JP3798462B2

JP3798462B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP3798462B2
Application number: JP07908896A
Authority: JP
Inventors: 誠一郎水野
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-04-01
Filing date: 1996-04-01
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2016-04-01
Also published as: US6075564A; JPH09270961A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、入力した２次元光像を撮像する固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電荷結合素子（ＣＣＤ）に代表される固体撮像素子を使用した撮像装置は、家庭用ビデオをはじめ様々な分野で使用されている。しかし、比較的大きな受光面積を有するフォトダイオード電荷を取り扱う場合には、ＣＣＤでは電荷転送効率が低いので、電荷の転送をしきれないという問題を生じる。そこで、特定の分野では、固体撮像装置の内で、電荷転送効率の問題が生じないＭＯＳ型イメージセンサが使用される。
【０００３】
こうしたイメージセンサで得た撮像結果は最終的なデータ形式としてデジタル形式が望まれる場合が多く、かつ、再生画質の向上のためには、デジタル変換時の受光量を表現するビット数が多いほど望ましい。
【０００４】
伝統的なイメージセンサでは、垂直走査と水平走査とを組合わせて、各画素ごとに電圧値などといったアナログ信号を順次読み出し、１つのアナログデジタル変換器で変換の都度デジタルデータを得ている。
【０００５】
しかし、多画素の撮像画像の高速処理のためには１画素のアナログデジタル変換時間を短くする必要があるが、短い変換時間では、高精度なデイジタル化の達成が困難であった。
【０００６】
そこで、アナログデジタル変換器を水平ラインごとに用意し、アナログデイタル変換動作を分散させ、アナログデイタル変換器での変換時間を確保することにより、無理なく高精度なデイジタル化の達成する技術が注目されている。
【０００７】
また、ＣＣＤではなかなか実現困難な同一チップ内への受光部と信号処理部との実装の観点から、ＭＯＳ型イメージセンサの優位性がクローズアップされつつある。
【０００８】
こうした背景のもとで、「S.L.Garverick et al., IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUIT, Vol.30, NO.5, MAY 1995, pp.533-541」ではアナログデジタル変換器を水平ラインごとに設ける固体撮像装置（以下、従来例と呼ぶ）が提案されている。
【０００９】
図９は、従来例の装置の回路構成の概略図である。図９に示すように、この装置は、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子９１３と、光電変換素子９１３の信号出力端子に第１の端子が接続され、垂直走査信号ＶＳｉ（ｉ＝１〜Ｍ）に応じて第２の端子から光電変換素子９１３で発生した電流信号を流出するスイッチ素子９１４とを１組の受光素子９１２として、第１の方向（以後、垂直方向と呼ぶ）に沿ってＭ個配列されるとともに、夫々のスイッチ素子９１４の第２の端子と互いに電気的に接続された信号出力端子を有する垂直受光部９１１が、第２の方向（以後、水平方向と呼ぶ）に沿ってＮ個配列された受光部９１０と、（ｂ）夫々の垂直受光部９１１ｊから出力を夫々個別に入力し、リセット指示信号ＫＳに応じて垂直受光部から出力された電流信号を入出力端子間に接続された容量素子に積分または非積分の動作をするＮ個の積分回路９２０と、（ｃ）夫々の積分回路から出力された信号を夫々入力して出力するとともに、クランプ指示信号ＣＰに応じてクランプ処理するクランプ回路９３０と、（ｄ）夫々のクランプ回路９３０から出力された信号を入力し、サンプル指示信号に応じてサンプルホールド動作を行うとともに、参照電位信号＋ＶＲと参照電位信号−ＶＲとを入力し、入力電位信号の電位と参照電位信号＋ＶＲの電位との和に応じた電位の信号および入力電位信号の電位と参照電位信号＋ＶＲの電位との和に応じた電位の信号を出力するサンプルホールド回路９４０と、（ｅ）夫々のサンプルホールド回路９４０から出力された２つの信号を入力し、２つの信号の電位を比較する比較回路９５０と、（ｆ）夫々の比較回路９５０から出力された比較結果信号を入力するとともに、計数データ信号Ｄｃを入力し、比較結果信号の所定の変化時点での計数データ信号の値をラッチするラッチ回路９６０と、（ｇ）夫々のラッチ回路９６０から出力された計数値デジタル信号ＤＬｊを入力するとともに、水平走査信号ＨＳｊで指示されたラッチ回路９６０から計数値デジタル信号ＤＬｊを出力するスイッチ素子９７０と、（ｈ）垂直走査信号ＶＳｉ、リセット指示信号ＫＳ、サンプル指示信号ＳＰ、クランプ指示信号ＣＰ、および水平走査信号ＨＳｊを発行するタイミング制御部９８０と、（ｉ）所定の周期で担ったデジタル値が変化する計数デジタル信号Ｄｃおよび所定の期間にわたって電位値が変化する比較電位信号＋ＶＲ、−ＶＲを出力する比較制御部９９０とを備える。
【００１０】
この装置は、以下のようにして、受光部９１０に入射した光が形成する光像の撮像データをデジタルデータとして読み出す。図１０は、この装置の動作を示すタイミングチャートである。
【００１１】
まず、読み出しの実行に先立って、タイミング制御部９８０がリセット指示信号ＫＳを有意とし、積分回路９２０の出力を初期値である基準電位Ｖｒｅｆとするとともに、クランプ指示信号ＣＰを有意とし、クランプ回路９３０の入出力電位を初期値である基準電位Ｖｒｅｆとする。
【００１２】
また、比較制御部９９０が、初期比較電位である、比較電位信号＋ＶＲ＝Ｖ０および比較電位信号−ＶＲ＝−Ｖ０（Ｖ０＞０）を出力する。
【００１３】
次に、タイミング制御部９８０がリセット指示信号ＫＳとクランプ指示信号ＣＰとを非有意としたのち、各垂直受光部９１１ｊの垂直走査における第１番目の受光素子のスイッチ素子９１２_1,jのみを「ＯＮ」とする垂直走査信号ＶＳ１を有意にして出力する。スイッチ９１４が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子９１３に蓄積された電荷が電流信号となって受光部９１０から出力される。そして、積分回路９２０によってその帰還容量素子に蓄積され電圧として出力される。積分回路９２０から出力された信号Ｖｓｏは、クランプ回路９３０を介してサンプルホールド回路９４０に入力する。
【００１４】
サンプルホールド回路９７０では、比較電位信号＋ＶＲ、−ＶＲと信号Ｖｓｏとを入力し、比較電位信号＋ＶＲの電位値と信号Ｖｓｏの電位値とによって定まるサンプル信号Ｓ１と比較電位信号−ＶＲの電位値と信号Ｖｓｏの電位値とによって定まるサンプル信号Ｓ２とを出力するとともに、サンプル指示信号ＳＰが非有意となった場合には、非有意となった時点でのサンプル信号Ｓ１、Ｓ２を出力する。
【００１５】
比較制御部９９０は、サンプル後、サンプル指示信号ＳＰが有意から非有意に変化した時から、比較電位信号＋ＶＲの電位値を一定の勾配で順次低下させるとともに、比較電位信号−ＶＲの電位値を比較電位信号＋ＶＲの電位値の勾配と絶対値同一の勾配で順次増大させる。この結果、サンプル信号Ｓ１の電位値は順次低下するとともに、サンプル信号Ｓ２の電位値は順次増加する。
【００１６】
また、比較制御部９９０は、サンプル後、サンプル指示信号ＳＰが有意から非有意に変化した時から、カウンタによる一定周期のクロックの計数を開始し、計数値を計数デジタル信号Ｄｃとして出力する。
【００１７】
サンプルホールド回路９４０から出力されたサンプル信号Ｓ１、Ｓ２は、比較回路９５０に入力し、電位の値が比較される。上記のように、サンプル状態からホールド状態に遷移した直後は、サンプル信号Ｓ１の電位はサンプル信号Ｓ２の電位よりも高いが、比較電位信号＋ＶＲの電位値の順次低下と比較電位信号−ＶＲの電位値の順次増加とにともなって、ある時刻でサンプル信号Ｓ１の電位がサンプル信号Ｓ２の電位と同一となり、その後はサンプル信号Ｓ１の電位がサンプル信号Ｓ２の電位よりも低くなる。この結果、比較回路９５０の出力は、サンプル信号Ｓ１の電位がサンプル信号Ｓ２の電位と同一となった時刻を境として、比較結果信号ＶＣＭが変化する。
【００１８】
ラッチ回路９６０は、比較結果信号ＶＣＭを入力し、上記の比較結果信号ＶＣＭの変化の時点での計数デジタル信号Ｄｃの値をラッチし、出力する。
【００１９】
次いで、水平走査信号ＨＳｊの設定により、垂直方向の第１番目の受光素子９１２_1,jに関するデータの読み出しを開始する。
【００２０】
タイミング制御部９８０が、水平方向の第１番目の受光素子９１２_1,1に応じたスイッチ素子９７０のみの選択を指示する水平走査信号ＲＳ１を有意とし、第１番目の受光素子９１２_1,1に応じたスイッチ素子９７０のみを「ＯＮ」とする。
【００２１】
そして、スイッチ素子９７０を介したデジタル信号が、水平方向の第１番目の受光素子９１２_1,1に入射した光量に応じた出力データ信号Ｖｏとして出力される。
【００２２】
引き続き、水平方向の第１番目の受光素子９１２_1,1に応じたスイッチ素子９７０のみの選択を指示する水平走査信号ＲＳ１を非有意として、水平方向の第１番目の受光素子９１２_1,1に関するデータ読み出しを終了する。
【００２３】
次に、水平方向の第１番目の受光素子９１２_1,1と同様にして、水平方向の第２番目以降の受光素子９１２_1,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００２４】
次いで、タイミング制御部９８０がリセット指示信号ＫＳを有意とし、クランプ指示信号ＣＰを有意とするとともに、比較制御部９９０が、初期比較電位に設定しながら、各垂直受光部９１１ｊの垂直走査における第２番目以降の受光素子９１２_1,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
提案されている固体撮像装置は上記のように構成されるので、以下のような問題点があった。
【００２６】
（１）サンプルホールド回路において、サンプル状態からホールド状態へ遷移する時のスイッチ雑音が無視できない。すなわち、容量性負荷に電荷を蓄積して電圧信号としようとする場合に、必ず、ｋＴＣノイズと呼ばれる負荷容量値に逆比例するスイッチングノイズが発生するが、データ収集スピードも要求される固体撮像装置では、負荷容量値（従来例では２．４ｐＦを採用）を大きくすることに限界があり、無視できないものとなる。
【００２７】
例えば、従来例のように、負荷容量値として２．４ｐＦを採用すると、ｋＴＣノイズは理論上２６．８μＶとなり、低サイズ化のため高い電源電圧を使用できない場合には、分解能を稼ぐことができない。
【００２８】
（２）比較回路の入力初段では大きなサイズのＭＯＳトランジスタを使用することが常識的に行われる。したがって、電圧の比較時に、サンプルホールド回路における比較電位信号＋ＶＲ、−ＶＲの入力容量と、ＭＯＳトランジスタのゲート容量とが直列に接続されることになる。しかしながら、ＭＯＳトランジスタのゲート容量は電圧により大きく変化する性質がある。したがって、比較電位信号＋ＶＲ、−ＶＲが線形に変化したとしても、サンプル信号の変化は直線性を保つことができない。これは、アナログデジタル変換後の変換値と変換対象値のクランプ回路の出力電圧値Ｖｃｏとの間の直線性に重大な悪影響を及ぼすことになる。したがって、直線性精度の良い測定が不可能となる。
【００２９】
（３）従来例では、比較部の初段の性能が重要であるが、性能を確保するためには消費電力が大きくなることが予想される。従来例では、３２チャンネルとなっているが、今後の採用が予想される２５６チャンネル以上となると、消費電力の増大が問題となることが予想される。
【００３０】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、高精度で撮像が可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の固体撮像装置は、入力した２次元光像を撮像する固体撮像装置であって、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子の信号出力端子に第１の端子が接続され、垂直走査信号に応じて第２の端子から光電変換素子で発生した電流信号を流出する第１のスイッチ素子とを１組の受光素子として、第１の方向に沿って第１の数だけ配列されるとともに、夫々の第１のスイッチ素子の第２の端子と互いに電気的に接続された信号出力端子を有する垂直受光部が、第２の方向に沿って第２の数だけ配列された受光部と、（ｂ）夫々の垂直受光部から出力を夫々個別に入力し、リセット指示信号に応じて垂直受光部から出力された電流信号を入出力端子間に接続された第１の容量素子に積分または非積分の動作をする第２の数の積分回路と、（ｃ）夫々の積分回路から出力された信号を第１の端子に入力し、サンプル指示信号に応じて第２の端子から出力する第２の数の第２のスイッチ素子と、（ｄ）第２のスイッチ素子を介した信号と比較電位信号とを夫々入力し、クランプ指示信号が有意な場合にはクランプ処理を行い、クランプ指示信号が非有意な場合には第２のスイッチ素子を介した信号の電位と前記比較電位信号の電位とに応じた電位の信号を出力する第２の数のクランプ回路と、（ｅ）夫々のクランプ回路から出力された信号を夫々入力し、クランプ回路から出力された信号の電位と基準電位との比較を行い、比較結果に応じた比較結果信号を出力する第２の数の比較回路と、（ｆ）計数値デジタル信号と夫々の比較結果信号とを夫々入力し、比較結果の変化に応じて、所定の比較結果信号の変化時の計数値デジタル信号を保持するとともに出力する第２の数のデータ保持回路と、（ｇ）夫々のデータ保持回路から出力された計数値デジタル信号を入力するとともに、水平走査信号で指示されたデータ保持回路からの信号を出力する第２の数の第３のスイッチ素子と、（ｈ）リセット指示信号、サンプル指示信号、クランプ指示信号、および水平走査信号を出力するタイミング制御部と、（ｉ）所定の周期で担ったデジタル値が変化する計数デジタル信号および所定の期間にわたって電位値が変化する比較電位信号を発行する比較制御部とを備えることを特徴とする。
【００３２】
請求項１の固体撮像装置では、受光部が入射した光が形成する光像を入力し、受光部の光電変換素子に受光量に応じた電荷が蓄積される。そして、所定の受光期間の経過後に各受光素子に蓄積された電荷量に応じたデジタルデータを以下のようにして読み出す。
【００３３】
まず、読み出しの実行に先立って、タイミング制御部がリセット指示信号を有意とし、積分回路の出力を初期値である基準電位とするとともに、クランプ指示信号を有意とし、クランプ回路の入出力電位を初期値とする。また、比較制御部が、比較電位信号を初期比較電位値とする。
【００３４】
次に、タイミング制御部がリセット指示信号とクランプ指示信号とを非有意としたのち、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号を設定して出力する。第１のスイッチが「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子に蓄積された電荷が電流信号となって受光部から出力される。そして、積分回路によってその帰還容量素子に蓄積され電圧として出力される。積分回路から出力された信号は、第２のスイッチ素子を介してクランプ回路に入力する。
【００３５】
そして、各垂直受光部の垂直走査における第１番目の受光素子のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とした後、一定時間経過後に、タイミング制御部がサンプル指示信号が非有意とし、第２のスイッチ素子を「ＯＦＦ」とする。第２のスイッチ素子を「ＯＦＦ」とした後、クランプ回路の入力端子は、第２のスイッチ素子を「ＯＦＦ」とした時点での電位値が保持される。
【００３６】
この場合、クランプ回路の電荷蓄積用容量素子の装置全体の動作スピードに関わり無く、容量値を大きくすることが可能であり、容量値に逆比例するｋＴＣノイズを充分低減することができる。
【００３７】
また、クランプ回路の初段には必ずしも性能の良いオペアンプなどを使用する必要がないので、消費電力の増大を招かずに済む。
【００３８】
比較制御部は、サンプル指示信号が有意から非有意に変化した後、比較電位信号の電位値を一定の勾配で順次変化させる。この結果、クランプ回路から出力される信号の電位値は変化する。
【００３９】
また、比較制御部は、比較電位信号の電位値の低下とともに、カウンタによる一定周期のクロックの計数を開始し、計数値を計数デジタル信号として出力する。
【００４０】
クランプ回路から出力されたサンプル信号は、比較回路に入力し、基準電位と電位の値が比較される。
【００４１】
比較電位信号の変化にともなって、ある時刻でクランプ回路から出力された信号の電位が比較回路の基準電位と同一となる。この結果、クランプ回路から出力された信号の電位が基準電位と同一となった時刻を境として、比較結果信号が変化する。
【００４２】
データ保持回路は、比較結果信号を入力し、比較結果信号の変化の時点での計数デジタル信号の値を保持して出力する。
【００４３】
次いで、水平走査信号の設定により、垂直方向の第１番目の受光素子に関するデータの読み出しを開始する。
【００４４】
タイミング制御部が、水平方向の第１番目の受光素子に応じた第３のスイッチ素子のみの選択を指示する水平走査信号を出力し、第１番目の受光素子に応じた第３のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする。
【００４５】
そして、第３のスイッチ素子を介したデジタル信号が、水平方向の第１番目の受光素子に入射した光量に応じた出力データ信号として出力される。
【００４６】
引き続き、水平方向の第１番目の受光素子に応じた第３のスイッチ素子のみの選択を指示する水平走査信号を解除し、水平方向の第１番目の受光素子に関するデータ読み出し動作を終了する。
【００４７】
次に、水平方向の第１番目の受光素子と同様にして、水平方向の第２番目以降の受光素子に関するデータ読み出しを実行する。
【００４８】
次いで、タイミング制御部が、リセット指示信号を有意とし、クランプ指示信号を有意とするとともに、比較制御部が、初期比較電位に設定しながら、各垂直受光部の垂直走査における第２番目以降の受光素子に関するデータ読み出しを実行する。
【００４９】
この結果、精度良く、高速で、撮像結果をデジタルデータとして読み出すことができる。
【００５０】
請求項２の固体撮像装置は、請求項１の固体撮像装置において、比較電位信号の電位値の変化が、時間の変化に対して略線形であることを特徴とする。
【００５１】
請求項２の固体撮像装置によれば、比較電位信号が入力するクランプ回路では、大きなサイズのＭＯＳトランジスタを使用せずに済むので、クランプ回路における比較電位信号の入力容量と、クランプ回路の入力容量とが直列に接続されることになっても、比較電位信号の電位が線形に変化することに追従して、クランプ回路の出力信号の電位も線形に変化する。したがって、アナログデジタル変換後の変換値と変換対象値のクランプ回路の出力電圧値Ｖｃｏとの間の直線性の良い測定が可能となる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の固体撮像装置の実施形態を説明する。なお、図面の説明にあたって同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００５３】
図１は、本発明の第１実施形態の固体撮像装置の構成図である。図１に示すように、この装置は、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子１３０と、光電変換素子１３０の信号出力端子に接続され、垂直走査信号ＶＳｉ（ｉ＝１〜Ｍ）に応じて光電変換素子１３０で発生した電流信号を流出するスイッチ素子１４０とを１組の受光素子１２０として、第１の方向（以後、垂直方向と呼ぶ）に沿ってＭ個配列され、夫々のスイッチ素子１４０の信号出力端子が電気的に接続された垂直受光部１１０が、第２の方向（以後、水平方向と呼ぶ）に沿ってＮ個配列された受光部１００と、（ｂ）垂直受光部１１０_j（ｊ＝１〜Ｎ）からの出力信号を夫々個別に入力し、信号処理後に水平走査信号（ＲＳｊ）に応じて択一的に信号を出力する水平信号処理部２１０_jと、水平信号処理部２１０_jから出力された信号を入力し、装置としての出力デジタルデータ信号を出力する信号処理部２００と、（ｃ）受光部１００および信号処理部２００に動作タイミングの指示信号を通知するタイミング制御部３００と、（ｄ）信号処理部２００におけるアナログデジタル変換動作を制御する、所定の周期で担ったデジタル値が変化する計数デジタル信号Ｄｃおよび所定の期間にわたって電位値が変化する比較電位信号ＶＲを発行する比較制御部４００とを備える。
【００５４】
水平信号処理部２１０_jは、（i）垂直受光部１１０_jからの出力信号を入力し、リセット指示信号ＫＲＳに応じて垂直受光部１１０_jから出力された電流信号を入出力端子間に接続された容量素子２２２に積分（リセット指示信号ＫＲＳが非有意の場合）、または非積分（リセット指示信号ＫＲＳが有意の場合）の動作をする積分回路２２０と、（ii）積分回路２２０から出力された信号Ｖｓｏを一方の端子から入力し、サンプル指示信号ＳＭＰに応じて他方の端子から出力するスイッチ素子２３０と、（iii）スイッチ素子２３０を介した信号Ｖｃｉと比較電位信号ＶＲとを入力し、信号Ｖｃｉの電位値と比較電位信号ＶＲの電位値とに応じた電位の信号Ｖｃｏを出力するとともに、クランプ指示信号ＣＬＰに応じてクランプ動作をするクランプ回路２４０と、（iv）クランプ回路２４０から出力された信号Ｖｃｏを入力し、信号Ｖｃｏの電位と基準電位Ｖｒｅｆとの比較を行い、比較結果に応じた比較結果信号ＶＣＭを出力する比較回路２５０と、（ｆ）計数値デジタル信号Ｄｃと比較結果信号ＶＣＭとを入力し、比較結果信号ＶＣＭの変化に応じて、比較結果信号ＶＣＭの変化時の計数値デジタル信号Ｄｃを保持するとともにデジタル信号ＤＬｊ出力するデータ保持回路２６０と、（ｇ）データ保持回路２６０から出力されたデジタル信号ＤＬｊを入力するとともに、水平走査信号ＨＳｊで指示されたデータ保持回路２６０からの信号ＤＬｊを出力する第３のスイッチ素子２７０とを備える。
【００５５】
積分回路２２０は、（i）垂直受光部１１０_jからの出力信号を入力し、入力した電流信号の電荷を増幅する電荷増幅器２２１と、（ii）電荷増幅器２２１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２２１の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２２２と、（iii）電荷増幅器２２１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２２１の出力端子に他方の端子が接続され、リセット指示信号ＫＲＳが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、リセット指示信号ＫＲＳが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２２３とを備える。
【００５６】
クランプ回路２４０は、（i）積分回路２２０から出力された信号を入力し、交流成分を出力する容量素子２４１と、（ii）容量素子２４１を介した信号を入力し、増幅して出力する増幅器２４２と、（iii）増幅器２４２の入力端子に一方の端子が接続され、増幅器２４２の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２４３と、（iv）増幅器２４２の入力端子に一方の端子が接続され、増幅器２４２の出力端子に他方の端子が接続され、クランプ指示信号ＣＰｊが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、クランプ指示信号ＣＰｊが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２４４と、（v）増幅器２４２の入力端子に一方の端子が接続され、他方の端子から比較電位信号ＶＲを入力する容量素子２４５とを備える。
【００５７】
図２および図３は、比較回路２５０の構成を示す回路構成図である。図２は比較回路をインバータ２個を直列に接続した比較回路の回路構成を、図３は差動型コンパレータ構成の比較回路の回路構成を示す。
【００５８】
図２（ａ）に示すように、この比較回路は、（i）クランプ回路２４０から出力された信号Ｖｃｏを一方の端子から入力する容量素子２５１₁と、（ii）容量素子２５１₁の他方の端子から出力された信号を入力し、入力信号の電位値のしきい値との大小を判定して、反転信号を出力するインバータ２５２₁と、（iii）インバータ２５２₁の入力端子に一方の端子が接続され、インバータ２５２₁の出力端子に他方の端子が接続され、比較開始指示信号ＣＭＰに応じて開閉するスイッチ素子２５３₁と、（iv）インバータ２５２₁から出力された信号を一方の端子から入力する容量素子２５１₂と、（v）容量素子２５１₂の他方の端子から出力された信号を入力し、入力信号の電位値のしきい値との大小を判定して、反転信号を出力するインバータ２５２₂と、（vi）インバータ２５２₂の入力端子に一方の端子が接続され、インバータ２５２₂の出力端子に他方の端子が接続され、比較開始指示信号ＣＭＰに応じて開閉するスイッチ素子２５３₂とを備える。
【００５９】
図２（ａ）に示す比較回路は、以下のようにして、基準電位と入力信号の電位との比較を行い比較結果信号ＶＣＭを出力する。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す比較回路の動作を示すタイミングチャートである。
【００６０】
まず、比較動作に先立って、比較開始信号ＣＭＰが一時的に有意となり、この有意期間にわたってスイッチ素子２５３₁、２５３₂が「ＯＮ」となる。この結果、インバータ２５２₁、２５２₂の夫々の入出力端子が結ばれ、比較結果出力信号ＶＣＭが中間電位レベルで出力される。そして、比較開始信号ＣＭＰが非有意となった時点、すなわち、スイッチ素子２５３₁、２５３₂が「ＯＦＦ」の時点の信号Ｖｃｏの電位が変化しなければ、比較結果信号ＶＣＭは中間電位レベルを保つ。
【００６１】
この後、信号Ｖｃｏの電位が高くなるか低くなるかすると、２段のインバータ回路は高いゲインで信号Ｖｃｏの変化を増幅して出力する。したがって、スイッチ素子２５３₁、２５３₂が「ＯＦＦ」の時点の信号Ｖｃｏの電位を基準電位として、この基準電位からの大小に応じて、デジタル的に変化する比較結果信号ＶＣＭが出力される。
【００６２】
図３に示すように、この比較回路は、（i）クランプ回路２４０からの出力信号Ｖｃｏを一方の端子から入力し、比較開始指示信号ＣＭＰに応じて開閉するスイッチ素子２５６と、（ii）スイッチ素子２５６の他方の端子から出力された信号を一方の端子に入力し、その電位に応じた電荷を蓄積する容量素子２５７と、（iii）容量素子２５７の一方の端子が一方に入力端子と接続されるとともに、他方の入力端子から信号Ｖｃｏを入力し、２つの入力端子の電位の大小に応じた比較結果信号ＶＣＭを出力する差動型比較器２５８と、（iv）差動型比較器２６８の他方の入力端子に一方の端子が接続され、差動型比較器２６８の出力端子に他方の端子が接続され、比較開始指示信号ＣＭＰに応じて開閉するスイッチ素子２５９とを備える。
【００６３】
図３の比較回路も、図２（ａ）の比較回路と同様のタイミングで、デジタル的に変化する比較結果信号ＶＣＭを出力する。
【００６４】
図３に示す比較回路は図２（ａ）に示す比較回路よりもノイズに強い長所があるが、回路サイズや消費電力が大きくなる欠点がある。
【００６５】
図４は、タイミング制御部３００の回路構成図である。図４に示すように、タイミング制御部３００は、（i）データの読み出し動作の基本タイミングを発生する基本タイミング生成部３１０と、（ii）基本タイミング生成部３１０から出力された基本タイミング信号に同期して、垂直走査信号ＶＳｉを出力する垂直シフトレジスタ３２０と、（iii）基本タイミング生成部３１０から出力された基本タイミング信号に同期して、水平選択信号ＨＳｊを出力する水平シフトレジスタ３３０と、（iv）基本タイミング生成部３１０から出力された基本タイミング信号に同期して、リセット指示信号ＫＲＳ、クランプ指示信号ＣＬＰ、サンプル指示信号ＳＭＰ、および、比較開始指示信号ＣＭＰを生成する制御信号生成部３４０とを備える。
【００６６】
図５は、比較制御部４００の回路構成図である。図５に示すように、比較制御部４００は、（i）基本タイミング生成部３１０から出力された基本タイミング信号に同期して、比較開始タイミング指示信号ＣＳＴを生成する比較制御開始指示部４１０と、（ii）信号ＣＳＴによる比較開始指示に応じて、電位が時間的に線形に変化する比較電位信号ＶＲを出力する比較電位信号生成部４２０と、（iii）信号ＣＳＴによる比較開始指示に応じて、所定周期で計数を行い計数デジタル信号Ｄｃを出力するカウンタ回路４３０とを備える。
【００６７】
図６は、比較電位信号生成部４２０の構成を示す回路構成図である。図６に示すように、この比較電位信号生成部は、（i）直流電圧を発生する直流電圧発生回路４２１と、（ii）直流電圧発生回路４２１から出力された直流電圧が一方の端子に印加される抵抗素子４２２と、（iii）抵抗素子４２２の他方の端子と入力端子が接続された増幅器４２３と、（iv）増幅器４２３の入力端子に一方の端子が接続され、増幅器４２３の出力端子に他方の端子が接続された容量素子４２４と、（v）増幅器４２３の入力端子に一方の端子が接続され、増幅器４２３の出力端子に他方の端子が接続され、信号ＣＳＴに応じて開閉するスイッチ素子４２５とを備える。
【００６８】
図６の比較電位信号生成部によれば、信号ＣＳＴによってスイッチ素子４２５が「ＯＮ」時の出力電位値を出発電位値として、スイッチ素子４２５が「ＯＦＦ」時から時間的に線形に電位が変化する比較電位信号ＶＲが、長い周期の信号ＣＳＴによって生成される。
【００６９】
本実施形態の装置は、以下のようにして、受光部１００に入力した光像データを収集する。図７は、本実施形態の装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【００７０】
本実施形態の固体撮像装置では、受光部１００が入射した光が形成する光像を入力し、受光部１００の光電変換素子１３０に受光量に応じた電荷が蓄積される。そして、所定の受光期間の経過後に各受光素子１３０に蓄積された電荷量に応じたデジタルデータを以下のようにして読み出す。
【００７１】
まず、読み出しの実行に先立って、タイミング制御部３００がリセット指示信号ＫＲＳを有意とし、積分回路２２０の出力を初期値である基準電位Ｖｒｅｆとするとともに、クランプ指示信号ＣＬＰを有意とし、クランプ回路２４０の入出力電位を初期値Ｖｒｅｆとする。更に、サンプル指示信号ＳＭＰを有意とし、スイッチ素子２３０を「ＯＮ」とする。また、比較制御部４００が、比較電位信号を初期比較電位値Ｖｒｅｆとする。
【００７２】
次に、タイミング制御部３００がサンプル指示信号ＳＭＰを有意としたままで、リセット指示信号ＫＲＳとクランプ指示信号ＣＬＰとを非有意としたのち、各垂直受光部１１０ｊの垂直走査における第１番目の受光素子１２０_1,jのスイッチ素子１４０のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号ＶＳ１を有意に設定して出力する。スイッチ１４０が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子１３０に蓄積された電荷が電流信号となって受光部１００から出力される。そして、積分回路２００によってその帰還容量である容量素子２２２に蓄積され電圧として出力される。積分回路２２０から出力された信号Ｖｓｏは、スイッチ素子２３０を介してクランプ回路２４０に入力する。
【００７３】
そして、各垂直受光部１１０ｊの垂直走査における第１番目の受光素子１２０_1,jのスイッチ素子のみを「ＯＮ」とした後、一定時間経過後に、タイミング制御部３００がサンプル指示信号ＳＭＰが非有意とし、スイッチ素子２３０を「ＯＦＦ」とする。スイッチ素子２３０を「ＯＦＦ」とした後、クランプ回路の入力端子は、スイッチ素子２３０を「ＯＦＦ」とした時点での信号Ｖｓｏの電位値が保持される。
【００７４】
この場合、クランプ回路２４０の電荷蓄積用の容量素子２４１は装置全体の動作スピードに関わり無く、容量値を大きくすることが可能であり、容量値に逆比例するｋＴＣノイズを充分低減することができる。
【００７５】
また、クランプ回路２４０の初段には必ずしも性能の良いオペアンプなどを使用する必要がないので、消費電力の増大を招かずに済む。
【００７６】
比較制御部２５０では、サンプル指示信号ＳＭＰが非有意に変化した後、信号ＣＳＴが変化することにより比較制御を開始する。すなわち、信号ＣＳＴの変化をトリガとして、信号比較電位信号ＶＲの電位値を一定の勾配で順次降下させる。この結果、クランプ回路２４０から出力される信号Ｖｃｏの電位値は順次上昇する。
【００７７】
また、比較制御部２５０は、比較電位信号ＶＲの電位値の低下とともに、カウンタ回路２５３による一定周期のクロックの計数を開始し、計数値を計数デジタル信号Ｄｃとして出力する。
【００７８】
クランプ回路２４０から出力されたサンプル信号は、比較回路に入力し、基準電位Ｖｒｅｆと電位の値が比較される。
【００７９】
比較電位信号ＶＲの電位値の降下にともなって、ある時刻でクランプ回路２４０から出力された信号Ｖｃｏの電位が比較回路２５０の基準電位Ｖｒｅｆと同一となる。この結果、クランプ回路２４０から出力された信号Ｖｃｏの電位が基準電位Ｖｒｅｆと同一となった時刻を境として、比較結果信号ＶＣＭが変化する。
【００８０】
データ保持回路２６０は、比較結果信号ＶＣＭをトリガ端子に入力し、比較結果信号ＶＣＭの変化の時点での計数デジタル信号ＤＬｊの値をラッチし、その後、保持して出力する。
【００８１】
次いで、水平走査信号ＨＳｊの設定により、垂直方向の第１番目の受光素子１２０_1,jに関するデータの読み出しを開始する。
【００８２】
タイミング制御部３００が、水平方向の第１番目の受光素子１２０_1,1に応じたスイッチ素子２７０のみの選択を指示する水平走査信号ＨＳ１を出力し、第１番目の受光素子１２０_1,1に応じたスイッチ素子２７０のみを「ＯＮ」とする。
【００８３】
そして、スイッチ素子２７０を介したデジタル信号ＤＬ１が、水平方向の第１番目の受光素子１２０_1,1に入射した光量に応じた出力データ信号として出力される。
【００８４】
引き続き、水平方向の第１番目の受光素子１２０_1,1に応じたスイッチ素子２７０のみの選択を指示する水平走査信号を解除し、水平方向の第１番目の受光素子１２０_1,1に関するデータ読み出し動作を終了する。
【００８５】
次に、水平方向の第１番目の受光素子１２０_1,1と同様にして、水平方向の第２番目以降の受光素子１２０_1,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００８６】
次いで、タイミング制御部３００がリセット指示信号ＫＲＳを有意とし、クランプ指示信号ＣＬＰを有意とし、サンプル指示信号ＳＭＰを有意とするとともに、比較制御部４００が、初期比較電位信号を基準電位Ｖｒｅｆに設定しながら、各垂直受光部１１０ｊの垂直走査における第２番目以降の受光素子１２０_i,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００８７】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、変形が可能である。例えば、上記実施形態では受光部を２次元構成としたが、図８に示すように、受光部を１次元構成、すなわち、上記実施形態においてｉ＝１の構成を採用してもよい。
【００８８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の固体撮像装置によれば、各水平ラインごとにアナログデジタル変換機能を持たせるとともに、クランプ回路にの入力端子に比較電位信号を入力することとしたので、受光素子での受光量に応じた信号の読み出しにあたって、高速性を維持しつつ高精度でデジタルデータとして撮像データを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の固体撮像装置の回路構成図である。
【図２】本発明の実施形態の固体撮像装置の比較回路の回路構成図である。
【図３】本発明の実施形態の固体撮像装置の比較回路の回路構成図である。
【図４】本発明の実施形態の固体撮像装置のタイミング制御部の回路構成図である。
【図５】本発明の実施形態の固体撮像装置の比較制御部の回路構成図である。
【図６】本発明の実施形態の固体撮像装置の比較電位信号生成部の回路構成図である。
【図７】本発明の実施例の固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図８】本発明の実施形態の変形例の固体撮像装置の回路構成図である。
【図９】従来の固体撮像装置の回路構成図である。
【図１０】従来の固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
１００…受光部、１１０…垂直受光部、１２０…受光素子、１３０…光電変換素子、１４０…スイッチ素子、２００…信号処理部、２１０…水平信号処理部、２２０…積分回路、２２１…電荷増幅器、２２２，２２４…容量素子、２２３…スイッチ素子、２３０…スイッチ素子、２４０…クランプ回路、２４１…容量素子、２４２…増幅器、２４３，２４５…容量素子、２４４…スイッチ素子、２５０…比較回路、２６０…保持回路、２７０…スイッチ素子、３００…タイミング制御部、３１０…基本タイミング部、３２０…垂直シフトレジスタ、３３０…水平シフトレジスタ、３４０…制御信号部、４００…比較電位制御部。

Claims

入力した２次元光像を撮像する固体撮像装置であって、
入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子の信号出力端子に第１の端子が接続され、垂直走査信号に応じて第２の端子から前記光電変換素子で発生した電流信号を流出する第１のスイッチ素子とを１組の受光素子として、第１の方向に沿って第１の数だけ配列されるとともに、夫々の前記第１のスイッチ素子の第２の端子と互いに電気的に接続された信号出力端子を有する垂直受光部が、第２の方向に沿って第２の数だけ配列された受光部と、
夫々の前記垂直受光部から出力を夫々個別に入力し、リセット指示信号に応じて前記垂直受光部から出力された電流信号を入出力端子間に接続された第１の容量素子に積分または非積分の動作をする前記第２の数の積分回路と、
夫々の前記積分回路から出力された信号を第１の端子に入力し、サンプル指示信号に応じて第２の端子から出力する前記第２の数の第２のスイッチ素子と、
前記第２のスイッチ素子を介した信号と比較電位信号とを夫々入力し、クランプ指示信号が有意な場合にはクランプ処理を行い、クランプ指示信号が非有意な場合には前記第２のスイッチ素子を介した信号の電位と前記比較電位信号の電位とに応じた電位の信号を出力する前記第２の数のクランプ回路と、
夫々の前記クランプ回路から出力された信号を夫々入力し、前記クランプ回路から出力された信号の電位と基準電位との大小比較を行い、比較結果に応じた比較結果信号を出力する前記第２の数の比較回路と、
計数値デジタル信号と夫々の前記比較結果信号とを夫々入力し、前記比較結果信号の変化に応じて、所定の前記比較結果信号の変化時の計数値デジタル信号を保持するとともに出力する前記第２の数のデータ保持回路と、
夫々のデータ保持回路から出力された計数値デジタル信号を入力するとともに、水平走査信号で指示された前記第２の容量素子から信号を出力する前記第２の数の第３のスイッチ素子と、
前記リセット指示信号、前記サンプル指示信号、前記クランプ指示信号、および前記水平走査信号を発行するタイミング制御部と、
所定の周期で担ったデジタル値が変化する前記計数デジタル信号および所定の期間にわたって電位値が変化する前記比較電位信号を発行する比較制御部と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
前記比較電位信号の電位値の変化は時間の変化に対して略線形である、ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。