部は、画素１００のリセット解除状態における画素１００の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換する（Ｎ＿ＡＤ）。
【００４７】
画素１００のリセット解除状態における画素１００の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換する期間（Ｎ＿ＡＤ）は、画素１００の光電変換部による光電変換に基づく信号が容量３０８に書き込まれる期間（Ｓ転送）とは重ならない。画素１００のリセット解除状態における画素１００の出力信号に基づく信号をアナログからデジタルに変換する期間（Ｎ＿ＡＤ）は、画素１００の光電変換部による光電変換に基づく信号が容量３０８に書き込まれる期間（Ｓ転送）の前又は後である。
【００４８】
差分出力回路１５０は、アナログデジタル変換部により変換された画素の光電変換部による光電変換に基づく信号と、アナログデジタル変換部により変換された画素のリセット解除状態における画素の出力信号に基づく信号との差分を出力する。
【００４９】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態による画素１００及び読み出し部２０３の一列分の構成例を示す回路図である。本実施形態（図６）は、第１の実施形態（図３）に対して、読み出し部２０３内のスイッチ３０６を削除したものである。図６のスイッチ３０７は、図３のスイッチ３０６及び３０７を共通化したスイッチであり、信号ＰＴＳＮ（図７）により駆動される。
【００５０】
図７は、本実施形態による撮像装置２００の駆動方法を示すタイミングチャートであり、撮像装置２００がローリングシャッタ動作を行ったときの読み出し動作を示す。以下、本実施形態（図７）が第１の実施形態（図４）と異なる点を説明する。図７の信号ＰＴＳＮは、図４の信号ＰＴＳ及びＰＴＮを共通化した信号であり、図４の信号ＰＴＳ及びＰＴＮの論理和（ＯＲ）信号である。信号ＰＴＳＮは、時刻Ｔ３〜Ｔ７、Ｔ１１〜Ｔ１５、Ｔ１８〜Ｔ１９でハイレベルになる。また、信号ＰＡＤは、時刻Ｔ８〜Ｔ１０、Ｔ１６〜Ｔ１７の他、時刻Ｔ４〜Ｔ５、Ｔ１２〜Ｔ１３等でもハイレベルになる。
【００５１】
時刻Ｔ３〜Ｔ５では、信号ＰＴＳＮのハイレベルにより、スイッチ３０７がオンし、ノイズ成分が増幅アンプ３０４から容量３０８に転送される。時刻Ｔ４〜Ｔ５では、信号ＰＡＤのハイレベルにより、スイッチ３０９がオンし、容量３０８のノイズ成分はコンパレータ３１０に転送される。これにより、ノイズ成分は、アナログからデジタルに変換される。
【００５２】
また、時刻Ｔ５〜Ｔ７では、信号ＰＴＳＮのハイレベルにより、スイッチ３０７がオンし、光電変換信号が増幅アンプ３０４から容量３０８に転送される。時刻Ｔ８〜Ｔ１０では、信号ＰＡＤのハイレベルにより、スイッチ３０９がオンし、容量３０８の光電変換信号はコンパレータ３１０に転送される。これにより、光電変換信号は、アナログからデジタルに変換される。
【００５３】
以上のように、時刻Ｔ４〜Ｔ５では、第１のスイッチ３０７及び第２のスイッチ３０９は、画素１００のリセット解除状態における画素１００の出力信号に基づく信号をアナログデジタル変換部に入力する。その後、時刻Ｔ５〜Ｔ７では、第１のスイッチ３０７は、画素１００の光電変換部による光電変換に基づく信号を容量３０８に書き込む。その後、時刻Ｔ８〜Ｔ１０では、第２のスイッチ３０９は、容量３０８に書き込まれた画素１００の光電変換部による光電変換に基づく信号をアナログデジタル変換部に入力する。
【００５４】
本実施形態は、第１の実施形態に対し、図３のスイッチ３０６を削減し、信号ＰＴＳ及びＰＴＮを信号ＰＴＳＮとして共通化することにより、制御負荷を軽減することができる利点を有する。
【００５５】
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１００  画素、１０１  フォトダイオード、３０６，３０７，３０９  スイッチ、３０８  容量、３１０  コンパレータ、３１１  ランプ電圧生成器、３１２  カウンタ、３１３  クロック供給手段、３１４ａ，３１４ｂ  ラッチ
【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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