特許 6821590 撮像素子、撮像方法、および電子機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6821590

(24)【登録日】2021年1月8日

(45)【発行日】2021年1月27日

(54)【発明の名称】撮像素子、撮像方法、および電子機器

(51)【国際特許分類】

   H04N 5/378 20110101AFI20210114BHJP

【ＦＩ】

   H04N5/378

【請求項の数】8

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2017-550068(P2017-550068)

(86)(22)【出願日】2016年10月31日

(86)【国際出願番号】JP2016082214

(87)【国際公開番号】WO2017082090

(87)【国際公開日】20170518

【審査請求日】2019年10月24日

(31)【優先権主張番号】特願2015-221733(P2015-221733)

(32)【優先日】2015年11月12日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】316005926

【氏名又は名称】ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121131

【弁理士】

【氏名又は名称】西川 孝

(74)【代理人】

【識別番号】100082131

【弁理士】

【氏名又は名称】稲本 義雄

(72)【発明者】

【氏名】西田 祐輔

【審査官】 松永 隆志

(56)【参考文献】

【文献】 特開2015-104021（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開2010-161484（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開2014-239289（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開2010-239604（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｎ ５／２２５−５／３７８

Ｈ０４Ｎ ９／００−９／１１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の画素が行列状に配置された画素領域と、
前記画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部が前記画素の列ごとに設けられ、同一の列に配置される複数の前記画素が、垂直信号線を介して前記ＡＤ変換部に接続されたカラムＡＤ信号処理部と、
ランプ信号を生成するランプ信号生成部と
を備え、
所定数の前記垂直信号線のうちの、一部の前記垂直信号線を介して接続される前記画素がリセット動作または信号転送動作を行うのと並行的に、他の前記垂直信号線を介して接続される前記画素から出力される画素信号を前記ＡＤ変換部がＡＤ変換する動作を行い、それらの動作が交互に繰り返して行われ、
前記ランプ信号は、前記画素から出力される画素信号をＡＤ変換する前記ＡＤ変換部に供給され、ＡＤ変換しない前記ＡＤ変換部には供給されないように制御される
撮像素子。

【請求項2】

前記制御はスイッチの開閉を制御することで行われ、
前記スイッチは、前記ランプ信号生成部と前記ＡＤ変換部と経路上に設けられている
請求項１に記載の撮像素子。

【請求項3】

前記制御はスイッチの開閉を制御することで行われ、
前記スイッチは、前記ＡＤ変換部に含まれるコンパレータ内に設けられている
請求項１に記載の撮像素子。

【請求項4】

前記スイッチは、前記コンパレータ内の電流経路に設けられている
請求項３に記載の撮像素子。

【請求項5】

前記スイッチは、前記コンパレータ内の前記画素からの信号を処理する側、または前記ランプ信号生成部からのランプ信号を処理する側の少なくとも一方の電流経路に設けられている
請求項３に記載の撮像素子。

【請求項6】

前記ランプ信号生成部は、第１の画素のリセットレベルの画素信号、第２の画素のリセットレベルの画素信号、前記第１の画素の信号レベルの画素信号、前記第２の画素の信号レベルの画素信号を、それぞれ読み出すためのランプ信号を、この順に繰り返し生成し、
前記制御はスイッチの開閉を制御することで行われ、
前記スイッチは、前記ランプ信号の切り替えのタイミングで開閉状態が切り換えられる
請求項１に記載の撮像素子。

【請求項7】

複数の画素が行列状に配置された画素領域と、
前記画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部が前記画素の列ごとに設けられ、同一の列に配置される複数の前記画素が、垂直信号線を介して前記ＡＤ変換部に接続されたカラムＡＤ信号処理部と、
ランプ信号を生成するランプ信号生成部と
を備える撮像素子の撮像方法において、
所定数の前記垂直信号線のうちの、一部の前記垂直信号線を介して接続される前記画素がリセット動作または信号転送動作を行うのと並行的に、他の前記垂直信号線を介して接続される前記画素から出力される画素信号を前記ＡＤ変換部がＡＤ変換する動作を行い、それらの動作が交互に繰り返して行われ、
前記ランプ信号は、前記画素から出力される画素信号をＡＤ変換する前記ＡＤ変換部に供給され、ＡＤ変換しない前記ＡＤ変換部には供給されないように制御される
ステップを含む撮像方法。

【請求項8】

複数の画素が行列状に配置された画素領域と、
前記画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部が前記画素の列ごとに設けられ、同一の列に配置される複数の前記画素が、垂直信号線を介して前記ＡＤ変換部に接続されたカラムＡＤ信号処理部と、
ランプ信号を生成するランプ信号生成部と
を備え、
所定数の前記垂直信号線のうちの、一部の前記垂直信号線を介して接続される前記画素がリセット動作または信号転送動作を行うのと並行的に、他の前記垂直信号線を介して接続される前記画素から出力される画素信号を前記ＡＤ変換部がＡＤ変換する動作を行い、それらの動作が交互に繰り返して行われ、
前記ランプ信号は、前記画素から出力される画素信号をＡＤ変換する前記ＡＤ変換部に供給され、ＡＤ変換しない前記ＡＤ変換部には供給されないように制御される
撮像素子を備える電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本技術は、撮像素子、撮像方法、および電子機器に関する。詳しくは、より高速化を図ることができるようにした撮像素子、撮像方法、および電子機器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、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機能を備えた電子機器においては、例えば、CCD（Charge Coupled Device）やCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの撮像素子が使用されている。

【0003】

撮像素子は、光電変換を行うＰＤ（photodiode：フォトダイオード）と複数のトランジスタとが組み合わされた画素を有しており、平面的に配置された複数の画素から出力される画素信号に基づいて画像が構築される。また、画素から出力される画素信号は、例えば、画素の列毎に配置された複数のＡＤ（Analog to Digital）変換器によって並列的にＡＤ変換されて出力される。

【0004】

このような撮像素子において、ＡＤ変換器においてダウンカウントモードおよびアップカウントモードでカウント処理を行うことで、ＡＤ変換処理の高速化を図ることができる撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【0005】

また、複数回繰り返して、リセットレベルの画素信号と信号レベルの画素信号とをＡＤ変換することで、ノイズを低減することができる撮像素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００５−３０３６４８号公報

【特許文献2】特開２００９−２９６４２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、撮像素子に対して、画素信号を高速に読み出すことが強く要求されている。上述したようなカラム並列ＡＤ変換器の並列数を増加させることによって高速化を図ることは可能である。

【0008】

しかしながら、個々のＡＤ変換器には容量があり、ＡＤ変換器の数が増えることで、並列に配置されたカラム並列ＡＤ変換器全体での容量値も増加し、誤差が発生しやすくなる可能性があった。すなわち、ＣＤＳ方式で信号読み出しを行う場合、リセットレベルの判定タイミングは全ＡＤ変換器で集中して行われるのに対して、信号レベルの判定タイミングは、ばらつきがあり、このばらつきのためにＣＤＳ値に誤差が生じてしまう可能性があった。

【0009】

本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より高速化を図ることができるようにするとともに、誤差の発生を抑制することができるようにするものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本技術の一側面の撮像素子は、複数の画素が行列状に配置された画素領域と、前記画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部が前記画素の列ごとに設けられ、同一の列に配置される複数の前記画素が、垂直信号線を介して前記ＡＤ変換部に接続されたカラムＡＤ信号処理部と、ランプ信号を生成するランプ信号生成部とを備え、所定数の前記垂直信号線のうちの、一部の前記垂直信号線を介して接続される前記画素がリセット動作または信号転送動作を行うのと並行的に、他の前記垂直信号線を介して接続される前記画素から出力される画素信号を前記ＡＤ変換部がＡＤ変換する動作を行い、それらの動作が交互に繰り返して行われ、前記ランプ信号は、前記画素から出力される画素信号をＡＤ変換する前記ＡＤ変換部に供給され、ＡＤ変換しない前記ＡＤ変換部には供給されないように制御される。

【0011】

前記制御はスイッチの開閉を制御することで行われ、前記スイッチは、前記ランプ信号生成部と前記ＡＤ変換部と経路上に設けられているようにすることができる。

【0012】

前記制御はスイッチの開閉を制御することで行われ、前記スイッチは、前記ＡＤ変換部に含まれるコンパレータ内に設けられているようにすることができる。

【0013】

前記スイッチは、前記コンパレータ内の電流経路に設けられているようにすることができる。

【0014】

前記スイッチは、前記コンパレータ内の前記画素からの信号を処理する側、または前記ランプ信号生成部からのランプ信号を処理する側の少なくとも一方の電流経路に設けられているようにすることができる。

【0015】

前記ランプ信号生成部は、第１の画素のリセットレベルの画素信号、第２の画素のリセットレベルの画素信号、前記第１の画素の信号レベルの画素信号、前記第２の画素の信号レベルの画素信号を、それぞれ読み出すためのランプ信号を、この順に繰り返し生成し、前記制御はスイッチの開閉を制御することで行われ、前記スイッチは、前記ランプ信号の切り替えのタイミングで開閉状態が切り換えられるようにすることができる。

【0016】

本技術の一側面の撮像方法は、複数の画素が行列状に配置された画素領域と、前記画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部が前記画素の列ごとに設けられ、同一の列に配置される複数の前記画素が、垂直信号線を介して前記ＡＤ変換部に接続されたカラムＡＤ信号処理部と、ランプ信号を生成するランプ信号生成部とを備える撮像素子の撮像方法において、所定数の前記垂直信号線のうちの、一部の前記垂直信号線を介して接続される前記画素がリセット動作または信号転送動作を行うのと並行的に、他の前記垂直信号線を介して接続される前記画素から出力される画素信号を前記ＡＤ変換部がＡＤ変換する動作を行い、それらの動作が交互に繰り返して行われ、前記ランプ信号は、前記画素から出力される画素信号をＡＤ変換する前記ＡＤ変換部に供給され、ＡＤ変換しない前記ＡＤ変換部には供給されないように制御されるステップを含む。

【0017】

本技術の一側面の電子機器は、複数の画素が行列状に配置された画素領域と、前記画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部が前記画素の列ごとに設けられ、同一の列に配置される複数の前記画素が、垂直信号線を介して前記ＡＤ変換部に接続されたカラムＡＤ信号処理部と、ランプ信号を生成するランプ信号生成部とを備え、所定数の前記垂直信号線のうちの、一部の前記垂直信号線を介して接続される前記画素がリセット動作または信号転送動作を行うのと並行的に、他の前記垂直信号線を介して接続される前記画素から出力される画素信号を前記ＡＤ変換部がＡＤ変換する動作を行い、それらの動作が交互に繰り返して行われ、前記ランプ信号は、前記画素から出力される画素信号をＡＤ変換する前記ＡＤ変換部に供給され、ＡＤ変換しない前記ＡＤ変換部には供給されないように制御される撮像素子を備える。

【0018】

本技術の一側面の撮像装置、撮像方法においては、複数の画素が行列状に配置された画素領域と、画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部が画素の列ごとに設けられ、同一の列に配置される複数の画素が、垂直信号線を介してＡＤ変換部に接続されたカラムＡＤ信号処理部と、ランプ信号を生成するランプ信号生成部とが備えられる。所定数の垂直信号線のうちの、一部の垂直信号線を介して接続される画素がリセット動作または信号転送動作を行うのと並行的に、他の垂直信号線を介して接続される画素から出力される画素信号をＡＤ変換部がＡＤ変換する動作を行い、それらの動作が交互に繰り返して行われ、ランプ信号は、画素から出力される画素信号をＡＤ変換するＡＤ変換部に供給され、ＡＤ変換しないＡＤ変換部には供給されないように制御される。

【0019】

前記電子機器においては、前記撮像装置を含む構成とされている。

【発明の効果】

【0020】

本技術の一側面によれば、より高速化を図ることができるようにするとともに、誤差の発生を抑制することができる。

【0021】

なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本技術を適用した撮像素子の一実施の形態の構成を示す図である。

【図2】画素とカラム処理部の構成を示す図である。

【図3】画素とカラム処理部の他の構成を示す図である。

【図4】撮像素子におけるＡＤ変換の動作を説明するタイミングチャートである。

【図5】ランプ信号生成回路で生成されるランプ信号について説明するための図である。

【図6】ランプ信号の供給を制御するスイッチの位置について説明する図である。

【図7】ランプ信号の供給を制御するスイッチの他の位置について説明する図である。

【図8】コンパレータの構成について説明するための図である。

【図9】コンパレータとスイッチの構成について説明するための図である。

【図10】コンパレータとスイッチの構成について説明するための図である。

【図11】コンパレータとスイッチの構成について説明するための図である。

【図12】電子機器への適用例について説明するための図である。

【図13】撮像素子の使用例について説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下に、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
１．撮像素子の構成
２．画素とカラム処理部の構成
３．画素とカラム処理部の他の構成
４．ＡＤ変換の動作について
５．ランプ信号について
６．ランプ信号の供給を制御するスイッチの位置
７．コンパレータとスイッチの構成
８．電子機器への適用例
９．使用例

【0024】

＜撮像素子の構成＞
図１は、本技術を適用した撮像素子の一実施の形態の構成を示す図である。

【0025】

図１に示すように、撮像素子１１は、画素領域１２、垂直駆動回路１３、カラム信号処理回路１４、水平駆動回路１５、出力回路１６、ランプ信号生成回路１７、および制御回路１８を備えて構成される。

【0026】

画素領域１２は、図示しない光学系により集光される光を受光する受光面である。画素領域１２には、複数の画素２１が行列状に配置されており、それぞれの画素２１は、水平信号線２２を介して行毎に垂直駆動回路１３に接続されるとともに、垂直信号線２３を介して列毎にカラム信号処理回路１４に接続される。複数の画素２１は、それぞれ受光する光の光量に応じたレベルの画素信号をそれぞれ出力し、それらの画素信号から、画素領域１２に結像する被写体の画像が構築される。

【0027】

垂直駆動回路１３は、画素領域１２に配置される複数の画素２１の行毎に順次、それぞれの画素２１を駆動（転送や、選択、リセットなど）するための駆動信号を、水平信号線２２を介して画素２１に供給する。

【0028】

カラム信号処理回路１４は、複数の画素２１から垂直信号線２３を介して出力される画素信号に対してＣＤＳ(Correlated Double Sampling：相関２重サンプリング)処理を施すことにより、画素信号のＡＤ変換を行うとともにリセットノイズを除去する。例えば、カラム信号処理回路１４は、画素２１の列数に応じた複数のカラム処理部４１（後述の図２参照）を有して構成され、画素２１の列毎に並列的にＣＤＳ処理を行うことができる。

【0029】

水平駆動回路１５は、画素領域１２に配置される複数の画素２１の列毎に順次、カラム信号処理回路１４から画素信号をデータ出力信号線２４に出力させるための駆動信号を、カラム信号処理回路１４に供給する。

【0030】

出力回路１６は、水平駆動回路１５の駆動信号に従ったタイミングでカラム信号処理回路１４からデータ出力信号線２４を介して供給される画素信号を増幅し、後段の信号処理回路に出力する。

【0031】

ランプ信号生成回路１７は、カラム信号処理回路１４が画素信号をＡＤ変換する際に参照する参照信号として、一定の勾配で時間の経過に従って降下する電圧（スロープ電圧）のランプ信号を生成し、カラム信号処理回路１４に供給する。

【0032】

制御回路１８は、撮像素子１１の内部の各ブロックの駆動を制御する。例えば、制御回路１８は、各ブロックの駆動周期に従ったクロック信号を生成して、それぞれのブロックに供給する。また、例えば、制御回路１８は、カラム信号処理回路１４において画素信号を高速にＡＤ変換することができるように画素２１から画素信号が読み出されるような制御を行う。

【0033】

＜画素とカラム処理部の構成＞
次に、図２には、撮像素子１１の画素２１およびカラム処理部４１の構成例が示されている。

【0034】

図２には、図１の画素領域１２に配置される複数の画素２１のうち、所定の列（カラム）に並んで配置される２つの画素２１ａおよび２１ｂが示されている。また、図２には、カラム信号処理回路１４が有する複数のカラム処理部４１のうち、この列に対応して配置されるカラム処理部４１が示されている。

【0035】

図示するように、撮像素子１１では、画素２１の１列に対して、第１の垂直信号線２３ａおよび第２の垂直信号線２３ｂの２本が設けられる。第１の垂直信号線２３ａには、画素２１ａ（例えば、奇数行目の画素２１）が接続され、第２の垂直信号線２３ｂには、画素２１ｂ（例えば、偶数行目の画素２１）が接続される。また、第１の垂直信号線２３ａには、ソースフォロワ回路を構成する定電流源４２ａが接続されており、第２の垂直信号線２３ｂには、ソースフォロワ回路を構成する定電流源４２ｂが接続されている。

【0036】

そして、第１の垂直信号線２３ａおよび第２の垂直信号線２３ｂは、この列に対応して配置されるそれぞれのカラム処理部４１に接続される。図２に示した例では、第１の垂直信号線２３ａにカラム処理部４１ａが接続され、第２の垂直信号線２３ｂにカラム処理部４１ｂが接続されている。

【0037】

画素２１ａは、ＰＤ３１ａ、転送トランジスタ３２ａ、ＦＤ部３３ａ、増幅トランジスタ３４ａ、選択トランジスタ３５ａ、およびリセットトランジスタ３６ａを備えて構成される。

【0038】

ＰＤ３１ａは、入射した光を光電変換により電荷に変換して蓄積する光電変換部であり、アノード端子が接地されているとともに、カソード端子が転送トランジスタ３２ａに接続されている。

【0039】

転送トランジスタ３２ａは、垂直駆動回路１３から供給される転送信号TRGに従って駆動し、転送トランジスタ３２ａがオンになると、ＰＤ３１ａに蓄積されている電荷がＦＤ部３３ａに転送される。

【0040】

ＦＤ部３３ａは、増幅トランジスタ３４ａのゲート電極に接続された所定の蓄積容量を有する浮遊拡散領域であり、ＰＤ３１ａから転送される電荷を蓄積する。

【0041】

増幅トランジスタ３４ａは、ＦＤ部３３ａに蓄積されている電荷に応じたレベル（即ち、ＦＤ部３３ａの電位）の画素信号を、選択トランジスタ３５ａを介して第１の垂直信号線２３ａに出力する。すなわち、ＦＤ部３３ａが増幅トランジスタ３４ａのゲート電極に接続される構成により、ＦＤ部３３ａおよび増幅トランジスタ３４ａは、ＰＤ３１ａにおいて発生した電荷を、その電荷に応じたレベルの画素信号に変換する変換部として機能する。

【0042】

選択トランジスタ３５ａは、垂直駆動回路１３から供給される選択信号SELに従って駆動し、選択トランジスタ３５ａがオンになると、増幅トランジスタ３４ａから出力される画素信号が第１の垂直信号線２３ａに出力可能な状態となる。

【0043】

リセットトランジスタ３６ａは、垂直駆動回路１３から供給されるリセット信号RSTに従って駆動し、リセットトランジスタ３６ａがオンになると、ＦＤ部３３ａに蓄積されている電荷が電源配線Ｖｄｄに排出されて、ＦＤ部３３ａがリセットされる。

【0044】

また、画素２１ｂは、画素２１ａと同様に、ＰＤ３１ｂ、転送トランジスタ３２ｂ、ＦＤ部３３ｂ、増幅トランジスタ３４ｂ、選択トランジスタ３５ｂ、およびリセットトランジスタ３６ｂを備えて構成される。従って、画素２１ｂの各部は、上述したような画素２１ａの各部と同様に動作するため、その詳細な説明は省略する。なお、以下適宜、画素２１ａと画素２１ｂとを区別する必要がない場合、単に画素２１と称し、画素２１を構成する各部についても同様に称する。

【0045】

カラム処理部４１ａは、入力スイッチ５１ａ、コンパレータ５２ａ、カウンタ５３ａ、並びに、出力スイッチ５４ａを備えて構成される。なおカラム処理部４１ｂもカラム処理部４１ａと同様の構成を有するため、ここでは、カラム処理部４１ａを例に挙げて説明する。また、カラム処理部４１ａとカラム処理部４１ｂを個々に区別する必要がない場合、単にカラム処理部４１と記述する。

【0046】

カラム処理部４１ａのコンパレータ５２ａのマイナス側の入力端子は、第１の垂直信号線２３ａに接続される。また、コンパレータ５２ａのプラス側の入力端子は、入力スイッチ５１ａを介してランプ信号生成回路１７に接続される。コンパレータ５２ａの出力端子は、カウンタ５３ａの入力端子に接続されており、カウンタ５３ａの出力端子は、出力スイッチ５４ａを介してデータ出力信号線２４に接続される。

【0047】

同様に、カラム処理部４１ｂのコンパレータ５２ｂのマイナス側の入力端子は、第２の垂直信号線２３ｂに接続される。また、コンパレータ５２ｂのプラス側の入力端子は、入力スイッチ５１ｂを介してランプ信号生成回路１７に接続される。コンパレータ５２ｂの出力端子は、カウンタ５３ｂの入力端子に接続されており、カウンタ５３ｂの出力端子は、出力スイッチ５４ｂを介してデータ出力信号線２４に接続される。

【0048】

入力スイッチ５１ａは、図１の制御回路１８による制御に従って開閉し、コンパレータ５２のプラス側の入力端子に対する接続を、ランプ信号生成回路１７で生成されたランプ信号を入力する、または入力しないという接続に切り換える。入力スイッチ５１ａと入力スイッチ５１ｂは、一方が閉じられている状態とされ、他方は開かれた状態とされるように、その開閉が制御される。

【0049】

例えば、入力スイッチ５１ａが閉じられ、入力スイッチ５１ｂが開かれると、コンパレータ５２ａのプラス側の入力端子は、ランプ信号生成回路１７に接続された状態となり、コンパレータ５２bのプラス側の入力端子は、ランプ信号生成回路１７に接続されていない状態となる。

【0050】

このときコンパレータ５２ａには、第１の垂直信号線２３ａを介して入力される画素２１ａから出力される画素信号と、ランプ信号生成回路１７で生成されたランプ信号が、入力される状態となる。

【0051】

一方、入力スイッチ５１ｂは開かれているため、カラム処理部４１ｂのコンパレータ５２ｂには、ランプ信号生成回路１７で生成されたランプ信号は、入力されない状態とされる。このように、カラム処理部４１ａとカラム処理部４１ｂの一方に、ランプ信号生成回路１７で生成されたランプ信号が供給されるように、入力スイッチ５１の開閉は制御される。

【0052】

コンパレータ５２は、プラス側の入力端子に入力されるランプ信号と、マイナス側の入力端子に入力される画素信号との大小を比較し、その比較結果を示す比較結果信号を出力する。例えば、コンパレータ５２は、ランプ信号がアナログの画素信号よりも大きい場合にはハイレベルの比較結果信号を出力し、ランプ信号がアナログの画素信号以下となった場合にはローレベルの比較結果信号を出力する。

【0053】

カウンタ５３は、例えば、ランプ信号生成回路１７から出力されるランプ信号の電位が一定の勾配で降下を開始したタイミングから、コンパレータ５２から出力される比較結果信号がハイレベルからローレベルに切り替わるタイミングまでの所定のクロック数をカウントする。従って、カウンタ５３がカウントしたカウント値は、コンパレータ５２に入力される画素信号のレベルに応じた値となり、これにより、画素２１から出力されるアナログの画素信号がデジタル値に変換される。

【0054】

例えば、撮像素子１１では、画素２１のＦＤ部３３がリセットされた状態のリセットレベルの画素信号と、画素２１のＦＤ部３３がＰＤ３１で光電変換された電荷を保持した状態の信号レベルの画素信号とが、画素２１から出力される。そして、カラム処理部４１において画素信号をＡＤ変換する際に、それらの信号の差分を求めることによって、リセットノイズが除去された画素信号が出力される。また、カウンタ５３は、カウント値を保持する保持部５５を有しており、後述するように、カウント値を一時的に保持することができる。

【0055】

出力スイッチ５４は、水平駆動回路１５から出力される駆動信号に従って開閉する。例えば、所定のカラム処理部４１が配置されている列の画素信号を出力するタイミングになると、水平駆動回路１５から出力される駆動信号に従って出力スイッチ５４が閉鎖され、カウンタ５３の出力端子がデータ出力信号線２４に接続される。これにより、カラム処理部４１においてＡＤ変換された画素信号がデータ出力信号線２４に出力される。

【0056】

＜画素とカラム処理部の他の構成＞
図３に、撮像素子１１の画素２１およびカラム処理部４１の他の構成例を示す。

【0057】

図３に示した撮像素子１１も、基本的な構成は、図２に示した撮像素子１１と同様であるが、垂直信号線２３が、画素の１列に対して１本の垂直信号線が設けられて構成されている点で異なる。すなわち、図２に示した撮像素子１１においては、画素の１列に対して２本の垂直信号線が設けられて構成されていたが、図３に示した撮像素子１１においては、画素の１列に対して１本の垂直信号線が設けられて構成されている。

【0058】

画素２１ａと画素２１ｂは、行方向に配置されている。画素２１ａには、第１の垂直信号線２３ａが接続されている。図示はしていないが、画素２１ａの図中下側（列方向）にも画素２１は配置されており、それら列方向に配置されている画素２１に対して、１本の第１の垂直信号線２３ａが接続されている。

【0059】

同様に、画素２１ｂには、第２の垂直信号線２３ｂが接続されている。図示はしていないが、画素２１ｂの図中下側（列方向）にも画素２１は配置されており、それら列方向に配置されている画素２１に対して、１本の第２の垂直信号線２３ｂが接続されている。

【0060】

第１の垂直信号線２３ａは、カラム処理部４１ａのコンパレータ５２ａのマイナス側に接続されている。また、コンパレータ５２ａのプラス側には、入力スイッチ５１ａを介してランプ信号生成回路１７が接続されている。コンパレータ５２ａの出力端子は、カウンタ５３ａの入力端子に接続されており、カウンタ５３ａの出力端子は、出力スイッチ５４ａを介してデータ出力信号線２４に接続される。

【0061】

同様に、カラム処理部４１ｂのコンパレータ５２ｂのマイナス側の入力端子は、第２の垂直信号線２３ｂに接続される。また、コンパレータ５２ｂのプラス側の入力端子は、入力スイッチ５１ｂを介してランプ信号生成回路１７に接続される。コンパレータ５２ｂの出力端子は、カウンタ５３ｂの入力端子に接続されており、カウンタ５３ｂの出力端子は、出力スイッチ５４ｂを介してデータ出力信号線２４に接続される。

【0062】

図２に示した場合と同じく、入力スイッチ５１ａは、図１の制御回路１８による制御に従って開閉し、コンパレータ５２のプラス側の入力端子に対する接続を、ランプ信号生成回路１７で生成されたランプ信号を入力する、または入力しないという接続に切り換える。入力スイッチ５１ａと入力スイッチ５１ｂは、一方が閉じられた状態とされ、他方は開かれた状態とされるように、その開閉が制御される。

【0063】

このように、図３に示した構成においては、画素の１列に対して１本の垂直信号線が設けられ、１個のカラム処理部４１が配置されている。

【0064】

このように撮像素子１１は構成されており、カラム処理部４１ａとカラム処理部４１ｂは、画素２１ａから出力される画素信号と、画素２１ｂから出力される画素信号とを交互にＡＤ変換することができる。従って、撮像素子１１では、画素２１ａおよび画素２１ｂのうちの、一方がリセット動作または信号転送動作を行って画素信号のセトリング（Settling）を行うのと並行的に、他方から出力されて保持（Hold）される画素信号をカラム処理部４１がＡＤ変換する処理を、交互に繰り返して行うことができるように、画素信号の読み出しを制御することができる。

【0065】

このように、撮像素子１１では、画素２１ａおよび画素２１ｂで、画素信号のＡＤ変換とセトリングとを同時並行的に行い、それらが交互に切り替わるような動作をすることで、カラム処理部４１におけるＡＤ変換を高速化することができる。

【0066】

＜ＡＤ変換の動作について＞
次に、図４には、撮像素子１１におけるＡＤ変換の動作を説明するタイミングチャートが示されている。図４に示したタイミングチャートは、図２に示した構成であっても、図３に示した構成であっても適用できる。

【0067】

図４では、上側から順に、第１の垂直信号線２３ａに接続される画素２１ａの動作、カラム処理部４１ａの動作、第２の垂直信号線２３ｂに接続される画素２１ｂの動作、およびカラム処理部４１ａの動作が示されている。

【0068】

まず、第１の動作期間において、第１の垂直信号線２３ａに接続される画素２１ａは、ＦＤ部３３ａをリセットし、リセットレベルの画素信号の出力が十分にセトリングされるまで待機する（リセット期間）。この動作と並行して、第１の動作期間において、第２の垂直信号線２３ｂに接続される画素２１ｂは、その前の動作期間でセトリングされたＰＤ３１ｂの受光量に応じた信号レベルの画素信号の出力を保持し続ける。

【0069】

第１の動作期間において、カラム処理部４１ａは処理を行わないが、カラム処理部４１ｂは、画素２１ｂから出力される信号レベルの画素信号をＡＤ変換する（ＡＤ変換期間）。このとき、カラム処理部４１ｂにおいて、カウンタ５３ｂは、画素２１ｂの信号レベルの画素信号に対応するカウント値を保持部５５ｂに保持する。

【0070】

次に、第２の動作期間において、第１の垂直信号線２３ａに接続される画素２１ａは、第１の動作期間でセトリングされたリセットレベルの画素信号の出力を保持し続け、カラム処理部４１ａは、画素２１ａから出力されるリセットレベルの画素信号をＡＤ変換する。

【0071】

この動作と並行して、第２の動作期間において、第２の垂直信号線２３ｂに接続される画素２１ｂは、ＦＤ部３３ｂをリセットし、リセットレベルの画素信号の出力が十分にセトリングされるまで待機し、カラム処理部４１ｂは、処理を行わない。

【0072】

その後、第３の動作期間において、第１の垂直信号線２３ａに接続される画素２１ａは、ＰＤ３１ａにおいて光電変換された電荷をＦＤ部３３ａに転送し、ＰＤ３１ａの受光量に応じた信号レベルの画素信号の出力が十分にセトリングされるまで待機する（信号転送期間）。第３の動作期間においては、カラム処理部４１ａは、処理を行わない。

【0073】

この動作と並行して、第３の動作期間において、第２の垂直信号線２３ｂに接続される画素２１ｂは、第２の動作期間でセトリングされたリセットレベルの画素信号の出力を保持し続け、カラム処理部４１ｂは、画素２１ｂから出力されるリセットレベルの画素信号をＡＤ変換する。

【0074】

そして、カラム処理部４１ｂでは、このリセットレベルの画素信号に対応するカウント値と、保持部５５ｂに保持している画素２１ｂの信号レベルの画素信号に対応するカウント値との差分を求め、リセットノイズを除去した画素信号を出力する。

【0075】

そして、第４の動作期間において、第１の垂直信号線２３ａに接続される画素２１ａは、第３の動作期間でセトリングされた信号レベルの画素信号の出力を保持し続け、カラム処理部４１ａは、画素２１ａから出力される信号レベルの画素信号をＡＤ変換する。

【0076】

そして、カラム処理部４１ａでは、この信号の画素信号に対応するカウント値と、保持部５５ａに保持している画素２１ａのリセットレベルの画素信号に対応するカウント値との差分を求め、リセットノイズを除去した画素信号を出力する。

【0077】

この動作と並行して、第４の動作期間において、第２の垂直信号線２３ｂに接続される画素２１ｂは、ＰＤ３１ｂにおいて光電変換された電荷をＦＤ部３３ｂに転送し、ＰＤ３１ｂの受光量に応じた信号レベルの画素信号の出力が十分にセトリングされるまで待機する。また第４の動作期間においては、カラム処理部４１ｂは、処理を行わない。

【0078】

第４の動作期間が終了した後、第１の動作期間に戻り、以下同様に、次の行の画素２１ａおよび画素２１ｂを動作対象として順次、第１の動作期間から第４の動作期間までの動作が繰り返して行われる。なお、画素２１ａと画素２１ｂとで、半周期ずつずれて各動作期間が行われるようにしてもよい。

【0079】

以上のように、撮像素子１１では、画素２１ａおよび画素２１ｂの一方の画素信号をＡＤ変換するのと並行して、他方の画素信号のセトリングが行われる。これにより、撮像素子１１では、例えば、第１の動作期間で画素２１ｂの信号レベルの画素信号のＡＤ変換が完了した直後から、第２の動作期間で画素２１ａのリセットレベルの画素信号のＡＤ変換を実行することができる。

【0080】

同様に、第２の動作期間で画素２１ａのリセットレベルの画素信号のＡＤ変換が完了した直後から、第３の動作期間で画素２１ｂのリセットレベルの画素信号のＡＤ変換を実行することができる。さらに、第３の動作期間で画素２１ｂのリセットレベルの画素信号のＡＤ変換が完了した直後から、第４の動作期間で画素２１ａの信号レベルの画素信号のＡＤ変換を実行することができる。

【0081】

従って、例えば、画素信号のセトリングが完了するまで、カラム処理部４１がＡＤ変換を待機するような構成と比較して、撮像素子１１は、より高速にＡＤ変換を行うことができる。

【0082】

＜ランプ信号について＞
次にランプ信号生成回路１７で生成されるランプ信号、換言すれば、カラム処理部４１に供給されるランプ信号について説明する。

【0083】

図５は、ランプ信号生成回路１７で生成されるランプ信号の波形を示す図である。ここで、先に画素信号が読み出される画素２１をプライマリ(Primary)画素と称し、後に画素信号が読み出される画素２１をセカンダリ（Secondary）画素と称する。

【0084】

ランプ信号は、プライマリ画素のリセットレベルの画素信号（Ｐ相）と信号レベルの画素信号（Ｄ相）を読み出すための信号と、セカンダリ画素のＰ相とＤ相を読み出す信号とから構成されている。プライマリ画素用の信号を適宜、プライマリランプ信号と記述し、セカンダリ画素用の信号を適宜、セカンダリランプ信号と記述する。

【0085】

図５において、プライマリランプ信号は、太線で示し、セカンダリランプ信号は、細線で示している。まず、ランプ信号生成回路１７は、期間Ｔ１において、プライマリ画素のリセットレベルの画素信号（Ｐ相）を読み出すためのプライマリランプ信号を生成する。その後、ランプ信号生成回路１７は、期間Ｔ２において、セカンダリ画素のリセットレベルの画素信号（Ｐ相）を読み出すためのセカンダリランプ信号を生成する。

【0086】

期間Ｔ２後の期間Ｔ３において、ランプ信号生成回路１７は、プライマリ画素の信号レベルの画素信号（Ｄ相）を読み出すためのプライマリランプ信号を生成する。その後、ランプ信号生成回路１７は、期間Ｔ４において、セカンダリ画素の信号レベルの画素信号（Ｄ相）を読み出すためのセカンダリランプ信号を生成する。

【0087】

このように、ランプ信号は、プライマリランプ信号とセカンダリランプ信号が交互に現れるような信号とされている。ここで、図２または図３を再度参照する。ここでは、画素２１ａをプライマリ画素とし、カラム処理部４１ａをプライマリ画素からの画素信号を処理するカラム処理部４１であるとする。また、画素２１ｂをセカンダリ画素とし、カラム処理部４１ｂをセカンダリ画素からの画素信号を処理するカラム処理部４１であるとする。

【0088】

入力スイッチ５１ａと入力スイッチ５１ｂの開閉は、ランプ信号に応じて切り換えられる。具体的には、プライマリランプ信号がランプ信号生成回路１７から供給されるときには、入力スイッチ５１ａは接続された状態とされ、入力スイッチ５１ｂは切断された状態とされる。またセカンダリランプ信号がランプ信号生成回路１７から供給されるときには、入力スイッチ５１ｂは接続された状態とされ、入力スイッチ５１ａは切断された状態とされる。

【0089】

図５に示したように、期間Ｔ１において、プライマリランプ信号が生成されているときには、入力スイッチ５１ａは接続された状態（ＯＮ）とされ、入力スイッチ５１ｂは切断された状態（ＯＦＦ）とされる。期間Ｔ２において、セカンダリランプ信号が生成されているときには、入力スイッチ５１ａは切断された状態（ＯＦＦ）とされ、入力スイッチ５１ｂは接続された状態（ＯＮ）とされる。

【0090】

期間Ｔ３において、プライマリランプ信号が生成されているときには、入力スイッチ５１ａは接続された状態（ＯＮ）とされ、入力スイッチ５１ｂは切断された状態（ＯＦＦ）とされる。期間Ｔ４において、セカンダリランプ信号が生成されているときには、入力スイッチ５１ａは切断された状態（ＯＦＦ）とされ、入力スイッチ５１ｂは接続された状態（ＯＮ）とされる。

【0091】

このように、入力スイッチ５１は、ランプ信号に応じて、その開閉が制御される。

【0092】

＜ランプ信号の供給を制御するスイッチの位置＞
上記したように、ランプ信号に応じて開閉が制御される入力スイッチ５１が、撮像素子１１内で設けられる位置について、図６、図７を参照して説明する。図６、図７においては、ランプ信号生成回路１７、カラム処理部４１、および入力スイッチ５１のみを図示し、それぞれ簡略化して図示する。

【0093】

図６に示したように、入力スイッチ５１は、ランプ信号生成回路１７とカラム処理部４１との間に設けられる。入力スイッチ５１ａは、ランプ信号生成回路１７とカラム処理部４１ａとの間に設けられ、入力スイッチ５１ｂは、ランプ信号生成回路１７とカラム処理部４１ｂとの間に設けられている。入力スイッチ５１ａと入力スイッチ５１ｂの開閉を制御する制御信号は、図６では図示していない制御回路１８(図１)から供給される。

【0094】

上述したように、入力スイッチ５１ａと入力スイッチ５１ｂの開閉は、一方が接続されているときには、他方は切断されているように制御される。

【0095】

入力スイッチ５１は、図６に示したように、カラム処理部４１の外部に設けられていても良いし、図２(または図３)に示したように、カラム処理部４１内に含まれていても良い。

【0096】

図７に、入力スイッチ５１の他の配置位置を示す。図７に示した配置例では、カラム処理部４１内のコンパレータ５２内に入力スイッチ５１が設けられている。

【0097】

カラム処理部４１ａ内のコンパレータ５２ａ内に、入力スイッチ５１ａを設ける。入力スイッチ５１ａが接続された状態のときには、コンパレータ５２ａ内に、ランプ信号生成回路１７からのランプ信号が供給され、コンパレータ５２ａにおける電圧比較が行われるが、入力スイッチ５１ａが切断された状態のときには、コンパレータ５２ａ内に断線された箇所が存在する状態となり、コンパレータ５２ａにおける電圧比較は行われない状態とされる。

【0098】

同様に、カラム処理部４１ｂ内のコンパレータ５２ｂ内に、入力スイッチ５１ｂを設ける。入力スイッチ５１ｂが接続された状態のときには、コンパレータ５２ｂ内に、ランプ信号生成回路１７からのランプ信号が供給され、コンパレータ５２ｂにおける電圧比較が行われるが、入力スイッチ５１ｂが切断された状態のときには、コンパレータ５２ｂ内に断線された箇所が存在する状態となり、コンパレータ５２ｂにおける電圧比較は行われない状態とされる。

【0099】

このように、入力スイッチ５１の撮像素子１１内における配置位置は、ランプ信号生成回路１７からのランプ信号が供給される状態と供給されない状態を切り替え、そのような切り替えが制御できる位置であればよい。

【0100】

＜コンパレータとスイッチの構成＞
図６、図７に示したスイッチの配置例についてさらに説明を加える。ここでは、コンパレータ５２は、差動アンプで構成されている場合を例に挙げて説明を続ける。

【0101】

まず図８を参照し、コンパレータ５２を差動アンプで構成したときの構成について説明する。コンパレータ５２の基本構成は、一般に良く知られている差動アンプ構成を採用しており、ＮＭＯＳ型のトランジスタ１０５，１０６を有する差動トランジスタ対部と、差動トランジスタ対部の出力負荷となるＰＭＯＳ型のトランジスタ１０１，１０２を有する電源側に配された負荷トランジスタ対部と、各部に一定の動作電流を供給する接地（ＧＮＤ）側に配されたＮＭＯＳ型の定電流源トランジスタ１０９を有する電流源部とを備えている。

【0102】

トランジスタ１０５，１０６の各ソースが共通に定電流源トランジスタ１０９のドレインと接続され、トランジスタ１０５，１０６の各ドレイン（出力端子）に負荷トランジスタ対部の対応するトランジスタ１０１，１０２のドレインが接続されている。定電流源トランジスタ１０９のゲートには、ＤＣゲート電圧が入力される。

【0103】

差動トランジスタ対部の出力（図示した例ではトランジスタ１０６のドレイン）は、図示しないアンプに接続され、さらに図示しないバッファを経て、十分な増幅がなされた後、カウンタ５３(図２)に出力されるようになっている。

【0104】

また、コンパレータ５２の動作点をリセットする動作点リセット部が設けられている。動作点リセット部は、オフセット除去部として機能するものである。つまり、コンパレータ５２は、オフセット除去機能付きの電圧コンパレータとして構成されている。動作点リセット部は、スイッチトランジスタ１０３，１０４と信号結合用の容量素子１０７，１０８とを有している。

【0105】

ここで、スイッチトランジスタ１０３は、トランジスタ１０５のゲート（入力端子）−ドレイン（出力端子）間に接続され、またスイッチトランジスタ１０４は、トランジスタ１０６のゲート（入力端子）−ドレイン（出力端子）間に接続され、各ゲートには共通に比較器リセットパルスPSETが供給されるようになっている。

【0106】

また、トランジスタ１０５のゲート（入力端子）には、容量素子１０７を介して図示していないランプ信号生成回路１７からランプ信号が供給され、トランジスタ１０６のゲート（入力端子）には、画素２１からの画素信号が容量素子１０８を介して供給されるようになっている。

【0107】

このような構成において、動作点リセット部は、容量素子１０７，１０８を介して入力される信号に対してサンプル／ホールド機能を発揮する。すなわち、画素信号とランプ信号との比較を開始する直前だけ比較器リセットパルスをアクティブにし、差動トランジスタ対部の動作点をドレイン電圧（読出電位；基準成分や信号成分を読み出す動作基準値）にリセットする。その後、容量素子１０８を介して画素信号をトランジスタ１０６へ、また容量素子１０７を介してランプ信号を入力し、画素信号とランプ信号とが同電位となるまで比較を行う。画素信号とランプ信号とが同電位となると出力が反転する。

【0108】

コンパレータ５２が、図８に示した構成であるときに、入力スイッチ５１を、図６または図７に示した位置に配置した場合について説明する。以下の説明においては、コンパレータ５２は、図８に示した構成であるとし、コンパレータ５２に関する説明は省略する。

【0109】

（スイッチの配置例１）
図９は、図６に示したように、ランプ信号生成回路１７とカラム処理部４１との間に入力スイッチ５１を設けた場合の一例を示す図である。

【0110】

入力スイッチ５１ａは、ランプ信号生成回路１７とカラム処理部４１ａのコンパレータ５２ａとの間に設けられ、コンパレータ５２ａの容量素子１０７ａに接続されている。同様に、入力スイッチ５１ｂは、ランプ信号生成回路１７とカラム処理部４１ｂのコンパレータ５２ｂとの間に設けられ、コンパレータ５２ｂの容量素子１０７ｂに接続されている。

【0111】

図９では、入力スイッチ５１ａは接続され、入力スイッチ５１ｂは切断されている例を示している。図９に示したように、複数並列に配置されるカラム処理部４１のコンパレータ５２のランプ信号(参照信号)が伝送される経路に、遮断回路（入力スイッチ５１）を配置し、ＡＤ変換のタイミングに同期させて、時分割で、遮断回路のＯＮ、ＯＦＦが制御される構成とすることができる。

【0112】

このような構成とし、さらに図２に示した、画素の１列に対して２本の垂直信号線２３が設けられ、それぞれの垂直信号線２３にカラム処理部４１が接続されている構成とした場合であっても、所定のタイミングにおいて、ランプ信号生成回路１７と接続されているのは、カラム処理部４１ａまたはカラム処理部４１ｂのどちらか一方である。

【0113】

また、図３に示したように、画素の１列に対して１本の垂直信号線２３が設けられて構成され、それぞれの垂直信号線２３にカラム処理部４１が接続されている構成とした場合であっても、所定のタイミングにおいて、ランプ信号生成回路１７と接続されているのは、カラム処理部４１ａまたはカラム処理部４１ｂのどちらか一方である。

【0114】

よって、本技術によれば、所定のタイミングにおいて、ランプ信号生成回路１７に接続されているカラム処理部４１は、撮像素子１１に備えられているカラム処理部４１数の半分であるようにすることができる。このことにより、ＣＤＳ値に誤差を生じてしまうようことを抑制することが可能となる。

【0115】

図９などを参照するに、カラム処理部４１には、容量素子１０７などの容量が含まれる。よって、カラム処理部４１を並列に配置し、ランプ信号生成回路１７に接続されるカラム処理部４１が増えると、ランプ信号生成回路１７に対して負荷となる容量値が増大することになる。

【0116】

リセットレベルの判定タイミングは、全てのカラム処理部４１でほぼ同一のタイミングで集中して行われるのに対して、信号レベルの判定タイミングは、それぞれのカラム処理部４１に入力される信号レベルに相関がないため、その判定タイミングはバラついてしまう可能性がある。このばらつきのために、ＣＤＳ値に誤差が生じてしまう可能性がある。

【0117】

本技術によれば、上記したように、所定のタイミングにおいて、ランプ信号生成回路１７に接続されているカラム処理部４１は、撮像素子１１に備えられているカラム処理部４１数の半分であるようにすることができるため、ランプ信号生成回路１７に対する負荷が小さくなり、カラム処理部４１における信号レベルの判定タイミングのばらつきによるＣＤＳ値の誤差(ノイズ)を低減させることが可能となる。

【0118】

また、本技術においては、ランプ信号生成回路１７の負荷容量となる列並列で配置されたＡＤ変換器の接続数を時分割で減少させることでき、ＡＤ変換器を構成するカラム処理部４１（カラム処理部４１内のコンパレータ５２）の状態による入力容量変動によるランプ信号（参照信号）の遅延変調を軽減でき、ＣＤＳ値の誤差を抑制することができる。

【0119】

また、本技術によれば、上記したように、プライマリ画素とセカンダリ画素の２つの画素に対するランプ信号を生成する構成とした場合であっても、単一のランプ信号生成回路１７でランプ信号を生成することが可能であるため、複数のランプ信号生成回路１７を備える必要がなく、消費電力が増加してしまうようなことを防ぎ、撮像素子１１の面積が大きくなるようなことを防ぐことが可能となる。

【0120】

また、複数のランプ信号生成回路１７を備える場合、それぞれのランプ信号生成回路１７の精度にばらつきがあると、ＣＤＳ値の誤差が発生するなどの悪影響が発生する可能性があるが、本技術によれば、単一のランプ信号生成回路１７で処理が行われるため、そのような悪影響が発生するようなことはない。

【0121】

（スイッチの配置例２）
図１０は、図７に示したように、ランプ信号生成回路１７とカラム処理部４１との間に入力スイッチ５１を設けた場合の一例を示す図である。

【0122】

入力スイッチ５１ａは、カラム処理部４１ａのコンパレータ５２ａ内に設けられ、入力スイッチ５１ａが開放されているときには、コンパレータ５２ａでの比較、判定が行われないようにし、入力スイッチ５１ａが接続されているときには、コンパレータ５２ａでの比較、判定が行われるようにするための位置に配置されている。

【0123】

同様に、入力スイッチ５１ｂは、カラム処理部４１ｂのコンパレータ５２ｂ内に設けられ、入力スイッチ５１ｂが開放されているときには、コンパレータ５２ｂでの比較、判定が行われないようにし、入力スイッチ５１ｂが接続されているときには、コンパレータ５２ｂでの比較、判定が行われるようにするための位置に配置されている。

【0124】

図１０に示したコンパレータ５２ａを参照するに、入力スイッチ５１ａ−１は、トランジスタ１０１ａとトランジスタ１０５ａとの間に設けられ、入力スイッチ５１ａ−２は、トランジスタ１０２ａとトランジスタ１０６ａとの間に設けられている。

【0125】

入力スイッチ５１ａ−１と入力スイッチ５１ａ−２は、同一の開閉制御とされ、入力スイッチ５１ａ−１が接続されているときには入力スイッチ５１ａ−２も接続された状態とされ、入力スイッチ５１ａ−１が切断されているときには入力スイッチ５１ａ−２も切断された状態とされる。

【0126】

入力スイッチ５１ａ−１が接続されることで、ランプ信号生成回路１７で生成されたランプ信号がコンパレータ５２ａ内に供給される状態となり、入力スイッチ５１ａ−２が接続されることで、画素２１ａ（図２）からの画素信号がコンパレータ５２ａ内に供給される状態となる。

【0127】

このように、ランプ信号と画素信号が入力されると、コンパレータ５２ａは、ランプ信号と画素信号との比較を行うことができる状態となるため、比較を行い、その比較結果を出力する。

【0128】

同様に、コンパレータ５２ｂにおいては、入力スイッチ５１ｂ−１が接続されることで、ランプ信号生成回路１７で生成されたランプ信号がコンパレータ５２ｂ内に供給される状態となり、入力スイッチ５１ｂ−２が接続されることで、画素２１ｂ（図２）からの画素信号がコンパレータ５２ｂ内に供給される状態となる。

【0129】

このように、コンパレータ５２ｂに、ランプ信号と画素信号が入力されることで、コンパレータ５２ｂは、ランプ信号と画素信号との比較を行うことができる状態となるため、比較を行い、その比較結果を出力する。

【0130】

図１０に示した状態は、コンパレータ５２ａ内の入力スイッチ５１ａは接続されている状態とされ、コンパレータ５２ｂ内の入力スイッチ５１ｂは、切断されている状態とされている。よって、図１０に示した状態のときには、コンパレータ５２ａでの比較、判定処理は実行されるが、コンパレータ５２ｂでの比較、判定処理は実行されない。

【0131】

図１０に示したように、複数並列に配置されるカラム処理部４１のコンパレータ５２（差動入力トランジスタ）の電流経路に、遮断回路（入力スイッチ５１）を配置し、ＡＤ変換のタイミングに同期させて、時分割で、遮断回路のＯＮ、ＯＦＦが制御される構成とすることができる。

【0132】

このような構成とし、さらに図２に示したように、画素の１列に対して２本の垂直信号線２３が設けられ、それぞれの垂直信号線２３にカラム処理部４１が接続されている構成とした場合であっても、所定のタイミングにおいて、ランプ信号生成回路１７と接続されているのは、カラム処理部４１ａまたはカラム処理部４１ｂのどちらか一方である。

【0133】

また、図３に示したように、画素の１列に対して１本の垂直信号線２３が設けられ、それぞれの垂直信号線２３にカラム処理部４１が接続されている構成とした場合であっても、所定のタイミングにおいて、ランプ信号生成回路１７と接続されているのは、カラム処理部４１ａまたはカラム処理部４１ｂのどちらか一方である。

【0134】

よって、図９を参照して説明した場合と同様に、本技術によれば、所定のタイミングにおいて、ランプ信号生成回路１７に接続されているカラム処理部４１は、撮像素子１１に備えられているカラム処理部４１数の半分であるようにすることができる。このことにより、ＣＤＳ値に誤差を生じてしまうようことを抑制し、消費電力が増加してしまうようなことを防ぎ、撮像素子１１の面積が大きくなるようなことを防ぐことが可能となる。

【0135】

（スイッチの配置例３）
図１１は、図７に示したように、カラム処理部４１内のコンパレータ５２内に入力スイッチ５１が設けられている場合の一例を示す図である。図１０に示した例では、カラム処理部４１に２つの入力スイッチ５１が設けられている例を示したが、２つの入力スイッチ５１を設けるのではなく、１つの入力スイッチ５１が設けられている構成とすることもできる。

【0136】

入力スイッチ５１ａは、カラム処理部４１ａのコンパレータ５２ａ内に設けられ、入力スイッチ５１ａが開放されているときには、コンパレータ５２ａでの比較、判定が行われないようにし、入力スイッチ５１ａが接続されているときには、コンパレータ５２ａでの比較、判定が行われるようにするための位置に配置されている。

【0137】

同様に、入力スイッチ５１ｂは、カラム処理部４１ｂのコンパレータ５２ｂ内に設けられ、入力スイッチ５１ｂが開放されているときには、コンパレータ５２ｂでの比較、判定が行われないようにし、入力スイッチ５１ｂが接続されているときには、コンパレータ５２ｂでの比較、判定が行われるようにするための位置に配置されている。

【0138】

具体的には、図１１に示したコンパレータ５２ａを参照するに、入力スイッチ５１ａは、トランジスタ１０２aとトランジスタ１０６ａとの間に設けられている。入力スイッチ５１ａが接続されることで、画素２１ａ（図２）からの画素信号がコンパレータ５２ａ内に供給される状態となる。

【0139】

このように、入力スイッチ５１ａが接続され、画素信号が入力される状態となることで、ランプ信号と画素信号が入力され、コンパレータ５２ａは、ランプ信号と画素信号との比較を行うことができる状態となり、比較を行い、その比較結果を出力する。

【0140】

同様に、図１１に示したコンパレータ５２ｂを参照するに、入力スイッチ５１ｂは、トランジスタ１０２ｂとトランジスタ１０６ｂとの間に設けられている。入力スイッチ５１ｂが接続されることで、画素２１ｂ（図２）からの画素信号がコンパレータ５２ｂ内に供給される状態となる。

【0141】

このように、入力スイッチ５１ｂが接続され、画素信号が入力される状態となることで、ランプ信号と画素信号が入力され、コンパレータ５２ｂは、ランプ信号と画素信号との比較を行うことができる状態となり、比較を行い、その比較結果を出力する。

【0142】

なおここでは、画素信号が入力される側に入力スイッチ５１が設けられる場合を例に挙げて説明したが、ランプ信号が入力される側、すなわち、トランジスタ１０１とトランジスタ１０５との間に、入力スイッチ５１が設けられる構成とされても良い。

【0143】

図１１に示した状態は、コンパレータ５２ａ内の入力スイッチ５１ａは接続されている状態とされ、コンパレータ５２ｂ内の入力スイッチ５１ｂは、切断されている状態とされている。よって、図１１に示した状態のときには、コンパレータ５２ａでの比較、判定処理は実行されるが、コンパレータ５２ｂでの比較、判定処理は実行されない。

【0144】

図１１に示したように、複数並列に配置されるカラム処理部４１のコンパレータ５２（差動入力トランジスタ）内の一方の電流経路に、遮断回路（入力スイッチ５１）を配置し、ＡＤ変換のタイミングに同期させて、時分割で、遮断回路のＯＮ、ＯＦＦが制御される構成とすることができる。

【0145】

このような構成とし、さらに図２に示したように、画素の１列に対して２本の垂直信号線２３が設けられ、それぞれの垂直信号線２３にカラム処理部４１が接続されている構成とした場合であっても、所定のタイミングにおいて、画素信号が入力されるのは、カラム処理部４１ａまたはカラム処理部４１ｂのどちらか一方である。

【0146】

また、図３に示したように、画素の１列に対して１本の垂直信号線２３が設けられ、それぞれの垂直信号線２３にカラム処理部４１が接続されている構成とした場合であっても、所定のタイミングにおいて、画素信号が入力されるのは、カラム処理部４１ａまたはカラム処理部４１ｂのどちらか一方である。

【0147】

よって、本技術によれば、所定のタイミングにおいて、ランプ信号生成回路１７に接続されているカラム処理部４１のうち比較、判定処理を実行するカラム処理部４１は、撮像素子１１に備えられているカラム処理部４１数の半分であるようにすることができる。このことにより、ＣＤＳ値に誤差を生じてしまうようことを抑制し、消費電力が増加してしまうようなことを防ぎ、撮像素子１１の面積が大きくなるようなことを防ぐことが可能となる。

【0148】

なお、本実施の形態では、画素領域１２に行列状に配置される画素２１の１列に対して、２本の第１の垂直信号線２３ａおよび第２の垂直信号線２３ｂが設けられる構成例（図２）、または画素領域１２に行列状に配置される画素２１の２列に対して、２本の第１の垂直信号線２３ａおよび第２の垂直信号線２３ｂが設けられる構成例（図３）について説明したが、２本以上の複数本の垂直信号線２３が設けられる構成としてもよい。

【0149】

例えば、図２の例では、画素信号のセトリングとホールドとにほぼ同じ時間を要していたが、例えば、ＡＤ変換処理自体を高速化し、画素信号の出力をホールドする時間を短縮することができれば、複数の画素が画素信号のセトリングを行っている間に、他の複数の画素から出力される画素信号のＡＤ変換を順次行うことができる。これにより、全体としてＡＤ変換処理をより高速化することができる。

【0150】

また、撮像素子１１は、画素２１が形成される半導体基板に配線層が積層される表面に対して光が照射される表面照射型のCMOSイメージセンサ、または、その表面の反対側となる裏面に対して光が照射される裏面照射型のCMOSイメージセンサのどちらにも適用することができる。また、撮像素子１１は、画素２１が形成されるセンサ基板と、制御回路１８（図１）などが形成される回路基板とが積層されて構成される積層型のCMOSイメージセンサに適用することができる。また、上述したように画素信号を読み出してＡＤ変換する処理は、制御回路１８がプログラムを実行することにより、実現することができる。

【0151】

＜電子機器への適用例＞
なお、上述したような各実施の形態の撮像素子１１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、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。

【0152】

図１２は、電子機器に搭載される撮像装置の構成例を示すブロック図である。

【0153】

図１２に示すように、撮像装置２０１は、光学系２０２、撮像素子２０３、信号処理回路２０４、モニタ２０５、およびメモリ２０６を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。

【0154】

光学系２０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光（入射光）を撮像素子２０３に導き、撮像素子２０３の受光面（センサ部）に結像させる。

【0155】

撮像素子２０３としては、上述した各実施の形態の撮像素子１１が適用される。撮像素子２０３には、光学系２０２を介して受光面に結像される像に応じて、一定期間、電子が蓄積される。そして、撮像素子２０３に蓄積された電子に応じた信号が信号処理回路２０４に供給される。

【0156】

信号処理回路２０４は、撮像素子２０３から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路２０４が信号処理を施すことにより得られた画像（画像データ）は、モニタ２０５に供給されて表示されたり、メモリ２０６に供給されて記憶（記録）されたりする。

【0157】

このように構成されている撮像装置２０１では、上述した各実施の形態の撮像素子１１を適用することでＡＤ変換処理を高速化することにより、例えば、より高フレームレートで画像を撮像することができる。

【0158】

＜使用例＞
図１３は、上述のイメージセンサを使用する使用例を示す図である。

【0159】

上述したイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。

【0160】

・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置

【0161】

なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
複数の画素が行列状に配置された画素領域と、
前記画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部が前記画素の列ごとに設けられ、同一の列に配置される複数の前記画素が、垂直信号線を介して前記ＡＤ変換部に接続されたカラムＡＤ信号処理部と、
ランプ信号を生成するランプ信号生成部と
を備え、
所定数の前記垂直信号線のうちの、一部の前記垂直信号線を介して接続される前記画素がリセット動作または信号転送動作を行うのと並行的に、他の前記垂直信号線を介して接続される前記画素から出力される画素信号を前記ＡＤ変換部がＡＤ変換する動作を行い、それらの動作が交互に繰り返して行われ、
前記ランプ信号は、前記画素から出力される画素信号をＡＤ変換する前記ＡＤ変換部に供給され、ＡＤ変換しない前記ＡＤ変換部には供給されないように制御される
撮像素子。
（２）
前記制御はスイッチの開閉を制御することで行われ、
前記スイッチは、前記ランプ信号生成部と前記ＡＤ変換部と経路上に設けられている
前記（１）に記載の撮像素子。
（３）
前記制御はスイッチの開閉を制御することで行われ、
前記スイッチは、前記ＡＤ変換部に含まれるコンパレータ内に設けられている
前記（１）に記載の撮像素子。
（４）
前記スイッチは、前記コンパレータ内の電流経路に設けられている
前記（３）に記載の撮像素子。
（５）
前記スイッチは、前記コンパレータ内の前記画素からの信号を処理する側、または前記ランプ信号生成部からのランプ信号を処理する側の少なくとも一方の電流経路に設けられている
前記（３）に記載の撮像素子。
（６）
前記ランプ信号生成部は、第１の画素のリセットレベルの画素信号、第２の画素のリセットレベルの画素信号、前記第１の画素の信号レベルの画素信号、前記第２の画素の信号レベルの画素信号を、それぞれ読み出すためのランプ信号を、この順に繰り返し生成し、
前記制御はスイッチの開閉を制御することで行われ、
前記スイッチは、前記ランプ信号の切り替えのタイミングで開閉状態が切り換えられる
前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の撮像素子。
（７）
複数の画素が行列状に配置された画素領域と、
前記画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部が前記画素の列ごとに設けられ、同一の列に配置される複数の前記画素が、垂直信号線を介して前記ＡＤ変換部に接続されたカラムＡＤ信号処理部と、
ランプ信号を生成するランプ信号生成部と
を備える撮像素子の撮像方法において、
所定数の前記垂直信号線のうちの、一部の前記垂直信号線を介して接続される前記画素がリセット動作または信号転送動作を行うのと並行的に、他の前記垂直信号線を介して接続される前記画素から出力される画素信号を前記ＡＤ変換部がＡＤ変換する動作を行い、それらの動作が交互に繰り返して行われ、
前記ランプ信号は、前記画素から出力される画素信号をＡＤ変換する前記ＡＤ変換部に供給され、ＡＤ変換しない前記ＡＤ変換部には供給されないように制御される
ステップを含む撮像方法。
（８）
複数の画素が行列状に配置された画素領域と、
前記画素から出力される画素信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部が前記画素の列ごとに設けられ、同一の列に配置される複数の前記画素が、垂直信号線を介して前記ＡＤ変換部に接続されたカラムＡＤ信号処理部と、
ランプ信号を生成するランプ信号生成部と
を備え、
所定数の前記垂直信号線のうちの、一部の前記垂直信号線を介して接続される前記画素がリセット動作または信号転送動作を行うのと並行的に、他の前記垂直信号線を介して接続される前記画素から出力される画素信号を前記ＡＤ変換部がＡＤ変換する動作を行い、それらの動作が交互に繰り返して行われ、
前記ランプ信号は、前記画素から出力される画素信号をＡＤ変換する前記ＡＤ変換部に供給され、ＡＤ変換しない前記ＡＤ変換部には供給されないように制御される
撮像素子を備える電子機器。

【符号の説明】

【0162】

１１ 撮像素子， １２ 画素領域， １３ 垂直駆動回路， １４ カラム信号処理回路， １５ 水平駆動回路， １６ 出力回路， １７ ランプ信号生成回路， １８ 制御回路， ２１ 画素， ２２ 水平信号線， ２３ 垂直信号線， ２４ データ出力信号線， ３１ ＰＤ， ３２ 転送トランジスタ， ３３ ＦＤ部， ３４ 増幅トランジスタ， ３５ 選択トランジスタ， ３６ リセットトランジスタ， ４１ カラム処理部， ４２ 定電流源， ５１ 入力スイッチ， ５２ コンパレータ， ５３ カウンタ， ５４ 出力スイッチ， ５５ 保持部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】