攝像元件、攝像方法和電子設備與流程
2023-04-23 03:46:26 1
本發明涉及攝像元件、攝像方法和電子設備，並且特別地，涉及能夠使用低電力消耗實現速度提高的攝像元件、攝像方法和電子設備。
相關申請的交叉參考
本申請要求2014年6月2日提交的日本在先專利申請JP 2014-114143、2014年11月12日提交的日本在先專利申請JP 2014-230001、2014年11月12日提交的日本在先專利申請JP 2014-230002以及2014年11月12日提交的日本在先專利申請JP 2014-230000的優先權權益，因此將這些日本在先專利申請的全部內容以引用的方式全體併入本文中。
背景技術：
在現有技術中，諸如數位照相機或數碼攝影機等具有攝像功能的電子設備使用諸如電荷耦合器件(CCD：charge coupled device)圖像傳感器或互補金屬氧化物半導體(CMOS：complementary metal oxide semiconductor)圖像傳感器等固體攝像元件。所述固體攝像元件包括如下像素：在所述像素中，用於執行光電轉換的光電二極體(PD：photodiode)和多個電晶體被組合起來，並且基於從以平面的方式設置著的多個像素輸出的圖像信號來形成圖像。此外，例如，從各像素輸出的圖像信號利用被設置於每個像素列中的多個模數(AD：analog to digital)轉換器而被從模擬信號並行地轉換成數位訊號。
對於這種固體攝像元件，本申請人曾提出了一種能夠通過在AD轉換器中以遞減計數模式和遞增計數模式執行計數處理來提高AD轉換處理速度的固體攝像元件(例如，參考PTL 1)。
此外，本申請人曾提出了一種能夠通過對復位電平的像素信號和信號電平的像素信號重複多次地執行AD轉換來降低噪聲的固體攝像元件(例如，參考PTL 2)。
引用文獻列表
專利文獻
[PTL 1]日本專利申請特開第2005-303648號
[PTL 2]日本專利申請特開第2009-296423號
技術實現要素：
要解決的技術問題
然而，在現有技術中，必須從固體攝像元件中高速讀取像素信號。此外，近年來，用於諸如所謂的智慧型手機或可佩戴裝置等小型終端的應用已經變得普及，且因此需要降低固體攝像元件的電力消耗。例如，在現有技術中，速度提高是通過增加上述的列並行式AD轉換器的數量而實現的。但是，在這樣做時，電力消耗就與列並行式AD轉換器的數量成比例地增加，因此難以提高電力效率(即，速度/電力)。即，電力消耗隨著速度提高而增加，並且速度根據低電力消耗而減小。
期望的是，能夠在消耗低電力的同時提高速度。
解決問題所採取的技術方案
根據本發明第一實施方式的攝像元件包括：像素陣列，所述像素陣列包括以矩陣模式呈二維狀布置的多個像素；多條列信號線，所述多條列信號線對應於第一列的所述像素而被設置著，其中所述多條列信號線中的至少一條列信號線被連接至所述第一列中的兩個以上所述像素；以及模數轉換器，所述模數轉換器被所述多條列信號線共用。
根據本發明第二實施方式的電子設備包括光學系統和攝像元件，所述光學系統包括至少一個鏡頭，所述攝像元件被配置成接收通過所述光學系統的光。這裡，所述攝像元件包括：像素陣列，所述像素陣列包括以矩陣模式呈二維狀布置的多個像素；多條列信號線，所述多條列信號線對應於第一列的所述像素而被設置著，其中所述多條列信號線中的至少一條列信號線被連接至所述第一列中的兩個以上所述像素；以及模數轉換器，所述模數轉換器被所述多條列信號線共用。
根據本發明第三實施方式的比較器包括：第一差分對部，它被連接至攝像元件的第一條列信號線；以及第二差分對部，它被連接至所述攝像元件的第二條列信號線。這裡，所述第一條列信號線和所述第二條列信號線用於像素陣列中的像素陣列單元的同一列。
本發明的有益效果
根據本發明的實施方式，能夠使用低電力消耗實現速度提高。
附圖說明
圖1是圖示了根據應用本發明的攝像元件第一實施例的構造示例的框圖。
圖2是圖示了像素和列處理部的構造示例的框圖。
圖3是用來解釋本發明攝像元件的AD轉換的操作的時序圖。
圖4是用來解釋現有技術的攝像元件的AD轉換的操作的時序圖。
圖5是用來解釋採用採樣和保持技術的現有技術的攝像元件的AD轉換的操作的時序圖。
圖6是圖示了根據本發明攝像元件第二實施例的構造示例的一部分的框圖。
圖7是圖示了根據本發明攝像元件第三實施例的構造示例的一部分的框圖。
圖8是圖示了由本發明攝像元件執行的CDS處理的順序的圖。
圖9是圖示了由本發明攝像元件執行的CDS處理的順序的圖。
圖10是圖示了根據本發明攝像元件第四實施例的構造示例的一部分的框圖。
圖11是圖示了本發明攝像元件的布線布局的第一構造示例的圖。
圖12是圖示了與圖11中的XII-XII截面對應的部分的圖。
圖13示圖示了與圖11中的XIII-XIII截面對應的部分的圖。
圖14是圖示了本發明攝像元件的布線布局的第二構造示例的圖。
圖15是圖示了與圖14中的XV-XV截面對應的部分的圖。
圖16是圖示了與圖14中的XVI-XVI截面對應的部分的圖。
圖17是圖示了本發明比較器的電路構造的圖。
圖18是用來解釋本發明比較器的驅動的時序圖。
圖19是圖示了本發明比較器的電路構造的第一變形例的圖。
圖20是圖示了本發明比較器的電路構造的第二變形例的圖。
圖21是圖示了本發明比較器的電路構造的第三變形例的圖。
圖22是圖示了本發明比較器的電路構造的第四變形例的圖。
圖23是用來解釋本發明攝像元件的驅動的時序圖。
圖24是圖示了圖23的時序圖的像素布置的圖。
圖25是用來解釋傳輸信號的偽讀取控制的時序圖。
圖26是用來解釋復位信號的偽讀取控制的時序圖。
圖27是圖示了像素區和垂直驅動電路的一部分的構造示例的圖。
圖28是用來解釋現有技術的負電位的系統分離的圖。
圖29是用來解釋本發明攝像元件的負電位的系統分離的圖。
圖30是圖示了應用本發明的攝像裝置的一個實施例的構造示例的框圖。
圖31是圖示了使用圖像傳感器的應用示例的圖。
具體實施方式
在下文中，將參照附圖詳細地說明應用本發明的具體實施例。
圖1是圖示了根據應用本發明的攝像元件第一實施例的構造示例的框圖。
如圖1所示，攝像元件11被配置成包括像素區12、垂直驅動電路13、列信號處理電路14、水平驅動電路15、輸出電路16、斜坡信號生成電路17和控制電路18。
像素區12是用來接收由光學系統(未圖示)收集的光的受光面。在像素區12中以矩陣的方式設置有多個像素21，各個像素21經由水平信號線22而被連接至各行中的垂直驅動電路13並且經由垂直信號線23而被連接至各列中的列信號處理電路14。所述多個像素21分別輸出具有與受光量對應的電平的像素信號，並且在像素區12上成像的被攝對象的圖像是由這些像素信號構建的。
垂直驅動電路13針對被設置於像素區12中的所述多個像素21的各行而把用來驅動(即，傳輸、選擇或復位等)各個像素21的驅動信號經由水平信號線22按順序地提供給像素21。
列信號處理電路14針對從所述多個像素21經由垂直信號線23輸出的像素信號執行相關雙採樣(CDS：correlated double sampling)處理，並且因此執行像素信號的AD轉換且消除復位噪聲。例如，列信號處理電路14被配置成包括與像素21的列數對應的多個列處理部41(參照稍後說明的圖2)，並且能夠針對像素21的各列並行地執行CDS處理。
水平驅動電路15將驅動信號提供給列信號處理電路14，該驅動信號用來把從被設置於像素區12中的所述多個像素21的各列按順序傳輸過來的像素信號從列信號處理電路14輸出至數據輸出信號線24。
輸出電路16放大在根據水平驅動電路15的驅動信號的時序下從列信號處理電路14經由數據輸出信號線24提供過來的像素信號，並且將放大後的信號被輸出至下一級的信號處理電路。
斜坡信號生成電路17生成隨著時間以恆定斜率下降的電壓(即，斜坡電壓)的斜坡信號以作為當列信號處理電路14執行像素信號的AD轉換時所要使用的參考信號，並且將該斜坡信號提供給列信號處理電路14。
控制電路18驅動攝像元件11中的各個內部塊。例如，控制電路18根據各個塊的驅動周期生成塊信號，並且將這些塊信號分別提供給各個塊。此外，例如，控制電路18執行用來從像素21讀取像素信號的控制，以使得像素信號的AD轉換能夠在列信號處理電路14中高速地被執行。
接下來，圖2圖示了攝像元件11中的像素21和列處理部41的構造示例。
圖2圖示了被設置於圖1的像素區12中的多個像素21之中的、以並行的方式設置在預定列中的兩個像素21a和21b。此外，圖2圖示了列信號處理電路14中所包括的多個列處理部41之中的、對應於上述預定列而設置的列處理部41。
如圖1和圖2所示，在攝像元件11中，對應於一列像素21而設置有包括第一垂直信號線23a和第二信號線23b的兩條信號線。像素21a(例如，奇數(ODD)行中的像素21)被連接至第一垂直信號線23a，並且像素21b(例如，偶數(EVEN)行中的像素21)被連接至第二垂直信號線23b。此外，構成源極跟隨電路的恆電流源42a被連接至第一垂直信號線23a，並且構成源極跟隨電路的恆電流源42b被連接至第二垂直信號線23b。第一垂直信號線23a和第二垂直信號線23b被連接至對應於上述預定列而設置著的一個列處理部41。
像素21a被配置成包括PD 31a、傳輸電晶體32a、FD(floating diffusion)部33a、放大電晶體34a、選擇電晶體35a和復位電晶體36a。
PD 31a是這樣的光電轉換部：它將入射光經過光電轉換而轉換成電荷，並且存儲這些電荷。PD 31a的陽極端子接地，並且PD 31a的陰極端子被連接至傳輸電晶體32a。
傳輸電晶體32a被從垂直驅動電路13提供過來的傳輸信號TRG驅動，並且如果傳輸電晶體32a被接通，那麼存儲在PD 31a中的電荷被傳輸至FD部33a。
FD部33a是具有預定的存儲電容器的浮動擴散區，該存儲電容器被連接至放大電晶體34a的柵極電極並且存儲從PD 31a傳輸過來的電荷。
放大電晶體34a將具有與存儲在FD部33a中的電荷對應的電平(即，FD部33a的電位)的像素信號經由選擇電晶體35a而輸出至第一垂直信號線23a。即，由於FD部33a被連接至放大電晶體34a的柵極電極的構造，所以FD部33a和放大電晶體34a充當把在PD 31a中生成的電荷轉換成具有與所述電荷對應的電平的像素信號的轉換部。
選擇電晶體35a被從垂直驅動電路13提供過來的選擇信號SEL驅動，並且如果選擇電晶體35a被接通以使得選擇電晶體35a處於接通狀態，那麼從放大電晶體34a輸出的像素信號能夠被輸出至第一垂直信號線23a。
復位電晶體36a被從垂直驅動電路13提供過來的復位信號RST驅動，並且如果復位電晶體36a被接通，那麼存儲在FD部33a中的電荷向電源線Vdd排放，因此，FD部33a被復位。
此外，以與像素21a相同的方式，像素21b被配置成包括PD 31b、傳輸電晶體32b、FD部33b、放大電晶體34b、選擇電晶體35b和復位電晶體36b。因此，因為像素21b的各個部件以與上述的像素21a的各個部件相同和/或相似的方式操作，所以將會省略這些部件的詳細說明。此外，在下文中，如果不必區分像素21a和像素21b，那麼像素21a和21b將會被簡稱為像素21，並且構成像素21的各個部件將會在適當的時候同樣也被簡稱。
列處理部41被配置成包括兩個輸入開關51a和51b、比較器52、計數器53和輸出開關54。
比較器52的負側上的輸入端子經由輸入開關51a而被連接至第一垂直信號線23a，並且經由輸入開關51b而被連接至第二垂直信號線23b。此外，比較器52的正側上的輸入端子被連接至圖1中的斜坡信號生成電路17。比較器52的輸出端子被連接至計數器53的輸入端子，並且計數器53的輸出端子經由輸出開關54而被連接至數據輸出信號線24。
輸入開關51a和51b通過圖1中的控制電路18的控制而被閉合和斷開，並且切換比較器52的負側上的輸入端子與第一垂直信號線23a之間和與第二垂直信號線23b之間的連接。例如，如果輸入開關51a閉合而輸入開關51b斷開，那麼比較器52的負側上的輸入端子被連接至第一垂直信號線23a，然後從像素21a輸出的像素信號被輸入至比較器52。另一方面，如果輸入開關51b閉合而輸入開關51a斷開，那麼比較器52的負側上的輸入端子被連接至第二垂直信號線23b，然後從像素21b輸出的像素信號被輸入至比較器52。
比較器52比較被輸入至正側上的輸入端子的斜坡信號和被輸入至負側上的輸入端子的像素信號的大小，然後輸出表明比較結果的比較結果信號。例如，當斜坡信號大於模擬像素信號時，比較器52輸出具有高電平的比較結果信號，而當斜坡信號等於或小於模擬像素信號時，比較器52輸出具有低電平的比較結果信號。
例如，計數器53對從當從斜坡信號生成電路17輸出的斜坡信號的電位開始以恆定斜率下降的時候到當從比較器52輸出的比較結果信號從高電平切換至低電平的時候的時鐘數量進行計數。於是，由計數器53計數的值變為與被輸入至比較器52中的像素信號的電平對應的值，由此，從像素21輸出的模擬像素信號被轉換成數字值。
作為另一個示例，在攝像元件11中，從像素21輸出：與像素21的FD部33被復位時的復位電平對應的像素信號；和與像素21的FD部33保持著通過PD 31的光電轉換而獲得的電荷時的信號電平對應的像素信號。然後，當列處理部41執行所述像素信號的AD轉換時，所輸出的是如下的輸出信號：在該輸出信號中，通過求出上述兩種像素信號之間的差分而消除了復位噪聲。此外，計數器53包括用於保持計數值的保持部55，這種計數值可以是被暫時保持的，稍後將會對此作出說明。
輸出開關54通過從水平驅動電路15輸出的驅動信號而被閉合或斷開。例如，如果設置有預定列處理部41的列中的像素信號被輸出，那麼輸出開關54通過從水平驅動電路15輸出的驅動信號而被閉合，並且計數器53的輸出端子被連接至數據輸出信號線24。因此，通過列處理部41的AD轉換而獲得的像素信號被輸出至數據輸出信號線24。
攝像元件11以這種方式配置而成，並且列處理部41能夠交替地執行從像素21a輸出的像素信號的AD轉換和從像素21b輸出的像素信號的AD轉換。因此，攝像元件11能夠以如下的方式來控制像素信號的讀取，該方式是：通過執行像素21a和像素21b中的一者的復位操作或信號傳輸操作而獲得的像素信號的建立(settling)能夠在AD轉換處理的同時被交替且重複地執行。因此，可以通過列處理部41對從另一者像素輸出的像素信號執行AD轉換。
以這種方式，列處理部41交替地切換像素21a的像素信號和像素21b的像素信號，並且在像素21a和像素21b各自的像素信號的建立的同時執行AD轉換，因此，能夠加快列處理部41的AD轉換。此外，攝像元件11能夠在不用增加列處理部41的數量的前提下就加快AD轉換，因而，能夠避免電力消耗的增加。即，攝像元件11能夠以低電力消耗實現AD轉換的速度提高。
接下來，圖3圖示了用來解釋攝像元件11的AD轉換的操作的時序圖。
圖3從頂部往下依次圖示了被連接至第一垂直信號線23a的像素21a的操作、被連接至第二垂直信號線23b的像素21b的操作和列處理部41的操作。
首先，在第一操作周期中，被連接至第一垂直信號線23a的像素21a使FD部33a復位，且待機直到與復位電平對應的像素信號的輸出被充分地建立(即，復位周期)。在這個操作的同時，在第一操作周期中，被連接至第二垂直信號線23b的像素21b保持著在前一個操作周期中建立的、具有與PD 31b中的受光量對應的信號電平的像素信號的輸出。然後，列處理部41執行從像素21b輸出的與信號電平對應的像素信號的AD轉換(AD轉換周期)。此時，在列處理部41中，計數器53將與像素21b的具有信號電平的像素信號對應的計數值保持在保持部55中。
然後，在第二操作周期中，被連接至第一垂直信號線23a的像素21a保持著在第一操作周期中建立的與復位電平對應的像素信號的輸出，並且列處理部41執行從像素21a輸出的具有復位電平的像素信號的AD轉換。另外，此時，列處理部41將與像素21a的復位電平對應的計數值保持在保持部55中。在這個操作的同時，在第二操作周期中，被連接至第二垂直信號線23b的像素21b使FD部33b復位，且待機直到與復位電平對應的像素信號的輸出被充分地建立。
在第三操作周期中，被連接至第一垂直信號線23a的像素21a將通過PD 31a獲得的電荷傳輸至FD部33a，且待機直到具有與PD 31a中的受光量對應的信號電平的像素信號的輸出被充分地建立(信號傳輸周期)。在這個操作的同時，在第三操作周期中，被連接至第二垂直信號線23b的像素21b保持著在第二操作周期中建立的與復位電平對應的像素信號的輸出，並且列處理部41執行從像素21b輸出的具有復位電平的像素信號的AD轉換。然後，列處理部41求出與該復位電平對應的計數值與被保持在保持部55中的與像素21b的信號電平對應的計數值之間的差分，並且輸出與已經被消除了復位噪聲的像素信號對應的像素信號。
在第四操作周期中，被連接至第一垂直信號線23a的像素21a保持著在第三操作周期中建立的與信號電平對應的像素信號的輸出，並且列處理部41執行從像素21a輸出的與信號電平對應的像素信號的AD轉換。然後，列處理部41求出與具有該信號電平的像素信號對應的計數值與被保持在保持部55中的與像素21a的復位電平對應的計數值之間的差分，並且輸出與已經被消除了復位噪聲的像素信號對應的像素信號。在這個操作的同時，在第四操作周期中，被連接至第二垂直信號線23b的像素21b將通過PD 31b獲得的電荷傳輸至FD部33b，且待機直到具有與PD 31b中的受光量對應的信號電平的像素信號的輸出被充分地建立。
在第四操作周期結束之後，處理返回到第一操作周期，並且在下文中，以與上述方式相同的方式，後續各行中的像素21a和像素21b被設定為操作對象，並且按順序地重複執行從第一操作周期到第四操作周期的操作。此外，在像素21a和像素21b中，各個操作周期可以以半周期的偏移而被實施。
如上所述，在攝像元件11中，像素21a的像素信號和像素21b的像素信號之中的一個像素信號的AD轉換是在另一個像素的像素信號的建立的同時而被執行的。因此，例如，第一操作周期中的像素21b的與信號電平對應的像素信號的AD轉換被完成，並且緊接著，第二操作周期中的像素21a的與復位電平對應的像素信號的AD轉換被完成。以相同的方式，第二操作周期中的像素21a的與復位電平對應的像素信號的AD轉換被完成，並且緊接著，第三操作周期中的像素21b的與復位電平對應的像素信號的AD轉換被完成。而且，第三操作周期中的像素21b的與復位電平對應的像素信號的AD轉換被完成，並且緊接著，第四操作周期中的像素21a的與信號電平對應的像素信號的AD轉換被完成。因為第四操作周期中的像素21a的具有信號電平的像素信號和第一操作周期中的像素21b的具有信號電平的像素信號各者都對應於在各自的光電二極體中積累且被傳輸至各自的浮動擴散區(其具有與復位電平對應的預先存在的電荷)的電荷量，所以可以消除該復位電平或復位噪聲，以使得能夠獲得與已經被消除了復位噪聲的像素信號對應的像素信號。
因此，例如，與列處理部41讓AD轉換待機直到像素信號的建立完成為止的構造相比，攝像元件11能夠更高速地執行AD轉換。
這裡，將參照圖4中所示的時序圖來說明現有技術的攝像元件的AD轉換的操作。
現有技術的攝像元件被配置成包括對應於一列像素而設置的一條垂直信號線，並且在第一操作周期中，像素使FD部復位，且待機直到具有復位電平的像素信號的輸出被充分地建立，並且列處理部不執行處理。然後，在第二操作周期中，像素繼續保持著在第一操作周期中建立的具有復位電平的像素信號的輸出，並且列處理部執行從該像素輸出的與復位電平對應的像素信號的AD轉換。
在AD轉換完成之後，在第三操作周期中，像素將通過PD的光電轉換而獲得的電荷傳輸至FD部，且待機直到具有與PD中的受光量對應的信號電平的像素信號的輸出被充分地建立，並且列處理部不執行處理。然後，在第四操作周期中，像素繼續保持著在第三操作周期中建立的具有信號電平的像素信號的輸出，並且列處理部執行從該像素輸出的具有信號電平的像素信號的AD轉換。
以這種方式，在現有技術的攝像元件中，列處理部在像素信號的輸出被建立的時候不執行AD轉換，因此，為了執行像素信號的AD轉換且輸出該信號，與圖3中所示的AD轉換的操作相比，就需要使時間大致增加一倍。
此外，現有技術的一些攝像元件採用採樣/保持(Sample/Hold)技術。
這裡，將參照圖5中所示的時序圖來說明採用採樣/保持技術的現有技術的攝像元件的AD轉換操作。
如圖5所示，在採用採樣/保持技術的現有技術的攝像元件中，對應於像素的每一列而設置有一條垂直信號線，所建立的像素信號被採樣且被保持在電容元件中，因此能夠保持電壓電平。因此，可以在具有復位電平的像素信號的建立的同時執行所保持的具有信號電平的像素信號的AD轉換，並且可以在具有信號電平的像素信號的建立的同時執行所保持的具有復位電平的像素信號的AD轉換。
然而，近年來，用於諸如所謂的智慧型手機或可佩戴裝置等小型終端的固體攝像元件使用大約1微米的細小像素尺寸，因此採用採樣/保持技術是不太實際的。此外，如果用於採樣/保持的電容元件太小，那麼通過採樣/保持而產生的噪聲(即，所謂的kT/C噪聲)會增大。這種噪聲可能難以通過CDS處理而被消除，且因此圖像質量會顯著劣化。此外，如果用於採樣/保持的電容元件變大到使噪聲不會影響圖像質量的程度，那麼垂直信號線的電容負載就會增大，且因此，建立速度降低，從而導致列信號處理的處理速度降低。
與此相反，在攝像元件11中，因為在使用採樣/保持技術的構造中不會出現噪聲，所以能夠避免圖像質量劣化，並且能夠實現處理速度的提高。
此外，如圖3所示，攝像元件11以如下的順序來實施AD轉換處理，該順序是：執行像素21a的與復位電平對應的像素信號的AD轉換、執行像素21b的與復位電平對應的像素信號的AD轉換、執行像素21a的與信號電平對應的像素信號的AD轉換、以及執行像素21b的與信號電平對應的像素信號的AD轉換。例如，即使在上述PTL 2中所披露的固體攝像元件中也以同樣的順序來讀取像素信號，但是該固體攝像元件與攝像元件11的不同之處在於，AD轉換是針對具有相同的復位電平和信號電平的像素信號而被重複進行的。因此，攝像元件11具有用來消除kT/C噪聲的列處理部41的電路構造或操作順序，這與PTL 2的固體攝像元件是不同的。
接下來，圖6是圖示了攝像元件11的第二實施例的構造的一部分的框圖。在攝像元件11中，如圖6所示，與圖2中所示的攝像元件11的構造相同的構造被賦予相同的符號或附圖標記，並且將會省略這些構造的詳細說明。
如圖6所示，攝像元件11A的構造與圖2中所示的攝像元件11的構造的不同之處在於：多個像素21採用像素共用結構，在該像素共用結構中，用來構成像素21的諸如FD部33或放大電晶體34等部分是被共用的。
用來構成攝像元件11A的共用像素61採用了由以4行×2列的矩陣方式設置著的8個像素21形成的像素共用結構。攝像元件11A具有這樣的構造：在該構造中，在像素21上以所謂的拜耳模式設置有彩色濾光片，並且在圖6中，在像素21中圖示了各個彩色濾光片的顏色(R、G、B)。
此外，同樣在攝像元件11A中，以與圖2的攝像元件11相同的方式，與設置有共用像素61的每一列對應地設置有第一垂直信號線23a和第二垂直信號線23b，並且向比較器52輸入的像素信號能夠利用輸入開關51a和51b而被切換。
因此，在攝像元件11A中，針對沿列方向排列的共用像素61a和共用像素61b這兩個共用像素中所分別包含的像素21，交替地執行具有信號電平的像素信號的AD轉換和具有復位電平的像素信號的AD轉換。然後，如果共用像素61a和共用像素61b中所包含的8個像素21的像素信號的AD轉換結束，那麼將下一行中的共用像素61a和共用像素61b設定為處理對象，並且重複執行AD轉換。
以這種方式，在採用像素共用結構的攝像元件11A中，以與圖2中的攝像元件11相同的方式，能夠以低電力消耗實現AD轉換的速度提高。
接下來，圖7是圖示了根據攝像元件11的第三實施例的構造示例的一部分的框圖。在圖7所示的攝像元件11B中，與圖6中所示的攝像元件11A的構造相同的構造被賦予相同的符號或附圖標記，並且將會省略這些構造的詳細說明。
即，攝像元件11B的構造與圖6的攝像元件11A的構造的不同之處在於，自動調零技術被用來改善一個或多個特性。具體地，在攝像元件11B中，電容器71a連接於輸入開關51a與比較器52的負側上的輸入端子之間，並且電容器71b連接於輸入開關51b與比較器52的負側上的輸入端子之間。此外，在攝像元件11B中，比較器52的正側上的輸入端子經由電容器72而被連接至斜坡信號生成電路17(參照圖1)，並且比較器52的輸出端子經由反饋開關73而被連接至比較器52的負側上的輸入端子。
因此，攝像元件11B被配置成通過使用由列處理部41執行的CDS處理來抵消由於採樣而產生的噪聲(kT/C噪聲)。
將參照圖8和圖9來說明由攝像元件11B執行的CDS處理的順序。
首先，如圖8的上段所示，在第一步中，使輸入開關51a和反饋開關73閉合。然後，如圖8的中段所示，在第二步中，使反饋開關73斷開，斜坡信號開始下降，並且執行經由第一垂直信號線23a而輸入的與復位電平對應的像素信號的AD轉換。
隨後，如圖8的下段所示，在第三步中，使輸入開關51a斷開，並且使輸入開關51b和反饋開關73閉合。然後，如圖9的上段所示，在第四步中，使反饋開關73斷開，斜坡信號開始下降，並且執行經由第二垂直信號線23b而輸入的與復位電平對應的像素信號的AD轉換。
此外，如圖9的中段所示，在第五步中，使輸入開關51b斷開，使輸入開關51a閉合，斜坡信號開始下降，並且執行經由第一垂直信號線23a而輸入的與信號電平對應的像素信號的AD轉換。然後，如圖9的下段所示，在第六步中，使輸入開關51a斷開，使輸入開關51b閉合，斜坡信號開始下降，並且執行經由第二垂直信號線23b而輸入的與信號電平對應的像素信號的AD轉換。
這裡，在從第一步到第二步的過渡中，kT/C噪聲被施加到與第一垂直信號線23a連接的電容器71a中。隨後，在從第三步到第五步的過渡中，該電容器的一側變為開端(高阻抗節點)，使得電容電荷不會移動，因此，避免了新的kT/C噪聲的施加。因此，通過求出從第一步到第五步的AD轉換的結果之間的差分，並且通過執行數字CDS處理，能夠抵消kT/C噪聲。
因此，攝像元件11B能夠拍攝出具有更小噪聲的圖像，能夠避免圖像質量劣化，並且能夠實現處理速度的速度提高。
接下來，圖10是圖示了根據攝像元件11的第四實施例的構造示例的一部分的框圖。在圖10所示的攝像元件11C中，與圖7中所示的攝像元件11B的構造相同的構造被賦予相同的符號或附圖標記，並且將會省略這些構造的詳細說明。
如圖10所示，攝像元件11C的構造與圖7的攝像元件11B的構造的不同之處在於，與共用像素61的每一列對應地設置有第一垂直信號線23a-1、第二垂直信號線23b-1、第三垂直信號線23a-2和第四垂直信號線23b-2這四條垂直信號線，並且沿著像素區的列方向在下側和上側分別設置有兩個列處理部41-1和41-2。即，攝像元件11C具有添加了第三垂直信號線23a-2、第四垂直信號線23b-2和列處理部41-2的構造。此外，恆電流源42a-1被連接至第一垂直信號線23a-1，恆電流源42b-1被連接至第二垂直信號線23b-1，恆電流源42a-2被連接至第三垂直信號線23a-2，並且恆電流源42b-2被連接至第四垂直信號線23b-2。
在攝像元件11C中，共用像素61a-1經由第一垂直信號線23a-1而被連接至列處理部41-1，並且共用像素61b-1經由第二垂直信號線23b-1而被連接至列處理部41-1。此外，在攝像元件11C中，共用像素61a-2經由第三垂直信號線23a-2而被連接至列處理部41-2，並且共用像素61b-2經由第四垂直信號線23b-2而被連接至列處理部41-2。
因此，在攝像元件11C中，針對分別包括在共用像素61a-1和共用像素61b-1各者中所分別包含的像素21，在列處理部41-1中交替地執行與信號電平對應的像素信號的AD轉換和與復位電平對應的像素信號的AD轉換。與此同時，在攝像元件11C中，針對共用像素61a-2和共用像素61b-2各者中所分別包含的像素21，在列處理部41-2中交替地執行與信號電平對應的像素信號的AD轉換和與復位電平對應的像素信號的AD轉換。
以這種方式，在攝像元件11C中，列處理部41-1和列處理部41-2能夠同時執行AD轉換，且因此，例如，與圖7中的攝像元件11B相比，能夠使執行AD轉換時的速度增加一倍。
如上所述，根據上述各實施例的攝像元件11具有這樣的構造：在該構造中，未使用上述的採樣/保持技術，並且未增加列處理部41的數量。因而，能夠在不增加電力消耗的前提下實現AD轉換處理的速度提高。即，可以提高能夠執行快速處理的攝像元件11的電力效率。
接下來，將會說明攝像元件11的布線布局。
首先，將參照圖11至圖13來說明攝像元件11的布線布局的第一構造示例。圖11圖示了攝像元件11中所包括的像素21a和像素21b的平面構造。圖12圖示了與圖11中所示的XII-XII截面對應的部分的截面構造，即，圖示了將像素21a連接至第一垂直信號線23a的連接部分的截面構造。圖13圖示了與圖11中所示的XIII-XIII截面對應的部分的截面構造，即，圖示了將像素21b連接至第二垂直信號線23b的連接部分的截面構造。
如圖11所示，像素21a被配置成包括PD 31a、傳輸電晶體32a、FD部33a、放大電晶體34a、選擇電晶體35a和復位電晶體36a。此外，沿著像素21a的水平方向設置著水平信號線22VSS-a、水平信號線22TRG-a、水平信號線22RST-a、水平信號線22VDD-a和水平信號線22SEL-a，源極電壓通過水平信號線22VSS-a而被提供，行傳輸脈衝通過水平信號線22TRG-a而被提供給傳輸電晶體32a，行復位脈衝通過水平信號線22RST-a而被提供給復位電晶體36a，漏極電壓通過水平信號線22VDD-a而被提供，並且行選擇脈衝通過水平信號線22SEL-a而被提供給選擇電晶體35a。
以相同的方式，像素21b被配置成包括PD 31b、傳輸電晶體32b、FD部33b、放大電晶體34b、選擇電晶體35b和復位電晶體36b。此外，沿著像素21b的水平方向設置有水平信號線22VSS-b、水平信號線22TRG-b、水平信號線22RST-b、水平信號線22VDD-b和水平信號線22SEL-b，源極電壓通過水平信號線22VSS-b而被提供，行傳輸脈衝通過水平信號線22TRG-b而被提供給傳輸電晶體32b，行復位脈衝通過水平信號線22RST-b而被提供給復位電晶體36b，漏極電壓通過水平信號線22VDD-b而被提供，並且行選擇脈衝通過水平信號線22SEL-b而被提供給選擇電晶體35b。
此外，第一垂直信號線23a和第二垂直信號線23b沿著像素21a和像素21b的排列方向即垂直方向而被設置著。然後，在第一垂直信號線23a與第二垂直信號線23b之間設置有信號線間屏蔽件(inter-signal-line shield)101。信號線間屏蔽件101被連接至水平信號線22VSS-a和水平信號線22VSS-b，並且被固定到所述源極電壓。
這裡，因為形狀的一樣性在像素布局中通常是重要的，所以除了像素21a與第一垂直信號線23a的連接部分以及像素21b與第二垂直信號線23b的連接部分以外，像素21a和像素21b具有相同的構造。即，圖12中所示的第一像素21a與第一垂直信號線23a的連接部分的構造不同於圖13中所示的像素21b與第二垂直信號線23b的連接部分的構造。
如圖12所示，在像素21a中，從半導體基板(阱)121側開始依次層疊著柵極層、接觸層、第一金屬層、第一通路層、第二金屬層、第二通路層以及第三金屬層，在所述柵極層中形成有柵極電極122-1a和122-2a，在所述接觸層中形成有接觸部123-1a和123-2a，在所述第一金屬層中形成有金屬布線124-1a和124-2a，在所述第一通路層中形成有通路125a，在所述第二金屬層中形成有金屬布線126a，在所述第二通路層中形成有通路127a，並且在所述第三金屬層中形成有第一垂直信號線23a、第二垂直信號線23b和信號線間屏蔽件101。
金屬布線124-1a被連接至圖11中的FD部33a，並且經由接觸部123-1a而被連接至構成放大電晶體34a的柵極電極122-1a。因此，具有與存儲於FD部33a中的電荷對應的電平的電位經由金屬布線124-1a和接觸部123-1a而被施加到柵極電極122-1a上。
如圖11所示，柵極電極122-2a用於構成選擇電晶體35a並且被連接至水平信號線22SEL-a，行選擇脈衝通過該水平信號線22SEL-a而被提供。接著，位於選擇電晶體35a的源極側的擴散層經由接觸部123-2a、金屬布線124-2a、通路125a、金屬布線126a和通路127a而被連接至第一垂直信號線23a。
此外，如圖13所示，在像素21b中，以與像素21a相同的方式，在柵極層中形成有柵極電極122-1b和122-2b，在接觸層中形成有接觸部123-1b和123-2b，在第一金屬層中形成有金屬布線124-1b和124-2b，在第一通路層中形成有通路125b，在第二金屬層中形成有金屬布線126b，在第二通路層中形成有通路127b，並且在第三金屬層中形成有第一垂直信號線23a、第二垂直信號線23b和信號線間屏蔽件101。
金屬布線124-1b被連接至圖11中的FD部33b，並且經由接觸部123-1b而被連接至構成放大電晶體34b的柵極電極122-1b。因此，具有與存儲於FD部33b中的電荷對應的電平的電位經由金屬布線124-1b和接觸部123-1b而被施加到柵極電極122-1b上。
如圖11所示，柵極電極122-2b用於構成選擇電晶體35b並且被連接至水平信號線22SEL-b，行選擇脈衝通過該水平信號線22SEL-b而被提供。接著，位於選擇電晶體35b的源極側的擴散層通過接觸部123-2b、金屬布線124-2b、通路125b、金屬布線126b和通路127b而被連接至第二垂直信號線23b。
如圖12和圖13所示，在第三金屬層中，固定到源極電壓的信號線間屏蔽件101被設置於第一垂直信號線23a與第二垂直信號線23b之間。因此，例如，在第三金屬層中能夠防止在第一垂直信號線23a與第二垂直信號線23b之間直接產生耦合電容。因此，即使所執行的是諸如像素信號的AD轉換和建立同時且交替地被切換等讀取操作，也能夠防止第一垂直信號線23a和第二垂直信號線23b彼此影響，並且例如，能夠防止串擾噪聲的出現。
然而，在第三金屬層中，第一垂直信號線23a、第二垂直信號線23b和信號線間屏蔽件101是沿垂直方向設置的。在第二金屬層中，金屬布線126a和金屬布線126b是沿水平方向設置的。即，布線布局是以如下方式形成的，該方式是：在第三金屬層與第二金屬層之間，垂直信號線23與金屬布線126是交替地交叉的。
因此，如圖12所示，增加了在第三金屬層的第二垂直信號線23b與第二金屬層的金屬布線126a之間出現的耦合電容Ca。即，金屬布線126a被連接至第一垂直信號線23a，且因此在第一垂直信號線23a與第二垂直信號線23b之間間接地產生了耦合電容Ca。
以相同的方式，如圖13所示，增加了在第三金屬層的第一垂直信號線23a與第二金屬層的金屬布線126b之間產生的耦合電容Cb。即，金屬布線126b被連接至第二垂直信號線23b，且因此在第一垂直信號線23a與第二垂直信號線23b之間間接地產生了耦合電容Ca。
如上所示，在攝像元件11中，在像素21a和像素21b中，像素信號的AD轉換和建立是同時執行的，並且讀取像素信號的讀取操作是以交替地切換所述AD轉換和所述建立的方式而被執行的。在該讀取操作中，在第一垂直信號線23a和第二垂直信號線23b中在像素信號被讀取的時刻發生了偏移。由於此原因，例如，在不執行像素21a的像素信號的建立時，如果對像素21b的像素信號進行讀取，那麼第一垂直信號線23a的電位變化通過耦合電容Ca和Cb而被傳達至第二垂直信號線23b，因而信號質量有可能發生劣化性。
結果，通過第一垂直信號線23a和第二垂直信號線23b而被傳輸的像素信號的噪聲增大了，並且該噪聲可能會顯著地影響圖像質量。此外，必須確保用來充分地使信號質量返回到原始狀態的建立時間，因此，恐怕不會實現速度提高。這樣，因為通過第一垂直信號線23a與第二垂直信號線23b之間間接出現的耦合電容Ca和Cb而引起的串擾，所以會產生負面影響。
因此，在攝像元件11中採用能夠抑制該負面影響的產生的布線布局。
接下來，將參照圖14至圖16來說明攝像元件11的布線布局的第二構造示例。圖14圖示了攝像元件11中所包括的像素21a和像素21b的平面構造。圖15圖示了與圖14中所示的XV-XV截面對應的部分(即，將像素21a連接至第一垂直信號線23a的連接部分)的截面構造。圖16圖示了與圖14中所示的XVI-XVI截面對應的部分(即，將像素21b連接至第二垂直信號線23b的連接部分)的截面構造。
在圖14至圖16所示的攝像元件11的布線布局中，與參照上述圖11至圖13說明的攝像元件11的布線布局的構造相同的構造被賦予相同的符號或附圖標記，因此，將會省略這些構造的詳細說明。例如，在攝像元件11的布線布局的第二構造示例中，圖14至圖16中所示的連接部分的構造不同於參照上述圖11至圖13說明的攝像元件11的布線布局的構造。
例如，如圖15所示，在將像素21a連接至第一垂直信號線23a的連接部分中，在第一金屬層中形成有直到第二垂直信號線23b下方的位置處的金屬布線124-3a。此外，在第二金屬層中，以分離的方式形成了金屬布線126-1a和金屬布線126-2a。接著，金屬布線126-1a通過通路125a而被連接至金屬布線124-3a，並且通過通路127-1a而被連接至第一垂直信號線23a。此外，金屬布線126-2a通過通路127-2a而被連接至信號線間屏蔽件101。
以這種方式，在將像素21a連接至第一垂直信號線23a的連接部分中，通過被設置於第一金屬層中的金屬布線124-3a以及被設置於第二金屬層中的金屬布線126-1a和金屬布線126-2a來形成兩層結構。接著，與固定到源極電位的信號線間屏蔽件101連接的金屬布線126-2a被設置於第二垂直信號線23b與金屬布線124-3a之間。因此，提供了如下的屏蔽結構：在該屏蔽結構中，第一垂直信號線23a相對於不用來從像素21a讀取像素信號的第二垂直信號線23b而被屏蔽開。即，在第二垂直信號線23b與金屬布線126-2a之間產生了耦合電容Ca'，並且在上述的第一垂直信號線23a與第二垂直信號線23b之間耦合電容Ca(圖12)能夠被減小。
以相同的方式，如圖16所示，在將像素21b連接至第二垂直信號線23b的連接部分中，在第一金屬層中形成有直到第二垂直信號線23b下方的位置處的金屬布線124-3b。此外，在第二金屬層中，以分離的方式形成了金屬布線126-1b和金屬布線126-2b。接著，金屬布線126-2b通過通路125b而被連接至金屬布線124-3b，並且通過通路127-1b而被連接至第二垂直信號線23b。此外，金屬布線126-1b通過通路127-2b而被連接至信號線間屏蔽件101。
以這種方式，在將像素21b連接至第二垂直信號線23b的連接部分中，通過被設置於第一金屬層中的金屬布線124-3b以及被設置於第二金屬層中的金屬布線126-1b和金屬布線126-2b來形成兩層結構。接著，與固定到源極電位的信號線間屏蔽件101連接的金屬布線126-1b被設置於第一垂直信號線23a與金屬布線124-3b之間。因此，提供了如下的屏蔽結構：在該屏蔽結構中，第二垂直信號線23b相對於不用來從像素21b讀取像素信號的第一垂直信號線23a而被屏蔽開。即，在第一垂直信號線23a與金屬布線126-1b之間產生了耦合電容Cb'，並且在上述的第一垂直信號線23a與第二垂直信號線23b之間耦合電容Cb(圖13)能夠被減小。
如上所述，攝像元件11能夠在將像素21a連接至第一垂直信號線23a的連接部分和將像素21b連接至第二垂直信號線23b的連接部分中配備用於互補性屏蔽的屏蔽結構。
即，在將像素21a連接至第一垂直信號線23a的連接部分中，通過把被設置於金屬布線124-3a與第二垂直信號線23b之間的金屬布線126-2a連接至信號線間屏蔽件101，形成了將第一垂直信號線23a相對於第二垂直信號線23b屏蔽開的屏蔽結構。以相同的方式，在將像素21b連接至第二垂直信號線23b的連接部分中，通過把被設置於金屬布線124-3b與第一垂直信號線23a之間的金屬布線126-1b連接至信號線間屏蔽件101，形成了將第二垂直信號線23b相對於第一垂直信號線23a屏蔽開的屏蔽結構。
這樣，就能夠減小第一垂直信號線23a與第二垂直信號線23b之間的耦合電容，並且能夠抑制串擾的出現。因此，能夠降低通過第一垂直信號線23a和第二垂直信號線23b而被傳輸的像素信號的噪聲，並且能夠獲得具有更好的圖像質量的圖像。此外，不必確保長的、用於充分地使信號質量返回到原始狀態的建立時間，並且因為建立時間的量可以減少，所以可以增大處理速度。
因此，在用於執行諸如同時且交替地切換像素信號的AD轉換和建立等讀取操作的攝像元件11中，可以實現速度提高和高精度。
參照圖14至圖16說明的布線布局不受限於像素21的共用數、垂直信號線23的數量、以及構成像素21的電晶體的方向(包括各元件的布置、或單位像素中的反轉布置等)，並且能夠被應用到具有各種各樣構造的攝像元件11。
此外，本發明不受限於針對像素列而設置兩條垂直信號線23的構造，因為本發明能夠應用到設置有三條以上垂直信號線23的構造並且能夠針對任意的垂直信號線23的組合進行互補性屏蔽。在設置有例如四條垂直信號線23的構造中，由第三垂直信號線23和第四垂直信號線23組成的一對垂直信號線可以相對於由第一垂直信號線23和第二垂直信號線23組成的另一對垂直信號線而被互補性地屏蔽。在這種構造中，第一金屬層中的金屬布線124的數量能夠被減少與兩條垂直信號線23相應的線數，且因此能夠防止負載的增大。
此外，例如，通過進一步向上述第一金屬層至第三金屬層添加金屬層並且由此構成同樣的屏蔽結構，可以進一步抑制串擾。
參照圖14至圖16說明的屏蔽結構可以被應用於例如源極跟隨電路的輸入之間(FD部33之間)。即，當針對圖6中所示的共用像素61的單位像素中的多個FD部33而言不能忽視FD部33之間的電容時，可以在FD部33之間形成有屏蔽結構。因此，在諸如同時且交替地切換像素信號的AD轉換和建立等讀取操作中，能夠抑制在單位像素中在多個FD部33之間產生的負面影響。
然而，如上所述，攝像元件11被配置成使用輸入開關51a和51b來切換比較器52的輸入。在這種構造中，存在著如下的可能：在輸入開關51a和51b的開關操作時的注入洩漏(injection leakage)和饋通(feedthrough)向比較器52添加了噪聲。此外，存在著如下的可能：在輸入開關51a和51b被接通時的電阻可能導致通過第一垂直信號線23a和第二垂直信號線23b而被傳輸的像素信號的建立的延遲。另外，曾提出了這樣的一種安裝方法：該方法為了加速攝像元件的操作，通過使用兩個比較器同時執行讀取操作來使讀取速度增加一倍。但是，在該安裝方法中，存在著比較器的尺寸增大一倍並且電流消耗也增大一倍的可能。
因此，攝像元件11採用具有如下構造的比較器52：在該構造中，差分對部(differential pair units)彼此並行地設置著，並且用於切換所述差分對部的活動狀態和待機狀態的開關被合併進來，由此降低比較器的尺寸增大一倍和/或電流消耗也增大一倍的可能性。在這種構造中，沒有設置輸入開關51a和51b，並且第一垂直信號線23a和第二垂直信號線23b直接連接至比較器52。
圖17圖示了比較器52的電路構造。
如圖17所示，比較器52被配置成包括差分對電路201、第二放大部(第二AMP)202和第三放大部(第三AMP)203。
來自第一垂直信號線23a和第二垂直信號線23b的像素信號以及來自斜坡信號生成電路17的斜坡信號被輸入至差分對電路201。然後，來自差分對電路201的差分對輸出被提供給第二放大部202，於是在此被放大並且反相。來自第二放大部202的輸出通過第三放大部203而被放大直至預定電平，隨後作為上述的比較結果信號而被輸出。
差分對電路201被配置成包括電晶體211至213、第一差分對部214a和第二差分對部214b，並且如圖17所示，第一差分對部214a和第二差分對部214b並行地設置著。
第一差分對部214a被連接至第一垂直信號線23a和斜坡信號生成電路17，並且比較通過第一垂直信號線23a提供過來的像素信號和從斜坡信號生成電路17提供過來的斜坡信號。第二差分對部214b被連接至第二垂直信號線23b和斜坡信號生成電路17，並且比較通過第二垂直信號線23b提供過來的像素信號和通過斜坡信號生成電路17提供過來的斜坡信號。
第一差分對部214a被配置成包括一對電容器221-1a和221-2a、一對電晶體222-1a和222-2a、一對電晶體223-1a和223-2a以及一對電晶體224-1a和224-2a。
電容器221-1a被連接至第一垂直信號線23a且保持著與像素信號的電平對應的電位，並且電容器221-2a被連接至斜坡信號生成電路17且保持著與斜坡信號的電平對應的電位。
保持在電容器221-1a中的電位被施加給電晶體222-1a的柵極電極，並且保持在電容器221-2a中的電位被施加給電晶體222-2a的柵極電極。因此，這一對電晶體222-1a和222-2a被用來比較通過第一垂直信號線23a提供過來的像素信號和通過斜坡信號生成電路17提供過來的斜坡信號。
電晶體223-1a被設置成連接於電容器221-1a跟電晶體222-1a的柵極電極的連接點與電晶體222-1a跟電晶體224-1a的連接點之間。此外，電晶體223-2a被設置成連接於電容器221-2a跟電晶體222-2a的柵極電極的連接點與電晶體222-2a跟電晶體224-2a的連接點之間。因此，這一對電晶體223-1a和223-2a被自動調零控制信號AZP-a驅動，並且執行第一差分對部214a的自動調零操作。
電晶體224-1a被設置於電晶體222-1a(其被施加有與像素信號的電平對應的電位)的源極側上。電晶體224-2a被設置於電晶體222-2a(其被施加有與斜坡信號的電平對應的電位)的源極側上。然後，所述一對電晶體224-1a和224-2a被比較操作選擇信號SEL-a驅動，並且被用來通過執行向所述一對電晶體222-1a和222-2a的電源供給的接通/關斷(ON/OFF)來切換第一差分對部214a的活動狀態和待機狀態。
即，所述一對電晶體224-1a和224-2a被接通，由此電源被供給至所述一對電晶體222-1a和222-2a。因此，第一差分對部214a進入活動狀態(ACTIVE)，並且像素信號和斜坡信號被比較。另一方面，所述一對電晶體224-1a和224-2a被關斷，由此不向所述一對電晶體222-1a和222-2a供給電源。因此，第一差分對部214a進入待機狀態(Standby)，並且像素信號和斜坡信號的比較被停止。
以與第一差分對部214a相同的方式，第二差分對部214b被配置成包括一對電容器221-1b和221-2b、一對電晶體222-1b和222-2b、一對電晶體223-1b和223-2b以及一對電晶體224-1b和224-2b。
因此，所述一對電晶體224-1b和224-2b被接通，由此電源被供給至所述一對電晶體222-1b和222-2b。因此，第二差分對部214b進入活動狀態，並且像素信號和斜坡信號被比較。另一方面，所述一對電晶體224-1b和224-2b被關斷，由此不向一對電晶體222-1b和222-2b供給電源。因此，第二差分對部214b進入待機狀態，並且像素信號和斜坡信號的比較被停止。
比較器52以如下這種方式而被構成：提供給電晶體224-1a和224-2a的比較操作選擇信號SEL-a以及提供給電晶體224-1b和224-2b的比較操作選擇信號SEL-b在同一時刻在電平上相互反轉。因此，第一差分對部214a和第二差分對部214b的活動狀態和待機狀態能夠被交替地切換。
例如，在從被連接至第一垂直信號線23a的像素21a輸出的像素信號的AD轉換周期(上述的圖3中的第二和第四操作周期)中，第一差分對部214a能夠被設定為活動狀態，並且第二差分對部214b能夠被設定為待機狀態。此外，在從被連接至第二垂直信號線23b的像素21b輸出的像素信號的AD轉換周期(上述的圖3中的第一和第三操作周期)中，第二差分對部214b能夠被設定為活動狀態，並且第一差分對部214a能夠被設定為待機狀態。
以這種方式，在攝像元件11中，利用被合併入比較器52中的切換部(所述一對電晶體224-1a和224-2a以及所述一對電晶體224-1b和224-2b)，作為在列處理部41中被執行AD轉換的對象的像素信號能夠被切換。
於是，因為包括具有這種構造的比較器52的攝像元件11能夠切換比較器52內的輸入，所以能夠在沒有輸入開關51a和51b的前提下將攝像元件11配置而成。因此，可以避免由於設置有輸入開關51a和51b的構造而導致的負面影響，例如，當輸入開關51a和51b被切換時所產生的噪聲，或諸如由於輸入開關51a和51b的接通電阻而導致的建立延遲等負面影響。
因此，攝像元件11能夠拍攝出具有較小噪聲的圖像，並且能夠進一步實現速度提高。
此外，與通過設置兩個比較器來實現速度提高的構造相比，比較器52能夠實現低電力消耗和小型化。即，因為比較器52共用第一差分對部214a和第二差分對部214b的電流路徑並且共用第二放大部202和第三放大部203，所以比較器52能夠以與設置有一個比較器的構造中的消耗電流相同的消耗電流而被驅動，並且比較器52能夠以被減小了上述共用部分的尺寸的面積而被安裝。例如，與具有僅包括第二差分對部214b的構造的比較器相比，比較器52能夠通過僅僅由於將第一差分對部214a設置於第二差分對部214b外側而帶來的面積增大而被實現，由此，可以減少對晶片規格的妥協(trade-off)。
接下來，圖18圖示了用來解釋比較器52的驅動的時序圖。
圖18從頂部往下按順序圖示了從斜坡信號生成電路17提供過來的斜坡信號RAMP、被提供給一對電晶體224-1a和224-2a的比較操作選擇信號SEL-a、被提供給一對電晶體224-1b和224-2b的比較操作選擇信號SEL-b、被提供給一對電晶體223-1a和223-2a的自動調零控制信號AZP-a、被提供給一對電晶體223-1b和223-2b的自動調零控制信號AZP-b以及從比較器52輸出的比較結果信號VCO。
首先，在第一周期的P階段(P phase)中，當比較操作選擇信號SEL-a變為L(低)電平並且第一差分對部214a進入活動狀態時，比較操作選擇信號SEL-b變為H(高)電平並且第二差分對部214b進入待機狀態。此外，自動調零控制信號AZP-a變為L電平並且第一差分對部214a的自動調零操作在第一周期的P階段的前半部分中被執行，隨後，具有復位電平的像素信號的AD轉換被第一差分對部214a執行。相應地，比較結果信號VCO根據通過第一垂直信號線23a輸入的具有復位電平的像素信號而被反相。
接著，在第二周期的P階段中，當比較操作選擇信號SEL-a變為H電平並且第一差分對部214a進入待機狀態時，比較操作選擇信號SEL-b變為L電平並且第二差分對部214b進入活動狀態。此外，自動調零控制信號AZP-b變為L電平並且第二差分對部214b的自動調零操作在第二周期的P階段的前半部分中被執行，隨後，具有復位電平的像素信號的AD轉換被第二差分對部214b執行。相應地，比較結果信號VCO根據通過第二垂直信號線23b輸入的具有復位電平的像素信號而被反相。
隨後，在第一周期的D階段(D phase)中，在比較操作選擇信號SEL-a變為L電平並且第一差分對部214a進入活動狀態的同時，比較操作選擇信號SEL-b變為H電平並且第二差分對部214b進入待機狀態。然後，具有信號電平的像素信號的AD轉換被第一差分對部214a執行，並且比較結果信號VCO根據通過第一垂直信號線23a輸入的具有信號電平的像素信號而被反相。
然後，在第二周期的D階段中，在比較操作選擇信號SEL-a變為H電平並且第一差分對部214a進入待機狀態的同時，比較操作選擇信號SEL-b變為L電平並且第二差分對部214b進入活動狀態。然後，具有信號電平的像素信號的AD轉換被第二差分對部214b執行，並且比較結果信號VCO根據通過第二垂直信號線23b輸入的具有信號電平的像素信號而被反相。
這樣，在包括具有圖17中所示的構造的比較器52的攝像元件11中，同樣能夠以與現有技術相同的方式來執行通過P階段和D階段而被實施的CDS操作。
此外，如圖18所示，通過執行比較操作選擇信號SEL-a和比較操作選擇信號SEL-b的反相操作，就執行了用於交替地選擇第一差分對部214a和第二差分對部214b的活動狀態和待機狀態的控制。因此，當比較操作選擇信號SEL-a處於H電平時，比較操作選擇信號SEL-b變為L電平，由此能夠防止處於活動狀態的第二差分對部214b的信號被傳播到處於待機狀態的第一差分對部214a。相反，當比較操作選擇信號SEL-b處於H電平時，比較操作選擇信號SEL-a變為L電平，由此能夠防止處於活動狀態的第一差分對部214a的信號被傳播到處於待機狀態的第二差分對部214b。
例如，在比較器52中，提供給電晶體224-1b和224-2b的比較操作選擇信號SEL-b以及提供給電晶體223-1b和223-2b的自動調零控制信號AZP-b能夠一直被固定到H電平。在這種情況下，第一差分對部214a一直處於活動狀態，第二差分對部214b一直處於待機狀態，並且比較器52能夠實施與僅使用第一差分對部214a的現有技術的比較器的驅動相同的驅動。相反，當比較操作選擇信號SEL-a和自動調零控制信號AZP-a一直被固定到H電平時，比較器52能夠實施與僅使用第二差分對部214b的現有技術的比較器的驅動相同的驅動。
圖19圖示了比較器52的電路構造的第一變形例。
在圖19所示的比較器52A中，與圖17的比較器52的構造相同的構造被賦予相同的符號或附圖標記，並且將會省略這些構造的詳細說明。即，比較器52A與圖17的比較器52的相同之處在於，比較器52A包括第二放大部202和第三放大部203並且差分對電路201A包括電晶體211至213。此外，比較器52A的構造與圖17的比較器52的構造的相同之處還在於，第一差分對部214a-A和二差分對部214b-A彼此並行地設置著。
另一方面，在比較器52A中，用來切換第一差分對部214a-A和第二差分對部214b-A的活動狀態和待機狀態的各電晶體的布置不同於圖17的比較器52中的布置。
即，在圖17的比較器52的第一差分對部214a中，用於切換活動狀態和待機狀態的一對電晶體224-1a和224-2a分別被設置於用來比較信號的一對電晶體222-1a和222-2a的源極側上。此外，在圖17的比較器52的第二差分對部214b中，用於切換活動狀態和待機狀態的一對電晶體224-1b和224-2b分別被設置於用來比較信號的一對電晶體222-1b和222-2b的源極側上。
與此相反，比較器52A的第一差分對部214a-A具有這樣的構造：在該構造中，用於切換活動狀態和待機狀態的一對電晶體225-1a和225-2a分別被設置於用來比較信號的一對電晶體222-1a和222-2a的漏極側上。以相同的方式，比較器52A的第二差分對部214b-A具有這樣的構造：在該構造中，用於切換活動狀態和待機狀態的一對電晶體225-1b和225-2b分別被設置於用來比較信號的一對電晶體222-1b和222-2b的漏極側上。
比較器52A以這種方式被配置而成，並且能夠以與圖17的比較器52相同的方式執行上面參照圖18所描述的驅動。
然後，例如，比較器52A能夠防止施加給電晶體222-2a和222-2b的柵極電極的斜坡信號通過電晶體222-2a和222-2b的漏極側的連接點而作為噪聲被傳播到電晶體222-1a和222-1b側。因此，包括比較器52A的攝像元件11能夠拍攝出具有較小噪聲的良好圖像。
圖20圖示了比較器52的電路構造的第二變形例。
在圖20所示的比較器52B中，與圖17的比較器52的構造相同的構造被賦予相同的符號或附圖標記，並且將會省略這些構造的詳細說明。即，比較器52B與圖17的比較器52的相同之處在於，比較器52B包括第二放大部202和第三放大部203並且差分對電路201B包括電晶體211至213。此外，比較器52B的構造與圖17的比較器52的構造的相同之處還在於，第一差分對部214a-B和二差分對部214b-B彼此並行地設置著。
另一方面，在比較器52B中，用來切換第一差分對部214a-B和第二差分對部214b-B的活動狀態和待機狀態的各電晶體的布置不同於圖17的比較器52中的布置。
即，在比較器52B的第一差分對部214a-B中，以與圖17的比較器52相同的方式，用於切換活動狀態和待機狀態的一對電晶體224-1a和224-2a分別被設置於用來比較信號的一對電晶體222-1a和222-2a的源極側上。除此之外，比較器52B的第一差分對部214a-B還具有這樣的構造：在該構造中，用於切換活動狀態和待機狀態的一對電晶體225-1a和225-2a分別被設置於用來比較信號的一對電晶體222-1a和222-2a的漏極側上。
即，比較器52B的第一差分對部214a-B具有這樣的構造：在該構造中，一對電晶體224-1a和224-2a以及一對電晶體225-1a和225-2a分別被設置於一對電晶體222-1a和222-2a的源極側和漏極側上。
以相同的方式，比較器52B的第二差分對部214b-B具有這樣的構造：在該構造中，一對電晶體224-1b和224-2b以及一對電晶體225-1b和225-2b分別被設置於一對電晶體222-1b和222-2b的源極側和漏極側上。
比較器52B以這種方式被配置而成，並且能夠以與圖17的比較器52相同的方式執行上面參照圖18所描述的驅動。
於是，例如，比較器52B能夠防止施加給電晶體222-2a和222-2b的柵極電極的斜坡信號通過電晶體222-2a和222-2b的漏極側的連接點而作為噪聲被傳播到電晶體222-1a和222-1b側。此外，因為處於待機狀態的那個差分對部(第一差分對部214a-B和第二差分對部214b-B中的任一者)的負載不被看作差分對輸出，所以比較器52B能夠避免由於負載增大而導致的速度降低。相應地，包括比較器52B的攝像元件11能夠高速拍攝出具有較小噪聲的良好圖像。
圖21圖示了比較器52的電路構造的第三變形例。
在圖21所示的比較器52C中，與圖17的比較器52的構造相同的構造被賦予相同的符號或附圖標記，並且將會省略這些構造的詳細說明。即，比較器52C與圖17的比較器52的相同之處在於，比較器52C包括第二放大部202和第三放大部203並且差分對電路201C包括電晶體211至213。此外，比較器52C的構造與圖17的比較器52的構造的相同之處還在於，第一差分對部214a-C和第二差分對部214b-C彼此並行地設置著。
另一方面，在比較器52C中，用於執行自動調零操作的一對電晶體223-1a和223-2a的連接構造不同於圖17的比較器52中的連接構造。
即，在圖17的比較器52的第一差分對部214a中，用於執行自動調零操作的一對電晶體223-1a和223-2a分別被設置成連接於如下兩個連接點之間：一個是用來比較信號的一對電晶體222-1a和222-2a的柵極電極與一對電容器221-1a和221-2a中的相應電容器的連接點，另一個是用來比較信號的一對電晶體222-1a和222-2a與用於切換活動狀態和待機狀態的一對電晶體224-1a和224-2a的連接點。此外，在圖17的比較器52的第二差分對部214b中，用於執行自動調零操作的一對電晶體223-1b和223-2b分別被設置成連接於如下兩個連接點之間：一個是用來比較信號的一對電晶體222-1b和222-2b的柵極電極與一對電容器221-1b和221-2b中的相應電容器的連接點，另一個是用來比較信號的一對電晶體222-1b和222-2b與用於切換活動狀態和待機狀態的一對電晶體224-1b和224-2b的連接點。
與此相反，在比較器52C的第一差分對部214a-C中，用於執行自動調零操作的一對電晶體223-1a和223-2a分別被設置成連接於如下兩者之間：一者是用來比較信號的一對電晶體222-1a和222-2a的柵極電極與一對電容器221-1a和221-2a中的相應電容器的連接點，另一者是用於切換活動狀態和待機狀態的一對電晶體224-1a和224-2a的源極側。
以相同的方式，在比較器52C的第二差分對部214b-C中，用於執行自動調零操作的一對電晶體223-1b和223-2b分別被設置成連接於如下兩者之間：一者是用來比較信號的一對電晶體222-1b和222-2b的柵極電極與一對電容器221-1b和221-2b中的相應電容器的連接點，另一者是用於切換活動狀態和待機狀態的一對電晶體224-1b和224-2b的源極側。
以這種方式配置而成的比較器52C包括一對電晶體224-1a和224-2a以及一對電晶體224-1b和224-2b，因此比較器52C能夠執行自動調零操作，並且能夠調準這些電晶體的電壓閾值之間的差分。
圖22圖示了比較器52的電路構造的第四變形例。
在圖22所示的比較器52D中，與圖17的比較器52的構造相同的構造被賦予相同的符號或附圖標記，並且將會省略這些構造的詳細說明。即，比較器52D與圖17的比較器52的相同之處在於，比較器52D包括第二放大部202和第三放大部203並且差分對電路201D包括電晶體211至213。此外，比較器52D的構造與圖17的比較器52的構造的相同之處還在於，第一差分對部214a-D和第二差分對部214b-D彼此並行地設置著。
另一方面，比較器52D的構造與圖17的比較器52的構造的不同之處在於，位於被連接至斜坡信號生成電路17並且被供給有斜坡信號的一側的電路構造被第一差分對部214a-D和第二差分對部214b-D共同使用。即，比較器52D以如下方式被配置而成：其中，位於斜坡信號側的配置有電容器221、電晶體222和電晶體223的電路構造被第一差分對部214a-D和第二差分對部214b-D共同使用。
即，第一差分對部214a-D使用位於像素信號側的配置有電容器221-1a、電晶體222-1a和電晶體223-1a的電路構造並且使用位於斜坡信號側的配置有電容器221、電晶體222和電晶體223的電路構造，來執行像素信號和斜坡信號的比較操作。以相同的方式，第二差分對部214b-D使用位於像素信號側的配置有電容器221-1b、電晶體222-1b和電晶體223-1b的電路構造並且使用位於斜坡信號側的配置有電容器221、電晶體222和電晶體223的電路構造，來執行像素信號和斜坡信號的比較操作。
於是，與第一差分對部214a-D中的位於像素信號側的電路構造連接的電晶體224-1a以及與第二差分對部214b-D中的位於像素信號側的電路構造連接的電晶體224-1b被用來切換活動狀態和待機狀態。
在以這種方式配置而成的比較器52D中，位於斜坡信號側的電路構造被第一差分對部214a-D和第二差分對部214b-D共用，且因此，例如與圖17的比較器52相比，能夠配置出小面積的比較器52D。因此，能夠實現整個攝像元件11的小型化。
接下來，將參照圖23來說明攝像元件11的驅動信號和像素信號。
圖23圖示了當以如圖24所示那樣被布置著的像素21a-1、像素21b-1、像素21a-2和像素21b-2的順序來讀取像素信號時的一個水平周期(1H)的時序圖。
從圖23的頂側往下按順序圖示了：被提供給與第一垂直信號線23a連接的像素21a-1和像素21a-2的選擇信號SEL1、復位信號RST1、傳輸信號TG1和TG2；被提供給與第二垂直信號線23b連接的像素21b-1和像素21b-2的選擇信號SEL2、復位信號RST3、傳輸信號TG3和TG4；通過第一垂直信號線23a輸出的像素信號VSL1；通過第二垂直信號線23b輸出的像素信號VSL2；以及從斜坡信號生成電路17輸出的斜坡信號Ramp。
首先，驅動像素21a-1和像素21b-1，讀取像素21a-1的P階段(具有復位電平的像素信號)，且隨後讀取像素21b-1的P階段。此後，讀取像素21a-1的D階段(具有信號電平的像素信號)，且隨後讀取像素21b-1的D階段。接著，驅動像素21a-2和像素21b-2，讀取像素21a-2的P階段，且隨後讀取像素21b-2的P階段。此後，讀取像素21a-2的D階段，且隨後讀取像素21b-2的D階段。
在下文中，關於像素21a-1和像素21b-1，首先被讀取像素信號的像素21a-1稱為初級，並且隨後被讀取像素信號的像素21b-1稱為次級。類似地，像素21a-2稱為初級，並且像素21b-2稱為次級。
在根據該時序圖而被驅動的攝像元件11中，如果在像素21a和像素21b中的一者的讀取操作的期間內另一者的快門操作結束，那麼電源負載發生變化。因此，在讀取操作和快門操作同時被執行的行與僅讀取操作被執行的行之間可能會出現被為快門級差(shutter step)的橫帶狀的噪聲。
因此，在攝像元件11中，為了避免電源負載的這種變化，可以設置有偽讀取行。在偽讀取行中不執行像素信號的讀取，並且偽讀取行可以採用提供復位脈衝和傳輸脈衝的偽讀取控制。
將參照圖25和圖26來說明偽讀取控制。
圖25圖示了當執行由於偽讀取行中的傳輸信號而使得能夠抑制電源負載的變化的控制時的時序圖。
從圖25的頂側往下按順序圖示了：從斜坡信號生成電路17輸出的斜坡信號Ramp；被執行像素信號的讀取的開口行中的初級的傳輸信號和次級的傳輸信號；偽讀取行中的初級的傳輸信號和次級的傳輸信號；在未執行偽讀取控制的情況下的負電位變化；以及在執行偽讀取控制的情況下的負電位變化。負電位變化涉及與第二垂直信號線23b連接的電源。
如圖25所示，當執行偽讀取控制時，執行如下的控制：與開口行中的次級的傳輸信號的脈衝的產生時間一致地，產生偽讀取行中的次級的傳輸信號的脈衝。此外，在初級的D階段結束的時刻，執行如下的控制：產生偽讀取行中的初級的傳輸信號的脈衝。
通過執行這種偽讀取控制，就能夠使用初級行中的P階段和D階段以及次級行中的P階段和D階段來調節與第二垂直信號線23b連接的電源的負電位變化。相應地，攝像元件11能夠避免上述的被稱為快門級差的橫帶狀的噪聲。
圖26圖示了當執行由於偽讀取行中的復位信號而使得能夠抑制電源負載的變化的控制時的時序圖。
從圖26的頂側往下按順序圖示了：從斜坡信號生成電路17輸出的斜坡信號Ramp；被執行像素信號的讀取的開口行中的初級的選擇信號和次級的選擇信號；被執行像素信號的讀取的開口行中的初級的復位信號和次級的復位信號；偽讀取行中的初級的選擇信號和次級的選擇信號；以及偽讀取行中的初級的復位信號和次級的復位信號。
如圖26所示，在偽讀取行中的初級的復位信號中，在初級的P階段與次級的P階段之間執行如下的偽讀取控制：產生用於執行偽讀取操作的脈衝。
通過執行該偽讀取控制，就能夠使用初級行中的P階段和D階段以及次級行中的P階段和D階段來調節與第二垂直信號線23b連接的電源的負電位變化。相應地，攝像元件11能夠避免上述的被稱為快門級差的橫帶狀的噪聲。
如上所述，設置有不執行像素信號的讀取的偽讀取行，針對作為初級的像素21a和作為次級的像素21b而執行了能夠抑制負電位變化的偽讀取控制，且因此，攝像元件11能夠抑制噪聲的出現並且能夠拍攝出具有更高圖像質量的圖像。
然而，在攝像元件11中，當負電位被用作傳輸電晶體32或選擇電晶體35的關斷電位時，由於快門操作而導致的負電位變化或者來自垂直信號線23的電位變化的產生等會影響所讀取的信號(即，從像素21讀取的信號)。
因此，為了避免因為由於快門操作而導致的負電位變化或來自垂直信號線23的電位變化的產生等所導致的負面影響，攝像元件11能夠採用如下的構造：在該構造中，負電位被分離成用於讀取和用於快門的兩個系統。
接下來，將參照圖27至圖29來說明被配置成使負電位分離成兩個系統的攝像元件11。
圖27圖示了攝像元件11中的像素區12和垂直驅動電路13的一部分。
圖27所示的像素區12中包括以矩陣的方式設置著的多個像素21之中的16行×4列的像素21，並且像素21採用上面參照圖6所描述的像素共用結構。即，在圖27的共用像素303中，由4行×2列的八個像素21構成了像素共用結構，並且八個共用像素303被布置成4行×2列。這裡，共用像素303a-1和共用像素303a-2是初級，並且共用像素303b-1和共用像素303b-2是次級。
此外，在垂直驅動電路13中，在用於驅動上述16行中的各像素21的16行驅動部(VS_unit)301中，設置有四個4行驅動部302，它們分別對應於由每4行設置而成的共用像素303。
4行驅動部302a-1將驅動信號提供給共用像素303a-1，4行驅動部302a-2將驅動信號提供給共用像素303a-2，4行驅動部302b-1將驅動信號提供給共用像素303b-1，並且4行驅動部302b-2將驅動信號提供給共用像素303b-2。
此時，垂直驅動電路13以如下的方式被配置而成：利用驅動共用像素303a-1的4行驅動部302a-1、驅動共用像素303a-2的4行驅動部302a-2、驅動共用像素303b-1的4行驅動部302b-1和驅動共用像素303b-2的4行驅動部302b-2，把要被使用的負電位分離。
以這種方式，通過使用初級和次級來使負電位分離，可以防止由於快門操作而導致的負電位變化或來自垂直信號線23的電位變化的產生等對所讀取的信號造成影響。
這裡，將參照圖28來說明現有技術的負電位的系統分離。
如圖28所示，與像素21連接的傳輸信號供給部311被配置成包括一對電晶體321-1和321-2以及放大器322。然後，成為傳輸信號的脈衝通過反相放大部312而被反相，反相後的信號被提供給電晶體321-1，並且成為傳輸信號的上述脈衝在不反相的情況下被提供給電晶體321-2。此外，電晶體321-1通過電容器314-1而被接地，並且電荷泵313-1被連接至電晶體321-1與電容器314-1的連接點VRL1。以相同的方式，電晶體321-2通過電容器314-2而被接地，並且電荷泵313-2被連接至電晶體321-2與電容器314-2的連接點VRL2。
傳輸信號供給部311根據上述脈衝而使電荷泵313-1和電荷泵313-2在讀取狀態和建立狀態間切換，並且因此，傳輸信號供給部311被配置成針對各個狀態而將負電位分離。
以這種方式，在現有技術中，負電位在一個像素21的讀取狀態和建立狀態下分離。在作為初級的像素21a與作為次級的像素21b之間未考慮負電位的分離。
與此相反，將參照圖29來說明攝像元件11的負電位的系統分離。
如圖29所示，在攝像元件11中，在作為初級的像素21a與作為次級的像素21b中執行了負電位的系統分離。
即，傳輸信號供給部311被配置成包括向像素21a提供傳輸信號的放大器322a和向像素21b提供傳輸信號的放大器322b。接著，放大器322a通過電容器314a而被接地，並且電荷泵313a被連接至放大器322a與電容器314a的連接點VRL2。以相同的方式，放大器322b通過電容器314b而被接地，並且電荷泵313b被連接至放大器322b與電容器314b的連接點VRL1。
以這種方式，攝像元件11被配置成將負電位在作為初級的像素21a和作為次級的像素21b中分離。相應地，能夠抑制在像素21a與像素21b之間產生噪聲。因此，攝像元件11能夠防止噪聲影響到像素，並且能夠拍攝出具有更高圖像質量的圖像。
在本實施例中，使用了這樣的構造示例：在該構造示例中，與以矩陣的方式設置於像素區12中的像素21的一列對應地設置有第一垂直信號線23a和第二垂直信號線23b這兩條信號線，但是也可以使用設置有兩條以上的多條垂直信號線23的構造。例如，在圖3的示例中，像素信號的建立和保持需要大致相同的時間，但是例如，如果AD轉換處理本身能夠被加速且用於保持像素信號的輸出的時間能夠被縮短，那麼在多個像素執行像素信號的建立的同時，從其他的多個像素輸出的像素信號的AD轉換能夠按順序被執行。因此，能夠進一步加速全體AD轉換。
此外，攝像元件11不僅能夠應用到表面照射型CMOS圖像傳感器(在該表面照射型CMOS圖像傳感器中，光照射到形成有像素21的半導體基板的層疊有布線層的表面上)，還能夠應用到背側照射型CMOS圖像傳感器(在該背側照射型CMOS圖像傳感器中，光照射到與上述表面相反的背側中)。此外，攝像元件11能夠應用到通過把形成有像素21的傳感器基板堆疊到形成有控制電路18(圖1)等的電路基板上而構成的堆疊型CMOS圖像傳感器，。此外，如上所述，用於讀取像素信號並且執行所讀取的信號的AD轉換的處理能夠通過利用控制電路18來執行程序而被實現。
根據上述各個實施例的攝像元件11能夠應用到各種各樣的電子設備，該電子設備例如是攝像系統(例如，數位照相機或數碼攝影機、具有攝像功能的行動電話、或具有攝像功能的其它設備)。
圖30是圖示了安裝在電子設備中的攝像裝置的構造示例的框圖。
如圖30所示，攝像裝置401被配置成包括光學系統402、攝像元件403、信號處理電路404、監視器405和存儲器406，並且攝像裝置401能夠拍攝靜止圖像和運動圖像。
光學系統402被配置成：其包括一個或多個鏡頭，把來自被攝對象的圖像光(即，入射光)引導到攝像元件403，並且在攝像元件403的受光面(即，傳感器部分)上進行圖像的成像。
根據上述各實施例的攝像元件11被應用為攝像元件403。在根據通過光學系統402在上述受光面中形成的圖像而定的預定時間段內，將電子存儲在攝像元件403中。然後，將與存儲在攝像元件403中的電子對應的信號提供給信號處理電路404。
信號處理電路404對從攝像元件403輸出的像素信號執行各種各樣的信號處理。通過利用信號處理電路404執行信號處理而獲得的圖像(即，圖像數據)被提供給監視器405以供顯示，並且被提供給存儲器406以供存儲(記錄)在這裡。
以這種方式配置而成的攝像裝置401能夠應用根據上述各實施例的攝像元件11，由此加速了AD轉換處理，並且因此能夠例如以更高的幀頻來拍攝圖像。
圖31是圖示了使用上述圖像傳感器(即，攝像元件11)的應用示例的圖。
上述的圖像傳感器能夠被用於下列的對諸如可見光、紅外光、紫外光或X射線等光進行感測的各種情況。
·為欣賞(觀看)而配備的攝像設備，例如數位照相機或具有照相機功能的可攜式設備。
·為交通而配備的設備，例如：為了諸如自動停車等安全駕駛、或駕駛員的狀態識別等而對車輛的前後、周圍或內部等進行拍攝的車載傳感器；用於監控行駛車輛或道路的監控相機；或用於執行例如車輛間的距離測量的測距傳感器。
·為了拍攝用戶的姿勢並根據該姿勢來執行機器操作而配備給諸如TV、冰箱或空調等家用電器的設備。
·為了醫療或保健而配備的設備，例如內窺鏡或通過接收紅外光而執行血管造影的設備。
·為了安保而配備的設備，例如用於安保的監控攝像頭或用於人物身份驗證的相機。
·為了美容而配備的設備，例如用於拍攝皮膚的皮膚測量設備或用於拍攝頭皮的顯微鏡。
·為了運動而配備的設備，例如用於運動的運動相機或可佩戴相機。
·為了農業而配備的設備，例如用於監視田地或農作物的狀況的相機。
而且，例如，本發明能夠實現下列技術方案。
(1)一種攝像元件，其包括：
像素陣列，所述像素陣列包括以矩陣模式呈二維狀布置的多個像素；
多條列信號線，所述多條列信號線對應於第一列的所述像素而被設置著，其中所述多條列信號線中的至少一條列信號線被連接至所述第一列中的兩個以上所述像素；以及
模數轉換器，所述模數轉換器被所述多條列信號線共用。
(2)根據(1)所述的攝像元件，其中，對應於所述第一列而被設置著的所述多條列信號線是彼此並行的。
(3)根據(2)或(3)所述的攝像元件，其還包括：所述多條列信號線中的第一條列信號線；和所述多條列信號線中的第二條列信號線，
其中，偶數行中的所述像素共用所述第一條列信號線，並且奇數行中的所述像素共用所述第二條列信號線。
(4)根據(1)至(3)中任一項所述的攝像元件，其中，所述多條列信號線中的一條以上列信號線被選擇性地接合至同一個比較器。
(5)根據(4)所述的攝像元件，其還包括：對應於所述多條列信號線中的各條列信號線而設置的開關，
其中，各個所述開關被接合至所述比較器的第一端子。
(6)根據(5)所述的攝像元件，其還包括：斜坡信號生成電路，所述斜坡信號生成電路被連接至所述比較器的第二端子；以及計數部，所述計數部被連接至所述比較器的輸出端子，
其中，所述計數部被接合至數據輸出信號線。
(7)根據(4)至(6)中任一項所述的攝像元件，其中所述比較器包括：第一差分對部，所述第一差分對部被連接至所述多條列信號線中的第一條列信號線；以及第二差分對部，所述第二差分對部被連接至所述多條列信號線中的第二條列信號線。
(8)根據(7)所述的攝像元件，其中，所述第一差分對部和所述第二差分對部被連接至從斜坡信號生成電路提供的斜坡信號節點。
(9)根據(8)所述的攝像元件，其中，
當所述第一差分對部活動時，所述第二差分對部是不活動的，並且
當所述第一差分對部不活動時，所述第二差分對部是活動的。
(10)根據(9)所述的攝像元件，其中，偶數行中的所述像素共用所述第一條列信號線，並且奇數行中的所述像素共用所述第二條列信號線。
(11)根據(7)至(10)中任一項所述的攝像元件，其中，來自所述第一差分對部和所述第二差分對部中的至少一者的輸出被提供給第一放大部和第二放大部中的至少一者。
(12)根據(7)至(11)中任一項所述的攝像元件，其中，所述第一差分對部包括被連接至第一自動調零連接節點的兩個電晶體，並且所述第二差分對部包括被連接至第二自動調零連接節點的兩個電晶體。
(13)根據(7)至(12)中任一項所述的攝像元件，其中，所述第一差分對部包括被連接至第一自動調零連接節點的電晶體，所述第二差分對部包括被連接至第二自動調零連接節點的電晶體，並且所述第一差分對部和所述第二差分對部共用被連接至第三自動調零連接節點的電晶體。
(14)根據(4)至(6)中任一項所述的攝像元件，其還包括：對應於所述多條列信號線中的各條列信號線而設置的開關；以及對應於所述多條列信號線中的各條列信號線而設置的電容器，
其中，所述電容器的第一端子被連接至所述開關，並且所述電容器的第二端子被連接至所述比較器的第一端子。
(15)根據(1)至(14)中任一項所述的攝像元件，其還包括：第一像素共用結構，它包括相鄰列中的至少兩個像素和相鄰行中的至少兩個像素；第二像素共用結構，它包括相鄰列中的至少兩個像素和相鄰行中的至少兩個像素，
其中，所述第一像素共用結構和所述第二像素共用結構被布置在同一列中，
所述第一像素共用結構被連接至所述多條列信號線中的第一條列信號線，並且
所述第二像素共用結構被連接至所述多條列信號線中的第二條列信號線。
(16)根據(15)所述的攝像元件，其還包括彩色濾光片，所述彩色濾光片被設置於相鄰列中的所述至少兩個像素上和相鄰行中的所述至少兩個像素上，
其中，所述彩色濾光片按照拜耳模式而被布置著。
(17)根據(1)至(16)中任一項所述的攝像元件，其中，與所述多條列信號線中的第二條列信號線相關的復位信號的讀取發生在如下兩個讀取之間：一個是與所述多條列信號線中的第一條列信號線相關的復位信號的讀取，另一個是與被連接至所述第一條列信號線的光電二極體中的受光量對應的信號的讀取。
(18)一種電子設備，其包括：
光學系統，所述光學系統包括至少一個鏡頭；以及
攝像元件，所述攝像元件被配置成接收通過所述光學系統的光，其中所述攝像元件包括：
像素陣列，所述像素陣列包括以矩陣模式呈二維狀布置的像素；
多條列信號線，所述多條列信號線對應於第一列的所述像素而被設置著，其中所述多條列信號線中的至少一條列信號線被連接至所述第一列中的兩個以上所述像素；以及
模數轉換器，所述模數轉換器被所述多條列信號線共用。
(19)一種比較器，它包括差分對電路，所述差分對電路包括：第一差分對部，它被連接至攝像元件的第一條列信號線；以及第二差分對部，它被連接至所述攝像元件的第二條列信號線，
其中，所述第一條列信號線和所述第二條列信號線用於像素陣列中的像素陣列單元的同一列。
(20)根據(19)所述的比較器，其中，所述第一差分對部和所述第二差分對部被連接至從斜坡信號生成電路提供的斜坡信號節點。
(21)根據(19)或(20)所述的比較器，其中，
當所述第一差分對部活動時，所述第二差分對部是不活動的，並且
當所述第一差分對部不活動時，所述第二差分對部是活動的。
(22)根據(19)至(21)中任一項所述的比較器，其中，偶數行中的像素單元共用所述第一條列信號線，並且奇數行中的像素單元共用所述第二條列信號線。
(23)根據(19)至(22)中任一項所述的比較器，其還包括：第一放大部；和第二放大部，
其中，來自所述第一差分對部和所述第二差分對部中的至少一者的輸出被提供給所述第一放大部和所述第二放大部。
(24)根據(19)至(23)中任一項所述的比較器，其中，所述第一差分對部包括被連接至第一自動調零連接節點的兩個電晶體，並且所述第二差分對部包括被連接至第二自動調零連接節點的兩個電晶體。
(25)根據(19)至(23)中任一項所述的比較器，其中，所述第一差分對部包括被連接至第一自動調零連接節點的電晶體，所述第二差分對部包括被連接至第二自動調零連接節點的電晶體，並且所述第一差分對部和所述第二差分對部共用被連接至第三自動調零連接節點的電晶體。
(26)一種攝像元件，其包括：像素區，在該像素區中以矩陣的方式設置著多個像素；以及列AD信號處理部，在該列AD信號處理部中，與所述像素的各列對應地設置有用於對從所述像素輸出的像素信號執行AD(模數)轉換的AD轉換部，並且被設置於該同一列中的多個像素通過預定數量的垂直信號線而被連接至所述AD轉換部，
其中，通過所述預定數量的垂直信號線中的一部分而被連接的所述像素執行復位操作或信號傳輸操作，而且同時，所述AD轉換部執行從通過其它所述垂直信號線而被連接的所述像素輸出的像素信號的AD轉換操作，並且這兩種操作交替地重複。
(27)根據(26)所述的攝像元件，其中，針對共用所述多個像素中的所述像素的一部分的各個共用像素，所述復位操作或所述信號傳輸操作以及所述AD轉換操作在各個所述共用像素所包括的所述像素中交替並同時地執行。
(28)根據(26)或(27)所述的攝像元件，其中，在所述預定數量的垂直信號線與所述AD轉換部的輸入端子之間分別設置著預定數量的電容器，並且開關將所述電容器連接至所述AD轉換部的輸出端子。
(29)根據(26)至(28)中任一項所述的攝像元件，其中，在所述像素區的列方向上在上側和下側分別設置著兩個所述列AD信號處理部。
(30)根據(26)至(29)中任一項所述的攝像元件，其中，所述AD轉換部被設置於所述像素的每一列中，並且被設置於所述一列中的多個像素通過第一垂直信號線或第二垂直信號線而被連接至所述AD轉換部，
其中，被連接至所述第一垂直信號線的所述像素的復位操作周期和對從被連接至所述第二垂直信號線的所述像素輸出的具有信號電平的像素信號執行AD轉換的AD轉換周期是同時發生的，
對從被連接至所述第一垂直信號線的所述像素輸出的具有復位電平的像素信號執行AD轉換的AD轉換周期和被連接至所述第二垂直信號線的所述像素的復位操作周期是同時發生的，
被連接至所述第一垂直信號線的所述像素的信號傳輸周期和對從被連接至所述第二垂直信號線的所述像素輸出的具有復位電平的像素信號執行AD轉換的AD轉換周期是同時發生的，並且
在被連接至所述第一垂直信號線的所述像素中對具有信號電平的像素信號執行AD轉換的AD轉換周期和被連接至所述第二垂直信號線的所述像素的信號傳輸周期是同時發生的。
(31)根據(30)所述的攝像元件，其中，所述AD轉換部包括保持部，所述保持部保持通過執行所述像素信號的AD轉換而獲得的值，
其中，所述AD轉換部保持通過對從被連接至所述第二垂直信號線的所述像素輸出的具有信號電平的所述像素信號執行AD轉換而獲得的值，且對從被連接至所述第二垂直信號線的所述像素輸出的具有復位電平的所述像素信號執行AD轉換，隨後輸出這兩個值之間的差分，並且
所述AD轉換部保持通過對從被連接至所述第一垂直信號線的所述像素輸出的具有復位電平的所述像素信號執行AD轉換而獲得的值，且對從被連接至所述第一垂直信號線的所述像素輸出的具有信號電平的所述像素信號執行AD轉換，隨後輸出這兩個值之間的差分。
(32)根據(26)至(31)中任一項所述的攝像元件，其中，在形成有所述預定數量的垂直信號線的金屬層中，在所述垂直信號線之間形成有被固定到預定電位的信號線間屏蔽件。
(33)根據(32)所述的攝像元件，其中，在預定像素和用來從所述預定像素讀取像素信號的預定垂直信號線的連接部分中，設置有屏蔽結構，該屏蔽結構將所述預定垂直信號線相對於不用來從所述預定像素讀取所述像素信號的其它垂直信號線屏蔽開。
(34)根據(33)所述的攝像元件，其中，所述屏蔽結構是使用至少兩個金屬層配置而成的，所述至少兩個金屬層被設置於半導體基板與形成有所述垂直信號線和所述信號線間屏蔽件的金屬層之間，
其中，所述至少兩個金屬層之中的位於上側的所述金屬層被連接至所述信號線間屏蔽件，且所述位於上側的金屬層被設置於所述至少兩個金屬層之中的位於下側的被連接至所述預定垂直信號線的所述金屬層與其它所述垂直信號線之間。
(35)根據(26)至(34)任一項所述的攝像元件，其中，
所述AD轉換部中包括比較器，在所述比較器中，對應於預定數量的各垂直信號線而以彼此並行的方式設置有差分對部，每個所述差分對部接收斜坡信號和從所述像素輸出的像素信號並且比較這兩個信號以便執行所述像素信號的AD轉換，並且
在每個所述差分對部中設置著切換部，每個所述切換部在活動狀態和待機狀態之間切換，在所述活動狀態下所述像素信號和所述斜坡信號被比較，在所述待機狀態下所述像素信號和所述斜坡信號不被比較。
(36)根據(35)所述的攝像元件，其中，所述切換部被設置於一對電晶體的源極側上，所述一對電晶體的柵極電極分別被施加有所述像素信號和所述斜坡信號。
(37)根據(35)所述的攝像元件，其中，所述切換部被設置於一對電晶體的漏極側上，所述一對電晶體的柵極電極分別被施加有所述像素信號和所述斜坡信號。
(38)根據(35)所述的攝像元件，其中，所述切換部被設置於一對電晶體的源極側和漏極側這兩側上，所述一對電晶體的柵極電極分別被施加有所述像素信號和所述斜坡信號。
(39)根據(35)所述的攝像元件，其中，
在每個所述差分對部中設置有一對電容器和一對用於自動調零的電晶體，所述一對電容器分別保持與所述像素信號和所述斜坡信號的電平對應的電位，所述一對用於自動調零的電晶體用於執行所述差分對部的自動調零操作，並且
所述一對用於自動調零的電晶體被設置成被連接在一對用於比較的電晶體跟所述電容器的各連接點與所述一對用於比較的電晶體跟所述切換部的各連接點之間，所述一對用於比較的電晶體的柵極電極分別被施加有所述像素信號和所述斜坡信號。
(40)根據(35)所述的攝像元件，其中
在每個所述差分對部中設置有一對電容器和一對電晶體，所述一對電容器分別保持與所述像素信號和所述斜坡信號的電平對應的電位，所述一對電晶體用於執行所述差分對部的自動調零操作，
所述切換部被設置於一對用於比較的電晶體的源極側上，所述一對用於比較的電晶體的柵極電極分別被施加有所述像素信號和所述斜坡信號，並且
所述一對用於自動調零的電晶體被設置成被連接在所述一對用於比較的電晶體跟所述電容器的各連接點與所述切換部的各源極側之間。
(41)根據(35)至(40)中任一項所述的攝像元件，其中，在預定數量的所述差分對部中，位於被輸入有所述斜坡信號的一側上的電路構造是共用的。
(42)根據(26)至(41)中任一項所述的攝像元件，其中，
設置有偽讀取行，在所述偽讀取行中，布置著不執行像素信號的讀取的像素，並且
執行這樣的控制：該控制能夠抑制同時並交替地執行復位操作或信號傳輸操作以及AD轉換操作的那些像素的負電位的變化。
(43)根據(26)至(41)中任一項所述的攝像元件，其中，負電位被配置成針對同時並交替地執行復位操作或信號傳輸操作以及AD轉換操作的各像素而言是分離的。
(44)一種攝像元件的攝像方法，該攝像元件包括：像素區，在該像素區中以矩陣的方式設置著多個像素；以及列AD信號處理部，在該列AD信號處理部中，對應於所述像素的各列而設置有對從所述像素輸出的像素信號執行AD(模數)轉換的AD轉換部，並且被設置於同一列中的多個像素通過預定數量的垂直信號線而被連接至所述AD轉換部，所述方法包括：使用通過所述預定數量的垂直信號線中的一部分而被連接的所述像素來執行復位操作或信號傳輸操作，並且同時，使用所述AD轉換部來執行從通過其它所述垂直信號線而被連接的所述像素輸出的像素信號的AD轉換操作，並且這兩種操作交替地重複。
(45)一種電子設備，它包括攝像元件，所述攝像元件包括：像素區，在該像素區中以矩陣的方式設置著多個像素；以及列AD信號處理部，在該列AD信號處理部中，對應於所述像素的各列而設置有對從所述像素輸出的像素信號執行AD(模數)轉換的AD轉換部，並且被設置於同一列中的多個像素通過預定數量的垂直信號線而被連接至所述AD轉換部，其中，通過所述預定數量的垂直信號線中的一部分而被連接的所述像素執行復位操作或信號傳輸操作，而且同時，所述AD轉換部執行從通過其它所述垂直信號線而被連接的所述像素輸出的像素信號的AD轉換操作，且這兩種操作交替地重複。
本領域技術人員應當理解的是，可以根據設計要求和其它因素進行各種修改、組合、子組合和變更，只要它們落入隨附權利要求及其等同物的範圍內即可。
附圖標記列表
11：攝像元件
12：像素區
13：垂直驅動電路
14：列信號處理電路
15：水平驅動電路
16：輸出電路
17：斜坡信號生成電路
18：控制電路
21：像素
22：水平信號線
23：垂直信號線
24：數據輸出信號線
31：PD(光電二極體)
32：傳輸電晶體
33：FD部(浮動擴散部)
34：放大電晶體
35：選擇電晶體
36：復位電晶體
41：列處理部
42：恆電流源
51：輸入開關
52：比較器
53：計數器
54：輸出開關
55：保持部(retention unit)
61：共用像素
71、72：電容器
73：反饋開關