JP6164869B2 - 撮像装置、撮像システム、撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、入射線を電荷に変換する撮像装置、撮像システム、撮像装置の駆動方法に関する。

入射光を光電変換する撮像装置が知られている。このような撮像装置の一例として、特許文献１には、入射光を光電変換する光電変換部と、光電変換部の出力する信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部と、を有する画素を有する撮像装置がある。

特開２００６−２０３７３６号公報

入射線に基づく電荷を生成する変換部とＡＤ変換部に電位を与えるバイアス線が、入射線に基づく電荷を生成する変換部とＡＤ変換部に共通に電気的に接続されている場合がある。この場合、入射線に基づく電荷を生成する変換部の動作によって生じるバイアス線の電位の変動が、ＡＤ変換部のＡＤ変換精度を低下させてしまう課題があった。

本発明は上記の課題を鑑みて為されたものであり、一の態様は、入射線に基づく電荷を生成する変換部と、前記変換部が生成した前記電荷に基づく信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部と、を有する画素と、前記変換部に電気的に接続された第１バイアス線と、前記第１バイアス線の電位に基づく電圧を保持する容量素子と、を有し、前記ＡＤ変換部が、前記容量素子が保持した前記電圧に基づいて駆動されることを特徴とする撮像装置である。

本発明の別の態様は、入射線に基づく電荷を生成する変換部と、前記変換部が生成した前記電荷に基づく信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部と、を有する画素と、前記変換部と前記ＡＤ変換部とに共通の電位を供給する第１バイアス線と、容量素子と、を有する撮像装置の駆動方法であって、前記容量素子に、前記第１バイアス線の電位に基づく電圧を保持させ、前記容量素子に保持させた前記電圧に基づいて前記ＡＤ変換部を駆動することを特徴とする撮像装置の駆動方法である。

本発明により、入射線に基づく電荷を生成する変換部の動作によって生じるバイアス線の電位の変動が、ＡＤ変換部の動作に影響しにくい撮像装置を提供することができる。

撮像装置と画素の構成の一例を示した図 画素の構成の一例と、画素の動作の一例を示した図 画素の構成の他の一例を示した図 撮像装置と画素の構成の他の一例を示した図 撮像システムの一例の図

以下、図面を参照しながら各実施例について説明する。

（実施例１）
図１（ａ）は、本実施例の撮像装置の構成を示した模式図である。

図１（ａ）の画素アレイ１００は、Ｍ行Ｎ列に配列された画素１０１を有する。バイアス回路群２００は、各画素１０１を駆動するバイアス回路２０１を含む。本実施例では、行ごとにバイアス回路２０１を備える構成である。各行のバイアス回路２０１は、バイアス回路２０１と対応する行の各画素１０１にバイアス電圧を供給する。各画素１０１はデジタル信号を出力線４００を介して信号保持部５００に出力する。信号保持部５００は、不図示の水平走査回路によって、順次デジタル信号を出力部６００に出力する。出力部６００は撮像装置の外部に電気的に接続された出力ノード７００にデジタル信号を出力する。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した画素１０１の構成を示した図である。画素１０１は、電源電圧供給線１０２、ＧＮＤ電位供給線１０３、フォトダイオード１０４、スイッチ１０５、スイッチ１０６、ＡＤ変換部１０７、スイッチ１０８、容量素子１０９、出力線４００を有している。ＧＮＤ電位供給線１０３には接地電圧が与えられている。スイッチ１０５は信号φＲＥＳをＨｉｇｈレベル（以下、Ｈレベル）とすると導通する。スイッチ１０６は、信号φＴＸをＨレベルとすると導通する。スイッチ１０８は信号φＳ１をＨレベルとすると導通する。信号φＲＥＳ、φＴＸ、φＳ１はそれぞれ、不図示のタイミングジェネレータから与えられる信号である。カウント信号線１１１、制御信号線１１４がＡＤ変換部１０７に電気的に接続されている。フォトダイオード１０４は本実施例の入射線に基づく電荷を生成する変換部である。本実施例のフォトダイオード１０４は、入射光を光電変換して生成する電荷を生成する光電変換部でもある。

図２（ａ）は、本実施例のバイアス回路２０１、ＡＤ変換部１０７の構成の一例を示した図である。バイアス回路２０１で生成したバイアス電圧は、バイアス線２０２に与えられる、ＡＤ変換部１０７は、容量素子Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２を有する。また、ＡＤ変換部１０７は、ＭＯＳトランジスタＭ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６を有する比較器１４０を含む。ＭＯＳトランジスタＭ３は、フォトダイオード１０４が出力する信号が与えられる第１入力トランジスタである。また、ＭＯＳトランジスタＭ４は、参照信号であるランプ信号ＶＲＡＭＰが与えられる第２入力トランジスタである。比較器１４０は、フォトダイオード１０４から出力される信号と、垂直制御回路３００からランプ信号線１１０と容量素子Ｃ２とを介して与えられるランプ信号ＶＲＡＭＰとを比較した比較結果信号をラッチ部１１２に出力する。そしてＡＤ変換部１０７は、比較器１４０の出力する比較結果信号に基づいて、メモリ部１１３に信号ＬＡＴＣＨを出力するラッチ部１１２を有する。また、垂直制御回路３００は、クロックパルスを計数したカウント信号を、カウント信号線１１１を介してメモリ部１１３に与える。また、垂直制御回路３００は、メモリ部１１３に制御信号線１１４を介して信号φＭＥＭを出力する。ＭＯＳトランジスタＭ２は比較器１４０を駆動する電流源として動作する電流供給トランジスタである。容量素子１０９の一方のノードは、ＭＯＳトランジスタＭ２の制御ノードに電気的に接続されている。また、ＭＯＳトランジスタＭ２の一方の主ノードが、ＧＮＤ電位供給線１０３に電気的に接続されている。また、ＭＯＳトランジスタＭ２の他方の主ノードが、ＭＯＳトランジスタＭ３、Ｍ４に電気的に接続されている。ＧＮＤ電位供給線１０３は本実施例の第１バイアス線である。バイアス線２０２は本実施例の第２バイアス線である。ランプ信号ＶＲＡＭＰは本実施例の参照信号である。

次に、図２（ｂ）を参照しながら、図２（ａ）に示した画素の動作を説明する。

リセット期間に先立って、信号φＳ１をＨレベルからＬレベルとする。これにより、信号φＳ１をＬレベルとした時のバイアス線２０２とＧＮＤ電位供給線１０３との電位差に基づく電圧を容量素子１０９が保持する。図２（ａ）に示したＡＤ変換部１０７は容量素子１０９が保持した電圧と、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位と、に基づいて駆動される。さらに言えば、ＡＤ変換部１０７の比較器１４０の電流源は容量素子１０９が保持した電圧と、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位と、によって駆動される。

次に、リセット期間に、信号φＲＥＳをＨレベルとし、そして、φＴＸをＨレベルとする。これにより、フォトダイオード１０４の電荷と容量素子Ｃ０、Ｃ１の各々の一方のノードの電荷がリセットされる。

信号φＴＸをＬレベルとし、そしてφＲＥＳをＬレベルとする。信号φＲＥＳをＬレベルとすると、フォトダイオード１０４は入射光を光電変換して生成した電荷の蓄積を行う。この電荷を蓄積する期間が蓄積期間である。

蓄積期間後、信号φＴＸをＨレベルとした後、Ｌレベルとする。これにより、容量素子Ｃ０およびＣ１にフォトダイオード１０４で蓄積した電荷が転送され、この転送された電荷に基づく信号が、ＭＯＳトランジスタＭ３の制御ノードに与えられる。

信号φＴＸをＬレベルとすると、ＡＤ変換期間として、垂直制御回路３００は、ランプ信号線１１０の電位の時間に依存した変化を開始する。また、垂直制御回路３００は、カウント信号線１１１を介して、ＡＤ変換部１０７にカウント信号を出力する。

ラッチ部１１２は比較器１４０の出力する信号が変化した時に、信号φＬＡＴＣＨの信号値をＨレベルとする。このＨレベルの信号φＬＡＴＣＨを受けて、メモリ部１１３は、信号φＬＡＴＣＨがＨレベルとなった時のカウント信号値を保持する。この保持したカウント信号値が、フォトダイオード１０４が蓄積した電荷に基づくデジタル信号である。

垂直制御回路３００は、ランプ信号ＶＲＡＭＰの時間に依存した電位の変化を終了することで、ＡＤ変換期間が終了する。

垂直制御回路３００は、信号φＭＥＭをＨレベルとする。メモリ部１１３は、出力線４００を介して信号保持部５００に保持したデジタル信号を出力する。

そして、垂直制御回路３００は信号φＳ１をＨレベルとする。

ＧＮＤ電位供給線１０３の電位はフォトダイオード１０４のリセット動作や蓄積動作に伴って変動が生じる。一方で、バイアス線２０２の電位は一定である。よって、ＭＯＳトランジスタＭ２の制御ノードがバイアス線２０２に直結している場合には、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位が変動すると、ＭＯＳトランジスタＭ２のゲートソース電圧が変動し、ドレイン電流、すなわち比較器１４０の駆動電流が変化する。比較器１４０の駆動電流が変化することで比較器１４０の動作点が変化するため、比較動作の精度の低下が生じる。比較動作の精度低下はＡＤ変換部１０７のＡＤ変換精度の低下となるため、ＡＤ変換部１０７のアナログ−デジタル変換特性の線形性を低下させる。また、ＧＮＤ電位供給線１０３のインピーダンスによる過渡応答の違いにより、画素１０１ごとにＧＮＤ電位供給線１０３の電位の変動量が異なる。これにより、ＡＤ変換部１０７のＡＤ変換精度が画素ごとに異なるため、撮像装置が生成する画像の画質を低下させる。また、ＧＮＤ電位供給線１０３を共有する画素１０１間では、ある画素１０１の動作によって生じたＧＮＤ電位の変動が他の画素１０１のＡＤ変換精度を低下させる。

他方で、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位が安定するまでの待機期間を設けることは、撮像装置の高速化を妨げる要因となる。

本実施例では、バイアス線２０２とＧＮＤ電位供給線１０３との電位差に基づく電圧を容量素子１０９が保持する。これにより、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位の変動に応じて、ＭＯＳトランジスタＭ２の制御ノードの電位も変動する。よって、ＭＯＳトランジスタＭ２のゲートソース電圧の変動が生じにくいため、比較器１４０に流れるドレイン電流が変動しにくくなる。これにより、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位が安定するまでの待機時間を設けずとも、ＡＤ変換部１０７がＧＮＤ電位供給線１０３の電位の変動を受けにくくすることができる。

また、図２（ｃ）に示すように、フレームレートを上げるためにフレーム内の動作を複数フレームで並列して行う場合、フォトダイオード１０４の動作とＡＤ変換部１０７の動作が並列になるため、ＧＮＤ電位供給線１０３の変動の影響が大きくなる。この場合も、読出し期間中などのブランク期間でバイアス線２０２とＧＮＤ電位供給線１０３との電位差に基づく信号を保持することで、ＡＤ変換部１０７がＧＮＤ電位供給線１０３の変動を受けにくくすることができる。

本実施例の信号φＳ１の波形は、図２（ｂ）に示した波形に限定されない。信号φＳ１をＨレベルからＬレベルとするタイミングは、ＡＤ変換期間を開始する前であれば、ＡＤ変換期間でのフォトダイオード１０４の蓄積動作によるＧＮＤ電位供給線１０３の電位変動をＡＤ変換部１０７が受けにくくすることができる。

さらに言えば、本実施例では、ＡＤ変換部の一例として、入射線に基づく電荷を生成する変換部の出力する信号とランプ信号とを比較する形態を基に説明した。他の形態として、例えば、逐次比較型、フラッシュ型などのＡＤ変換部であっても良い。これらの形態のＡＤ変換部であっても、ＡＤ変換部を容量素子１０９の保持した電圧によって駆動することで、本実施例の撮像装置と同様の効果を得ることができる。

本明細書では、参照信号の時間に依存した電位の変化がスロープ状に行われる形態として説明したが、階段状に変化する形態の参照信号であっても良い。階段状に電位が変化する参照信号も、時間に依存して電位が変化する参照信号の一例である。

本実施例では、比較器１４０のＭＯＳトランジスタＭ２の制御ノードに、容量素子１０９の一方のノードが電気的に接続されている形態を示した。本実施例はこの形態に限定されるものではなく、容量素子１０９の保持した電圧に基づいて、ＡＤ変換部１０７が駆動される形態であれば良い。例えば、フォトダイオード１０４の電荷がリセットされている状態で、容量素子１０９がＧＮＤ電位供給線１０３の電位に基づく電圧を保持する構成とする。そして、ＡＤ変換部１０７は、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位ではなく、容量素子１０９が保持した電圧に基づいてＡＤ変換動作を行う。これにより、ＡＤ変換部１０７は、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位の変動を受けにくい構成とすることができる。つまり、容量素子１０９がＧＮＤ電位供給線１０３の電位に基づく電圧を保持し、ＡＤ変換部１０７が、容量素子１０９が保持した電圧に基づいて動作する形態であれば良い。また、容量素子１０９がＧＮＤ電位供給線１０３の電位に基づく電圧を保持するタイミングは、必ずしもフォトダイオード１０４の電荷がリセットされている状態でなくとも良い。図２（ｂ）に示した、リセット期間の後に、ＡＤ変換部１０７がＡＤ変換を行う。このＡＤ変換で生成する信号をデジタルＮ信号と表記する。このＡＤ変換時、あるいはＡＤ変換前に、容量素子１０９がＧＮＤ電位供給線１０３の電位に基づく電圧を保持する。その後、ＡＤ変換部１０７は、容量素子１０９が保持した電圧に基づいて、フォトダイオード１０４が光電変換して生成した電荷に基づく信号をＡＤ変換する。このＡＤ変換で生成する信号をデジタルＳ信号として表記する。メモリ部１１３はそれぞれデジタルＮ信号、デジタルＳ信号を保持するとともに、信号保持部５００にそれぞれ出力する。例えば、出力部６００がデジタルＳ信号からデジタルＮ信号を差し引いた信号を撮像装置の外部に出力する。これにより、撮像装置の外部に出力される信号に対する、比較器１４０ごとの特性ばらつきの影響を低減することができる。ＧＮＤ電位供給線１０３の電位でＡＤ変換部１０７を駆動する場合、デジタルＮ信号とデジタルＳ信号のそれぞれのＡＤ変換でＧＮＤ電位供給線１０３の電位が変動することがある。この場合には、デジタルＳ信号からデジタルＮ信号を差し引いても、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位の変動の影響が残る為、ＡＤ変換精度が低下する。一方で、容量素子１０９がデジタルＮ信号を生成するＡＤ変換時、あるいはＡＤ変換前に、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位に基づく電圧を保持する。この容量素子１０９が保持した電圧でデジタルＳ信号のＡＤ変換を行う。これにより、デジタルＳ信号とデジタルＮ信号のそれぞれのＡＤ変換において、共通の電圧でＡＤ変換部１０７が駆動されるため、デジタルＳ信号からデジタルＮ信号を好適に差し引くことができる。

尚、本実施例では、バイアス線の電位に基づく電圧を容量素子が保持する形態を記載した。このバイアス線の電位に基づく電圧とは、バイアス線と容量素子との間の電気的経路に抵抗素子や他の容量素子が含まれている場合に、バイアス線から抵抗素子や他の容量素子を介して与えられる電圧を含む。

また、本実施例では、画素１０１の行ごとにバイアス回路２０１を備える構成とした。本実施例はこの形態に限定されるものもではなく、画素１０１の列ごとにバイアス回路２０１を備える構成としても良い。

フォトダイオード１０４は入射線に基づく電荷を生成する変換部の一例である。入射線に基づく電荷を生成する変換部は他に、例えば、Ｘ線、赤外線といった入射線に基づく電荷を生成する形態であってもよい。

（実施例２）
図面を参照しながら、実施例１とは異なる点を中心に本実施例の撮像装置を説明する。

図３（ａ）は本実施例の画素１０１の構成の一例を示した図である。図３（ａ）において、図１（ｂ）で述べた撮像装置と同じ機能を有する構成については、図１（ｂ）で付した符号と同じ符号を図３（ａ）でも付している。図３（ａ）に示した画素１０１では、ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２を有するバッファ回路を有している。本実施例のバッファ回路は、増幅回路の一例である。フォトダイオード１０４からスイッチ１０６を介して出力された電荷は、ＭＯＳトランジスタＭ２の制御ノードに与えられる。ＭＯＳトランジスタＭ２の一方の主ノードには、電源電圧供給線１０２が電気的に接続され、他方の主ノードにはＭＯＳトランジスタＭ１が電気的に接続されている。また、ＭＯＳトランジスタＭ２とＭＯＳトランジスタＭ１との電気的経路に設けられたノードからＡＤ変換部１０７に信号が出力される。ＡＤ変換部１０７に出力される信号は、フォトダイオード１０４で生成された電荷に基づく信号である。ＭＯＳトランジスタＭ１の制御ノードに、容量素子１２２の一方のノードと、スイッチ１２１の一方のノードとがそれぞれ電気的に接続されている。また、容量素子１２２の他方のノードには、ＧＮＤ電位供給線１０３が電気的に接続されている。また、スイッチ１２１の他方のノードは、第３バイアス線２０３が電気的に接続されている。スイッチ１２１は不図示のタイミングジェネレータが出力する信号φＳ２をＨレベルとすると導通となり、Ｌレベルとすると非導通となる。ＡＤ変換部１０７の構成は、図２（ａ）と同様とすることができる。容量素子１２２は本実施例の第２容量素子である。スイッチ１２１は本実施例の第２スイッチである。

図３（ａ）に示した撮像装置の動作は、図２（ｂ）と同様とすることができる。また、信号φＳ２は、信号φＳ１と同様の動作とすることができる。

本実施例では、フォトダイオード１０４とＡＤ変換部１０７との間の電気的経路にバッファ回路を設けることで、ＡＤ変換部１０７の入力負荷に応じてバッファの駆動力を調整することができる。また、フォトダイオード１０４とＡＤ変換部１０７を分離することで、ＡＤ変換部１０７の動作によって生じるノイズがフォトダイオード１０４に入力されにくくなる。

本実施例では、フォトダイオード１０４とＡＤ変換部１０７が共通に電気的に接続されているＧＮＤ電位供給線１０３に対し、さらにバッファ回路が電気的に接続されている。本実施例の撮像装置では、容量素子１２２が第３バイアス線２０３とＧＮＤ電位供給線１０３との電位差に基づく電圧を保持する。そしてバッファ回路は容量素子１２２が保持した電圧と、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位と、によって駆動される。これにより、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位の変動に応じて、ＭＯＳトランジスタＭ１の制御ノードの電位も変動する。よって、ＭＯＳトランジスタＭ１のゲートソース電圧の変動が生じにくい。これにより、バッファ回路は、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位の変動を受けにくい。

本実施例では、信号φＳ１、φＳ２を同じ波形の信号とする形態として説明したが、信号φＳ２を信号φＳ１とは異なる波形の信号としても良い。信号φＳ２をＨレベルからＬレベルとするタイミングは、ＡＤ変換期間を開始する前であれば、ＡＤ変換期間でのフォトダイオード１０４の蓄積動作によるＧＮＤ電位供給線１０３の電位変動をバッファ回路が受けにくくすることができる。

また、本実施例では、増幅回路の一例としてＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２を有するバッファ回路を示した。他の増幅回路の形態として、例えば反転ノードにフォトダイオード１０４の信号が与えられ、非反転ノードに基準電位が与えられる差動増幅器であってもよい。この基準電位が、容量素子１２２の保持する電圧と、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位と、によって与えられる構成であれば良い。つまり、本実施例の撮像装置では、増幅回路が容量素子１２２の保持する電圧と、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位と、によって駆動される構成であれば良い。

本実施例では、第２バイアス線であるバイアス線２０２と第３バイアス線２０３とをそれぞれ別に設ける形態を説明したが、共通のバイアス線とする形態としても良い。他に、バイアス線２０２と第３バイアス線２０３とに共通の電位を供給する形態としても良い。

（実施例３）
図面を参照しながら、実施例１とは異なる点を中心に本実施例の撮像装置を説明する。本実施例の撮像装置は、ＡＤ変換部１０７の構成が実施例１とは異なる。

図３（ｂ）は本実施例の画素１０１が有する、ＡＤ変換部１０７の構成の一例を示した模式図である。

本実施例のＡＤ変換部１０７の比較器１４０は、比較器１４０のゲインを調整するためのゲイン調整トランジスタであるＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８を有している。

本実施例のＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８のバックゲートには、ＧＮＤ電位供給線１０３が電気的に接続されている。また、ＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８の制御ノードには、スイッチ１２３の一方のノードと、容量素子１２４の一方のノードと、のそれぞれに電気的に接続されている。

スイッチ１２３の他方のノードは第４バイアス線２０４に電気的に接続されている。また、容量素子１２４の他方のノードは、ＧＮＤ電位供給線１０３に電気的に接続されている。スイッチ１２３は、不図示のタイミングジェネレータが出力する信号φＳ３をＨレベルとすると導通となり、Ｌレベルとすると非導通となる。容量素子１２４は本実施例の第３容量素子である。スイッチ１２３は本実施例の第３スイッチである。

図３（ｂ）に示した撮像装置の動作は、図２（ｂ）と同様とすることができる。また、信号φＳ３は、信号φＳ１と同様の動作とすることができる。

ＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８の制御ノードを第４バイアス線２０４に常時接続させ、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位が変動してＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８のバックゲートの電位が変化した場合に次の問題が生じる。ＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８の制御ノードの電位が一定であるとすると、ＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８のバックゲートの電位の変動により、ＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８のそれぞれで制御ノードとバックゲートとの電位差が変動してしまう。これにより、ＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８の動作点が変化してしまう。従って、比較器１４０の比較動作の精度が低下してしまう。

本実施例では、フォトダイオード１０４とＭＯＳトランジスタＭ２と電気的に接続されたＧＮＤ電位供給線１０３に対し、さらに容量素子１２４を介してＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８の制御ノードが電気的に接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８は、容量素子１２４が保持した電圧と、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位と、によって駆動される。また、ＧＮＤ電位供給線１０３に対し、ＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８のバックゲートが電気的に接続されている。ＧＮＤ電位供給線１０３の電位変動によって生じるＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８のバックゲートの電位変動に応じて、ＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８の制御ノードの電位も変動する。従って、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位が変動しても、ＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８の制御ノードとバックゲート間の電位差は変動しにくい。従って、ＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８の動作点が変化しにくい。よって、比較器１４０の比較動作の精度の低下が生じにくい。

尚、本実施例ではＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８がＮＭＯＳトランジスタの形態について説明した。ＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８をＰＭＯＳトランジスタとする場合には、図３（ｂ）で容量素子１２４のＧＮＤ電位供給線１０３と電気的に接続していたノードを、電源電圧供給線１０２に電気的に接続するようにすればよい。

また、ＡＤ変換期間に、信号φＳ１、φＳ２をＨレベルとしたままとすると、容量素子１０９、１２４をバイアス線２０２、ＧＮＤ電位供給線１０３のノイズを低減するフィルタとして動作させることができる。よって、例えば、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位の変動が収束するまでの待機時間を設けることが可能なフレームレートの場合には、信号φＳ１、φＳ２をＨレベルのままとして容量素子１０９、１２４をフィルタとして動作させる。一方、ＧＮＤ電位供給線の１０３の電位の変動が収束するまでの待機時間を設けることが困難なフレームレートの場合には、本実施例で述べたように、容量素子１０９、１２４にバイアス線２０２とＧＮＤ電位供給線１０３の電位差に基づく電圧を保持させれば良い。つまり、スイッチ１２３を導通から非導通にしてから、比較器１４０にフォトダイオード１０４が出力する信号と参照信号とを比較させるモードと、スイッチ１２３を導通としたまま、比較器１４０にフォトダイオード１０４が出力する信号と参照信号とを比較させるモードと、を含むモード群からモードを選択して撮像装置を動作させる形態としても良い。

（実施例４）
本実施例の撮像装置について、実施例１と異なる点を中心に説明する。

図４（ａ）は本実施例の撮像装置の構成の一例である。本実施例では、複数の画素１０１を有する画素セル１３０が複数行、複数列設けられている。垂直制御回路３００は画素セル１３０の行ごとに走査する。また、バイアス回路２０１は画素セル１３０の行に対応して設けられている。図４（ａ）に示した出力線４００は１列の画素セル１３０に対し、画素セル１３０から出力される信号のビット数Ｎと画素セル１３０内の画素１０１の列数Ｍとの積であるＮ×Ｍ本設けられている。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した画素セル１３０の一つを示したものである。画素セル１３０には、画素１３１が複数列、複数行設けられている。複数の画素１３１は、共通の第５バイアス線１３４に電気的に接続されている。第５バイアス線１３４は、容量素子１３３の一方のノードは、第５バイアス線１３４とスイッチ１３２の一方のノードとにそれぞれ電気的に接続されている。スイッチ１３２の他方のノードは、バイアス線２０２に電気的に接続されている。スイッチ１３２は、不図示のタイミングジェネレータが出力する信号φＳ４をＨレベルとすると導通となり、Ｌレベルとすると非導通となる。容量素子１３３の他方のノードは、ＧＮＤ電位供給線１０３に電気的に接続されている。

図４（ｃ）に、本実施例の画素１３１の構成を示す。図４（ｃ）において、図１（ｂ）で述べた撮像装置と同じ機能を有する構成については、図１（ｂ）で付した符号と同じ符号を図４（ｃ）でも付している。第５バイアス線１３４は、ＡＤ変換部１０７と電気的に接続されている。図４（ｃ）に示した信号φＲＥＳ、φＴＸは図２（ａ）に示した動作と同様とすることができる。本実施例の画素セル１３０内の各画素１３１のＡＤ変換部１０７は、容量素子１３３が保持した電圧と、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位と、によって駆動される。

信号φＳ４は、画素セル１３０内の信号φＲＥＳがＨレベルになる前に、ＨレベルからＬレベルとするのが好ましい。なぜなら、信号φＳ４がＨレベルからＬレベルになることにより、ＧＮＤ電位供給線１０３の電位変動の少ない状態で、バイアス線２０２とＧＮＤ電位供給線１０３との電位差に基づく電圧を容量素子１３３が保持することができるためである。本実施例の撮像装置は、バイアス線２０２とＧＮＤ電位供給線１０３の電位差に基づく電圧を保持する容量素子１３３を有する。これにより、フォトダイオード１０４の動作によって生じるＧＮＤ電位供給線１０３の電位の変動に応じて、第５バイアス線１３４の電位が変動する。従って、第５バイアス線１３４とＧＮＤ電位供給線１０３との電位差が変動しにくくなる。よって、本実施例の撮像装置についても、実施例１と同様の効果を得ることができる。

また、本実施例の撮像装置では、複数の画素１３１に対して、バイアス線とＧＮＤ電位供給線との電位差に基づく電圧を保持する容量素子を１つとしている。これにより、実施例１の撮像装置に比して、バイアス線とＧＮＤ電位供給線との電位差に基づく電圧を保持する容量素子と、容量素子の信号保持動作を制御するスイッチの素子数を減らせる分、回路規模を縮小することができる。

また、本実施例の画素１３１が、実施例２で述べたバッファ回路と容量素子１２２を有する形態であっても良い。また、本実施例のＡＤ変換部１０７が実施例３で述べたように比較器１４０を有し、ゲインを調整するＭＯＳトランジスタＭ７、Ｍ８を有する場合には、容量素子１２４を設けるようにしても良い。

（実施例５）
図５は、実施例１〜実施例４の撮像装置を有する撮像システムである。

図５において、撮像システムはレンズの保護のためのバリア１５１、被写体の光学像を撮像装置１５４に結像させるレンズ１５２、レンズ１５２を通った光量を可変にするための絞り１５３を有する。さらに撮像システムは、撮像装置１５４より出力される信号の処理を行う出力信号処理部１５５を有する。撮像装置１５４から出力される信号は、被写体を撮影した画像を生成するための撮像信号である。出力信号処理部１５５は撮像装置１５４から出力される撮像信号を必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像を生成する。レンズ１５２、絞り１５３は撮像装置１５４に光を集光する光学系である。

図５に例示した撮像システムはさらに、画像データを一時的に記憶する為のバッファメモリ部１５６、外部コンピュータ等と通信する為の外部インターフェース部１５７を有する。さらに撮像システムは、撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１５９、記録媒体１５９に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部１５８を有する。さらに撮像システムは、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１５１０を有する。

図５に示した撮像システムが有する撮像装置１５４は、実施例１〜４で述べた形態とすることができる。これにより、図５の撮像システムの撮像装置１５４においても、実施例１〜４で述べた効果を得ることができる。

１０１ 画素
１０２ 電源電圧供給線
１０３ ＧＮＤ電位供給線
１０４ フォトダイオード
１０７ ＡＤ変換部

Claims (19)

1. 入射線に基づく電荷を生成する変換部と、前記変換部が生成した前記電荷に基づく信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部と、を有する画素と、
   前記変換部に電気的に接続された第１バイアス線と、
   前記第１バイアス線とは別の電位が与えられる第２バイアス線と、
   前記第１バイアス線と前記第２バイアス線の電位差に基づく電圧を保持する容量素子と、を有し、
   前記ＡＤ変換部が、前記容量素子が保持した前記電圧に基づいて駆動されることを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮像装置がスイッチをさらに有し、
   前記容量素子が、前記容量素子の一方のノードと他方のノードとの電位差に基づいて電圧を保持し、
   前記一方のノードが、前記ＡＤ変換部に電気的に接続され、
   前記他方のノードが、前記第１バイアス線と電気的に接続され、
   前記スイッチが、前記一方のノードと前記第２バイアス線との間の導通、非導通を切り替えるスイッチであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記撮像装置は、前記画素を複数有し、
   前記容量素子の前記一方のノードが、複数の前記画素の各々の前記ＡＤ変換部に電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記ＡＤ変換部は、比較器を有し、
   前記比較器は、前記変換部が出力する信号が与えられる第１入力トランジスタと、参照信号が与えられる第２入力トランジスタと、前記第１入力トランジスタと前記第２入力トランジスタに電流を供給する電流供給トランジスタと、を有し、
   前記比較器が、前記第１入力トランジスタに与えられる電位と前記第２入力トランジスタに与えられる電位とを比較した結果を示す比較結果信号を出力し、
   前記容量素子の前記一方のノードが、前記電流供給トランジスタの制御ノードに電気的に接続され、前記電流供給トランジスタの一方の主ノードが、前記第１バイアス線に電気的に接続され、
   前記電流供給トランジスタの他方の主ノードが、前記第１入力トランジスタと前記第２入力トランジスタとに電気的に接続されていることを特徴とする請求項２または３に記載の撮像装置。
5. 前記比較器は、前記比較器のゲインを調整するゲイン調整トランジスタを有し、
   前記撮像装置は、第３容量素子と、第４バイアス線と、第３スイッチと、
   を有し、
   前記第３容量素子の一方のノードが、前記ゲイン調整トランジスタに電気的に接続され、
   前記第３容量素子の他方のノードが、前記第１バイアス線と電気的に接続され、
   前記第３スイッチが、前記第３容量素子の前記一方のノードと前記第４バイアス線との間の導通、非導通を切り替えるスイッチであることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
6. 前記撮像装置は、
   前記変換部と前記ＡＤ変換部との間の電気的経路に設けられた増幅回路と、第２容量素子と、第３バイアス線と、第２スイッチと、をさらに有し、
   前記第２容量素子の一方のノードが、前記増幅回路に電気的に接続され、
   前記第２容量素子の他方のノードが、前記第１バイアス線と電気的に接続され、
   前記第２スイッチが、前記第２容量素子の前記一方のノードと前記第３バイアス線との間の導通、非導通を切り替えるスイッチであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の撮像装置。
7. 前記第２バイアス線と前記第３バイアス線とに共通の電位が与えられることを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
8. 前記第１バイアス線に接地電圧が与えられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の撮像装置。
9. 請求項１〜８のいずれか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信号処理部と、
   を有する撮像システム。
10. 入射線に基づく電荷を生成する変換部と、前記変換部が生成した前記電荷に基づく信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部と、を有する画素と、
    前記変換部に電気的に接続された第１バイアス線と、
    前記第１バイアス線とは別の電位が与えられる第２バイアス線と、
    容量素子と、を有する撮像装置の駆動方法であって、
    前記容量素子に、前記第１バイアス線と前記第２バイアス線との電位差に基づく電圧を保持させ、
    前記容量素子に保持させた前記電圧に基づいて前記ＡＤ変換部を駆動することを特徴とする撮像装置の駆動方法。
11. 前記撮像装置はさらにスイッチを有し、
    前記容量素子の一方のノードが、前記ＡＤ変換部に電気的に接続され、
    前記容量素子の他方のノードが、前記第１バイアス線と電気的に接続され、
    前記スイッチが、前記一方のノードと前記第２バイアス線との間の導通、非導通を切り替えるスイッチであり、
    前記撮像装置を、
    前記スイッチを導通から非導通にしてから、前記変換部の電位をリセットするモードと、
    前記スイッチを導通としたまま、前記変換部の電位をリセットするモードと、
    のいずれかで動作させることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置の駆動方法。
12. 前記撮像装置は、前記変換部が出力する信号に基づく信号を前記ＡＤ変換部に出力する増幅回路と、第２容量素子と、第３バイアス線と、をさらに有し、
    前記第２容量素子に、前記第１バイアス線と前記第３バイアス線との電位差に基づく電圧を保持させ、
    前記第２容量素子の保持した前記電圧と、前記第１バイアス線の電位と、によって前記増幅回路を駆動することを特徴とする請求項１０または１１に記載の撮像装置の駆動方法。
13. 前記撮像装置は、前記変換部が出力する信号に基づく信号を前記ＡＤ変換部に出力する増幅回路と、第２容量素子と、第３バイアス線と、をさらに有し、
    前記第２容量素子に、前記第１バイアス線と前記第３バイアス線との電位差に基づく電圧を保持させ、
    前記第２容量素子の保持した前記電圧と、前記第１バイアス線の電位と、によって前記増幅回路を駆動し、
    前記第２バイアス線と前記第３バイアス線に同じ電位を供給することを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置の駆動方法。
14. 前記ＡＤ変換部は、前記変換部が出力する信号と参照信号とを比較した結果を示す比較結果信号を出力する比較器と、前記比較結果信号に基づいてデジタル信号を保持するメモリ部と、を有し、
    前記容量素子の保持した前記電圧と、前記第１バイアス線の電位と、によって前記比較器を駆動することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の撮像装置の駆動方法。
15. 前記比較器は、前記比較器のゲインを調整するトランジスタを有し、
    前記撮像装置は、第３容量素子と、第４バイアス線と、を有し、
    前記第３容量素子に、前記第１バイアス線と前記第４バイアス線との電位差に基づく電圧を保持させ、
    前記第３容量素子の保持した前記電圧と、前記第１バイアス線の電位と、によって前記トランジスタを駆動することを特徴とする請求項１４に記載の撮像装置の駆動方法
16. 前記撮像装置はさらに第３スイッチを有し、
    前記第３容量素子の一方のノードが、前記トランジスタに電気的に接続され、
    前記第３容量素子の他方のノードが、前記第１バイアス線と電気的に接続され、
    前記第３スイッチが、前記第３容量素子の前記一方のノードと前記第４バイアス線との間の導通、非導通を切り替えるスイッチであり、
    前記撮像装置を、
    前記第３スイッチを導通から非導通にしてから、前記比較器に前記変換部が出力する信号と前記参照信号とを比較させるモードと、
    前記第３スイッチを導通としたまま、前記比較器に前記変換部が出力する信号と前記参照信号とを比較させるモードと、
    を含むモード群からモードを選択して動作させることを特徴とする請求項１５に記載の撮像装置の駆動方法。
17. 前記容量素子に前記電圧を保持させた後、前記変換部の電位をリセットすることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれかに記載の撮像装置の駆動方法。
18. 前記容量素子に前記電圧を保持させた後、前記ＡＤ変換部が、前記変換部の出力する信号を前記デジタル信号にＡＤ変換することを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかに記載の撮像装置の駆動方法。
19. 入射線に基づく電荷を生成する変換部と、前記変換部が生成した前記電荷に基づく信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部と、を有する画素と、
    前記変換部に電気的に接続された第１バイアス線と、
    前記第１バイアス線とは別の電位が与えられる第２バイアス線と、
    前記ＡＤ変換部と電気的に接続される一方のノードと、前記第１バイアス線と電気的に接続される他方のノードとを備えた容量素子と、
    前記一方のノードと前記第２バイアス線との間の導通、非導通を切り替えるスイッチと、を有することを特徴とする撮像装置。

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